글로벌오토뉴스

상단배너
  • 검색
  • 시승기검색

[오토저널] 전기와 수소의 시대, 내연기관을 포기할 것인가?

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-07-24 09:38:18

본문

바야흐로 전기와 수소의 시대이다. 이미 자동차는 전기와 수소로 움직인다. 국내 약 5만대에 불과한 전기와 수소연료전지 자동차를 두고 하는 말이 아니다.  우리나라에 등록된 2,300만 대부분의 자동차가 그렇다는 말이다. 


전기와 수소로 가는 자동차

우선 모든 자동차는 발전기를 가지고 있다. 연료를 태워서 얻은 운동에너지를 전기로 전환하여 차량 운행에 사용한다. 필수적이다. 발전기가 없으면 차량 운행이 불가능하다. 최신 자동차일수록 더 많은 전기를 필요로 한다. 과거 점화플러그 정도에 사용되던 것에서, 지금은 연료를 공급하고 압축하는 펌프도 전기로 바뀌었고, 파워트레인에 아예 모터를 달아서 바퀴를 굴리는 것에도 전기를 사용한다. 점점 전기를 많이 사용하게 되자 차량의 전기시스템도 48V가 대세가 되어가고 있다. 그 전기는 외부에서 충전한 것이 아니라서 다른 것 아니냐고? 아니다. 어차피 전기와 수소는 1차 에너지가 아니다. 다른 말로 에너지캐리어라고 불린다. 우리말로는 에너지 전달물질 정도라고나 할까. 원자력, 천연가스, 석유 등 원래의 에너지를 변환시킨 형태에 불과하다는 얘기다. 이 전기를 외부에서 충전하든 휘발유와 경유로 자체 발전하든 마찬가지라는 것이다. 
 
그럼 수소는 또 어떤가? 이미 우리는 수소를 연료로 쓰고 있다. 내 차에는 경유를 주유하는데 무슨 소리냐고? 국제에너지기구의 조사에 따르면, 전 세계에서 생산되는 수소의 1/3이 자동차 연료를 만드는데 사용된다. 과거에 공장이나 발전소에서 사용되던 저품질의 연료를 수소를 이용해서 잘게 잘라 휘발유나 경유를 만들거나, 원유 안에 포함되어 있는 황 성분을 제거하여 대기오염을 예방하는 목적으로 수소가 사용된다. 그 결과, 자동차 연료에는 중량으로 상당한 양의 수소가 포함되게 되는 것이다. 이는 연간 3,800만톤에 달하는 엄청난 양이고 수소 사용처 중에서 가장 많은 양이다. 그런데, 그것은 수소가 다른 분자에 화학적으로 결합된 형태로 사용되는 것이다.  수소 그 자체로 사용하기는 매우 어렵다. 


수소란 무엇인가 그리고 안전성 확보 방안은 

수소 자체의 물리화학적성질은 우선 수소는 너무 작고 가볍다. 너무 가볍다고 하는 것은 밀도가 낮다고 하는 것인데, 기체 밀도는 천연가스의 1/10, 액체 밀도는 천연가스의 1/6, 에너지밀도는 천연가스의 1/3에 불과하다. 그만큼 큰 부피를 차지하게 되어 수송용 연료에는 불리하다. 부피를 최대한 작게 만들기 위해 우주선에 실을 때는 액화를 하기도 한다. 수소는 액화온도가 영하 253℃로, 절대온도 0도에 가깝게 냉각시켜야 하는데, 수소가 지닌 에너지의 1/3을 냉각에 써버린다.
 
너무 작다는 것은 사용하기에 또 다른 어려움이 있다. 우주에서 가장 작은 분자인 수소가 철을 통과한다는 사실을 아는 사람은 많지 않다. 아무리 두꺼운 철도 수소 앞에서는 무용지물이다. 수소는 철에 스며들어 결국 저장탱크를 부순다. 미국석유협회(API)코드는 수소의 농도와 온도 압력에 따라 어떤 재질을 어떻게 써야 하는지 상세히 정리해 왔지만, 지금도 사고는 발생하고 있고, 계속해서 코드(API RP 941)를 업데이트 하고 있다. 한 마디로 아직 완전하지 않다는 것이다. 수소 저장재료의 적합성에 대해서는 모든 것이 현재 진행형이다. 지금까지의 연구결과는 미국 Sandia 국립연구소에서 잘 정리한 자료가 있다. 한편 수소의 다양한 사고 사례에 대해서는 미국 에너지부에서 운영하는 Hydrogen Tool 사이트를 참고하도록 하자.

수소의 연소 능력은 공포 수준이다. 무색 무취의 수소는 누출 사실도 알기 어렵지만 불이 붙어도 그 불꽃이 보이지 않는다. 메탄의 1/10에 불과한 점화에너지는 누출될 때의 정전기만으로도 점화가 일어난다.4 또한 화염 전파속도는 메탄의 8배로, 불꽃이 누출 배관을 거꾸로 타고 들어와 저장탱크 전체를 순식간에 날려버릴 수 있다. 그것은 메탄의  7배에 달하는 지극히 넓은 폭발 범위와도 관련이 있다. 위험성에 대하여 좀더 알아보자. 연소범위는 가연성 혼합기의 연소 하한계와 상한계 간을 이르며, 혼합기의 발화에 필요한 조성범위를 말한다. 연소범위는 휘발류가 1.4~7.6%, 메탄(CH4)이 5~15%, 수소(H2)가 4~75%이다. 일부 자료에는 인화점 측면에서 휘발류가 1.4%인데 비해 수소가 4%로서 연소 하한계가 높아 안전하다고 한다. 이는 아주 잘못된 사실이다. 대부분의 가연성 가스는 농도가 짙어지면 오히려 불이  붙지 않는다. 휘발류는 8% 이상에서 불이 꺼지나, 수소는 75%까지 불이 붙을 수 있다. 이를 가연성 가스의 위험도라고 하는데,  휘발류는 4.4, 메탄은 2인 반면 수소는 17.7로서 매우 높다. 위험도가 낮은 가연성 가스는 저장탱크 내부에서 안전하게 보관될 수 있는 것이다. 그러나 수소는 75%의 고농도에서도 불이 붙는다. 저장탱크 그 자체가 위험한 것이다. 

6f235eb6f140459ba9eb0fcecf07ca5d_1595893
 
우리나라에서는 정부의 혁신성장 3대 전략투자분야에 “수소경제”를 포함하여 수소전기자동차 상용화 보급을 위해 많은 투자와 노력을 하고 있다. 지난 9월 26일 자동차산업협회에서 개최한 제5차 자동차산업발전포럼에서는 수소모빌리티산업의 인프라구축과 안정성 확보 라는 주제로 수소충전소 구축 및 운영의 애로사항과, 안전성 확보방안에 대한 발표와 토론이 있었다. 특히 가스안전공사에서는 올해 5월과 6월 강릉과 노르웨이에서 각각 발생한 폭발사고를 통하여 수소 충전소의 위험성과 안전확보 방안에 대해 발표하였는데, 충전소의 표준화된 안전기술규격이 없으며 수소관련 전문인력 부족도 심각하다는 것이었다. 

수소"자동차"의 국제안전기준은 UNECE/WP29에서 제정하고 있고, 국내에서는 자동차안전연구원에서 수행하고 있으나, 수소"충전소"의 안전성 관련하여서는  미흡한 것이 많아 해결해야 할 과제가 많은 것 같다.  수소자동차의 안전한 보급과 운행을 위하여 한국자동차공학회를 중심으로 국토부, 환경부 및 산업부 산하의 국내기관뿐만 아니라 최신의 깊이 있는 정보획득을 위해 미국 수소안전센터(Center for Hydrogen Safety) 등 해외 유수기관들과의 국제 공조도 강화해 나가야할 것 같다.


무공해 내연기관 자동차의 전망 

친환경 자동차인 전기차와 수소차의 에너지 생산과 소비 전 단계에서 발생할 수 있는 온실가스와 오염물질 측면에서 내연기관의 경쟁력은 어떠한가?, 오염물질이 나오지 않는 완전 무공해 내연기관은 불가능한 것일까?
 
현재 해외의 자동차 업계는 이미 유로6를 넘어서 유로6c/d에 대응하는 차량을 시장에 내놓았다. 유로6c/d란 질소산화물을 실험실에서는 80mg/km 이하로, 실도로주행(RDE, Real Driving Emission) 에서는 120mg/km 이하로 배출하는 기준이다. 이 실도로주행 이라는 평가 방법도, 과거 폭스바겐 스캔들로 실험실 기준만을 만족시키면 된다는 것이 문제라는 지적에 따라 새로이 마련된 것이다. 그런데 최근 출시되는 차량의 디젤 엔진은 질소산화물의 배출량이 0~1g/km로 거의 측정할 수 없는 수치에 이르렀다. 더불어 수천 km를 주행한 차량의 평균 배출량도 RDE 조건에서 20~30g/km에 불과하다. 이는 독일의 ADAC가 유럽 내 시판되고 있는 디젤차들을 광범위하게 테스트해 얻은 수치이다.
 
IEA 보고서9에 따르면 향후 2040년까지 전세계 승용자동차는 전기차와 수소차가 24%, 하이브리드와 내연기관 차가 76% 보급될 것으로 전망하고 있다. 지금으로부터 20년이 넘은 뒤에도, 상용자동차 뿐만 아니라 승용자동차도 출시되는 많은 자동차는 내연기관이라는 이야기이다. 이런 상황에서, 계속되는 유럽 자동차 메이커들의 내연기관 발전을 보고만 있을 수는 없는 노릇이지 않을까. 내연기관차의 꾸준한 신기술 개발을 통해서도 충분히 가능하다는 것이 입증되고 있다. 내연기관차에 기반한 산업구조의 경쟁력을 유지하면서, 시장논리에 기반한 실효성 있는 기업의 전략과 그것을 뒷받침 해줄 정책이 절실하다. 내연기관은 앞으로도 우리 경제에 여전히 중요하고, 그 가능성은 계속 활짝 열려있기 때문이다. 
 

국가 온실가스감축목표 달성을 위한 자동차 기술
 
파리협정에 따라, 우리나라도 2050년 까지의 온실가스 감축 세부 계획을 유엔에 곧 제출해야 한다. 그러면 수송 부문에서는 어떻게 온실가스를 줄일까? 
 
첫번째로 바이오연료다. 바이오연료는 이미 사용되고 있다. 주유소에서 넣는 경유에 바이오디젤이 3% 혼합되어 있다는 사실을 아는 사람이 의외로 적다. 바이오연료는 그 자체가 연소할 때 온실가스를 내뿜지 않는 것은 아니지만, 바이오연료가 만들어질 때 대기중의 온실가스 – 그 중에서도 이산화탄소 – 를 흡수한다는 사실 때문에 온실가스 감축이 가능한 것이다. 그럼 휘발유에는 왜 바이오연료를 안 섞을까? 휘발유에는 에탄올을 섞을 수 있는데, 값싼 바이오 에탄올은 국내에서는 구하기 힘들다. 사탕수수의 나라 브라질은 에탄올을 실은 배가 한번에 올 수 있는 거리가 아니다. 또한 수도권의 자동차 연료를 송유관으로 대부분 이송하고 있는 우리나라는 에탄올 혼합이 물류센터에서 이루어져야 하기 때문에 수송과 관리가 매우 어렵다. 에탄올이 물에 섞여서 빠져나가 버리기 때문이다.
 
두번째는 친환경자동차이다. 앞서 언급한 전기차와 수소차가 되겠다. 산업통상자원부에서 올해 6월에 발표한 제3차 에너지기본계획8에 따르면 2040년까지 전기자동차를 830만대, 수소차를 290만대 보급하겠다는 목표인데, 친환경자동차는 어디에서 온실가스가 줄어드는 것일까? 자동차에서만 온실가스가 배출되지 않으면 일단은 수송부문에서는 절감된 것처럼 보인다는 것인데, 안타깝게도 전기와 수소를 만들 때 필연적으로 온실가스는 발생한다. 우리나라는 전기 1MWh 생산시 450kg의 온실가스를 발생시킨다.6 이는 전기자동차가 1대가 배출하는 CO2 배출은 주행단계에서는 배출하지 않지만, 발전단계에서 94.1g/km가 되는 량이다.

현재 수소는 대부분의 많은 량이 천연가스와 석유에서 만들어지며, 여기서 발생한 CO2는 특별히 따로 포집해서 저장하지 않는 이상 그대로 배출된다. 수소자동차가 1대가 배출하는 CO2 배출량은 발전단계에서 143.1g/km가 배출된다. 수소를 만들 때에도 적지 않은 에너지가 들어가기 때문에. 수소전기차가 오히려 CO2 발생 총량은 더 클 수 있다. 자동차에서 배출하는 이외의 곳에서 온실가스가 오히려 증가한다는 것이다. 
 
세번째는 자동차의 연비 개선이다. 앞서 설명한 차량 전동시스템 확대, 수소가 녹아 들어간 고품질의 자동차 연료를 포함하여, 차량 부품의 경량화, 가변 압축비 기술 등 연비 향상에 초점이 맞춰진 아이디어와 실제적인 기술들이 무수히 존재한다. 다만, 이러한 아이디어와 기술들이 현장에서 상용으로 사용되기 위해서는 꾸준한 연구개발 노력이 뒤따라야 할 것이다. 당장 우리나라의 자동차 회사들은 곧 다가올 유럽 배출가스 규제에 따른 벌금을 피할 수 있을까? 2021년 신차 기준이 온실가스 95g/km 인데, 이는 24km/L 수준의 연비이다. 제3차 에너지기본계획8에 따르면 우리나라는 40년까지 승용자동차의 평균연비 기준을 35km/L, 중대형차는 7.5km/L로 현 수준대비 2배이상 개선하는 것으로 되어 있다. 그러나 연비를 어떻게 줄이고, 거기에 얼마를 투자하고, R&D 과제는 어떻게 하겠다는 이야기들이 우리나라 산업 현장에서 들리지 않는다. 

국내 대학의 내연기관을 연구하는 시험실은 연구 과제와 학생이 없어 개점 휴업 상태다. 오로지 들리는 것은 전기와 수소 뿐이다. 미래 성장동력이 될 새로운 분야의 산업을 지원하고 육성하는 것은 꼭 필요한 일이다. 다만, 지금 당장 반드시 해야 할 일도 있다. 우리는 해외 선도 자동차 메이커와의 경쟁에서 내연기관을 포기하려는 것인가? 우리나라가 중국이나 일부 북유럽 국가들과 같은 상황인가? 내연기관을 퇴출하려는 것이 현재 상황에서 정말 필요한 것인가? 이제 잠시 멈춰서서 숨을 한번 고르고 지금 위치를 한 번 살펴보자. 지금 우리에게 꼭 필요한 것이 무엇인지 다시 한번 생각해볼 때다. 지금 우리 정부의 정책이 앞서 정리한 세가지 분야 (바이오연료, 친환경자동차, 연비향상)를 균형 있게 지원하고 있는지 점검이 필요할 때다.​

 

글 / 박용성 (자동차공학회 부회장)

출처 / 오토저널 2019년 11월호 (http://www.ksae.org)   

  • 페이스북으로 보내기
  • 트위터로 보내기
  • 구글플러스로 보내기
하단배너
우측배너(위)
우측배너(아래)