머스크씨! 수소차도 좋아해줘요

머스크씨! 수소차도 좋아해 줘요

대학생신재생에너지기자단 20기 김지원, 21기 오화종, 21기 이고은

 

7년간 지속된 수소차에 대한 일론 머스크의 비판

2015년과 2020년 수소 연료전지에 대해 맹비난을 한 테슬라 최고경영자(CEO) 일론 머스크는 지난 2022년 5월 10일 파이낸셜타임스(FT)의 미래 자동차 콘퍼런스 ‘자동차의 미래’에서 다시 한번 자신의 입장을 관철시켰다. 일론 머스크는 지속 가능한 미래로의 전환에 대해 말하면서 수소를 “내가 상상할 수 있는 가장 멍청한 에너지 저장 연료”라며 자신의 주장을 한껏 강조하였다. 하지만 일각에서는 일론 머스크의 주 사업분야가 전기차이기 때문에 라이벌이 될 가능성이 높은 수소차를 견제하기 위한 강한 발언을 한다는 주장도 있다.

그렇다면 일론 머스크의 주장은 단순히 마케팅적인 요소만 있는 것일까? 하지만 여러 자료는 전기차 산업의 높은 활성화 정도를 증명한다.

[자료 1. 2021년 기준 전기차, 수소차 글로벌 판매량 비교]

출처 : 유튜브채널

2021년 전 세계에서 판매된 수소차는 약 1만 5,550대에 불과하지만, 전기차는 473만 대로 수소차 판매량 대비 약 200배를 자랑한다. 단편적인 수치로만 보았을 때, 전기차 산업의 활성화는 뚜렷하다.

그럼에도 불구하고, 한국은 세계 수소차 판매 현황에서 압도적인 1위를 기록하고 있으며, 그 중심에는 우리나라의 현대차가 있다. 현대차는 지금까지도 수소차 산업 활성화를 위한 여러 노력을 하고 있다. 그렇다면, 현대차는 어떤 이유에서 수소차 시장을 포기하지 않고 있는 것일까? 일론 머스크의 생각과는 다른 현대차만의 생각이 있는 것일까?

전기차와 비교하여, 수소차의 필요성에 대해 알아보고자 한다.

 

디젤차의 역할을 이어받은 수소 전기차

먼저, 전기차와 수소차에 대한 간단한 개념을 살펴보고자 한다. 

전기차에는 ‘배터리 전기차’와 ‘수소 전기차’, 2가지 종류가 있다. 통상 전기차라 불리는 ‘배터리 전기차’는 말 그대로 전기 에너지로 배터리를 충전하고 배터리 전력을 이용해서 차가 작동한다. 이와 달리, 수소 전기차는 수소 에너지로 전기를 생산하여 차가 작동한다. 수소 연료전지가 탑재되어 있으며, 이는 수소를 태워서 전기를 생산하는 발전기 역할을 한다. 통상 우리가 말하는 수소차는 ‘수소 전기차’이며, 전기차의 종류에 포함된다.

미래에 수소차가 필요한 첫 번째 이유는 산업용 운행에 대한 수소차의 적절성이다.

내연기관차가 가솔린차와 디젤차로 나뉘는 것처럼, 전기차도 앞으로 이 역할을 이어받아 배터리 전기차와 수소 전기차로 나뉜다는 것이다. 가솔린차는 보통 승용차, 디젤차는 트럭, 버스와 같은 산업, 상용차에 많이 쓰인다.

이 둘의 특징은 무엇일까?

산업용 차는 승용차보다 주행거리가 훨씬 많을 뿐만 아니라 적재 상황이 있기 때문에 에너지가 훨씬 많이 필요하다. 배터리 전기차를 사용하기 위해서는 우선 배터리를 충전해야 하는데, 배터리 용량을 키울수록 주행거리는 증가하지만 동시에 무게도 무거워진다.

하지만 수소 전기차는 그렇지 않다. 탑재된 수소 연료전지에 수소를 주입하는 방식이기 때문에 단순히 수소 탱크 용량만 늘리면 된다. 우리가 기름 탱크 용량을 늘리는 개념이랑 비슷한데, 배터리 전기차처럼 배터리를 늘릴 필요도 없으니 무게가 무거워지지 않는다.

또한, 수소 전기차 충전은 배터리 전기차 충전보다 훨씬 빠르다.

수소차 충전은 승용차를 기준으로 5분, 대형 상용차를 기준으로 8분에서 10분이 소요되며, 이는 일반 내연 기관차가 주유하는 시간과 비슷하다. 특히 상용차에는 충전 시간이 중요할 수밖에 없는데, 주행거리가 상대적으로 길기 때문에 주행 전 수소 충전은 필수적이다. 배터리 전기차는 빨라야 30분이고, 대형차를 감안해도 40분에서 1시간이 기본이다. 이는 주행마다 충전을 해야 하는 상용차에 불편한 요소일 수밖에 없다.

결론적으로, 가솔린차가 승용차로 많이 쓰이고 디젤차가 상용차에 많이 쓰이는 것처럼, 배터리 전기차가 승용차, 수소 전기차가 화물차 위주로 생산과 보급이 이루어질 것이다.

[자료 2. 유튜브 ‘Hydrogen Wave’ 소개 영상 중 수소 상용차 모델]

출처 : 현대차유튜브

2021년 9월 7일 현대차 그룹에서 유튜브 채널을 통해 소개된 Hydrogen Wave(하이드로젠 웨이브) 영상을 통해 현대차가 준비하는 미래 수소 비전을 엿볼 수 있다. 현대차는 환경문제에 치명적일 수밖에 없는 자동차 시장에서 해결책을 찾기 위해 최근 20여 년 동안 수소 사회를 준비했다고 한다. 현대차는 수소 사회 적용의 시작을 앞서 말한 상용차, 즉 트럭, 버스, 화물차에 가장 먼저 실행하고자 한다. 2028년도를 목표로 수소 전기차(FCEV), EV 전기차로만 상용차를 출시할 예정이고, 2040년까지 미래 수소 사회를 달성하고자 하는 계획을 세웠다.

한마디로, 미래 계획의 첫 단추를 수소 상용차로부터 시작하는 것은 가장 현실적이고 실행 가능한 시작점이라는 것이다.

 

수소 연료의 안전성

‘수소’ 하면 자연스럽게 연관되는 ‘수소폭탄’으로 인해 수소 연료의 안전성을 걱정하는 사람들이 많다. 그러나 수소차와 수소폭탄에 쓰이는 수소는 구조 자체가 다르며, 수소차용 수소는 양성자 1개로 이루어진 수소를 사용하는 반면 수소 폭탄에는 삼중수소와 중수소가 사용된다. 수소차는 수소와 산소가 결합하는 단순한 화학반응을 이용하지만 수소 폭탄은 핵분열과 핵융합을 활용한다는 점도 다른 점이다. 이는 많은 사람들의 걱정과 달리, 수소 연료가 위험하지 않다는 것을 의미한다.

휘발유와 비교했을 때의 안전성

수소 연료 탱크는 일반적으로 대부분의 운송수단의 연료 탱크로 쓰이는 가솔린 탱크와 견줄 만큼 안전하다. 오히려 평균적인 가솔린 탱크는 수소 탱크의 3~4배에 준하는 에너지와 폭발력을 가지고 있다. 차량 화재, 누출 및 폭발 측면에서 측정해볼 때 수소 연료차는 가솔린 연소 차량보다 안전하다. 수소는 공기보다 대략 14배 가벼운 원소이다. 그래서 공기로 방출된 수소는 인화성이 매우 강함에도 불구하고 대기로 곧장 날아오르며 빠르게 소멸한다. 즉, 휘발유와 같이 지면에 고이지 않기 때문에 큰 화재나 폭발 위험을 가지지 않는다.

대부분의 수소차에는 수소 누출에 대비해 경보음을 울리고, 밸브와 연료 라인을 밀봉하는 수소 센서가 배열되어 있으며, 수소를 고정하는 가압 탱크는 반복적으로 실험되어 충돌 시 안전성을 점검받는다. 또한 화재가 발생하여 수소 연료탱크 주변의 온도가 과도한 수준으로 상승하면 감지 시스템은 강제로 수소를 대기로 방출함으로써 차량이 완전히 소각되더라도 탱크는 폭발하지 않도록 설계된다. 현대차가 만든 넥쏘의 경우 2018년 가장 안전한 SUV로 선정되었으며, 미국의 안전연구기관에서 실시한 충돌 테스트에서 일반 내연기관 차량 이상으로 안전함을 입증받았다.

[자료 3. 수소 전기차와 휘발유차의 폭발 실험]

출처 : 메타비스타, 신영증권

한 예로, 2001년 마이애미대학 공대 연구진은 SUV에 장착된 수소와 가솔린 연료 탱크에 각각 구멍을 내고 누출되는 가스에 불을 붙이는 실험을 진행했다. 연소 중인 수소와 가솔린의 테스트 결과, 화염이 휘발유 차량에는 심각한 피해를 준 반면 수소 차량은 연소 주인 수소 가스가 공기 중에 분출되며 차량에서 떨어져 나가 손상을 받지 않음을 증명했다.

 

‘달리는 공기청정기’라 불리는 수소 전기차 

앞서 언급한 ‘달리는 공기청정기’라는 표현은 많은 수소차 구매자들이 구매에 대해 만족감을 보이며, 공통적으로 공감한 말이다.

바로 공기 청정이 가능하다는 것이다.

수소 전기차는 공기 중의 산소와 결합해 화학반응을 일으키며 에너지를 낸다. 수소가 나오는 곳은 연료전지 부분이다. 연료전지에서 수소탱크에 저장한 수소가 수소이온과 전자로 분리되고, 전자는 전해질을 거쳐 이동하면서 전류를 발생시키고 차량을 구동시킨다. 이 화학적 반응 후에 남는 수소이온은 공기 중의 산소와 결합하여 물로 배출하게 된다.

공기 청정의 역할을 할 수 있는 이유는 이 과정에서 미세먼지를 거르는 효과 때문이다. 수소 전기차는 수소와 반응시키는 산소를 대기 중에서 얻는다. 이때 사용되는 산소는 먼지와 CO를 제거한 공기로써, 이 산소를 얻기 위해서는 3단계 공기 정화 시스템이 필요하다.

[자료 4. 수소차의 공기청정 메커니즘]

출처 : 테크플러스

우선 공기필터에서 2.5 마이크로미터(㎛) 이하 초미세먼지의 97%가 걸러진다. 막 가습기에서는 건조한 공기를 가습해 초미세먼지를 추가로 제거하고 마지막으로 0.1㎛ 이하 크기의 미세기공층을 거쳐 먼지를 제거한다.

이처럼 공기 정화의 장점으로 인해 수소차는 “달리는 공기청정기”라는 이름이 붙게 되었다.

멀지 않은 수소 전기차의 미래

수소 전기차의 미래는 다양한 장점들을 통해 밝다는 것을 알 수 있다. 

하지만, 많은 장점에도 불구하고 수소 전기차 시대의 보편화로 가는데 속도가 늦춰지는 이유들이 있다.

아직까지 수소 생산 방식에 대한 한계점이 존재한다. 

수소를 생산하는 대부분의 방식으로 천연가스 개질 방식을 이용한다. 천연가스 개질 방식은 LNG 성분 메탄에 800도 이상의 고온과 고압의 수증기 주입하면 촉매를 통해 화학반응으로 메탄에서 수소가 생산된다. 이 과정에서 이산화탄소의 발생은 불가피하다. 하지만 태양광 · 풍력 등 재생에너지에서 나오는 전기로 물을 전기분해해 생산되는 그린수소는 이산화탄소를 전혀 배출하지 않기에 해결책으로 연구 중인 상황이다.

또한, 수소 전기차 충전소의 인프라 구축에 대한 문제점이 있다. 

월간 수소 경제에 따르면 2020년 12월 31일 기준 수소 전기차 등록 현황은 10,906대, 수소충전소 구축 현황은 70기였다. 현재 2022년 5월 31일 기준 수소차는 23,129대 수소 충전소는 170기이다. 증가하는 자동차의 수에 비례하여 충전소가 증가하지 못하고 있는 실정이다. 또한 충전소 설치는 인근 주민들의 안전 문제로 인한 반대 원인도 많지만 이를 해결하기 위해 안정성을 제대로 검증할 수 있는 시스템인 HY-PAS와 같은 시스템들이 개발되고 있는 상황이다.

배터리 전기차의 시장은 무려 몇 십 년 전만 해도 전기차 충전소의 인프라 문제가 단점으로 꼽히며 활성화가 어려웠던 상황이었다. 하지만 점점 안정화된 인프라 구축으로 인해 시장이 점점 확대되었다. 이처럼 아직 해결되어야 할 문제들이 많지만 해결 방안을 찾아가는 과정이다. 

훗날 이 문제들이 해결될 수 있다면, 일론 머스크는 수소차와 수소 연료에 대해 언급한 ‘Fool Cell’이 ‘Cool Cell’로 바뀌어, 수소 전기차의 미래는 더욱 활성화될 것이라 생각한다.

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수소차에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "현대車, 한국을 빛내는 중인 수소차", 작성자(18기 정동호), https://renewableenergyfollowers.org/3140

2. "한국 수소승용차 점유율 세계 1위, 기뻐만 할 수 없는 이유", 작성자(14기 윤재성), https://renewableenergyfollowers.org/3135

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참고문헌

[7년간 지속된 수소차에 대한 일론 머스크의 비판]

1) 김다정, “일론 머스크 “수소는 가장 멍청한 에너지 저장 연료””, 글로벌이코노믹, 2022.05.13, https://news.g-enews.com/ko-kr/news/article/news_all/202205131749244162658ae4d6a0_1/article.html?md=20220513180450_U

[디젤차의 역할을 이어받은 수소 전기차]

1) 후오후, 알아두면 도움되는 정보와 상식들, “현대차가 추진하는 수소차와 전기차의 결정적인 차이점은? 작동원리 연비 장점 단점 엑스포2022”, 2022.05.12, https://blog.naver.com/myhsg2022/222729585026, (2022.06.30)

2) 깁슨, 돈 굴리는 고양이, 하이드로젠 웨이브 리뷰 정리, “현대차 미래 수소 사회 비전을 이야기 하다.”, 2021.09.08, https://blog.naver.com/zztt2002/222498745657, (2022.06.30)

3) 김승현 안피디의 스포일러, 현대차가 일론머스크한테 멍충이 소리까지 들으면서 굳이 수소차를 만드는 이유, 2022.04.09, https://www.youtube.com/watch?v=YtcpDYwIIzY&t=46s

4) Hyundai Motor Group, Hydrogen Wave | Hydrogen for everyone, everything, everywhere | 하이드로젠 웨이브, 2021.09.07, https://www.youtube.com/watch?v=hnWFXaQwKdE&t=313s

[수소 연료의 안전성]

1) Hyundai Motor Group, "What Makes Fuel Cell Electric Vehicles Safe?", 2019.09.06, https://tech.hyundaimotorgroup.com/article/what-makes-the-fuel-cell-electric-vehicle-safe/

2) Edmunds, "8 Things You Need To Know About Hydrogen Fuel-Cell Cars", 2015.05.08 https://www.edmunds.com/fuel-economy/8-things-you-need-to-know-about-hydrogen-fuel-cell-cars.html

 

[멀지 않은 수소 전기차의 미래]

1) 홍대선, "수소경제는 친환경?…문제는 수소 생산방식이다", 한겨레,2021.04.12,https://www.hani.co.kr/arti/economy/economy_general/990633.html

2) 월간수소경제, ”수소산업주요통계(2022년5월31일기준)”, 월간수소경제,2022,06,29),https://www.h2news.kr/mobile/article.html?no=10078