수소전지차와 배터리차는 경쟁관계 아닌 상호보완적 관계

미래 자동차에 대한 논쟁이 뜨겁습니다. 특히 자동차의 핵심인 동력원을 두고 배터리차와 수소전지차간의 논쟁이 가열되고 있습니다. 배터리차를 지지하는 분들은 이미 시장에서 배터리차가 인정받고 있는 시점에서 수소전지차를 다시 개발할 필요가 있는지에 의문을 표시하고 있습니다. 이에 반해 배터리차의 이러저러한 한계로 인해 미래에는 수소전지차가 필요함을 역설하는 분들도 계십니다. 저는 명백히 후자의 입장을 가지고 있습니다. 배터리차와 수소전지차의 미래에 대해 예측하기 위해서는 배터리차의 단점, 배터리차와 수소전지차 인프라 그리고 수소생산의 경제성과 친환경성 등을 고려할 필요가 있습니다.

① 전기차ㆍ수소차가 아닌 배터리차ㆍ수소전지차

본론으로 들어가기 전에 한가지 확실하게 할 것이 있습니다. 바로 배터리차와 수소전지차 모두 전기차라는 사실입니다. 전기차는 전기모터의 회전력을 이용해 구동되는 자동차를 의미합니다. 많은 언론들이 전기차 vs 수소차의 용어를 사용합니다. 하지만 이 용어는 불필요한 오해를 일으키기 쉽습니다. 영문으로는 BEV(battery electric vehicle)과 HFCEV(hydrogen fuelcell electric vehicle) 혹은 FCEV로 지칭합니다. 직역하면 ‘배터리 전기차’와 ‘수소 연료전지 전기차’가 됩니다. 저는 혼란을 막기 위해 배터리차와 수소전지차로 부르고자 합니다. 배터리차와 수소전지차는 전기모터로 구동되는 전기차입니다. 전기모터를 구동하기 위한 전기를 배터리에서 얻으면 배터리차가 되고, 수소연료전지에서 얻으면 수소전지차가 됩니다.

위의 그림은 전기모터가 바퀴를 구동하는 다양한 전기차를 보여주고 있습니다. 우리가 하이브리드, 플러그인 하이브리드라고 부르는 전기차는 바퀴를 엔진과 모터가 동시에 구동시킵니다. 그러므로 진정한 의미에서의 전기차로 부를 수는 없습니다. 물론 하이브리드 차량중에는 엔진으로 발전기를 구동시키고, 여기서 나오는 전기로 모터를 구동시키는 방식도 있습니다. GM의 볼트가 대표적입니다.

배터리차와 수소전지차는 둘 다 전기모터만으로 바퀴를 구동시킵니다. 그리고 자동차를 감속시킬 경우에는 그 에너지를 회수할 수 있는 장치를 보유하고 있습니다. 배터리차와 수소전지차가 연료공급 부분을 제외하고는 대부분의 부품과 기술을 공유하는 것은 바로 이 때문입니다.

수소차라는 명칭은 오해를 불러올 소지가 있습니다. 수소를 천연가스처럼 엔진에서 연소해 자동차를 구동시키는 자동차 개발이 시도된 적이 있기 때문입니다. 미국의 포드사와 독일의 BMW사가 최근까지 이 분야에 대한 연구를 수행한 바 있습니다. 기존의 엔진에 수소를 연료로 사용하는 방식은 현재는 개발이 중단되었습니다. 일단 에너지 효율이 너무 낮았습니다. 또 수소기체를 기존 연료 장치에 넣을 경우 많은 양이 새어 나갔고, 이를 해결하려면 부품값이 어마어마해 졌기 때문입니다. 수소전지차는 수소엔진차와는 수소공급장치가 전혀 다르기 때문에 공급시 수소의 누출은 최소화가 가능하다고 합니다.

② 배터리차의 단점은 낮은 에너지밀도와 긴 충전시간

현재 전기차에 적용되는 리튬-이온 배터리의 낮은 에너지밀도와 상대적으로 긴 충전시간이 배터리차의 확산에 장애가 되고 있습니다. 에너지밀도(energy density)는 단위 중량이나 부피당 저장되는 에너지의 양을 의미합니다. 수소기체는 144MJ/kg, 가솔린은 , 리튬-이온 배터리는 0.9MJ/kg의 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 이중 먼저 에너지밀도에 대해 살펴보고자 합니다. 배터리차에 널리 사용되는 리튬-이온 배터리의 에너지밀도는 250Wh/kg 내외입니다. 배터리 1kg당 250Wh(watt-hour)입니다. 이에 반해서 기체수소는 도요타 미라이에 사용된 연료전지를 기준으로 1330Wh/kg의 에너지밀도를 보여줍니다. 수소전지가 리튬-이온 배터리와 비교해 다섯배 이상으로 kg당 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 미라이와 동일한 성능을 가진 배터리차를 최대 이동 거리를 100km에서 500km까지 설계해 중량을 비교하면 다음과 같습니다. 두 자동차 100km 주행에 필요한 에너지는 19.7kWh로 동일하게 가정했습니다.

미라이 수소전지모델은 500km 최대 주행거리에 필요한 연료전지스택과 연료탱크를 동일하게 유지한다는 가정을 했습니다. 이는 중량에 있어서 수소전지모델이 더 불리한 경우입니다. 배터리차는 운행거리를 늘리기 위해서 탑재되는 배터리의 양을 비례해서 늘려주어야 합니다. 약 180km 내외에서 두 차량의 중량은 같아집니다. 수소전지차의 최대운행거리인 500km에서는 250kg 정도 배터리차가 더 무거워집니다. 승객 약3명이 추가로 탑승하는 것과 동일합니다.

장거리로 많은 짐을 실어 나르는 대형트럭의 경우에 배터리차의 문제점은 더욱 크게 부각될 수 밖에 없습니다. 총중량이 7~8톤급의 트럭을 class4급이라고 합니다. 미국 에너지성과 아르곤 연구소 그리고 NREL의 연구자들은 엔진형 배달트럭을 수소전지로 전환한 결과를 EVS29 심포지엄에서 발표한바 있습니다. 대상이 된 트럭은 포드 F-750 디젤트럭과 유사한 급으로 추정됩니다. 아래 그림과 같습니다.

연구자들은 내연기관의 모델을 수소전지차로 설계해 그 결과를 제시했습니다. 내연기관을 수소연료전지로 대체하면 전체 중량은 212㎏정도 증가합니다. 130리터(100㎏)의 연료량을 동일한 효율을 가지는 수소전지로 대체해 설계한 것입니다. 수소전지차 설계결과를 이용하면 배터리차의 설계치도 쉽게 구할 수 있습니다. 수소 19㎏과 배터리 148㎏을 배터리로 대체하고, 연료통과 연료전지의 중량을 제외하면 됩니다. 동일한 성능을 가지는 배터리차의 총중량은 7619㎏이 됩니다. 만약 수소전지차와 동일한 중량을 가지도록 설계하면 운행가능한 거리는 대략 50%에 머물게 됩니다.

<표1> Class 4급 배달트럭 중량설계 결과

차량종류	내연기관(ICE)	수소전지(FCEV)	배터리(BEV)
차체	5817	5817	5817
엔진	305
연료전지		125
연료통	40	435
기어박스	142	10	10
모터		145	145
배터리	83	148	1647
연료	100	19
총중량	6487	6699	7619

출처 : World Electric Vehicle Journal Vol. 8 및 자체계산

 

장거리 운행이 가능한 배터리차는 차량가격도 큰 폭으로 상승합니다. 현재 리튬이온 배터리는 kWh당 200$정도입니다. 이 결과를 적용하면 중형 배터리트럭에서 배터리 가격이 8만2천불에 달합니다. 미국의 재생에너지 연구소(NREL)는 배터리와 수소전지를 사용할 경우에 대형트럭의 제조 및 운용원가를 제시했습니다. 계산에 사용된 배터리와 수소연료전지에 대한 단가는 다음과 같습니다.

 

이를 이용해, NREL이 보유한 차량개념설계 프로그램인 FASTsim을 사용해 저자는 다음과 같은 결과치를 제시하고 있습니다.

 

BEV는 배터리전기차, FCEV는 수소연료전지차, HEV는 하이브리드차, Conv.는 내연기관차를 의미합니다. 2020년뿐만 아니라, 배터리가격이 크게 하락한 2050년에도 배터리트럭은 제작단가가 가장 비쌉니다. 저자는 연료전지 분야에서는 거의 가격 하락 요인이 없다고 가정했습니다. 이처럼 많은 중량을 나르고 장거리를 운행해야 하는 대형트럭이나, 버스 등에서는 배터리차의 경쟁력이 크게 감소합니다.

 이러한 특성을 감안해 수소위원회(Hydrogen Council)은 다음 그림과 같이 차량 중량과 일일 운행거리에 따라서 소형의 단거리 운행의 경우에는 배터리차가, 중대형의 중장거리 운행의 경우에는 수소전지차가 경쟁우위를 보이는 것으로 예측한 바 있습니다.

배터리의 짧지 않은 충전시간도 배터리차의 미래를 낙관하지 못하게 하는 큰 장애입니다. 현재 대부분의 배터리차들은 가정용 전기를 사용한 저속충전과 전용충전소에서 고속 충전을 사용합니다. 고속충전은 또 교류전원을 사용하는 방식과 직류전원을 사용하는 방식으로 구분됩니다.

주로 가정에서 사용하는 Level1은 별도의 인프라 충원없이 설치할 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 충전전력이 1~2kW로 낮은 것이 단점입니다. 연비가 가장 좋은 것으로 알려진 현대의 코나 배터리차는 배터리용량이 39kWh와 67kWh의 두 종류를 판매하고 있습니다. 가정에서 충전할 경우에 각각 20시간과 35시간 가량이 소요됩니다. 이러한 Level1의 단점을 극복하기 위해 교류급속충전소가 보급되고 있습니다. 최대 50kW의 용량까지 교류로 충전하는 방식입니다. 이 방식을 사용할 경우 코나39kWh형은 40분, 67kWh형은 한시간이면 80%까지 충전이 가능합니다. 하지만 이 방식도 단점이 있습니다. 고용량의 AC전원을 차량내에서 DC로 변환이 필요해, 고성능의 AC-DC컨버터를 차량에 장착해야 합니다. 이로 인해 차량가격의 인상과 열관리 시스템의 추가 설치 등이 필요하다고 합니다. 현재 AC-DC컨버터 중에서 상업적으로 유의미한 용량이 50kW급으로 제한되는 것도 문제점으로 지적되고 있습니다.

 테슬라가 전세계에 설치하고 있는 것과 같은 DC급속충전도 하나의 대안으로 제시되고 있습니다. 테슬라는 150kW급의 DC급속충전(DCFC)소를 설치해 운영중이고, 앞으로 용량을 350kW급까지 확장할 계획이라고 합니다. DC급속충전소는 그리드의 AC전원이나 태양광 등으로 공급되는 전원을 대형배터리에 저장한 후에 이를 배터리차에 직접 DC로 충전하는 방식입니다. DC급속충전은 별도의 대용량 AC-DC컨버터를 차량내에 설치할 필요가 없습니다. 그 만큼 차량의 가격과 중량 절감이 가능합니다. 하지만 DC급속충전소는 인프라구축에 많은 비용이 소모되는 단점이 있습니다. 1메가와트시(1,000kWh)급의 DC급속충전소 설치에 5억원 내외의 비용이 예상됩니다. 하지만 현재 국내에서 설치되는 1메가와트시의 ESS 설치비용이 16억내외로 파악되고 있으며, 충전소의 경우 도심에 위치할 필요가 있어 인프라 비용은 수소충전소와 비요시 결코 작지 않을 듯 합니다. 또 DC급속충전이라고 하더라도 수소충전소와 비교시 분당 처리용량이 5~10%, 석유주유소와 비교시는 2~5% 정도의 낮은 효율을 보일 수 밖에 없는 것이 큰 단점입니다. 이 때문에 배터리 기반의 전기자동차의 인프라 비용은 수소기반의 전기차와 거의 유사한 것으로 예측되고 있습니다.

배터리차의 낮은 충전효율은 높은 인프라 설치 비용을 요구합니다. 몇몇의 연구에 따르면 배터리차 50대에서 300대당 1곳의 DC급속충전소가 필요할 것으로 전망되고 있습니다. 만약 국내의 1천만대의 차량을 모두 배터리차로 교체할 경우 최대 20만곳의 급속충전소가 필요합니다. 한 곳의 설치비용을 2.5억원으로 가정해도 총 50조원의 비용이 소요될 수 있습니다. 이는 수소진영에서 추산한 국내 수소인프라 구축비용과 거의 유사합니다. 이는 독일에서 수행한 유사한 연구결과와도 일치하는 결론입니다. 독일 IEK-3의 연구에 따르면 15백만대용 인프라 설치시 배터리차와 수소전지차의 인프라 비용은 동일해지며, 2천만대에서는 배터리차의 인프라비용이 더 커지게 됩니다.

DC급속충전의 경우에는 충전소 구축에 소요되는 인프라구축 비용과 운영비용 등으로 인해서, 전기요금이 상승하는 문제도 고려될 필요가 있습니다. 특히 수소충전보다 단위 시간내 처리할 수 있는 차량의 수가 10%내외로 예측되고 있어, 인프라 비용에 대한 감가상각비용이 더 클수 밖에 없습니다.

③ 수소생산의 높은 비용과 낮은 에너지 효율은 극복 가능한가?

수소전지차에 대한 회의적 시각은 국내외에 아주 광범위하게 퍼져 있습니다. 가장 큰 문제는 에너지 효율입니다. 배터리차의 웰투휠(well-to-wheel) 효율이 70~75%에 달함에도 불구하고, 수소전지차의 웰투휠 효율은 25~35%로 예측되기 때문입니다. 웰투휠 효율이란 에너지의 생산에서 최종 소비에 이르기까지의 효율을 의미합니다. 석유를 유정에서 퍼 올려서 정제하고, 운반해서 자동차에 주입하는 과정까지에서 소모되는 모든 에너지를 제하고, 자동차의 구동에만 전달되는 에너지의 비율을 의미합니다.수소의 에너지 효율저하는 크게 전력변환, 수소생산, 수소저장, 수소압축, 수송, 그리고 차량내에서 수소연료전지 반응시 효율저하 등으로 발생합니다. 물론 배터리차에서도 에너지효율저하는 나타납니다. 배터리차에서는 전력변환 등의 과정에서 효율저하가 발생합니다. Yorick Ligen등의 연구에 따르면 100kWh의 전력을 사용시 수소전지차는 191㎞를 배터리차는 435㎞를 주행할 수 있다고 합니다. 이를 정리하면 다음과 같습니다.

<표2>수소탱크 압축비율별 수소전지차 에너지효율

출처: World Electric Vehicle Journal 2018.05

<표3> 배터리차의 충전방식에 따른 에너지효율

출처 : World Electric Vehicle Journal 2018.05

수소전지차는 배터리차에 비해 절반 정도의 에너지 효율을 가지는 것은 사실입니다. 그러면 수소전지차의 개발 및 운용은 불필요한 것일까요? 이는 수소가 가지는 한가지 큰 장점을 고려할 필요가 있습니다. 수소는 버려지는 전기를 장기간 보관하거나 이송하는 수단이라는 점입니다. 전기자체는 상대적으로 짧은 거리와 시간에서만 저장이 가능합니다. 이러한 전기의 특성은 특히 재생에너지의 비중이 높아질수록 효율성이 급감합니다. 태양광은 낮시간에만 발전이 가능하며, 풍력은 바람의 상태에 좌우될 수 밖에 없습니다. 태양광과 풍력에 의해 발전된 전기는 즉시 소비되지 않으면 버려질 수 밖에 없습니다. 버려지는 전기를 수소로 변환해 저장한 후에 필요한 시기에 다시 사용할 수 있게되면 수소전지차의 낮은 에너지효율은 충분히 상쇄됩니다.

④ 결론: 수소전지차와 배터리차는 상호보완적 관계

수소전지차와 배터리차는 경쟁관계에 있기 보다는 상호보완적 관계에 있습니다. 수소전지차는 대형의 장거리 운행에 장점이 있으며, 배터리차는 도심에서 이동하는 소형차량에서 장점을 보입니다. 수송분야는 전체 에너지의 25% 가량을 소모하는 것으로 알려져 있습니다. 이중에는 도심에서 운행되는 승용차가 24%, 중대형 트럭이 23%, 경량트럭이 32%의 에너지를 소모합니다. 배터리차만으로는 이중 승용차와 경량트럭 일부만을 해결할 수 있을 뿐입니다. 수소전지차로 확대할 경우에는 나머지 중대형트럭과 선박 그리고 철도의 일부까지를 해결할 수 있습니다. 현재 기술과 상황에서는 배터리차와 수소전지차는 함께 할 수 밖에 없습니다.

최근에 배터리차와 수소전지차를 지지하는 진영간에 논쟁이 격화되자, 새로운 용어가 제시되었습니다. 바로 Zero Emission Vehicle 줄여서 ZEV입니다. 이 ZEV는 배터리차와 수소전지차를 모두 포함하는 개념입니다. 저는 이 ZEV란 용어가 특히 마음에 듭니다. 배터리차든 수소전지차든 개발이 시작된 이유는 온실가스와 미세먼지를 배출하지 않기 위해서입니다. 바로 Zero Emission을 달성하기 위함입니다. 그리고 이를 위해서는 배터리차와 수소전지차가 모두 필요한 것이 현실입니다.

* <수소경제 진단> 시리즈에 대해 반론이 있거나 수소차나 수소경제와 관련해 기고를 원하시는 전문가는 contact@newstof.com으로 연락주시면 상의 뒤 게재하겠습니다.