다임러 AG가 내연기관 자동차 발명 125주년을 기념해 메르세데스 벤츠 B클래스를 베이스로 한 연료전지자동차 B클래스 F-CELL로 세계 일주 대장정을 하고 있다. 칼 벤츠가 1886년 처음으로 내연기관 자동차를 발명한 것을 기념해 실시하는 거대한 이벤트다. 2011년 1월 30일 3 대의 B클래스 F-CELL 이 메르세데스 벤츠의 본사가 있는 슈투트가르트를 출발해 4대륙 14개국을 릴레이 주행하는 것으로 총 주행거리 3만여km를 125일에 걸쳐 주파하는 여정이다.

이 이벤트에는 미하엘 슈마허와 니코 노즈베르그를 비롯해 데이빗 쿨사드 등 쟁쟁한 F1 드라이버들도 참여했다. 이번 세계 일주를 통해 그 내구성과 실용성을 입증해 보이고 글로벌 수소 충전소 네트워크 개발 캠페인을 위해 기획되었다. 필자는 그 중 미국 LA에서 샌프란시스코를 거쳐 세크라멘토까지 3일간의 여정에 참여하게 됐다.

글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
사진/채영석/메르세데스 벤츠코리아

메르세데스 벤츠는 지난 1월 칼 벤츠에 의해 내연기관이 처음 발명된 지 125주년을 기념하는 행사를 가졌다. 그 때 무대 위에 내 세운 것은 뉴 SLK와 B클래스 F-Cell. 자동차에 대한 그들의 생각을 표현해 주고 있다. 기념비적인 이벤트에 연료전지차를 내 세운 것은 그들이 자동차의 미래를 어떻게 생각하고 있는지를 잘 보여주는 것이다.

그만큼 메르세데스 벤츠는 연료전지차에 대한 의지가 강하다. 20세기 말 등장해 금방이라도 ‘수소 시대’를 열 것 같았던 연료전지차는 21세기 들어 비용문제와 수소에 대한 일반인들의 인식, 인프라 구축, 퓨얼셀의 기술적인 문제등으로 최근에는 실용 가능성 시기에 대한 예측이 많이 늦추어진 상태다. 그래서 얼마 전부터는 모터쇼장에 연료전지 컨셉트카가 점차 모습을 감추고 있는 상황이다. 글로벌 경제상황의 악화와 당장에 살아남아야 하는 자동차회사들의 입장을 읽을 수 있는 내용이다.

그러나 수소연료전지차에 대한 연구를 가장 먼저 시작한 메르세데스 벤츠는 결코 물러서지 않는다는 의지를 피력했다. 다임러는 수소 연료전지야 말로 친환경 탈 것을 위한 가장 좋은 방법이라고 강조하고 있다. 그런 의지를 바탕으로 연료전지 자동차의 상용화 시기를 2015년으로 잡고 있다.

수소 연료전지 전기자동차

우선 연료전지가 무엇인지부터 짚고 넘어가자. Fuel Cell. 연료전지라는 의미이다. 별도의 에너지를 사용해 해 이 연료전지를 통해 발전을 하고 그렇게 해서 충전된 전기 에너지로 구동하는 전기자동차를 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle), 즉 연료전지전기자동차라고 한다. 크게는 전기자동차의 범주에 속하지만 외부에서 충전하는 배터리 전기차와는 달리 자체적으로 발전을 해서 전기를 만든다는 점에서 큰 차이가 있다. 오늘날은 수소를 에너지로 사용하는 것이 일반화되어 있어 수소연료전지전기자동차라고 정의하고 있다.

연료전지차라는 개념이 처음 등장했을 때는 연료탱크에 메탄올, 청정 가솔린 등의 연료를 싣고 그것을 차 안에서 수소로 전환해 다시 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 만드는 구조였다. 오늘날 연료전지차는 아예 처음부터 수소 탱크를 탑재해 한 단계의 과정이 줄어 들었다.

연료전지차가 관심을 끌게 된 것은 1994년 다임러 벤츠가 NECAR(New Electric Car)라고 하는 연료전지차를 처음으로 주행시키면서부터다. 연료전지 그 자체는 1965년에 미국의 우주선 제미니 5호에 처음으로 사용된 이래 오늘날의 우주선에서도 발전에 이용되고 있다. 하지만 자동차와 같이 소형에서 주행에 따른 진동 등 가혹한 사용조건이 주어진 상황에서의 이용은 다임러 벤츠가 처음이었다.

수소를 에너지로 사용한다는 점에서는 1978년부터 연구를 시작한 BMW의 수소 엔진자동차가 먼저다. 이쪽은 기존 내연기관을 활용해 에너지만 가솔린에서 수소로 바꾼다는 것으로 현실적인 접근이라는 평가를 받고 있다. 하지만 지금은 BMW와 마쓰다 등 일부를 제외한 대부분의 글로벌 메이커들은 연료전지에 대한 연구를 주로 하고 있다.

연료전지의 당위성을 주장하는 쪽에서는 가솔린 내연기관의 에너지 효율이 20%에 불과한데 비해, 연료전지의 에너지 효율은 40∼60%로 에너지 효율이 극히 높으며, 물 이외는 아무 것도 배출되지 않는 친환경 에너지라는 점을 들고 있다. 더불어 갈수록 전기전자장비가 많아지는 자동차의 특성을 고려할 때 발전을 하면서 구동하는 연료전지가 더 현실적이라는 점도 있다. 하지만 오늘날에 와서는 그보다는 수소를 생산하는 과정에서 이산화탄소를 발생하기 때문에 대체에너지로 이해되고 있다.

그렇다면 수소는 어떻게 확보하는가에 대한 궁금증이 있을 수 있다. 공업적으로 천연가스에서 수소를 취출하는 방법이 채용되고 있다. 이것을 250 또는 350기압으로 압축해 탱크에 저장해 운반하는 것이 가장 일반적이다. 이에 대해 다임러 벤츠는 1997년의 NECAR3에서 메탄올 개질식을 채용했다. 알콜 연료인 메탄올에서 수소에서 취출하는 방법으로 가솔린과 마찬가지다. 액체연료를 자동차에 탑재할 수 있기 때문에 연료보급과 항속거리의 확보 면에서 유리하다는 점 때문이었다. 또 알콜 연료라면 식물과 바이오 등 장래 개발이 기대되는 자연에너지의 활용 폭이 넓어진다. 지구 전체의 에너지 소비와 CO₂배출 면에서 순환형 사회가 만들어진다는 점도 배경으로 들었었다.

그 후 미국의 석유 메이커와 GM과 토요타에서 만들어 낸 것이 가솔린 개질식이라고 하는 것이었다. 석유자원에서 수소를 취출하는 쪽이 수소의 함유량이 많은 것과 기존의 가솔린 주유소를 유효하게 이용할 수 있기 때문이다. 사회기반시설에 손을 대지 않고 가솔린차와의 혼합교통으로 되는 당면의 보급과정에 있어 별도의 사회자본의 투자를 필요로 하지 않는 이점도 이 안의 배경이다. 그런데 이 방식에서는 근본인 석유자원으로부터 벗어나는 것과는 직접 관계가 없다는 점이 있다.

연료전지차를 리스 형태로 시판한 혼다는 수소를 직접 탑재하는 방법이 가장 효율적이고 탈 석유의 관점에서도 논리적으로도 옳다고 주장해 독자적으로 태양광 발전에 의해 물을 전기 분해해 수소를 얻고 고압가스로 해 탑재하는 방법을 채택하고 있다.

현대기아차의 경우는 주로 정유공장에서 원유를 정제하는 과정에서 발생하는 부산물인 부생수소와 개질 수소, 원자력 수소 등을 사용하고 있다. 아직까지는 사용량이 극히 적기 때문에 부산물을 포집해 에너지로 사용하는 것이 가능하다는 얘기이다.

하지만 현재의 분위기는 수소라고 하는 에너지 생산과정에서의 이산화탄소 발생, 수소 공급을 위한 인프라 구축, 수소에 대한 부정적인 인식, 고가의 연료전지 시스템 등등 복합적인 문제가 대두되면서 실용화에 대한 기대가 많이 줄어든 상황이다.

메르세데스 벤츠 컨셉트 블루 제로

다임러 AG는 2009 디트로이트오토쇼에 3대의 컨셉트 블루제로를 출품했었다. B클래스 F-Cell도 바로 이 카테고리에 속해 있다. 샌드위치 플로어 구조의 플로어 아래에 리튬 이온 배터리등 구동장치를 탑재함으로써 같은 차체로 세 종류의 파워 트레인을 탑재한다고 하는 차만들기를 하고 있다. 그런 구조는 다양한 파워트레인을 수납할 수 있을 뿐 아니라 무게 중심이 낮아 운동성능에도 손상을 주지 않는다는 장점이 있다. 차체 크기는 전장×전폭×전고가 4,220×1,890×1,590mm.

컨셉트 블루 제로의 파워트레인은 모터, 모터+엔진, 모터+연료전지의 세 종류. 차명은 EV사양이 컨셉트 블루제로 E-CELL、 하이브리드 사양이 컨셉트 블루제로 E-CELL플러스、 연료전지 사양이 컨셉트 블루제로 F-CELL.

이 중 컨셉트 블루제로가 연료전지 시스템만을 채용한 B클래스 F-Cell이라는 이름으로 양산형으로 발전했고 그 차에 대한 성능을 과시하고자 이번 이벤트를 기획한 것이다.

다임러는 F-Cell의 상용화를 위해 2004년부터 미국에서 30대의 A 클래스 F-셀을 시범 운행해 왔다. 2009년에는 캘리포니아와 캐나다로 이어지는 하이드로젠 로드 투어도 실시했다. 수소 탱크의 압력은 A 클래스 F-셀로 시험 주행을 할 때 이미 700바로 높아지면서 항속 거리가 기존 모델 보다 70% 늘어났다. 다임러는 1994년부터 네드카 1으로 연료전지의 개발을 시작했고 2007 A 클래스 F-셀이 주행 거리 16만 km를 돌파하기도 했다.

그 발전형인 B 클래스 F-셀은 2005년에 선보였던 F 600 하이지니어스의 기술이 채용됐다. B 클래스 F-셀의 스택 모듈은 이전보다 부피가 30% 줄어들었지만 출력은 30%, 연비는 16% 높아졌다. 이 시스템은 전기식 터보를 추가해 냉간 시동 능력을 높여준다.

양산 버전이 공식적으로 발표된 것은 2009년 12월. 우선 약 200대 가량을 생산, 2010년 초부터 유럽과 미국에서 리스판매를 개시할 계획을 밝혔었다. B클래스 F-Cell은 2006년부터 시작되었으며 A클래스 F-CELL 대비 약 40% 가량 소형화된 연료전지 스택을 탑재한 것이 특징이다. 특히, 저온에서의 시동성을 개선, - 25도 상태에서도 시스템이 가동될 수 있도록 했다. 여기에 모터 출력이 약 30% 가량 높아져 최고출력 136마력, 최대 토크 29.6kg.m의 파워를 발휘한다.

2차전지는 리튬이온 배터리로, 정격출력 35kW, 축전용량 1.4 kWh이며 수소탱크 용량이 A클래스보다 커지면서 충전압력이 2배인 70MPa로 높아졌다.

B클래스 F-CELL의 최고속도는 시속 170km로, 2.0리터 가솔린 모델과 비슷한 동력성능을 발휘한다. 이 차의 최대 항속거리는 400km로 160km의 A클래스보다 크게 늘어났다. 수소충전소에서의 수소 충전시간은 3분이면 가능하다.

LA에서 몬테레이까지 547km

연료전지차를 이처럼 장거리 주행하는 것은 처음이다. 로스엔젤레스 해변 근처의 더블 트리(Double Tree)호텔에서 세 대의 B클래스 F-Cell을 아침 일찍 만났다. 세 대의 차를 운전하는 6명의 저널리스트보다 그를 위해 동원된 인원이 훨씬 많았다. 기술적인 문제, 응급상황의 대처, 운전자들의 이동을 도와줄 인원 등이었다.

아침 기온은 섭씨 16도. 큰 짐은 별도의 차량에 싣고 세 명의 저널리스트가 한 대를 배정 받았다. 여러명의 엔지니어들이 차량에 대해 자세히 설명하고 질문에 응했다. B클래스를 베이스로 한 모델인만큼 차량의 기본적인 제원은 특별히 다르지 않다. 다만 연료전지를 위한 부분적인 변경이 있다.

가장 핵심인 연료전지 스택은 앞 시트 플로어 아래에, 3.71kg용량의 수소탱크는 리어 시트 플로어 아래에 탑재되어 있다. 먼저 눈에 띄는 것은 센터페시아의 커맨드 시스템. 통상적인 것과 크게 다르지 않다. 다만 F-Cell 메뉴가 추가되었다. 오른쪽 다이얼을 통해 작동하면 현재 연료전지 스택의 상황과 주행중 에너지 소모와 브레이크 에너지회생 상황이 표시된다.

계기판의 기본 레이아웃도 일반차와 같다. 다만 엔진회전계 부문에 시스템의 출력 표시미터가 있다. Ps가 아닌 kW로 표기되어 있다. 맨 왼쪽에는 파워미터가 있다. 환경에 따라 최대 사용 가능한 출력 정도를 표시해 준다. 혹한 지역에서는 떨어진다. 맨 오른쪽에 수소의 소모 정도를 표시해 주는 아날로그 타입의 수소계가 있다. 계기판 가운데 온보드 디스플레이창을 통해 정확한 잔량이 숫자로 표시되기도 한다.

운전자의 입장에서는 그런 계기의 차이가 별 의미가 없다. 그냥 일반 자동차처럼 달리면 된다. 변속기는 일반 전기자동차와 같은 감속기.

슈투트가르트에서 이곳까지의 누계 주행거리는 8,765km. 우리가 달려야 할 거리는 첫 날 출발지에서 샌프란시스코 몬테레이의 라구나세카 레이스웨이까지 537km를 시작으로 이틀째 샌프란시스코까지 210km, 마지막 날 새크라멘토까지 178km 등 모두 935km. 첫 날은 오전 246km, 오후 291km를 달려야 한다.

이그니션 키를 맨 오른쪽까지 돌리면 계기판에 각종 경고등이 뜨며 출력계의 바늘이 0의 위치로 간다. 달릴 준비가 된 것이다. 변속기를 D모드로 하고 가속 페달에 발을 올려 놓으면 예의 전기차의 무음 주행이 시작된다. 전기차에서 그랬던 것처럼 무음주행이 좋게 느껴지기보다는 어색하다. 오랜 습성으로 인한 것이다.

LA 시내를 벗어나기까지는 출근 러시아워라 차가 많이 밀린다. 그 상태에서 수소의 소모량이 표시된다. 100km 당 1.27kg이 나온다. 이 정도라면 메르세데스가 발표한 항속거리 400km는 어려울 것 같다. 시내를 벗어나면서는 평균 소모량이 줄어든다. 1.05kg 정도를 오락가락하더니 상황에 따라서는 0.93kg까지 내려간다. 수치상으로 3.71kg의 수소를 충진했으니 400km는 달릴 수 있을 것 같다는 생각으로 바뀌었다.

연료 게이지를 보면서 운전하다 보니 오른발에 힘을 줄 수가 없었다. 물론 앞뒤로 인솔차가 있어서 과속을 할 수도 없었다. 도로의 속도 제한은 65마일/h. 최고속도는 120km/h가 고작이었다. 센터페시아의 커맨드 시스템에는 에너지 흐름도와 배터리 사용정도, 브레이크 회생 상황을 확인할 수 있지만 선뜻 다가오지는 않는다.

고속도로에서는 출력계의 바늘을 20kW 주변으로 유지할 수 있었으나 경사가 있는 산악로도 들어서자 심하게는 60~70kW까지 올라간다. 그만큼 수소 사용량도 증가한다. 사실 포인트를 연료소모에 맞추다 보니 소위 말하는 ‘연비 주행’밖에 할 수가 없다.

한 참을 달리니 220km 부근에서 연료를 주입하라는 그림이 뜬다. 연료게이지 바늘은 붉은 색 띠까지 내려왔다. 그래도 아랑곳하지 않고 도중에 멈추어 사진촬영을 하며 노정에서 벗어나기도 했다. 중간 기착지에 도착할 때까지 바늘은 그 이상 내려가지 않았다.

250km 조금 더 달려 도착한 곳에는 수소를 충진하기 위한 팀이 기다리고 있었다. 아침보다 인원과 동원 차량이 훨씬 많다. 가장 눈에 띤 것은 Linde라고 하는 수소공급회사의 차량. 현지에 충진소가 없기도 했지만 20여개 있는 미국 내 충진소의 압축 수소는 350바밖에 되지 않아 부득이 직접 공급을 위해 나설 수밖에 없었다고 한다.

이 역시 간단치 않다. 공급차의 수소는 200바로 직접 충진할 수는 없다. 그래서 별도의 장비로 700바까지 승압을 해서 주입을 해야 했다. 승압을 위한 진동과 소음이 특이했다. 앞서 언급한대로 수소는 수소를 생산하는 과정과 그것을 자동차에 공급하는 인프라 구축이 아직까지는 본격적으로 발전이 이루어지지 않고 있다.

하지만 그 순간 서울의 휘발유가격이 떠 올랐다. 2,000원을 넘어서며 평균 가격 사상 최고를 기록할 것이라고 한다. 석유를 대체할 수 있는 에너지가 필요하다는 것을 다시 한 번 상기시켰다.

현재 유럽에서 수소 1kg은 9유로 정도라고 한다. 그렇다면 B클래스 F-Cell의 수소 탱크를 가득체우려면 33.39유로가 필요하다. 원화로 계산하면 5만 1,906원이 나온다. 우리나라에도 수소 충진소가 연세대학과 KAIST 등 세 군데가 있기는 하지만 판매를 하지 않기 때문에 가격은 알 수가 없다.

다시 오후 주행을 시작했다. 오전과 마찬가지로 프리웨이와 일반도로를 번갈아 가며 달렸다. 섭씨23도의 날씨와 따가운 햇빛은 운전자는 물론이고 동승자까지 졸립게 한다. 그것도 정속 주행이기 때문에 더 심했다. 여전히 무미건조한 주행의 연속이다. 하지만 머지 않아 우리는 어쩔 수 없이 석유가 아닌 대체 에너지의 필요성을 절감하게 될 것이고 그렇게 되면 이런 주행에 익숙해질 필요가 있을 수 있다.

291km를 달려 목적지인 몬테레이에 있는 라구나 세카 서키트에 도착했다. 이번에도 연료잔량은 붉은 띠 부분까지 내려와 있다. 오전보다 50km정도를 더 달렸지만 큰 차이는 나지 않는다. 그렇게 일정보다 약간 많은 547km의 1일차 여정이 마무리되었다.