-수소 전기 자동차의 연구 개발도 계속 진행할 필요 있어
수소 전기 자동차는 우스갯소리로 친환경 끝판왕이라고 불린다.
수소 전기 자동차 주행 시에 사용되는 화학 반응은 기본적으로 수소와 산소가 결합하여 물이 되는 반응이기 때문에 가솔린과 디젤을 사용하는 기존 화석 연료 기반 자동차와 달리 지구 온난화의 주범으로 취급받는 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않으며 스모그의 원인으로 지목받는 질산화물(NOX)나 황산화물(SOX)도 배출하지 않는다.
친환경 끝판왕이라고 불리지만 현재 경제성은 의문인 수소 전기차
게다가 수소 전기 자동차는 전기를 얻기 위해 차량 외부 대기의 산소를 차내로 유입시키는데, 이때 수소 전기 자동차에 설치된 에어 필터(Air Filter)와 막 가습기, 촉매를 통한 화학반응 등을 통해 나노 단위 수준의 불순물까지 거른 산소를 사용하고 바깥으로 수증기를 배출하기 때문에 ‘미세 먼지와 공기 중에 포함된 대기 오염원을 정화’하는 기능을 가지고 있다고 평가받고 있다.
평창 올림픽에 셔틀버스로 시범 운행되었던 현대의 엘릭시티 수소 전기 자동차 모델의 경우 1대 운행으로 디젤 중형 승용차 40대가 배출하는 미세먼지를 정화할 수 있는 능력을 갖춘 것으로 알려져, 수소 전기 자동차를 두고 도심 내부를 주행하는 ‘공기 정화기’라는 표현까지 쓰는 사람이 있을 정도이다.
물론 일각에서 현재 수소 생산 방법이 친환경적이지 않다는 비판을 제기하고 있지만 그에 관해서는 미래의 수소 생산 방식은 물 전기분해로 전환될 수 있고 추가적인 설명을 글 말미에 할 예정이므로 그에 대한 논쟁은 조금 미루어두기로 한다.
다만 현재 상황에서 연료별 자동차의 경제성을 비교할 경우 수소 전기 자동차가 다른 자동차보다 확실한 우위에 있다고 보기 어려운 것은 사실이다.
먼저 전기, 수소 전기, 가솔린, 디젤 자동차의 100km 주행 시 부담해야 하는 연료비용을 계산할 때 사용한 각 자동차의 연비와 단위당 연료비 기준은 다음과 같다.
전기 자동차인 코나 EV의 경우 연비가 5.6km/kWh로 알려져 있고, 급속충전 비용은 173.8원/kWh이므로 100km 주행 시 부담해야 하는 연료비용은 으로 산출된다. 수소 전기 자동차인 넥쏘의 경우 연비 96.2km/kg이고 수소 1kg당 가격은 평균 8000원 정도로 예상되기 때문에 으로 산출된다.
가솔린 모델 아반떼의 경우 연비가 14.0km/L로 알려져 있고 지난 해 11월 13일 기준으로 Opinet에서 가솔린 가격은 1574.73원/L이었기 때문에 으로 산출된다. 디젤 모델 아반떼의 경우 연비가 17.8km/L로 알려져 있고 같은 해 11월 기준으로 Opinet에서 디젤 가격은 1418.79원/L 이었다.
따라서 수소 전기 자동차는 전기 자동차의 2배 이상 비싸며 디젤 자동차와 비슷한 연료 부담을 가진다고 볼 수 있어 현재 상황에서 수소 전기 자동차가 환경에 대한 어필 없이 경제성만으로 시장에서 경쟁력을 확보할 것으로 전망하기는 어렵다.
다만 이는 앞서 언급한 수소 생산 방식과 관련이 있는데, 현재 생산되는 수소의 대부분은 물을 전기 분해하는 방식이 아니라 석유화학 제품의 부산물 혹은 천연가스 개질법으로 생산된다.
즉 대부분의 수소가 석유화학 제품의 부산물, 천연가스 개질법으로 생산하고 있기 때문에 수소 전기 자동차를 친환경적인 자동차로 볼 수 없다는 비판이 제기되고 있고, 천연가스, 원유 가격과 연동될 수밖에 없어 수소 가격을 낮추는데 현재는 한계가 있는 것으로 볼 수 있다.
그러나 최근 기존 촉매보다 저렴하면서 보다 더 우수한 촉매의 개발 등으로 전기 분해, 광분해로 인한 수소 생산 방식이 주목받고 있고, 일본에서 전기 분해를 이용한 수소 생산 시설이 착공되는 등 수소 생산 가격을 낮추기 위한 시도가 이어지고 있어 수소 가격이 낮아질 가능성이 없다고 보긴 어렵다.
개선된 촉매 사용과 여유 전력 사용으로 수소 생산 시에 수소 가격 하락 가능
석유화학 제품 생산 시 나오는 부산물, 천연가스 개질법의 대안으로 물을 전기 분해 혹은 태양광으로 분해하는 방법이 제시되고 있다. 물을 전기 분해하거나 태양광으로 분해하여 수소를 생산한다면 화석 연료에 의존하지 않기 때문에 환경적 측면에서의 비판은 사그라들 것으로 보인다.
하지만 문제는 경제성이다. 물을 전기 분해하거나 태양광 분해 시에 촉매를 사용하는 경우가 많은데 기존 촉매는 백금, 이리듐, 루테늄과 같은 희귀 금속을 사용하여 가격도 비싸고 반응 효율성도 그다지 좋지 않다는 평가가 많았다.
그러나 지난 10월 31일 한양대 화학공학과 이성철 교수 연구진은 희귀 금속을 사용하던 기존 촉매 대신에 니켈, 코발트, 인과 같은 저렴한 금속을 사용한 새로운 촉매를 개발했다고 발표했으며 관련 논문은 ‘Advanced Energy Materials 10월호’에 게재된 것으로 알려졌다.
최근 이 교수의 연구 외에도 수소 생산 촉매 부분에서 이목을 끄는 성과가 많이 발표되고 있는데 고려대학교 김동완 교수팀이 수소와 산소를 생산할 때 동시에 사용할 수 있는 양 기능성 촉매를 개발했다고 발표했으며, UNIST의 백종범 교수팀은 그래핀과 루테늄을 결합한 새로운 촉매 물질을 개발했다고 발표했다.
해당 연구들의 수준이 상용화될 정도로 성숙될 경우 물을 전기 분해하여 수소 생산 단가를 상당히 낮출 수 있을 것으로 전망되고 있다.
한편 물을 전기 분해하는데 사용될 전력은 비수기, 피크타임이 지난 시간대의 여유 전력이 유력하게 거론되고 있다.
지난 10월 기준으로 일간 최대 소비 전력을 기록한 시점의 전력거래소 자료를 살펴볼 때 10월 14일 20:00에 예비 전력 2354.1만kWh, 예비율은 41.2%로 월간 최대 수치를 기록했으며, 10월 26일 10:00에는 예비 전력 1028.5만 kWh, 예비율은 15.0%로 월간 최저 수치를 기록했다. 게다가 11월 13일 00:20 기준으로는 예비 전력 2636.6만 kWh, 예비율은 42.98%를 기록했을 정도로 예비 전력이 많이 남았다.
이때 예비전력은 ESS와 같은 전기 저장 장치가 없으면 전부 허공에 버려지는 전기이기 때문에 수소 생산에 이를 활용한다면, 현재 수소 생산 단가보다 크게 낮출 수 있고 한국 전력의 실적 향상에도 크게 도움이 될 것으로 기대된다.
이미 일본 Iwatani 사는 후쿠시마에 태양광, 풍력 등으로 발전한 전력 중 사용하고 남는 약 1만 kW를 이용, 연간 900톤을 생산할 수 있는 수소 생산 시설(FH2R)의 착공에 돌입했으며 상용화 목표는 2020년으로 알려졌다.
결국 수소 전기 자동차의 가장 큰 약점으로 지적되던 수소 생산 방식이 최신 연구에 의해 물의 전기 분해 방식으로 전환될 가능성이 있기 때문에, 향후 연구 개발 속도와 인프라 축적 속도에 따라 수소 전기 자동차의 경쟁력이 크게 향상될 수 있을 것으로 전망되고 있다.
※ 본 기사는 2018년 11월 뉴스워커 내에서만 공개된 프리미엄 기사로 일부 수정 및 재구성됨을 알려드립니다.