수소차는 어떻게 작동할까요?

최근 전기차와 함께 친환경성으로 주목 받고 있는 수소차, 그 생태계 또한 빠르게 확장되고 있는데요.

오늘은 수소차의 원리와 현재 발전 현황, 충전소까지! 수소연료전지차에 대한 모든 것을 파헤쳐 보겠습니다.

수소차(Fuel cell electric vehicle), 물로 가는 자동차?

수소차는 수소와 공기 중의 산소가 반응해 전기를 생산하여, 구동하는 연료전지 자동차입니다. 연료전지란, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응 시켜 전지 에너지를 발생시키는 장치이고요. 수소 원자 2개와 산소 원자 하나가 결합한 것이 바로 물(H2O)이기 때문에 수소차는 물로 가는 자동차라고도 합니다.

 

한때 ‘물로 가는 자동차’가 주목을 받은 적이 있다. 휘발유 대신 물을 주유하면 자동차가 구동한다니 얼마나 획기적인 기술인가? 물이 에너지이니 배기가스도 없어 사실이라면 전 세계가 주목하는 친환경 무공해 자동차가 이미 개발됐던 셈인데, 실은 투자자를 모아 한탕을 하기 위한 ‘사기’였다. 이 기술이 현실화됐다면 대동강 물은 주유소에서 팔리는 휘발유가 되는 셈이니 떼돈을 벌 수 있었던 봉이 김선달이 아쉬울 판이다.

그런데 실제로 물로 가는 자동차가 있다.  수소에너지와 산소가 반응해 전기를 생산하고 구동하는 것이 수소자동차다. 재미있게도 물분자의 구조를 살펴보면 수소자동차의 원리와 같은 모습을 보인다. 수소 원자 2개와 산소 원자 하나가 결합한 것이 물(H2O)이니 ‘수소자동차가 곧 물로 가는 자동차’인 셈이다.

다만 수소차는 물을 집어넣으면 에너지화되는 것이 아니라, 연료탱크에 수소를 충전하고 산화제와 화학반응을 시킨다는 점에서 근본적으로 다르다.

 

충전시간 ‘짧고’ 1회 충전 주행거리 ‘길고’

수소차가 미래 그린카로 주목받는 것은 전기차보다 더 효율적이기 때문이다. 에너지가 되는 수소 충전 시간이 짧고 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리가 내연기관자동차와 비슷하다는 점이 그렇다. 무엇보다도 환경친화적이라는 것이 가장 돋보이는 장점이다.

그러나 모터로 구동되는 전기차 자체는 깨끗할지언정, 전기를 생산하는 과정이 항상 걸림돌이다. 원전이나 석탄 화력에서 생산된 전기는 위험하고 더러운데 이런 전기로 구동하는 자동차가 깨끗할 수 있느냐는 것이다. 하지만 수소차는 자동차 자체적으로 수소와 산소를 반응시켜 전기에너지를 생산하고 모터를 구동시키는 방식이니 지구온난화 재앙을 불러온다는 이산화탄소는 물론이고 미세먼지도 배출되지 않게 된다. 배기관, 즉 자동차 머플러를 통해 배출되는 것은 물이 증발한 수증기 뿐이니 당연히 깨끗할 수밖에 없다.

그러나 수소차가 좋은 줄 알면서도 상용화의 길은 여전히 멀고도 험난하다. 수소 자체를 생산하는 과정에서 전기와 마찬가지로 환경을 오염시킬 여지가 있고, 생산 비용 또한 만만치 않은 것이 그 이유다.

 

충전 인프라 구축 과정서 님비 현상 넘어야

수소차는 전기를 생산하는 연료전지, 내연기관자동차 연료저장탱크 개념인 수소탱크 그리고 자동차를 달리게 하는 모터로 구성된다. 그런데 수소 생산 과정이 환경친화적이지 않을 수 있다는 논란, 저장 과정에서 고비용이 소요된다는 점, 충전 인프라 구축 과정에서 예상되는 님비 현상 등이 걸림돌이 될 수 있다.

물을 전기분해하거나 신재생에너지를 활용한 수소 생산이 전제된다면 환경친화적이고 지속 가능한 에너지로 주목받을 수 있다. 하지만 현재로는 천연가스나 LPG, 나프타 같은 화석연료를 개질해 수소를 생산해야 하니 전기차와 마찬가지로 수소차 자체는 무공해지만, 수소 생산 과정은 아니라는 지적을 받을 수 있다.

수소를 생산, 충전해 에너지로 공급하는 인프라 구축은 더욱 어려운 과정이 예상된다. 수소차는 에너지인 수소를 충전소에서 공급받아야 하는데 그 과정에서 700기압 이상의 고압 압축에 필요한 컴프레서와 압축저장 탱크, 차량에 수소를 충전하는 디스펜서가 필요하다. 충전소에서 수소를 직접 생산할 수도 있는데 이때는 천연가스-수소 개질 장치가 필요하다. 휘발유나 경유 같은 화석연료 저장 시설보다 더 높은 안전성능이 요구되고 인프라 구축에도 월등하게 높은 비용이 투입돼야 한다.

수소차가 안정적으로 에너지를 공급받을 수 있는 충전 인프라를 전국적으로 설치하는 과정도 쉽지 않다는 분석이다. 님비 현상이 심각한 우리 여건에서 도심지에 공급 인프라를 구축하는데 상당한 사회적 반발이 예상되기 때문이다.

하지만 단순히 물을 넣어 에너지화시키는 것이 아니라, 연료 탱크에 충전된 수소와 화학반응을 통해 에너지를 만들어 내는 것이죠.

수소차는 수소와 산소가 반응하기 때문에 물 이외의 배출가스가 발생하지 않는 환경친화적 자동차입니다. 탄소 원자를 포함하지 않은 수소는 물의 전기분해로 만드는 재생 가능한 에너지원이라 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 단위 질량당 에너지 또한 매우 큰 특성이 있어 수소는 연료로서 주목받고 있습니다.

수소차의 작동 원리

수소가 연료전지에 공급되면, 전자와 수소이온으로 분리됩니다. 이때 발생한 전자들이 연료전지의 양극(+)에는 산소로, 음극(-)에는 수소로 생성되는데요. 이로 인해 차를 움직일 수 있는 전기가 발생하고, 이 전기로 차가 동력을 얻게 되는 원리입니다.

수소차는 연료전지스택, 모터, 배터리, 수소탱크, 열・물 관리 장치, 공조 장치, 전력변환 장치, 고압 밸브 등이 탑재되어 있어요. 이 중 연료전지스택(Stack)은 일반적으로 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체로, 수소와 산소의 화학반응이 일어나 전기가 발생하는 지점입니다.

수소탱크의 안전성

간혹 수소탱크의 위험성에 대해 걱정하시는 분들이 계신데요, 아주 높은 전압이 흐르는 수소탱크는 고압에서 잘 견딜 수 있도록 철보다 10배 높은 강도의 탄소섬유 강화 플라스틱으로 제작됩니다. 더불어 최소 1,575기압 이상의 내부압력을 버티도록 설계되어 있으며, 충격을 완화해주는 장치와 화염에도 장시간 견딜 수 있는 코팅이 적용되어 안전성이 충분히 확보돼 있으니 걱정 마세요 

 

‘제3차 에너지기본계획’을 통해 정부의 수소·전기차로의 전환 추진이 반영된 목표 시나리오상의 석유 수요는 2020년 947.2백만 배럴에서 2025년 956.9백만 배럴까지는 증가하지만, 이후 2040년까지 연평균 0.4% 감소하여 2040년 869백만 배럴까지 축소될 것으로 전망된다. 이로 인해 BAU에 해당하는 기준 시나리오와 비교해서 2030년 8%(75.백만 배럴), 2035년에는 11.9%(107.9백만 배럴), 나아가 2040년에는 15.6%(135.6백만 배럴) 정도 석유 수요가 감소될 것으로 전망되었다. 다시 말해 수소·전기차로의 전환 추진 등 ‘제3차 에너지기본계획’에 따른 석유 수요 저감조치들이 실행될 경우, 2040년까지 석유제품 내수 시장이 적어도 15% 이상 축소될 것으로 보인다.

제품별로는 2040년까지 BAU에 해당하는 기준 시나리오와 비교해서 등유가 41%로 가장 높은 수요 저감율을 보이지만, 이는 기저효과에 기인한 것으로 보이며, 실제 물량 기준으로는 수송용 에너지인 경유와 휘발유 그리고 부탄 순으로 수요 규모가 큰 것으로 보인다. 우선 가장 수요가 많이 축소될 것으로 보이는 경유는 BAU에 해당하는 기준 시나리오와 비교해서 2030년 29.5백만 배럴(18.3%)에서 2035년 42.5백만 배럴(27.8%), 2040년에는 54.7백만 배럴(37.7%)이 줄어들 것으로 전망된다. 휘발유도 BAU에 해당하는 기준 시나리오와 비교해서 2030년 16.8백만 배럴(19%)에서 2035년 24.6백만 배럴(28.5%), 2040년에는 31백만 배럴(37.7%)까지 줄어들 것으로 보인다. 부탄 역시 2030년 8백만 배럴(18%), 2035년 12.4백만 배럴(27.9%) 그리고 2040년 15.9백만 배럴(36.7%) 축소될 것으로 전망된다.

지금, 수소차는 어디쯤 있을까

수소연료전지 자동차(Fuel cell electric vehicle, FCEV)인 수소차를 세계 최초로 개발한 회사는 다임러 크라이슬러로 1994년 수소저장방식의 연료전지를 이용한 NECAR1(New Electric Car)을 선보였어요. 현재 다임러 크라이슬러를 비롯한 여러 자동차 회사들이 수소차 개발에 투자하고 있으며, 수소차 시장 선점을 위한 각축전이 오가고 있는 상황입니다.

 

정부는 지난 2019년에 ‘수소 경제 활성화 로드맵’을 통해 2040년까지 수소경제 활성화를 위한 수소 생산·저장·운송·활용 전 분야를 아우르는 추진전략을 발표했습니다. 수소차와 연료전지를 양대 축으로 하는 이 로드맵에 따라 다양한 정책이 추진되고 있는데요, 수소차 보급 확대 또한 주요 정책 중 하나이죠. 보조금 지원 정책 등 적극적인 정부 지원에 힘입어 우리나라의 수소차 보급률은 세계1위에 달합니다. 한국자동차산업협회(KAMA)에 따르면 ’21년 3월, 전세계 수소차 3만 7,400대 중 1/3에 해당하는 1만 2,439대가 우리나라에서 운행중이라고 합니다.

빠르게 보급되는 수소차량에 비해 수소차 충전 인프라는 부족한게 현실인데요, GS칼텍스는 수소차 충전 인프라 구축에도 발빠르게 대응하고 있습니다.

 

출처: GS칼텍스