요즘 수소차가 다시 화제를 모으고 있습니다. 수소차라는 이름을 들을지는 10년도 더 되었고 기술 자체는 수십 년 전인 에 나왔습니다. 수소차와 함께 요즘 뜨고 있는 전기차도 최근에 나온 기술이 아닙니다. 내연 기관차 보다 전기차가 더 빨리 나왔습니다. 그러나 배터리 기술 완성도가 낮고 내연 기관이 더 경제적이라서 내연 기관에 밀려서 인기를 끌지 못했습니다. 그러나 최근 전기 배터리 기술이 크게 발전하면서 전기차가 다시 인기를 끌고 있습니다.
수소 전기차 작동원리
수소차는 수소 전기차라고도 합니다. 수소차와 전기차의 공통점은 전기로 모터를 구동해서 달리고 서기에 동작 방식만 보면 둘 다 전기차입니다. 다만 수소차는 배터리가 아닌 수소를 이용해서 전기를 생산하고 그 생산한 전기로 모터를 돌려서 달리는데 반해 전기차는 배터리에 저장한 전기를 꺼내서 사용하는 방식이 다를 뿐입니다.
그럼 어떻게 수소에서 전기를 생산하느냐? 어렸을 때 물(H2O)을 전기 분해하면 수소와 산소가 나오는 걸 배웠습니다. 즉 전기의 힘을 이용해서 물을 수소와 산소로 강제로 분리할 수 있습니다. 그럼 반대도 가능하지 않을까요? 수소와 산소를 결합시키면 그 과정에서 전기가 나오고 그렇게 생산된 전기로 모터를 돌려서 달리는 것이 수소전기차입니다.
따라서 수소와 산소만 있으면 전기를 만들 수 있습니다. 산소는 공기 중에 있기에 그걸 이용하면 되지만 수소가 문제입니다. 수소는 공기중에 없기에 만들어야 합니다. 수소를 만드는 방법은 여러 가지가 있지만 현재는 화학공장에서 부산물로 나오는 수소를 수소차에 충전을 해서 사용합니다.
수소전기차와 전기차의 차이점
수소전기차와 전기차는 전기로 모터를 돌려서 달리는 전기차라는 공통점이 있습니다. 전기차의 장점은 내연기관의 심장인 엔진이 없어서 소음이 적고 진동도 적습니다. 물론 탄소 배출도 없어서 친환경 차라고 각광을 받고 있습니다. 이는 수소전기차의 장점이기도 합니다.
수소전기차와 전기차의 다른 점은 전기 생산 방식입니다. 전기차는 발전소에서 생산한 전기를 리튬이온 배터리에 충전을 하고 배터리에 충전된 전기를 소모하면서 달립니다. 스마트폰과 비슷하죠. 반면 수소전기차는 수소탱크에 수소를 채우고 공기 중에 있는 산소를 결합해서 전기를 생산합니다. 이 생산된 전기로 모터를 돌려서 달립니다. 즉 수소발전기를 하나 달고 다닌다고 보시면 됩니다. 그럼 배터리가 필요 없냐? 아닙니다. 수소전기차도 배터리가 있어야 합니다. 그래야 시동을 안 걸어도 헤드라이트를 켜고 실내등과 후미등을 켤 수 있습니다. 다만 배터리가 전기차보다 작은 용량이 들어갑니다.
수소 전기차가 좀 더 복잡합니다. 그런데 전기차를 이용하면 되지 왜 수소를 이용해서 달리냐고 물을 수 있습니다.
수소차가 필요한 이유. 수소차의 장점
수소차는 전기차에 복잡하고 가격도 비쌉니다. 그럼에도 한국 정부는 미래는 수소차가 지배할 것이라면서 수소경제를 외쳤습니다. 왜 복잡하고 비싼 수소차를 애지중지 할까요? 그 이유는 여러가지가 있습니다. 먼저 수소라는 매체가 상당히 매력적입니다.
인류가 번개를 잡아서 사용할 수 있다면 에너지 고갈이나 화석 연료를 대체할 것이라고 하죠. 그러나 전기는 생산된 후 바로 사용해야지 저장해서 사용할 수 없습니다. 그럼 배터리는 뭐냐? 네 배터리가 전기를 저장해서 사용할 수 있는 도구이긴 한데 저장의 한계가 있습니다. 기본적으로 전기는 저장할 수 없기에 필요에 따라서 발전량을 조절해야 합니다. 그럼에도 발전소를 스위치 켜고 끄듯 할 수 없고 예측보다 항상 많은 전기를 생산해야 합니다. 이러다 보니 잉여 전기는 그냥 버려야 합니다.
만약 이 전기를 저장할 수만 있다면 인류는 또 하나의 에너지 혁명을 일으킬 것입니다. 그 전기를 저장할 수 있는 매체가 수소입니다. 발전소에서 생산하고 남은 전기를 이용해서 물을 전기분해하면 산소와 수소가 나오는데 이때 나오는 수소를 저장해 놓고 있다가 수소차나 수소를 이용한 발전기에 사용하면 필요할 때마다 전기를 생산할 수 있습니다. 이렇게 수소는 전기를 저장할 수 있는 물질로 각광받고 있습니다. 수십 년 후에는 전기가 들어오지 않는 집이나 외딴 곳에서 석유 대신 수소를 이용한 발전기로 전기를 생산해서 사용하는 수소 생태계가 펼쳐질 수 있고 이 때문에 정부는 수소 생태계를 미래 먹거리로 지정했습니다.
1. 최고의 친환경차 수소차
작년 서울모터쇼 현대자동차 부스에서는 현대자동차의 수소전기차 넥쏘(NEXO)를 선보였습니다. 현대자동차는 넥쏘 배기구에서 나온 물을 식물에 주는 퍼포먼스를 선보였습니다. 즉 넥쏘에서 나오는 물은 사람이 마실 수 있을 정도로 깨끗한 물을 강조하고 있습니다.
수소전기차는 자동차 탱크에 저장된 수소와 공기 중 산소를 수소연료전지에서 화학반응을 일으키면 전기가 생산되고 부수적으로 물도 나옵니다. 도요타의 수소차인 미라이는 물받이가 있어서 물을 모았다가 버릴 수 있지만 현대 수소차 넥쏘는 그냥 배기구를 통해서 땅바닥에 버립니다. 그래서 넥쏘 뒤를 따라가면 바닥에 물을 흘리고 다니는 걸 볼 수 있습니다.
배출가스를 내지 않은 전기차와 수소전기차는 친환경차로 각광받고 있습니다. 그런데 수소전기차가 좀 더 친환경적입니다. 그 이유는 공기정화 필터에 있습니다. 수소차는 수소탱크에 저장된 수소와 산소를 이용하는데 이 산소가 미세먼지와 이산화탄소가 없는 순수한 산소여야 합니다. 이에 수소차에는 고성능 필터가 들어가 있습니다. 이 필터에 걸러진 공기가 배출되면서 공기가 정화됩니다. 그래서 수소전기차를 움직이는 공기청정기라고 합니다. 수소차 1만 대가 1시간 동안 운행을 하면 나무 60만 그루의 공기 정화 효과가 있고 이는 4만 9천 명의 성인이 공기 정화 효과를 느낄 수 있습니다. 이러니 친환경 차량에서 수소전기차가 최고의 친환경 차로 각광을 받고 있습니다.
2. 짧은 충전 시간
전기자동차가 보급이 많이 안되는 이유가 충전시간이 엄청 깁니다. 물론, 최근에 쾌속 충전을 할 수 있는 전기차가 나오기 시작했습니다. 그럼에도 30분 이상 충전을 해야 합니다. 이런 긴 충전 시간은 전기자동차의 가장 큰 단점입니다. 이런 긴 충전 시간 때문에 테슬라의 엘론 머스크는 한 때 스마트폰처럼 배터리 착탈식 전기자동차를 생각했을 정도입니다. 그러나 쾌속 충전 시간 기술이 좋아지면서 지금은 충전 시간에 대한 불편함이 많이 줄었습니다.
반면 수소차는 휘발유처럼 15분 정도 충전하면 500km 이상 달릴 수 있습니다. 2세대 수소차라고 하는 현대 넥쏘는 15분 충전해서 600km 정도 갈 수 있습니다. 전기차도 한 번 충전에서 이 정도 갈 수 있지만 문제는 배터리를 더 늘리면 더 길게 갈 수 있지만 배터리 무게가 늘어나는 단점이 있습니다. 휘발유차처럼 빠른 충전이 가능하다는 점이 큰 장점입니다.
수소자동차의 단점 또는 해결해야 할 문제점
1. 수소 비용이 그렇게 싸지 않다.
수소전기차는 수소를 이용해서 전기를 만들고 그 전기로 달립니다. 따라서 수소가 필요합니다. 지금 수소전기차는 정유공정에서 나오는 부산물인 수소를 충전해서 달리고 있습니다. 수소 충전 가격은 현재 휘발유보다는 저렴하고 전기차보다는 비쌉니다.
구체적으로 보면 1km 주행하는데 디젤은 77.8원, 휘발유는 131.6원인데 비해 넥쏘의 경우 93.9원으로 디젤보다는 비싸고 휘발유보다는 쌉니다. 그것도 버리는 수소인 수소 부산물 가격이 이정도입니다. 문제는 수소전기차량이 늘어나고 수소 수요가 많아지면 기존의 정유공장이나 화학공장에서 나오는 수소만 가지고 수요를 충족할 수 없고 수소를 전문적으로 생산하는 공장을 만들어야 합니다.
궁극적으로는 잉여 전기로 바닷물을 전기분해해서 수소를 생산하는 시스템이 구축되어야겠지만 아직까지는 그런 단계는 아닙니다. 물론, 수소차가 많아지면 수소를 전문적으로 생산하는 공장이 늘어나면서 수소 원료 가격이 하락할 것이 확실하지만 아직까지는 가성비가 아주 뛰어나다고 할 수 없습니다. 이런 이유로 소형차나 승용차는 수소전기차 보다는 전기차가 낫다는 소리가 많습니다. 반대로 강한 힘을 내야 하고 오랜 시간 가야 하는 대형 운송 차량인 트럭에는 수소전기차가 도 효율적일 수 있습니다.
니콜라라는 수소전기차 제조업체 주가가 엄청나게 올랐다가 수소전기차 제조 기술은 없고 언덕에서 트럭을 굴려서 영상을 만들었다는 소문에 폭락했던 것도 보면 전문가들이 수소전기차는 승용차가 아닌 트럭 같은 대형 운송 차량에 적합하다는 소리에 고무되어서 주가가 크게 오른 것도 있습니다. 반면 현대차는 세계최초 수소전기트럭을 만들어서 유럽에 수출을 했습니다.
2. 수소 충전소가 많지 않다.
수소를 충전하려면 충전소가 많아야 합니다. 퇴근 길에 출근 길에 충전을 하면 좋은데 기술 초기 단계라서 그런지 생각보다 많지 않습니다. 보시면 서울에 4곳 정도 밖에 없습니다. 상암동에 1개, 최근에 생긴 국회의사당 앞에 1개, 양재동과 강동구에 있습니다. 인천엔 1곳 밖에 없네요. 너무 없다보기 충전하려고 오고 가는 시간이 많습니다.
물론, 넥쏘를 몰고 다니는 차주 분들도 이걸 다 알고 있고 굴러다니는 수소전기차도 많지 않습니다. 이에 정부는 수소충전소를 늘릴 계획을 세우고 있습니다. 한국만 이런 것이 아닌 일본, 미국도 수소 충전소 많지 않습니다. 그렇다고 전기차 충전소가 많은 것도 아니죠. 수소차나 전기차나 신종 차량이고 새로 선보이는 차량들이라서 시간이 지나면 충전소는 자연스럽게 증가하지만 전기차 충전소와 달리 수소차 충전소는 도심에 쉽게 만들 수 없습니다.
전기차 충전소는 공중전화 부스를 개조해서 만들 정도로 땅만 있으면 쉽게 만들 수 있습니다. 그러나 수소충전소는 수소가 폭발성 인화 물질이라서 도심에 마음대로 설립하기 쉽지 않습니다. LPG 충전소를 쉽게 세울 수 없듯이 수소충전소도 도심에 만들기 쉽지 않습니다. 지금은 사람들이 수소차량이 많이 안 보이고 수소충전소를 볼 수 없어서 조용하지 어느 날 내 집 앞에 수소충전소 만든다면 매일 같이 시위를 해서 못 만들게 할 겁니다. 우리는 부천 LPG 충전소 폭발을 아직도 잘 기억하고 있죠.
수소는 LPG와 달리 자연발화 온도가 높습니다. 수소 가스가 세어 나온다고 해도 LPG와 달리 하늘로 바로 날아가기에 폭발 위험이 덜한 것도 있습니다. 수소차의 수소탱크가 찢어져도 바로 수소가 하늘로 날아가기에 폭발 위험이 덜 하다고 하죠. 그러나 연소 속도가 빨라 폭발성이 높은 기체라는 것이 수소의 문제입니다. 만에 하나 수소가 폭발하게 되면 대형 인명 피해가 발생할 수 있습니다. 이에 자동차 충돌 실험으로 수소가 안전하다는 인식을 심어야 하는데 쉽게 심어질지는 모르겠네요.
또한 수소충전소 1개 만드는데 무려 30억이라는 많은 비용이 드는 것도 문제입니다. 그럼에도 수소 자체가 가지는 위험을 크게 줄이는 기술이 나오지 않으면 도심 한 가운데 수소 충전소를 많이 짓지는 못할 겁니다.
수소전기차는 이제 막 세상에 선보이고 있습니다. 기술적으로 넘어야 할 산이 많습니다. 물론 수소와 산소를 결합시키는 촉매제인 백금 가격이 비싸서 수소차량 가격이 비싼 것도 문제입니다. 물론 대량 생산하면 가격은 낮아질 겁니다. 백금을 대체할 새로운 촉매제를 개발해야 하고 수소충전소가 많아져야 합니다.
넘어야 할 산이 많지만 수소전기차가 각광받을 이유는 참 많습니다. 먼저 친환경차량 중에서도 으뜸입니다. 특히 지구 온난화로 지난여름 우리는 기후변화로 큰 고통을 받았습니다. 이는 더 심해질 것입니다. 이에 전 세계 정부와 특히 유럽은 온실가스 배출 제로 사회를 외치고 있습니다. 미국 15개 주는 2050년까지 디젤 트럭 판매를 금지하고 노르웨이는 2025년, 독일은 2030년 디젤 트럭 판매를 금지할 예정입니다.
그럼 뭘 사용하냐? 수소전기 트럭이 대안입니다. 뭐 전기 트럭도 대안이긴 하지만 장거리 주행을 자주 많이 하는 트럭은 한번 충전으로 장시간 운전할 수 있고 충전시간이 짧아서 전기차보다 수소전기차가 더 어울립니다. 따라서 수소전기차는 승용차보다는 트럭이나 버스부터 수소전기차로 전환되고 승용차는 전기차와 함께 시장을 양분할 것으로 예상됩니다. 수소전기차와 함께 수소 생태계는 한국의 미래 먹거리가 될 수 있는 중요한 산업이기도 합니다.
