기술이 ‘첨단의 끝’에 가도 저장용량 확대 어렵다

정부의 수소경제 활성화 로드맵은 장밋빛 전망으로 가득 차 있다. 수소가 미래 경제의 핵심이 되는 새로운 성장동력이며 친환경 에너지 혁명을 이끌 원천이라고 본다. ‘우주 물질의 75%를 차지할 정도로 풍부한’ 수소를 주요 에너지원으로 채택하기만 하면 다양한 새로운 산업이 생기고 국가 경제가 일어날 것처럼 느껴진다. 그러나 업계에는 우려 섞인 시선이 적지 않다. 그중 하나가 정부의 로드맵이 수소를 에너지원으로 활용하기 위한 구체적 계획보다는 ‘수소연료전지차(수소차·Fuel Cell Electric Vehicle)’ 활성화에만 초점을 맞추고 있다는 지적이다.

정부는 수소경제로 가기 위한 모든 기술의 집합체인 수소차를 중심으로 수소경제를 구축하겠다는 계획이지만 이 같은 행보에는 기술적 난제들이 장애물처럼 겹겹이 쌓여 있다. 기술적인 문제들을 해결해 수소차 대량 생산에 성공한다고 하더라도 수소차가 대중의 선택을 받을지는 미지수다. 급속도로 에너지 효율, 주행 성능 등이 개선되고 있는 전기차를 제치고 여러 측면에서 뒤처지는 수소차가 시장의 선택을 받긴 어려울 것이라는 게 전문가들의 분석이다. 이렇게 되면 한국은 수소차 대량 생산과 수소차 인프라 구축에 들인 막대한 돈을 회수하기 어려워진다. 류연화 한화투자증권 연구원은 “일반적으로 신생 산업은 정부가 보조금을 주면서 기업의 기술 개발을 촉진하고 기술 발전과 함께 시장이 커지면서 관련 업계가 자생력을 기르고 정부가 보조금을 줄여나가는 게 수순”이라며 “전기차는 보조금을 들여 산업을 키우는 단계를 넘어 자생력을 기르는 시기에 돌입했지만 수소차의 경우 전기차에 밀려 시장이 형성되지 않는다면 정부의 보조금 없이는 살아남을 수 없게 될 것”이라고 분석했다.

‘수소차 시대’를 마냥 긍정적으로 보긴 어렵다. 넘어야 할 산이 많기 때문이다. 수소차를 둘러싼 기술적 한계점을 하나씩 살펴봤다.

한계점 1│한계 봉착한 수소 저장 기술

전문가들이 주장하는 수소차의 가장 큰 한계는 ‘수소 저장탱크’다. 수소차는 수소 기체를 싣고 다니는데, 수소는 자연계에서 가장 작고 가벼운 물질이라 충분한 질량을 보관하려면 저장공간의 부피가 매우 커야 한다. 그래서 제한적인 자동차 구조상 수소를 고압으로 압축하는 방식으로 저장탱크에 보관하고 있다.

현대차의 초기 수소차 모델은 200기압 수준이었으나 최근에는 고압저장탱크 기술이 발전하면서 700기압까지 높아졌다. 이와 동시에 한 번 충전으로 갈 수 있는 주행 거리도 초기 160㎞(싼타페)에서 400㎞(투싼), 600㎞(넥쏘)까지 늘어났다.

그러나 문제는 고압저장 기술로 수소차의 주행 거리를 늘리는 데 한계가 있다는 점이다. 고압으로 수소를 탱크에 주입하면 초기에는 저장 용량이 늘어나지만 700~800기압부터는 압력만 올라가고 수소 용량은 늘지 않는다. 주입 압력이 높아질수록 수소 분자 사이의 운동에너지가 증가해 추가적인 수소 유입을 막기 때문이다. 즉 800기압이나 2000기압이나 수소 저장 용량엔 차이가 별로 없다. 또 수소는 폭발성이 크기 때문에 내부 온도를 85도 이하로 관리해야 한다. 이 때문에 고압저장이 더 어렵다.

한계점에 도달한 고압저장 기술 대신 현대차는 고압저장탱크 개수를 늘려 주행 거리를 향상시켰다. 현대차의 초기 수소차들은 1개의 탱크를 사용했고 최초 양산 모델인 투싼은 2개, 넥쏘는 3개를 사용하고 있다. 이는 고스란히 가격 상승으로 이어진다. 탱크 장치 1개당 300만원으로 계산하면 3개에 900만원이다. 수소차 전체 원가의 10% 이상을 차지한다.

고압저장탱크는 수소 분자의 손실을 막기 위해 고가의 탄소섬유로 용기 외부를 감는 복잡한 공정을 거치기 때문에 앞으로 대규모 양산이 되더라도 원가가 크게 떨어지지 않을 것이라는 게 전문가들의 분석이다. 자동차 업계 관계자는 “테슬라의 전기차가 기술 발전으로 최대 주행 거리를 계속 늘려가고 있다는 점에서 ‘수소차가 궁극적인 친환경차’라는 논리 중 가장 설득력이 있었던 최대 주행 거리에서의 우위는 시간이 지날수록 퇴색되고 있다”고 지적했다.

한계점 2│동력 성능 저하시키는 발열

수소차의 두 번째 기술적 한계점은 연료전지의 발열 문제다. 발열 문제를 해결하기 위한 기술이 최대한 발전하더라도 전기차와의 동력 성능 경쟁에서 이길 수 없다는 게 전문가들의 분석이다. 발열 문제는 수소차에서 아주 핵심적인 부분을 차지하지만 현재 이 문제에 대한 논의는 거의 이뤄지지 않고 있다.

수소차의 동력원인 연료전지에서는 발열 반응이 일어나 전기와 함께 열이 발생한다. 내연기관차의 경우 연료가 연소한 후 발생한 열의 대부분이 배기가스와 함께 외부로 방출되지만 연료전지에서 발생한 열은 배출구가 없다. 그래서 수소차는 연료전지 수백 겹이 적층돼 있는 ‘스택’ 내부로 냉각수를 강제 순환시켜 열을 흡수하고 라디에이터를 통해 방출하는 방식을 사용하고 있다.

또 스택은 발열량이 많은 데다 수명을 늘리기 위해 스택 내부 온도 차를 최소화해야 한다. 다량의 냉각수를 순환시킬 수 있는 대용량 라디에이터가 필수적인 이유다. 이론적으로 같은 출력에서 내연기관차에 비해 수소차 라디에이터의 면적은 4배로 늘어난다. 하지만 자동차 구조상 좁은 공간에 대용량의 라디에이터를 탑재하기 어렵다. 수소차의 성능을 높이기 위해 스택의 출력을 높이려니 이 같은 발열 문제가 발목을 잡는 것이다. 수소차가 동력 성능 면에서 전기차와 경쟁하기에 태생적으로 불리한 셈이다. 현대차 넥쏘도 큰 차체에 비해 출력이 매우 낮다. 내연기관차 중에서는 ‘아반떼’와 같은 준중형급 출력 수준이다. 결과적으로 차체는 무겁고 동력 성능은 나빠 운전자에게 즐거움을 줄 수 없다. 반면 전기차는 차체가 가볍고 출력이 높아 운전의 즐거움을 준다.

류연화 연구원은 “먼 미래에 최첨단 기술이 적용된 차세대 연료전지가 개발되면 출력 밀도가 크게 높아질 수도 있겠지만 수소와 산소를 이용한 촉매 반응의 열효율은 열역학적으로 정해져 있기 때문에 발열 문제는 해결되지 않는다”며 “태생적인 약점인 열관리의 한계로 차세대 수소차가 전기차에 필적하는 동력 성능을 내기란 쉽지 않을 것”이라고 전망했다.

한계점 3│전기차보다 한참 낮은 에너지 효율

전기차보다 절대적으로 낮은 수소차의 열효율은 수소차가 미래 자동차 시장에서 시장성을 확보할 가능성을 크게 떨어뜨린다.

연료전지를 통해 전기에너지와 열에너지가 생성되는데 열에너지는 냉각수로 식히는 방식으로 없앤다. 이때 발생하는 열 손실로 고분자형 연료전지(PEMFC)가 내는 최대 효율은 83%다. 수소차의 열효율은 스택에서 발생되는 마찰저항과 열, 기타 연료전지 구동에 필수적인 장치들의 에너지 손실까지 감안하면 40%대까지 떨어진다. 전기차의 배터리 열효율(약 90%)의 절반도 안 되는 수준이다. 게다가 연료탱크, 연료전지, 복잡한 열관리 장치 때문에 차량 중량도 전기차를 넘어서서 실주행 연비는 더욱 악화된다. 결국 같은 전기로 운행할 수 있는 거리는 전기차가 수소차보다 압도적으로 길다고 볼 수 있다.

현대차는 값싼 수소를 수입하면 수소차가 경쟁력을 가질 수 있다고 말한다. 그러나 수소차 연비는 최대로 봐도 전기차의 절반 수준밖에 안 된다. 수소 생산·운송·저장 등에서 불필요한 비용, 에너지 손실이 발생하는 점까지 고려하면 경쟁력은 더 떨어진다. 류연화 연구원은 “수소차는 배기가스 대신 물이 배출될 뿐 힘들게 생산한 수소를 낭비하는 비효율적 운행 수단”이라고 설명했다.

연료전지의 집합체인 스택이 제대로 작동하기 위해 복잡한 장치들이 필요하다. 그리고 이 장치들 대부분은 많은 에너지를 사용한다. 먼저 연료전지에 다량의 산소를 공급하는 압축기가 필요하다. 이 압축기는 최대 수십만rpm(회전 장치가 1분간 몇 번 회전하는지 나타내는 단위)으로 회전하면서 연료전지가 생산하는 전력의 최대 10%를 소비한다.

이뿐만이 아니다. ‘COD 히터’라는 장치는 일시적으로 스택이 생산하는 전력의 최대 20%가량을 쓴다. COD 히터는 전기 생산의 부산물로 생성되는 물이 겨울철에 얼지 않도록 관리하고 차를 운행하지 않을 때 스택 내부에 남은 물과 산소를 없애는 데 필요하다. 이외에도 스택 열관리를 위해 필요한 워터펌프, 고성능 냉각팬 등은 수소차에서만 발생하는 에너지 손실 요인들이다. 여기에다 전기차와 공통적으로 에너지 손실을 유발하는 PTC 히터(실내 난방용), 인버터, 컨버터, 메인 모터 등의 요인이 더해진다. 결과적으로 모든 에너지 손실을 고려하면 차량 시스템 효율이 30% 이하까지 떨어진다. 류연화 연구원은 “미래에 기술이 발전하더라도 연료전지의 이론 열효율, 스택의 저항, 열 관리 등 근본적인 문제로 에너지 효율을 높이는 데 한계가 있다”고 설명했다.

이에 대해 현대차 관계자는 “구조적으로 단순한 전기차가 수소차보다 에너지 효율이 좋은 것은 당연하지만 연료주입 이후 차량 운행단계까지만을 비교하면 효율 차이는 10% 내외로 크지 않다”고 말했다.

또한 “연료전지 시스템 구현을 위해 공기공급계, 열관리계, 수소공급계 등 다양한 시스템이 필요한 것은 사실이지만 이 시스템이 단순한 에너지 손실 요인이 아니며 전체 차량의 효율 개선을 위한 최적의 시스템”이라는 게 현대차의 설명이다.

장거리 대형 상용차엔 수소 연료가 대안

앞서 살펴본 수소차의 기술적 한계점들이 보여주는 미래는 분명하다. 아무리 관련 기술이 최첨단 수준으로 발전하더라도 수소차가 가진 태생적 한계 때문에 전기차와 경쟁에서 밀릴 수 있다는 것이다. 지금으로선 투입 비용 대비 경제성이 현저하게 떨어진다.

현재 현대차는 정부의 전폭적인 지원을 토대로 회사의 한정된 자원을 수소차 관련 기술 개발에 쏟고 있다고 한다. 하지만 수소차 시장에 대한 회의론적 예측대로 미래 자동차 시장의 주도권이 전기차 쪽으로 흘러간다면 어떨까. 한국 자동차 산업은 정말로 위기에 빠질 것이다.

수소차의 미래를 부정적으로 보는 사람들이 수소경제 자체를 반대하는 것은 아니다. 전문가들이 앞다퉈 말하는 대안은 수소차에 한정된 개발이 아닌 수소를 기반으로 한 경제 생태계를 만들려고 노력해야 한다는 것이다. 우리나라보다 앞서 수소경제로의 전환을 선언한 일본·독일 등은 수소를 기반으로 전기에너지를 만들어 공급하는 ‘친환경 에너지 생태계’ 구축을 최우선 목표로 삼았다. 수소차 대량 생산과 충전 인프라 구축이 아니라 수소 생산과 저장·운반 등 수소 공급에 대한 기술 고도화에 먼저 초점을 맞췄다. 한 에너지업계 관계자는 “수소를 굳이 큰 비용을 들여 집 앞 충전소까지 가져와 열 낭비가 심하고 운전의 즐거움을 주지 못하는 수소차에 사용할 이유가 없다”며 “수소를 연료전지 발전소에 쓰면 여기서 나오는 전기는 전력선을 통해 전기차 충전에 사용하고 발생된 열은 지역난방 등에 사용할 수 있어 더 효과적”이라고 말했다.

다만 수소차가 대형화에 유리해 버스·트럭 등 상용차와 기차·선박 시장에서는 경쟁력이 있을 것이라는 전망에는 비교적 의견이 모인다. 류연화 연구원은 “수소 승용차는 시장성이 없을 수 있지만 버스·트럭·기차 등 공간이 넓어 수소 저장탱크를 여러 개 싣고 방열 면적을 확보할 수 있는 대형 장거리 운송수단에서는 수소 연료가 대안이 될 수 있다”고 예상했다.

국내 한 부품업체 대표는 “미래 자동차 시장에서 주도권을 잡을 가능성이 낮은 수소차는 대기업에 맡기고 정부는 이미 전 세계 자동차 시장의 ‘사실상 표준(시장의 다수가 선택한 표준)’이 된 전기차를 중심으로 전략을 새롭게 짜야 한다”며 “수소경제에 자동차를 꼭 끌어들이고 싶다면 궁합이 잘 맞을 수 있는 상용차나 대형차·특장차·군용차 등으로 한정 짓는 게 맞다”고 말했다.