252. 8년 만에 다시 만난 BMW의 수소 연료전지 전기차 iX5 하이드로젠
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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)|
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승인 2023-04-24 11:31:10 |
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BMW가 아시아 최초로 서울에서 수소 연료전지 전기차 iX5 하이드로젠의 파일럿 모델을 공개했다. 수소 연료전지를 주 동력원으로 하고 보조 배터리를 탑재해 상황에 따라 EV 모드만으로도 주행할 수 있는 시스템으로 오늘날의 방식으로 말하자면 수소 연료전지 플러그인 하이브리드 전기차, 또는 항속거리 연장형 전기차(EREV)라고도 할 수 있다. 연료전지 셀은 토요타로부터 공급받아 BMW의 기술로 팩을 만들고 5세대 e드라이브를 조합했다. 2023상하이오토쇼를 통해 알 수 있었듯이 중국은 보조금 폐지로 전기차의 본격적인 대중화가 빨라지고 있다. 유럽연합은 2035년 내연기관 판매금지법을 통과시켰으며 미국은 2032년까지 신차 판매의 67%를 전기차로 할 것을 강제하고 있다. 미국이 이처럼 급가속하는 것은 중국을 의식한 것이다. 원하는 대로 진행될지는 두고 봐야겠지만 지금 중요한 것은 탄소중립이고 그것을 실천하는 다양한 방안이 강구되고 있다. BMW iX5 하이드로젠을 계기로 현재 상황을 짚어 본다.
글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)
전기차에는 배터리 전기차(BEV)와 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV), 하이브리드 전기차(HEV), 그리고 수소연료전지 전기차(FCEV)가 있다. 각각 동력원이 배터리에 충전된 전기인지, 가솔린인지, 수소인지가 다르다. 지금 큰 틀에서는 전기차로 전환해야 한다는 명제에는 모두 동의하고 있으나 그 방법론에서는 지역과 자동차회사들에 따라 차이가 있다.
가장 큰 차이는 토요타가 최근 배터리 전기차의 라인업 확대 속도를 빨리하고 있지만 진행 과정에서 하이브리드 전기차가 더 효율적이라는 생각을 여전히 바꾸지 않고 있다. 토요타는 1998년 하이브리드 전기차 프리우스를 출시한 이후 전동화에 대한 노하우를 축적해 왔다. 초기에는 인정받지 못했으나 지금은 대부분 메이커가 하이브리드 전기차를 라인업하고 있을 정도로 트렌드세터로서의 존재감을 과시하고 있다.
그러나 최근 들어 주식시장에서의 압박이 강해지면서 신임 CEO 사토 고지가 2026년까지 10개 모델을 출시해 연간 150만 대를 판매한다는 목표를 발표했다. 2022년 발표했던 것의 중간 단계이기는 하지만 시장의 요구에 부응하지 않을 수 없다는 것이다. 그는 최근 전기차를 위한 3단계 프로그램도 공개했다.
시장에는 여전히 배터리 전기차가 최선의 대안인가하는 질문이 존재한다. 배터리 생산을 위한 원자재 문제부터 충전 인프라가 많은 숫자의 전기차를 모두 수용할 경우 비용이 기하급수적으로 증가한다는 연구 결과도 있다. 그리고 재생 에너지의 간헐성으로 인한 현실적인 대안이 필요하다는 의견까지 다양하다.
그래서 메르세데스 벤츠는 일찍부터 수소 연료전지 전기차를 개발해 왔다. 2011년 B클래스 퓨얼셀을 개발해 자동차 전문기자 및 연예인 대상 전 세계의 일주 시승 프로그램을 통해 실현 가능성을 타진했었다. 슈투트가르트를 출발해 4대륙 14개국을 릴레이 주행하는 것으로 총 주행거리 3만여km를 125일에 걸쳐 주파하는 여정이었다. 기자는 그 중 LA에서 샌프란시스코를 거쳐 세크라멘토까지 코스의 3일간 시승 주행에 참여했었다. 그러나 기술적인 문제부터 에너지 공급, 인프라 문제 등에 막혀 승용차 부문은 중단하고 상용차에 탑재하는 쪽으로 방향을 선회했다. 지금은 볼보와 셀센트릭이라는 수소 연료전지 전기차 개발 합작회사를 설립해 연구 개발을 진행하고 있다.
그런데 정작 시장에 가장 먼저 연료전지 전기차를 선보인 것은 혼다였다. 혼다는 클래러티를 리스 형태로 판매했고 기간이 길지 않았다는 점 때문에 양산 연료전지차를 가장 먼저 출시한 현대자동차보다는 존재감이 높지 않다. 현대차는 이미 승용차인 넥쏘 외에도 상용 연료전지 전기차를 수출하고 있으며 중국에 연구개발 센터를 설립해 장기적인 안목으로 연료전지 전기차의 시장 확대에 힘을 쏟고 있다. 또한 현대차와 비슷한 시기에 연료전지 전기차를 출시한 토요타도 이 부문에서는 지속적인 연구개발을 하고 있다. 시장에서는 미라이라는 승용 모델이 활약하고 있다.
하지만 토요타는 수소를 에너지원으로 사용하는 내연기관차 개발에도 많은 공을 들이고 있다. 모터스포츠 현장에서 전 CEO 아키오 토요다가 직접 스티어링 휠을 잡고 의지를 표명하는 등 적극적이다.
BMW도 수소를 에너지로 사용하는 자동차에 대해 1978년부터 연구를 해 왔다. 1990년을 전후해 수소 엔진차의 가능성에 무게를 두고 본격적으로 개발하기 시작했고 1992년 뮌헨 FIZ센터로 전 세계 기자들을 불러 개회한 워크샵에 참석한 적이 있다. 2006년에는 7시리즈를 베이스로 하는 수소 엔진차 프로토타입 모델을 개발해 전 세계를 돌며 시승회를 개최하기도 했다. 하이드로젠7이라는 7시리즈를 베이스로 한 수소 엔진 파일럿카를 2007년 서울에서도 시승해 봤었다.
하지만 액화수소가 효율성이 높지 않고 장기간 극저온을 유지하는 것이 불가능해 수소 제어 기술이 중요했고 그런 면에서 어렵다는 결론에 도달해 압축 수소의 사용을 결정했다. 그리고 압축 수소로 내연기관을 구동할 수는 없어서 결국에는 수소 연료전지 전기차로 방향을 바꾸었다. 연료전지 탱크를 사용하면 위 두 가지 문제를 바로 해결할 수 있었기 때문에 표준화된 기술을 확보할 수 있었다.
에너지의 효율적인 사용이 전제되야 전기차로 전환 가능
BMW가 수소 사용에 오랫동안 관심을 두어 온 것은 지속가능성을 위한 약속에 기반하고 있다. 더불어 기후재앙을 피하기 위한 2015년 파리 기후협정의 약속을 실천해야 하기 위한 것이다.
BMW는 탈탄소화를 위해서는 사용할 수 있는 모들 기술 이용해야 한다고 생각하고 있다. 배터리에만 집중해서는 장기적으로 이동성을 보장할 수 없다는 것이다. 원자재 조달부터 차량의 생산, 재활용까지 전체적인 가치 사슬을 살펴야 한다는 것이다. 재활용도 설계 초기부터 고려되어야 하는 요소다.
그리고 또 하나 고려해야 할 것은 미래에 모든 에너지원이 태양광과 풍력, 수력 등 재생에너지를 기반으로 하게 됐을 때 공장과 가정, 그리고 수송 수단 등 모든 곳에 사용할 수 있을 정도로 전기가 충분할까에 대해서도 더 깊은 연구가 필요하다.
재생에너지가 간헐성이 문제라는 점은 누구나 알고 있다. 지금은 그 때문에 에너지를 저장할 수 있는 ESS의 개발과 생산에 많은 업체가 뛰어들고 있다. 그 이야기는 수송에 사용될 에너지를 수입할 수도 있다는 것이다.
태양광이나 풍력이 풍부한 지역에서는 생산된 전력이 낭비된다. 그것을 사용할 수 있는 방법의 하나가 ESS이고 또 다른 하나는 그 잉여 에너지로 수소를 생산하는 것이다. 예를 들어 한국이나 독일에서 태양광 패널을 설치하는 것과 중동에 설치하는 것과 에너지 생산량에 큰 차이가 있다. 에너지가 필요한 모든 곳에 태양광 패널을 설치해야 하지만 간헐성 문제로 그 지역에서 필요로 하는 모든 전기 에너지를 생산할 수 없다. 지금의 화석연료나 원자력을 완전히 대체할 수 없게 되고 결과적으로는 탄소중립을 달성할 수 없게 된다.
그런데 잉여 전기 에너지를 활용해 수소를 생산한다면 운반성 등에서 용이해 지역적 차별을 해소할 수 있다. 독일에서는 재생에너지 발전 현장에서 2022년 6TWh의 전기가 낭비됐다고 매킨지는 분석했다. 그것을 수소로 전환했다면 새로운 에너지로 사용도 가능하고 수익성도 높다는 연구결과가 있다. 벨기에나 네델란드의 풍력 발전소 옆에 수소 발전소를 건설해 잉여 에너지로 수소를 생산할 수도 있을 것이라고 지적한다.
사용자의 입장에서도 전기의 사용 양태가 다양하다. 예를 들어 철강산업과 수송 부문의 전기 에너지 조달과 사용방식이 다르다. 그 모든 것을 충족하기에는 배터리만으로는 불가능하다.
그 때문에 모빌리티를 위한 최고의 선택은 무엇일까에 대한 연구를 해 온 BMW는 수소 에너지가 중요한 역할을 할 것이라는 결론을 내렸다고 강조하고 있다. 특히 장거리 주행이 잦은 대형 트럭이나 버스 등은 수소 에너지를 사용하는 것이 훨씬 좋다는 것이다. 물론 승용차도 지금의 시스템으로 충분히 수용이 가능하기 때문에 사용자의 니즈에 부응하는 모델을 개발할 수 있다.
수소 에너지에 대한 오랜 연구로 축적된 노하우
BMW는 2007년 배터리 전기차를 위한 프로젝트-i를 시작할 때도 전 세계의 도시를 연구했고 기술적인 가능성을 타진했다. 일관되게 기후위기 극복을 위한 탄소중립을 비롯해 고도로 복잡한 조건에서 적절한 시기를 포착할 수 있어야 하며 연간 1,000억 톤 이상의 원자재를 사용하고 있다는 것을 직시하고 그 대안을 찾아야 한다고 강조해 왔다. 그리고 선제적으로 배터리 전기차 i3와 플러그인 하이브리드 전기차 i8을 출시했다.
그런 BMW의 자세는 전용 배터리 전기차를 위한 플랫폼이 없는 상태에서도 2022년 107.7% 이상 증가한 21만 5,755대의 배터리 전기차를 판매해 경쟁 브랜드인 메르세데스 벤츠와 아우디보다 두 배 가까이 많은 실적을 올렸다.
여기에는 사고의 차이가 있다. BMW는 전기차로의 전환은 당면 과제이지만 그 과도기적인 상황에서 브랜드 아이덴티티를 살릴 방법으로 기존 플랫폼을 베이스로 한 전기차 라인업을 택했다. 그래서 BMW의 슬로건은 달리는 즐거움을 배터리 전기차에서도 구현할 수가 있었고 그것이 시장에서 받아들여진 것이다. 이면에는 자원의 한계로 선택과 집중 전략을 택했다는 이야기도 있다.
또한 에너지 다변화에 대한 측면에서도 2025년 출시를 목표로 한 뉴 클래스도 배터리 전기차 전용이 아니라 내연기관 파워트레인도 탑재하는 것을 목표로 하고 있다. 물론 그렇다고 해도 플랫폼의 형태가 지금의 내연기관과는 다르다. 전기차 우선으로 한다는 것이다.
그것은 BMW가 이번에 선보인 iX5 하이드로젠에 기존 배터리 전기차에 사용되고 있는 5세대 e드라이브를 조합하고 있는 것을 통해서도 확인할 수 있다. 다만 에너지원을 수소로 바꾼 것이다. 물론 그 과정에서 연료전지 스택이라고 한 장치가 들어갔지만 그러면서도 공차 중량은 기존 PHEV와 비슷하고 배터리 전기차보다는 낮게 할 수 있었다.
그러니까 전기차라는 점은 iX5와 i4와 다르지 않지만 3~4분 내 충전할 수 있다는 장점을 내 세우고 있다. 배터리 전기차는 급속 충전을 해도 30분가량이 소요되고 겨울에는 에너지 효율성이 20~30%가량 낮아진다. 그에 비해 수소 연료전지 전기차는 똑같은 효율성으로 지속해 똑같은 성능을 발휘할 수 있다.
특히 유럽이나 미국처럼 트레일러를 견인하고 장거리는 이동하는 사용자가 많은 환경에서는 배터리 전기차보다는 수소 연료전지 전기차가 경쟁력이 있다는 데는 의견이 일치하고 있다.
BEV보다 90% 적은 원자재 사용이 강점
다만 인프라는 아직 해결해야 할 과제다. 현재 유럽과 중동에 약 214개, 중국에 250개, 일본에 161개, 한국에 141개의 수소 충전소가 있다. 한국은 고속도로 휴게소 등에서 볼 수도 있지만 접근성이 좋지 않은 경우가 많아 사용자들에게는 장애물이다. 또한 배터리 충전소보다 수소 충전소 설치 시 10배가량 비용이 많이 든다는 점도 해결해야 할 과제다.
이에 대해 BMW는 전기차와 수소차를 위한 충전소를 같이 건설하면 더 경제적이라는 연구기관의 조사 결과를 제시했다. 또한 전기 충전소의 경우 충전하고자 하는 차량 대수가 늘어날수록 비용이 기하급수적으로 증가한다고 한다. 전기 그리드를 보강하고 업그레이드해야 하기 때문이다.
유럽의 경우 수소 충전소에 연속 최대 10대까지 주입이 가능하며 안정성과 안전성 확보하고 있다. 가솔린 주입과 동일한 기술 사용하고 있기 때문이다.
이 때문에 2050년 모든 자동차가 배터리 전기차하고 가정했을 때 비용은 통합 충전 인프라가 가장 효율적이라는 연구 결과도 있다고 밝혔다. 특히 두 개의 인프라를 합쳤을 때 비용이 감소한다고 한다. 이런 점을 고려해 최근 유럽위원회 2030년까지 전기 충전 인프라와 수소 충전 인프라를 함께 구축하는 것을 의무화하기로 했다. 수소에 대한 생각의 변화가 많다는 것을 보여 주는 대목이다.
또 하나 짚고 넘어갈 것은 에너지 효율성에 관한 것이다. 운행 과정에서 전기만으로 해결할 수 있다면 전기가 효율적이다. LCA차원에서 전체적인 에너지를 살펴봐도 즉, 원자재부터 부품조달, 차량 생산, 재활용까지 총괄적으로 보면 배터리 전기차와 수소 연료전지 전기차가 같은 결과를 보인다.
그런데 배터리 전기차는 배터리를 생산하는 과정에서 더 많은 원자재 필요하다. 연료전지차는 원자재가 배터리 전기차보다 90% 적게 소모된다. 원자재 의존성을 줄일 수 있다는 것이다. 수소의 생산과 차량 생산 원가 등을 따져도 수소 연료전지 전기차가 더 경쟁력이 있다는 얘기이다.
최대출력 295kW(400마력), 주행거리 500km
BMW의 5시리즈GT를 베이스로 한 첫 번째 수소 연료전지 전기차 프로토타입을 2015년 프랑스 마르세이유의 BMW 프루빙 그라운드에서 시승한 적이 있다. 당시 BMW는 수소 연료전지 전기차의 출시를 2020년 이후로 잡고 있다고 밝혔었다.
그때 시승 도중 갑자기 파워가 떨어지며 속도를 낼 수 없었다. 동승석의 엔지니어가 차를 세운 상태에서 앞 시트 뒤쪽에 있는 파워 플러그를 뺐다가 다시 꼽아 재부팅을 해야 했다. 이는 컴퓨터가 다운됐을 때 다시 강제 부팅하는 것과 같은 과정이다.
그로부터 8년이 지나 X5를 베이스로 한 iX5 하이드로젠이 등장했다. 8년 전과 다른 점 중 하나는 연료전지 스택을 BMW가 직접 개발 생산했다는 것이다. 연료전지 스택에 사용되는 셀은 토요타로부터 공급받는다. 그것을 바탕으로 스택과 전기모터, 고성능 배터리 등 모든 기술을 본사가 있는 뮌헨의 FIZ센터에서 직접 개발하고 있다.
주행 특성은 배터리 전기차와 같다. 기본적으로 연료전지 스택에서 발생한 에너지를 사용하고 보조 배터리로도 주행할 수 있다. 사용자 입장에서는 가솔린 대신 수소를 주입하는 플러그인 하이브리드 전기차와 같다고 생각하면 된다.
기어 레버를 D 모드하고 원 페달 주행도 가능하다. BMW는 최대출력 125kW의 세계에서 가장 강력한 연료전지 시스템과 170kW의 연료전지 전기차를 위해 개발한 고성능 배터리를 결합해 영구적으로 전기 에너지를 생산할 수 있다고 강조했다. 시스템 최대출력은 295kW.
차량 뒷좌석 아래에 두 개의 700바급의 6kg의 수소 탱크가 탑재되어 있다. 최고속도는 185km/h, 1회 충전 주행거리는 500km, 0~100km/h 가속성능은 6초 미만이다. 발생하는 폐열을 차량 내부를 따뜻하게 하는 데 활용되어 에너지 효율을 높이는 것도 배터리 전기차와 같다.
이 파일럿 카는 지난 4년간 광범위한 주행 환경에서 테스트를 실시했으며 안전 테스트도 마쳤다. 아직은 소규모로 생산해 양산 가능성을 타진하는 단계다. 시간이 필요하지만, 장기적으로 지속가능성을 위해 피드백 모으고 있으며 많은 연구를 진행 중이다.
BMW는 지금의 전기차로만 에너지를 활용하는 것보다 장거리에서의 운반과 저장이 용이한 수소를 에너지원으로 함께 활용했을 때 오히려 비용적인 면에서 더 경제적이며 탈탄소화를 더 빠르게 달성할 수 있다는 점을 강조하고 있다.
