| 초록 |
1. 서론 지난 십수 년간, 지구온난화에 대한 해결 방안으로서 신재생에너지 기반 발전에 대한 연구개발이 활발하게 진행되었다. 이와 더불어 2003년 테슬라가 등장한 이후, 자동차 시장의 무게중심은 지속적으로 전통적인 내연기관에서 친환경차(EV, PHEV, FCEV)로 옮겨가고 있다. 일론 머스크가 ‘fool cell’로 조롱하기도 했던 수소연료전지차를 보는 시각이 최근 들어 바뀌고 있다. 맥킨지(McKinsey) 보고서에 따르면, 2050년 전체 에너지 수요량의 18%를 수소에너지가 담당할 것이라고 한다. 특히, 수송 분야에 수소연료전지 시스템을 적용하면서, 승용차 4억 대, 트럭 1,500~2,000만 대, 버스 500만 대 규모로 보급될 것으로 예측하고 있다. 이와 같은 장밋빛 전망에도, 많은 사람들이 수소연료전지차가 전기차와의 경쟁에서 우위를 점한다는 데 의구심을 나타내고 있다. 본 분석물에서는 수소연료전지차 현황, 중국 시장 동향, 수소 인프라 관련 기술 등에 대한 논의를 통해 수소연료전지차 산업에 대한 이해를 돕고자 한다. 2. 주요 내용 2.1. 수소연료전지차 2.1.1. 수소연료전지차 출시 현황 전기차는 출력이 좋은 반면, 충전에 최대 8시간이 소요되고 주행거리가 짧다는 단점이 있다. 반면, 기존 내연기관 차량과 비슷하게 약 5분을 충전하여 600㎞ 주행할 수 있는 수소연료전지차는 기존 전기차와 차별화된 시장을 구축하고 있다. 이론적으로 차량의 수소 충전용량을 늘린 만큼 주행 가능 거리를 길게 만들 수 있으며, 이에 따라 대용량 고출력 전력이 필요한 버스 및 트럭에 전기차 대비 적합성이 높다. 현재까지 양산형 수소연료전지차는 공식적으로 4종류가 있으며, 현대차의 투싼 ix와 넥쏘, 도요타의 미라이, 혼다의 클라리티가 출시되었다. 표 1을 통해 각 회사별 수소연료전지차 모델 특성을 확인할 수 있다. 주요 국가의 수소차 보급 계획은 2020년과 2030년을 기준으로 발표되었는데, 해당 연도 기준으로 한국 1만, 63만, 중국 5천, 100만, 일본 4만, 80만, 독일 15만, 180만의 목표를 세우고 있다. 하지만 2017년 전 세계에서 판매된 수소연료전지차는 약 3,000대로, 전기차 판매량의 4% 수준에 머무르고 있다. 표 1. 현대차, 도요타, 혼다에서 판매하고 있는 수소연료전지차 모델 비교 주요 특징 현대차 ‘ 넥쏘 ’ 도요타 ‘ 미라이 ’ 혼다 ‘ 클라리티 ’ 판매 가격 6,890만 원(모던), 7,220만 원(프리미엄) 724만 엔(7,180만 원) 766만 엔(7,595만 원) 주행거리(미국 EPA 기준) 595km(370마일) 502km(312마일) 589km(366마일) 수소탱크 용량 6.33kg 5.0kg 5.46kg 수소탱크 압력 700bar 700bar 700bar 모터 출력 / 최대 토크 120kW / 40.3 kg?m 113kW / 34.2 kg?m 130kW / 30.6 kg?m 공차 중량 1820kg 1850kg 1875kg 배터리 종류 Li-ion NiH Li-ion 2.1.2. 수소연료전지차 적용 분야 수소연료전지차의 시스템은 전통적인 차량의 내연기관(internal combustion system)과 같은 역할을 한다. 기존 내연기관이 차량 외에 선박 및 기차와 같은 운송수단에 사용되는 것과 마찬가지로, 수소연료전지 시스템 역시 다양한 운송 분야에 적용될 수 있다. 유럽의 경우 트램 및 선박에 연료전지 시스템을 적용하고자 하는 움직임이 가시화되고 있으며, 미래 신기술로 떠오르고 있는 드론(또는 무인항공기)의 동력으로 연료전지가 적합한 특성을 갖고 있기 때문에 향후 관련 시장이 확대될 것으로 예상된다. 발전 시장에 도입되는 연료전지는 보통 자동차에서 사용하는 고분자전해질막연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell - PEMFC)가 아닌, 용융탄산염(Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC), 인산형(Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC), 그리고 고체산화물형(Solid Oxide Fuel Cell - SOFC)이 주를 이루고 있다. 에너지원의 다변화, 신규 건축물에 신재생에너지 시스템 도입 장려, 탈탄소화 움직임 등에 따라 연료전지 발전 시장의 규모가 점진적으로 성장하고 있다. 2.1.3. 수소연료전지 관련 기술 개발 수소연료전지는 다양한 부품으로 구성되어 있으며, 기계적 구조 설계뿐만 아니라 필요에 따라 촉매의 나노구조까지 제어해야 하는 복잡성을 띠고 있다. 수소와 산소가 공급될 때 전기를 생산하는 기본 단위인 연료전지 단위셀(single cell)은 분리판(bipolar plate), 기체확산층(gas diffusion layer - GDL), 막/전극접합체(membrane electrode assembly - MEA)로 구성된다. 수백 개의 단위셀이 직렬로 연결되어 스택(stack)을 구성하며, 스택을 구동하는 데 필수적인 운전장치(balance of plant - BOP)와 조합하여 시스템을 구성한다. BOP는 수소 및 공기 공급장치, 가습기, 물/열 관리를 위한 전기장치 등을 포함한다. 산업통상자원부에 따르면, 수소연료전지차를 구성하는 부품은 대략 2만 3,800개, 전기차는 1만 8,900개에 달한다. 수소연료전지 기술개발은 상기 언급한 모든 부품의 성능 및 내구성을 향상시키는 것이며, 시스템 단위로 운전 제어 및 최적화가 요구된다. 재료 단위에서는, 막/전극접합체를 이루는 백금 기반 촉매 및 고분자전해질막의 가격을 저감할 수 있는 방안에 대해서 다양한 시도가 진행되고 있다. 특히, 값비싼 백금 사용량을 줄이기 위한 이종합금 기술(백금에 니켈, 코발트, 철 등을 도입), 그리고 전해질 막을 구성하는 과불소계 이오노머(perfluorinated ionomer)의 사용량을 줄이기 위한 박막(thin membrane) 기술에 대한 연구개발이 진행되고 있다. 2.2. 중국 내 수소 산업 동향 2018년 2월, 중국 베이징에서 열린 ‘중국 수소에너지 및 연료전지 산업 혁신 연합’이 출범하며, 공업정보화부부장(장관) 먀오웨이는 ‘수소차 굴기(?起)'를 선언했다. 정부의 적극적 주도를 통해 글로벌 최대 규모의 전기차 시장을 일구어낸 중국이 신에너지자동차(new energy vehicle - NEV) 시장 확대의 일환으로 수소연료전지차 역시 시장 주도권을 가져가겠다는 의지를 표현한 것이다. 중국 내 수소연료전지차는 전기차 도입이 어려운 상용 부문(버스 및 트럭) 중심으로 정부와 민간 산업의 협력을 통해 점진적으로 성장할 것으로 예상된다. 중국 중앙정부의 정책적 지원과 더불어, 상하이와 우한과 같은 주요 도시들은 각 100곳 이상의 연료전지 관련 기업을 육성하겠다는 계획을 밝혔고, 선퉁과 징동 등 배송 부문 주요 기업에서 수소연료전지 트럭을 도입하려는 움직임이 감지되고 있다. 현재 중국의 수소 및 연료전지 관련 기술 수준은 유럽, 일본, 한국과 비교해서 높지 않다. 하지만 중국 로컬 완성차 회사들은 2016~17년 연구개발 부문 글로벌 전문가들을 대거 영입하였으며, 중국 로컬 기업에 대한 선별적 지원 정책을 통해 빠른 속도로 관련 산업이 성장할 것으로 예상된다. 최근 중국 기업이 캐나다의 Ballard와 Hydrogenics에 대한 지분 투자를 진행한 것도 선진기술 확보의 일환으로 보여진다. 2.3. 지역적 연합 및 국제적 협력 수소 관련 산업은 크게 공급과 수요 부문으로 구분할 수 있다. 공급 부문은 수소의 생산, 운송, 저장, 보급 등과 관련된 기반 기술 및 산업을 포함하고, 수요 부문은 수소를 소비하는 제철, 첨가제, 연료전지 기반 운송수단, 발전소 등을 일컫는다. 수소 관련 산업이 확장되기 위해서는 공급과 수요 진영 중 어느 쪽이 먼저 규모를 달성해야 하는지에 대한 논쟁은 차치하고, 포괄적인 협력을 지향하여 최종 목표인 ‘수소사회(Hydrogen Society)’를 실현할 수 있다. ‘수소사회’에 대한 개념은 2010년 전후부터 논의되기 시작하였으며, 일본 정부는 2014년 국가에너지기본 |
