일본에서 가장 큰 참여형 레이스로 프로와 아마추어가 모두 참가가 가능한 슈퍼다이큐 24시간 레이스를 계기로 토요타자동차의 파워트레인 전략을 살펴보았다. 토요타는 멀티 페스웨이(Multi-Pathway)라는 용어로 BMW의 멀티 파워트레인과 같은 전략을 수행하고 있다. 크게는 하이브리드 전기차가 중심이지만 ‘수소 사회의 구현’이라는 슬로건을 바탕으로 토요타만의 미래를 추구하고 있다. 연구소에서의 연구를 비롯해 ‘일상에서의 개선’, ‘모노즈쿠리(물건 만들기)의 혁신’, ‘재생에너지와 수소 사용을 촉진한다는 이니셔티브를 중심으로 탄소중립을 구현을 목표로 하고 있다. 토요타만의 미래 파워트레인을 위한 멀티 패스웨이 전략을 위한 방향성과 수소 엔진, 그리고 모토마치 공장의 역할을 조망해 본다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

2015 파리협정을 통해 2050 탄소중립이라는 목표가 세계적인 차원에서 결정됐다. 탄소중립은 에너지 대전환이 전제되어야 가능하다는 컨센서스도 공론화됐다. 지금까지의 에너지는 화석연료, 즉 석유와 석탄, 천연가스가 주를 이루고 있다. 앞으로는 태양광과 풍력, 지열, 수력 등 재생 에너지로 바꾸어야 한다는 움직임이 중심이다. 유럽과 중국은 많이 진행됐고 미국도 빠른 속도로 재생 에너지 발전 비율을 높이고 있다. 전통적인 개념의 바이오매스를 현대적인 바이오 에너지로 바꾸자는 움직임도 있다.

어떻게 정의하든 그 에너지는 나라와 지역에 따라 수급 상황이 다르다. 그래서 전 세계가 모두 같은 방향으로 갈 수 없다. 이상 기후로 인한 자연현상의 변화도 공통 분모를 찾지 못하게 하는 요소다.

그래서 지금은 LCA, 즉 생애주기 전 과정 평가라는 개념이 등장해 있다. 에너지를 생산하는 과정에서부터 유통, 공급, 그리고 자동차에서의 사용 과정에 이르기까지의 연료 사이클과 자동차를 만들기 위한 원자재 수급단계부터 폐차에 이르기까지의 과정에서 발생하는 CO2를 측정하는 자동차 사이클이 그것이다. 그러니까 통상적으로 알려진 배터리 전기차와 연료전지 전기차도 CO2 발생 제로가 아니라는 것이다.

이와 관련 유로 그린 NCAP의 자료가 참고할 만하다. 동급 차종, 다양한 동력원을 활용하는 자동차에서 연료 및 동력원이 LCA 온실가스 배출량에 미치는 영향에 관한 것이다. 폭스바겐 ID.3 BEV와 스코다 옥타비아 디젤, BMW 1시리즈 가솔린, 세아트 이비자 CNG, 토요타 프리우스 PHEV 등이 비교 대상이다.

ID.3는 운행과정에서는 온실가스가 제로이지만 배터리 생산과정에서 많은 CO2가 발생한다. 리사이클 측면에서도 배터리 전기차의 배출량이 가장 많다. 운행과정에서 가장 많은 CO2를 배출하는 것은 가솔린 자동차다. CNG와 디젤은 비슷한 수준이고 PHEV도 가솔린차의 절반 정도를 배출한다. 그러나 총량에서는 가솔린차가 가장 많고 다음으로 디젤, CNG, PHEV, 그리고 배터리 전기차가 수가 가장 적다.

현대자동차도 수소 연료전지 전기차 넥쏘의 CO2 배출량이 224.8g/km로 가장 많다는 결과를 발표했다. 이어서 그랜저 내연기관차가 215.4g/km이며 아이오닉6는 157.4g/km, 그랜저 하이브리드는 156.8g/kg으로 비슷하다. 이 데이터가 전 세계 모든 자동차에 적용된다면 지금 전기차로의 전환은 폐기되어야 한다. 구동 과정에서 그랜저 내연기관차와 넥쏘가 비슷한 수준으로 높았다는 점도 특이하다.

이는 배터리 전기차가 가솔린차에 비해 볼보는 50% 적은 CO2를 배출한다는 데이터를 비롯해 라이스타드에너지는 58%, 국제에너지기구는 50%라는 수치를 발표했지만, 이것이 모든 시장에서 받아들여지지는 않고 있는 것이 현실이다.

토요타만의 전동화를 위한 수소 연료전지 전기차

그래서 배터리 전기차와 수소연료전지 전기차 외에 e퓨얼과 탄소중립 연료, 바이오 퓨얼, 바이오 매스 등을 사용한 다양한 파워트레인을 개발해야 한다는 의견이 나온 것이다. 내연기관을 발전기로 사용하는 PHEV(EREV)도 최근에는 중국업체들을 중심으로 부상하고 있다.

당장에는 배터리 전기차는 소형차를, 수소 연료전지 전기차는 대형차를 중심으로 한다는 의견이 주를 이루고 있다. 배터리 전기차는 테슬라와 BYD가 주도하고 있다. 수소 연료전지 전기차는 토요타와 현대차그룹이 중심이고 다임러트럭과 볼보트럭이 합작으로 대응하고 있다. 르노그룹도 밴 등을 중심으로 연료전지 파워트레인을 확대하고 있다. BMW는 토요타의 연료전지 셀을 이용해 개발하고 있다.

하이브리드 전기차로 전동화 시대를 선도해 온 토요타자동차는 수소 연료전지 전기차에 많은 공을 들이고 있다. 이미 양산형 모델 미라이를 통해 시장에서 현대차 넥쏘와 경쟁하고 있다. 토요타는 2세대 미라이에서 시판 가격을 5만 달러대로 크게 낮추었다. 2026년에는 디젤차를 능가하는 유지 보수와 용이성, 스택 비용, 20% 향상된 항속거리를 목표로 하는 고성능 차세대 연료전지 셀을 개발하고 있다.

토요타는 수소 연료전지 전기차는 상용차를 중심으로 수소 수요를 확대한다는 방침이다. 이를 위해 2023년 수소 팩토리를 신설해 협력업체들과 함께 수소의 생산, 운반, 사용의 과정에 대응하고자 하고 있다.

모터스포츠를 통해 기술을 개발하는 수소 엔진차

그리고 또 공을 들이고 있는 것이 수소 엔진이다. 수소 엔진을 가장 먼저 개발한 것은 BMW였다. 1992년 개발을 시작해 2007년 하이드로젠7이라는 수소 엔진차까지 발전시켰으나 지금은 중단한 상태다. 지금 수소 엔진을 개발하고 있는 업체는 독일 말레(Mahle)를 비롯해 르노, 볼보트럭, 현대자동차그룹, 토요타자동차 등 다수의 업체가 양산을 준비 중이다. 보쉬는 올 해 말 수소 엔진을 출시할 계획이다. 보그워너는 2040년 18% 시장 점유율을 예상했다.​초기에는 대형 상용차, 2030년경에는 소형차에도 도입이 될 것이라고 내다봤다. ​

다만 수소 에너지를 사용하는 수소 엔진과 수소 연료전지 전기차는 당장에는 액화점이 -250도에 달하는 저장성이 문제다. 현시점에서 수소의 가격과 공급도 문제다. 가격이 디젤보다 몇 배 더 비싼 약 30달러/kg에 달한다. 지금은 수소의 95%가 메탄에서 나온다. 그 이야기는 수소차는 여전히 거의 전적으로 화석 연료로 구동된다는 것을 의미한다. 수소 엔진에서는 질소산화물이 배출된다는 점도 간과할 수 없다. 그 점에 착안해 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 수전해 기술 개발도 연구 중이다.

토요타는 수소 전략을 수행하기 위해 이미 출시된 FCEV 미라이를 비롯해 수소 엔진차 GR 야리스와 GR코롤라 등을 개발했다. GR 야리스는 2022년 벨기에에서 개최된 WRC에 아키오 토요타 회장이 모리조라는 이름으로 출전했다. 수소엔진은 연료펌프와 인젝터만 수정함으로써 기존 내연기관을 활용할 수 있다는 것을 장점으로 꼽고 있다.

그런 활동을 통해 수집된 테이터를 데이터 분석 자료를 기반으로 안전밸브, 배관 등 다양한 액화수소 시스템을 최적화했다. 연료 압력을 최적화해 펌프 스트레스를 줄여 기존보다 내구성을 30% 향상시켰다. 펌프 구동 모터 배터리의 무게 또한 기존보다 40kg 덜어냈다.

5월 25일~2일 슈퍼다이큐 24시간 레이스 현장에서 토요타는 수소 저장탱크 등 기술적 진전상황을 공개했다. w토요타는 2023년 처음으로 기체 압축수소를 액체수소로 바꿨다. 당시 150리터에 10kg이었던 것을 220리터에 15kg으로 키웠다. 액체 수소 승압 펌프를 듀얼 드라이브 기구로 바꿔 내구성을 높였다. 그 엔진으로 슈퍼다이큐 내구레이스에서 도중 브레이크 고장으로 중단했지만 30바퀴를 달린다는 목표를 달성했다. 또한 CO2 포집장치도 공개했다. 자동차 주행 중에 공기 중의 CO2를 포집해 파워트레인과는 별도로 CO2를 저감시킨다는 것이다.

토요타의 GR레이싱 CEO는 수소 엔진차를 시장에서 받아들이지 않을 수도 있다는 것을 알고 있다고 말했다. 하지만 지금까지 모터스포츠 현장에서의 결과를 보면 충분히 가능성 있다고 주장했다. 토요타는 이와 더불어 e-퓨얼과 비슷한 개념의 탄소중립연료도 개발하고 있다.

슈퍼다이큐 24시간 레이스에는 수소와 탄소중립연료, 바이오 연료 등 개발 차량을 위한 별도의 클래스를 추가하고 있다. 실험실이나 일반인들의 사용보다는 훨씬 가혹한 조건에서 시험을 수행하고 피드백할 수 있는 모터스포츠의 장이 마련되어 있는 것이다.

멀티 페스웨이, 생산을 통해 구현한다

토요타는 미라이를 출시할 때만 해도 친환경차를 하이브리드 전기차와 배터리 전기차, 플러그인 하이브리드만 상정하고 있었다. 그러나 지금은 장기적으로 수소 사회 실현이라는 목표를 설정하고 있다. 물론 연간 판매의 30%를 배터리 전기차로 한다는 목표도 병행하고 있다.

이 근저에는 멀티 패스웨이라는 전략이 있다. 가능한 모든 파워트레인의 개량을 통해 온실가스를 줄이기 위한 것이다. 궁극적인 목표는 물론 탄소중립이다. 이런 복잡한 상황에서 토요타는 모든 가능성을 얼어놓고 대응해야 한다는 입장이다. 그것을 보여 주는 것이 토요타시에 있는 모토마치 공장의 현황과 조립라인 견학을 통해 얻은 내용을 정리한다.

모토마치 공장은 1959년 설립된 아시아 최초의 승용차 공장이다. 크라운과 코롤라 등이 생산됐으며 2000년에 누계 생산 1,000만대를 돌파했다. 2010년에는 렉서스 LFA를 생산했으며 2014년에는 세계 최초 FCEV 미라이를 이곳에서 생산하기도 했다. 렉서스 LC를 위한 별도의 라인이 있으며 2020에는 GR팩토리를 설립해 레이싱 전용모델도 생산하고 있다.

이 공장은 내연기관차부터 배터리 전기차, 하이브리드 전기차, 수소 연료전지 전기차등 네 개 파워트레인을 탑재한 토요타와 렉서스 브랜드의 9개 차종이 한 개의 조립라인에서 혼류 생산되고 있다. 수소 연료전지 전기차 미라이와 크라운 HEV와 FCEV, 배터리 전기차 bZ4X, RZ HEV 등 전동화차가 중심이다. 플러그인 하이브리드 전기차도 생산할 수 있지만 현재는 해당 모델이 없다고 한다.

당연히 지금 테슬라를 제외한 대부분의 자동차회사가 사용하는 토요타 생산방식이 적용되고 있다. 1980년대 완성된 토요타 생산방식은 기술적으로는 적시로 표현되는 부품의 적기 공급과 자동화다. 그렇지만 산업적으로는 연간 400만 대를 생산하는데 7만 명의 인원만 동원된다는 것이다. GM이 500만 대를 생산하는데, 80만 명을 필요로 했던 것과 비교되는 부분이다. 그만큼 포드의 대량 생산 방식 이후 획기적으로 생산비용을 낮추었다. 그를 바탕으로 토요타는 20세기 말 현지 생산 전략을 통해 세계화에 성공했다.

모토마치 공장에서는 125초 당 한대의 모델이 완성된다. 스포츠카를 수준의 높은 품질의 제품을 생산한다는 것을 원칙으로 하고 있다. 주목할 점은 조립 라인에 공급업체 인력이 50%나 된다는 것이다. 부품 내용의 숙지가 된 전문인력이 생산성 향상에 도움이 되기 때문이라고 한다.

조립라인은 크게는 섀시 라인과 조립라인으로 나뉘어 있다. 조립 라인은 다시 컨베이어가 6미터 간격으로 구분되어 있다. 이는 토요타가 자랑하는 이상관리 시스템 즉, 안돈 시스템 중 하나다. 과거에는 조립과정 중 문제가 발생하면 위쪽의 끈을 당겨 작업을 중단시켰다. 지금은 빨간색과 노란색의 두 개의 버튼으로 상황을 관리한다. 빨간색 버튼을 누르면 작업자의 안전 등에 문제가 발생하거나 하면 6미터 구간의 작업이 물리적으로 중단한다. 노란색은 리더를 호출하는 것이다.

자동차 생산 공정 중 프레스와 차체, 도장 공정은 대부분 자동화되었지만, 조립설비는 90% 이상이 수작업으로 이루어진다. 운반차(AGV: 토요타는 VLR 차량 물류 로봇이라고 부른다)를 포함하면 50% 정도로 계산된다. 태블릿 PC를 통해 작업 순서 등을 지시하는 것도 과거와 달라진 내용이다.

달라지지 않은 것은 라인에서 작업하는 이들의 자세다. 90년대 쯔쯔미 공장을 방문했을 때의 충격이 다시 떠 올랐다. 어떻게 사람이 저런 속도로 저렇게 집중해서 일을 할 수 있을까 하는 생각을 했었다. 그러면서도 높은 품질을 유지한다니. 이미 많은 자동차회사는 생산 공정에서의 오류를 줄이기 위해 개발 과정에서 모든 가능성을 배제한다.

특이한 것은 별도의 라인에서 생산되는 렉서스 LC였다. 2017년부터 생산을 시작해 하루에 9대가 생산되는데, 수요에 따라 변동이 있다. 현재는 6미터의 간격의 컨베이어 벨트를 이동하는 데 57분이 소요되며 한 사람이 그 구간의 모든 작업을 책임지고 있었다. 양산 라인에서 다른 모델이 생산되는 라인은 1분이 걸리는 거리다. 이 라인에서는 와이어링 하네스의 무게를 2~3kg 줄였다고 한다. 와이어링 하네스는 차 한 대당 평균 50kg 정도다. 이 부분에서도 경량화가 많은 진척을 이루었고 지금은 통합 ECU를 채용해 획기적인 저감을 추구하고 있다.

모토마치 공장 LC 조립라인에서는 지금까지 방문 당일까지 누계 3만 580대의 LC가 생산됐다고 한다. 쿠페와 컨버터블이라는 장르를 생각하면 수요가 적기 때문일 것이다. 그보다는 렉서스 브랜드의 스페셜카라는 점을 고려한 것으로 이해된다.

모든 것은 토요타 생산방식이 기본이다

메가 캐스팅을 적용한 자체 추진 조립라인이라고 하는 토요타의 새로운 생산방식에 관해서는 설명을 들을 수 없었다. 휴머노이드 로봇을 동원한 자동화 계획도 알 수 없었다. 배터리를 차체에 통합하는 셀 투 섀시 기술 정보도 이 공장에서는 확인할 수 없었다.

그럼에도 모토마치 공장은 파워트레인은 물론이고 장르와 차체 타입, 세그먼트에 따른 다른 생산방식을 적용해 미래 생산방식의 시험대로써의 역할을 수행하고 있음을 알 수 있었다. ‘일상에서의 개선’, ‘모노즈쿠리(물건 만들기)의 혁신’, ‘재생에너지와 수소 사용을 촉진한다는 탄소중립을 위한 세 가지 이니셔티브가 반영되고 있다는 것이다.

모토마치 공장은 모터스포츠의 장에서 활약하고 있는 GR 코롤라와 소비자들의 반응을 통해 일상에서의 개선을 추구한다. 공장 라인의 운영방식의 변화를 통해 모노즈쿠리의 혁신을 꾀하고 있다. 더불어 수소 연료전지와 수소 엔진차의 생산을 통해 수소 사용 촉진을 노리고 있다.

그중에서도 세계적인 랠리와 레이스의 끊임없는 출전을 통해 기술을 피드백하고 있다는 점이 인상적이다. 모터스포츠는 그 자체로 이벤트이기도 하지만 자동차회사들에는 신기술의 시험장이기도 하다. 토요타는 수소 엔진차도 모터스포츠를 시험대로 하고 있다.

타카하시 토모야 GR 컴퍼니 사장이 말이 그것을 입증한다. “이전까지 주로 출력 향상을 위한 제어 시스템 개조에 중점을 두고 작업을 진행했지만 2023년에는 하드웨어에 더 많은 변화를 주면서 무게도 줄였다. 그간 중점을 둔 분야 중 하나는 바로 토요타 제품과 모터스포츠를 연결하는 가장 좋은 방법을 찾는 것이다.”

그 기술 개발을 위해 68세의 아키오 도요타가 모리조라는 이름으로 모터스포츠의 현장에서 여전히 활동하고 있다. 토요타는 후지 스피드웨이를 찾은 수많은 관객에게 경기 이외에도 피트를 오픈해 레이싱 머신을 가까이서 볼 수 있게 하고 책임자들과 대화할 수 있게 하고 있다. 그런 문화를 만들고 그를 통해 얻은 반응을 피드백하고 있다.

목표는 탄소중립 달성을 통한 지속가능성이다.

미래에 비중을 두는 투자은행과 애널리스트들은 여전히 토요타 등 일본 업체들의 전기화 전략이 늦다는 것을 지적하고 있다. ​토요타는 이런 비판에도 불구하고 연간 생산 1,000만 대를 넘긴 유일한 회사다. 그들이 소비자들이 미래의 파워트레인을 선택할 것이라고 말하는 이유이다.