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메르세데스 벤츠 F-Cell 월드 드라이브-2일차

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2011-03-13 20:04:54

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메르세데스 벤츠 F-Cell 월드 드라이브-2일차

메르세데스 벤츠의 B클래스 F-Cell 월드 드라이브 세계 일주에 참여하면서 여러가지 이야기를 들을 수 있었다. 에너지에 관한 것부터 자동차의 미래, 그리고 인류의 미래에 이르기까지 다양한 의견들이 개진됐다. 엔지니어들의 시각과 마케팅 관련자들의 생각에 차이가 있다는 것도 확인할 수 있었다. 다만 한 가지 불확실하지만 미래를 위해 연구를 통해 발전을 통해야 한다는 사고와 확실하지 않은 것에 투자할 필요가 없다는 쪽으로 의견이 갈려 가고 있다는 점은 확인할 수 있었다.
글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)
사진/채영석/메르세데스 벤츠코리아

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메르세데스 벤츠를 비롯한 독일의 자동차회사에서 일하는 엔지니어들을 만날 때마다 느끼는 것이 있다. 그들은 마치 지구의 미래를 위해 그들이 무언가를 해야 하고 그들만이 할 수 있다는 사명감을 갖고 있다는 것이다. 그리고 자신들이 속한 분야에서 최선을 다해 다른 분야의 엔지니어들과 경쟁을 하고 있다.

이번 이벤트에서 만난 메르세데스 벤츠 연료전지 부문의 엔지니어도 예외가 아니었다. 수소 연료전지의 미래를 묻는 질문에 머지 않아 실용화가 될 것이고 그 이후로는 빠른 속도의 발전이 있을 것으로 확신한다고 답했다. 물론 그 속도라고 하는 것이 전동화의 흐름과 궤를 같이 하기 때문에 금방 바뀌지는 않겠지만 그 시대가 반드시 온다고 강조했다.

수소의 안전성에 대한 질문에 대해서는 전기차도, 가솔린차도 폭발의 가능성이 있는 것은 같다고 반문한다. 휴대폰도 폭발하지 않는가고 되묻는다.

그런 그의 주장이 조금은 지나치게 받아 들여질 수도 있을 것이라는데는 동의한다. 하지만 석유로 인해 전 세계 많은 나라들이 고통을 받는다는 것을 생각하면 하루빨리 대체에너지가 실용화되어 석유 대신 인간 생활에 폭넓게 사용되어야 한다는데는 이의가 없을 것이다.

오늘날 주목을 끌고 있는 대체에너지로는 CNG(천연가스)를 비롯해 수소, 바이오 에너지, 태양열, 풍력, 원자력 등 다양하다. CNG는 자동차에 사용시 이산화탄소 배출이 않기는 하지만 이미 어떤 형태로든 사용폭이 확대되고 있다. 수소 에너지도 다양한 에너지 원으로부터 추출이 가능하다는 점 때문에 처한 입장에 따라서 하루빨리 상용화가 되길 바라고 있다.

그런 점에서 앞서 있는 것은 독일이다. 독일은 20억 달러를 투자해 수소 충전소를 설립할 계획이다. 앞으로 10년 동안 최소 1천개 이상의 수소 충전소를 세우겠다는 것이다. 정부 차원에서는 장기적으로 볼 때 수소가 새 동력원이 될 것이라는 생각을 갖고 있다. 그런 정책에 맞춰 메르세데스 벤츠는 2015년 연료전지차의 양산을 목표로 막바지 피치를 올리고 있는 것이다.

파이크 리서치는 2020년에는 연료 전지의 누적 판매가 280만대를 넘을 전망했다. 2014년이 되면 대부분의 지역에서 연료 전지가 상용화 되고 2020년에는 누적 판매 대수가 280만대를 돌파할 것이라는 것이다.

2010년 연료전지에 대한 투자는 40억 달러에 그쳤지만 2016년에는 51억 3천만 달러가 넘을 것이라고 전망했다. 이는 연 평균 3.3%씩 증가하는 것이다. 파이크 리서치는 연료 전지가 가장 많이 팔릴 지역으로 서유럽을 꼽았다. 서유럽은 글로벌 연료 전지 판매의 37%가 소화될 것이라는 설명이다. 또 연료 전지 승용차의 판매는 2020년이 되어도 70만대에 못 미칠 것이라고 보았다.

연료 전지 기술에서 가장 앞서 있는 메이커로는 다임러와 혼다, GM, 현대, 토요타를 들었다. 이 5개 메이커가 연료 전지 기술을 선도할 것이라고 전망했다. 미국 캘리포니아주는 2025년부터는 4만대 이상의 연료 전지 차를 판매한다는 계획을 세우고 있다. 그리고 연료 전지 상용화의 핵심으로는 수소 저장 장치와 시스템의 내구성 향상을 꼽았다.

다임러와 토요타가 연료 전지 기술을 공유할 전망이다. 공교롭게도 토요타와 다임러는 미국의 전기차 메이커 테슬라의 지분을 보유하고 있다. 다임러는 작년 테슬라의 지분 10%를, 토요타는 얼마 전 5천만 달러를 투자했다. 토요타와 GM이 합작했던 NUMMI에서는 테슬라의 모델 S가 생산될 예정이다. 그래서인지 이번 이벤트에 테슬라의 공장 견학이 포함되어 있었다. 짧은 시간이지만 로터스 엘리스를 베이스로 한 전기차 테슬라 로드스터를 시승해 볼 수도 있었다.

1994년 벤츠 NECAR가 첫 번째 연료전지차

수소를 연료로 사용하는 연료전지자동차는 독일 메르세데스 벤츠가 시작한 것이다. 메르세데스 벤츠가 처음 자동차에 적용하기 시작한 것이 연료전지가 수소시대의 핵이라는 얘기이다. 이번에는 연료전지의 기본 원리에 대해 알아보자.

수소를 사용하는 것은 마찬가지이지만 그 방법이 다른 것이 연료전지전기자동차다. 수소엔진차는 극히 미량이기는 하지만 배기가스를 배출한다. 하지만 연료전지차는 수증기만 배출한다. 이처럼 궁극적인 완전무공해자동차로서 머지 않아 보급이 시작될 것이 확실시 되는 연료전지차이지만 그 기술은 아직 발전과정에 있고 진화하는 과정에 있다.

연료전지라고 하는 단어에서 무언가 구체적인 것을 떠올린다는 것은 쉽지 않다. 연료라고 하면 가솔린이라든가 가스라고 하는 것을 생각하는 것이 보통이고 전지라고 하면 배터리를 생각한다. 그리고 그 연료와 배터리를 결합해 보아도 구체적인 것이 떠오르지 않는다.

영어로는 Fuelcell이라고 쓴다. 퓨얼 배터리가 아니다. 하지만 셀이라고 하는 단어는 조그마한 방이라는 의미가 있고 전기 분야에 전지의 의미도 포함되어 퓨얼 셀을 직역해 연료전지라고 해도 별 문제는 없다. 사전을 좀 더 자세히 찾아보면 셀이 모여 배터리로 된다고 해설되어 있다.

우리가 알고 있는 자동차의 보조 배터리는 2볼트를 발생하는 극판(cell)이 6개 모여 12볼트 배터리로 되어 있다. 연료전지는 약 0.7볼트를 발전하는 셀을 몇 개 모아 스택(stack)이라고 부른다. 그런데 전지를 우리는 '전기를 저장해 두는 장치'라고 생각하고 있는데 실은 그 내부에서 이루어지고 있는 것은 화학반응이고 그에 따라 전기를 만들어내는 장치이다. 자동차 배터리의 경우 충전은 전기를 밀어 넣음으로써 역 화학반응을 하게 해 발전의 반응을 일으키도록 내부를 복원하고 있는 것이다.

전지는 발전장치라고 생각하면 연료전지는 이해하기 쉬워진다. 다시 말해 충전을 하는 것은 아니고 연료를 공급해 발전을 하는 장치를 연료전지라고 부르는 것이다. 그 연료란 다름 아닌 수소다. 연료전지에 수소를 넣어 대기중의 산소와 화학반응을 시키면 전기가 일어난다. 동시에 수증기가 발생한다. 이는 우리가 학교에서 배웠던 물의 전기분해의 역작용을 이용하고 있는 것이다.

연료전지 내부는 전해질막을 사이에 두고 플러스와 마이너스의 극이 있고 마이너스극측에 수소를, 플러스극 측에 공기(산소)를 공급하면 마이너스측의 수소가 전극의 백금촉매에 접촉해 이온화해 전자를 방출한다. 남은 수소의 양자는 전해질막을 통과해 플러스극측으로 이동해 산소와 반응해 물로 된다. 수소 원자에서 방출된 전자는 플러스극과 마이너스극의 사이에 전위차(전압)를 만들어 전기가 흐른다. 이것이 연료전지의 발전 과정이다.

전해질의 막은 두께가 1000분의 20∼30mm라고 하는 엷은 폴리머로 만들어졌다. 이온화해 전자와 양자로 나뉜 수소원자의 양자만을 통과하는 막이기 때문에 양자교환막형(Proton Exchange Membrane)의 연료전지라고 부른다. 엷은 폴리머의 막을 이용하는 것으로 소형화가 가능하고 세계의 각 자동차 메이커들이 개발중인 연료전지는 이 방식을 채용하고 있다.

연료전지차가 지금까지 주목을 모으게 된 것은 1994년에 다이믈러 벤츠(현재의 다임러크라이슬러)가 NECAR(New Electric Car)라고 하는 연료전지차를 처음으로 주행시키면서 부터다. 연료전지 그 자체는 1965년에 미국의 우주선 제미니 5호에 처음으로 사용된 이래 오늘날의 우주선에서도 발전에 이용되고 있다. 하지만 자동차와 같이 소형에서 주행에 따른 진동등 가혹한 사용조건이 주어진 상황에서의 이용은 다이믈러 벤츠가 처음이었다.

최초의 NECAR1은 상용 원박스 짐칸 가득히 장치가 실린 연료전지차였다. 하지만 이후의 개발은 급 피치를 보여 다이믈러 벤츠는 2년 후인 1996년에 현재의 V클래스를 베이스로 하는 미니밴 NECAR2를 만들고 이는 6인승으로 화물공간도 확보되어 자동차로서의 실용성을 높였다. 나아가 이듬해인 1997년, A클래스를 베이스로 하는 NECAR3를 탄생시켰다. 동시에 연료전지 버스 NEBUS(New Electric BUS)를 제작해 연료전지차의 공공교통 기관에의 확대가 제시되었다.

3년이라고 하는 짧은 기간에 NECAR1부터 NECAR3까지 출력은 50kW로 같으면서 연료전지 스택의 수가 12개에서 2개가 감소해 중량은 1/10로 가벼워지고 한번 연료보급으로 주행거리는 4배인 400km로 연장되었다. 배터리카라고 부르기도 하는 전기자동차의 주행거리가 최신의 니켈수소를 사용해도 200km 정도의 항속거리에 불과한데 400km는 매력적인 수치이며 연료전지차 개발은 더욱 힘을 얻게 된 배경이다.

몬테레이에서 샌프란시스코까지 210km-2일차

메르세데스 벤츠 B클래스 F-Cell 월드 드라이브 2일째는 샌프란시스코까지 210km, 마지막 날은 새크라멘토까지 178km를 달리는 비교적 짧은 코스로 구성되어 있었다. 어제까지의 적산거리계에 표시된 총 주행거리는 9,574km. 당초 기획단계에서의 예상거리는 8,765km였다.

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위 사진은 전체 여정 중 일부 사진임.

이틀 째 만나는 B클래스 F-Cell은 그 느낌이 또 다르다. 아침 6시에 시작된 행사에도 변함없이 호텔 앞에서 드라이버를 기다리는 것이 예사롭지 않아 보인다. 125일 동안 전 세계에서 150명 가까운 저널리스트와 전문가들의 손길을 자동차의 입장에서는 어떻게 받아 들일지 궁금하다.

오늘은 하늘이 흐리다. 따사로운 햇빛이 내리쬐는 상춘의 지역이라서 그런지 더 춥게 느껴진다. 기온은 섭씨 7도~23도 사이를 오락가락하지만 지나다니는 사람들은 두꺼운 옷을 입고 다닌다. 습도가 낮은 탓에 우리나라의 온도와는 그 느낌이 크게 다르다.

LA와는 달리 몬테레이의 시내를 벗어나는데는 많은 시간이 걸리지 않았다. 태평양이 보이는 해안도로를 지나면서 무심코 달렸다. 계기판의 속도계가 140km/h까지 올라간다. 그 상황에서의 연료소모 정도는 1.45kg/100km 정도. 당연히 속도감은 없다. 산악로를 달리면서 연료소모는 1.21kg으로 즐었다. 오른발에 특별히 힘이 더 들어가거나 하지는 않았다.

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첫 날에 비해 조금은 안정된 탓인지 B클래스 F-Cell에서 A클래스와는 달리 제트기 소리 비슷한사운드가 들리지 않는다는 것을 깨달았다. 이미 독일 등에서 실시된 시승회를 통해 나온 평가이다. 공기를 압축해 보내는 방식을 수퍼차저에서 터보차저를 절반으로 나누어 좁힌 형태의 컴프레서를 사용한 결과라는 것이 메르세데스측의 설명이다. 다른 차원에서는 회전을 좀 더 높임으로써 발생하는 주파수대를 인간의 귀에 들리지 않게 한 결과라는 것이다.

연료전지 스택의 크기가 40% 가량 소형화됐으면서 동력 성능은 증강된 것도 포인트다. 최고출력은 30% 증강된 100kW로, 최대토크는 290Nm으로 높아졌다. 물론 연비성능도 30% 향상되었다. 수소탱크의 압력을 350MPa에서 700MPa로 높여 항속거리도 150km에서 400km로 늘었다. 하이브리드나 배터리 전기차가 그렇듯이 기존의 자동차와 비슷한 느낌으로 변한 것이 포인트다.

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중간 기착점으로 배터리 전기차 전문회사인 테슬라에 들렀다. 테슬라를 창립했고 지금도 CTO의 직책을 맡고 있는 JB. 스트라우벨(StraubeL)를 비롯해 엔지니어, 홍보 담당자들이 그들의 현황과 미래에 대해 성의껏 소개를 했다. 내용은 새로운 것이 없다. 로터스 베이스의 로드스터와 차기 모델은 S 의 소개 등이 있었지만 모두 글로벌오토뉴스의 전기차 섹션을 통해 알려진 것들이다.

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다만 7년 전 설립되어 지금까지 모두 1500여대를 생산했으며 2010년 한 해에만 300대를 생산한 로터스 베이스의 로드스터를 3km 정도 시승해 보았다든데 의의가 있었다. 아직까지도 배터리 전기차회사들은 그들이 개발한 모델의 시승 구간을 길게 잡아 주지 않는다. 나가더라도 얼마되지 않아 가능한 빨리 복귀하자고 하는 것이 보통이다.

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메르세데스 벤츠 F-Cell 월드 드라이브 이틀째 행사는 테슬라에서 샌프란시스코 공항 부근의 집합장소까지 이동하는 것으로 마무리되었다.

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