수소 연료전지 전기 자동차(FCEV)는 지난 20년 동안 여러 차례 주목을 받았다가 사라졌습니다. 사실 최초의 수소전기차는 1966년 쉐보레 일렉트로밴으로 거슬러 올라가며, 2000년대 초반에는 거의 모든 주요 자동차 제조업체에서 콘셉트카 형태로 소량 생산한 실용적인 사례들이 소개되었습니다. 2008년에는 혼다가 최초로 실제 고객에게 수소전기차를 리스했으며, 현대자동차는 2013년 ix35 Fuel Cell을 시작으로 수소전기차를 본격적으로 양산한 최초의 자동차 제조업체입니다. 수소전기차 보급은 매우 제한적이었으며, 수소 충전 네트워크가 가장 잘 구축된 한국, 도쿄, 캘리포니아 등 특정 시장에서 연간 1만 대 정도만 판매되었습니다. 그렇다면 고객이 왜 BEV(또는 ICE) 대신 수소전기차를 원할까요? 수소전기차는 배기관에서 물만 배출하는 BEV의 친환경 이동성을 제공하면서도 3~5분이면 주유할 수 있고 완충 시 주행 거리가 긴 ICE 차량의 주유 편의성을 갖췄기 때문입니다. 소비자 입장에서는 두 가지 장점을 모두 누릴 수 있다는 약속을 하는 셈입니다. 하지만 언제나 그렇듯이 악마는 디테일에 있습니다.
이 주제에 대한 이전 글에서는 BEV가 실제로 내연기관 차량에 비해 초기 탄소 발자국이 매우 크다는 점에 대해 이야기했습니다. 이는 모든 차량에 있어 중요한 척도이며, 많은 기업과 정부가 BEV를 더 나은 차량으로 가는 디딤돌로 보는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다. 연료전지 기술은 실제로 '더 나은 무언가'일 수 있지만, 요람에서 무덤까지 세부 사항을 먼저 살펴봅시다. 현재 추정치에 따르면 수소전기차의 생산 및 재활용 과정에서 배출되는 온실가스는 BEV보다 약 40% 더 많은 것으로 나타났습니다. BEV의 탄소 발자국은 자동차 제조업체와 환경 보호 단체뿐만 아니라 소비자들에게도 큰 관심사입니다. 실제로 6,000명 이상의 소비자를 대상으로 실시한 SBD의 2021년 설문조사에서 내연기관 차량 소유자의 38%가 배터리 생산이 환경에 미치는 영향을 우려한 반면, 전기차 소유자의 69%는 탄소 발자국에 대한 인식이 전기차 보급이 증가함에 따라 높아질 것으로 예상했습니다. 따라서 처음부터 수소전기차가 BEV와 비교했을 때 앞으로 나아갈 길이 분명해 보일 수 있지만, 물론 사용 단계도 살펴봐야 합니다. 여기서 상황이 더 복잡해집니다.
먼저 연료 자체에 대해 살펴봅시다. 수소는 다양한 방법으로 생산할 수 있습니다. 수소는 자연 상태의 H2라는 매우 가벼운 기체이기 때문에 대기권 하층에는 상당량 존재하지 않기 때문에 단순히 공기에서 채취할 수 없습니다. 대신 수소가 다른 원소와 결합된 분자에서 추출해야 합니다. 이러한 분자 결합은 매우 강하기 때문에 이를 끊으려면 많은 에너지가 필요합니다. 수소의 가장 풍부한 공급원은 수소 원자 두 개가 산소 원자 하나에 결합된 H2O인 물입니다. 이러한 원소를 분리하는 간단한 방법은 물에 전류를 흘려 분자 결합이 끊어지고 원소가 기체로 방출되는 전기 분해 과정을 이용하는 것입니다. 이 수소 가스 생산 방법은 모든 전기 공급원을 사용할 수 있다는 점에서 매우 유연하여 생산자가 태양열 및 풍력 등 완전히 재생 가능한 공급원을 선택할 수 있습니다. 재생 가능한 에너지원을 사용하는 경우 이 수소를 '친환경' 수소라고 합니다.
그러나 전기분해는 수소를 생산하는 가장 효율적인 방법은 아니며, 효율은 약 80%에 불과하고 비용은 약 10달러/kg입니다. 오늘날 생산되는 수소의 대부분(약 96%)은 메탄(천연가스)의 증기 개질로 생산되며, 효율은 최대 85%에 달하고 비용은 약 2달러/kg에 불과합니다. 이러한 방식으로 생산된 수소 가스와 다른 탄화수소 공급 원료에서 생산된 수소를 '블루' 수소라고 합니다. 청색 수소는 탄화수소에서 나오기 때문에 재생이 불가능하고 탄소 포집 공정이 없으면 일산화탄소와 이산화탄소 형태로 상당량의 탄소를 대기 중으로 방출할 수 있습니다. 이러한 부정적인 환경 영향 때문에 수소전기차가 제공하는 환경적 이점을 실현하기 위해서는 인증된 친환경 수소만을 사용하는 것이 중요합니다. 현재 청색 수소의 5배에 달하는 가격으로 인해 수소 생산의 효과에 대한 정부의 의무와 소비자의 의식을 통해서만 상업적 성공을 거둘 수 있습니다.
수소를 생산한 후에는 충전소로 운송해야 합니다. 미래에는 주로 파이프라인을 통해 장거리 운송이 이루어질 수 있지만, 현재는 대부분의 운송이 냉장 트럭을 통해 이루어지고 있습니다. 물론 운송과 냉장에도 에너지가 필요하며, 이는 특정 위치에 따라 다릅니다. 충전소로 운송된 수소는 차량의 수소 탱크에 저장해야 합니다. 수소의 밀도가 매우 낮기 때문에(0.07g/L) 차량에 저장하려면 가스를 극한의 압력으로 압축해야 합니다. 예를 들어 도요타 미라이의 경우 탱크에 약 5kg의 수소를 저장할 수 있습니다. 가스가 표준 대기압이라면 탱크의 부피가 71,500리터에 달해야 하는데, 이는 물론 비현실적입니다. 대신 미라이의 탱크는 142리터에 불과하기 때문에 5kg의 수소를 탱크에 넣으려면 수소를 700bar(10,000psi 이상)로 압축해야 합니다. 이 압축 과정에서도 수소에 포함된 에너지의 약 10%에 해당하는 에너지가 소비되고 폐열이 발생합니다.
수소전기차에 동력을 공급하는 데 사용되는 수소는 본질적으로 전기 분해 공장에서 전기를 수소로 '변환'한 다음 차량의 연료 전지에서 다시 전기로 변환하기 때문에 전기의 화학적 운반체라고 생각할 수 있습니다. 안타깝게도 양쪽 끝에서 이러한 변환이 이루어지면 전체 공정의 효율성이 크게 떨어집니다. 최신 연료 전지의 효율은 약 60%로, 수소와 산소의 재결합으로 얻은 에너지의 40%가 전기가 아닌 열의 형태로 손실됩니다. 추운 기후에서는 이 열 에너지를 차량 실내 난방에 사용할 수 있어 전기를 사용하여 실내를 데워야 하므로 주행 거리가 줄어드는 BEV에 비해 시스템 효율이 크게 향상됩니다. 그러나 따뜻한 기후에서는 열이 대기 중으로 방출되어 효율이 60% 수준으로 떨어집니다.
연료 전지 또는 배터리에서 생산된 전기가 교류 파형으로 변환되어 자동차 파워트레인의 모터에 동력을 공급하는 나머지 과정은 수소전기차와 BEV가 거의 동일합니다. 수소전기차에는 일반적으로 BEV와 마찬가지로 제동 시 운동 에너지를 회수할 수 있는 소형 배터리가 포함되어 있어 주행 효율은 거의 동일합니다. 하지만 한 걸음 물러서서 BEV와 동급 수소전기차의 '바퀴 대비' 효율 수치를 비교해보면, 현재로서는 수소전기차가 그다지 유망해 보이지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 두 에너지 스트림이 모두 동일한 재생 에너지로 구동된다고 하더라도, 수소전기차의 효율은 약 40%에 불과한 반면 BEV의 효율은 80%에 가까운데, 이는 주로 전기 전송과 교류에서 직류로의 변환에서 손실이 발생하기 때문입니다.
그렇다면 효율성이 BEV의 약 절반에 불과한 수소전기차를 고려하는 이유는 무엇일까요? 앞서 설명한 것처럼 수소전기차 생산은 BEV보다 환경 친화적이기 때문에 OEM과 정부에 매우 매력적입니다. 또한 효율은 훨씬 낮지만 수소전기차의 연료는 재생 에너지로만 생산할 수 있기 때문에 환경 규제 기관의 입장에서도 좋은 평가를 받고 있습니다. 하지만 수소전기차의 진정한 잠재력은 승용차가 아니라 장거리 트럭에 있습니다. 이 시리즈의 첫 번째 포스팅에서 설명했듯이 장거리 트럭은 엄청난 양의 배터리가 필요하기 때문에 최대 적재량이 줄어들고 충전 시간이 오래 걸리기 때문에 배터리 구동식 추진 방식에 적합하지 않습니다. 압축 수소는 에너지 밀도가 매우 높기 때문에 연료전지 트럭은 빠른 주유, 긴 주행 거리, 낮은 생산 탄소 발자국 등 연료전지 자동차와 동일한 이점을 누릴 수 있습니다. 효율성 문제도 동일하지만 연료 전지의 효율성은 여전히 디젤 엔진보다 높기 때문에 오늘날의 기술로는 수소가 탄소 중립적인 장거리 트럭을 위한 유일한 옵션이 될 수 있습니다.
많은 정부가 수소를 단순한 연료가 아닌 에너지 저장 및 전송의 중추를 형성하고 이전에는 불가능했던 에너지 자립을 가능하게 하는 전체 경제의 일부로 보기 시작하고 있습니다. 또한 수소는 청정 연료로 연소하거나 암모니아와 같은 다른 연료 생산의 기초로 사용할 수 있기 때문에 활용도가 매우 높습니다. 이러한 요인으로 인해 프랑스, 독일, 일본, 한국 등에서는 수소 연구와 인프라 개발에 대한 정부의 강력한 지원이 이루어지고 있습니다. 연구자들이 전해조와 연료전지의 효율을 크게 개선할 수 있다면 수소전기차가 개인용 교통수단으로 가장 친환경적인 선택이 될 수 있겠지만 아직 갈 길이 멀기만 합니다. 또 다른 가능성은 극단적인 압축 없이도 사용할 수 있는 고밀도 형태의 수소를 개발하는 것입니다. 예를 들어 암모니아(NH3)는 수소와 대기 중 질소로부터 생산할 수 있습니다. 대기압에서 같은 부피에 대해 수소보다 약 1600배 많은 수소를 함유하고 있습니다. 암모니아 연료전지 공정에는 아직 해결해야 할 많은 문제가 있지만, 적절한 발전이 이루어진다면 매우 높은 에너지 밀도와 빠른 연료 보급을 가능하게 하는 동시에 탄소 중립 운송을 지원하고 수소 기반 경제에 매우 잘 맞을 수 있습니다.
