COVID 19의 발현으로 인한 피해가 산업 전 분야에 걸쳐 나타나고 있는 가운데, 환경 분야는 뜻밖의 반사이익을 누리고 있다. 지난 3월에 중국 생태환경부는 2020년 1월에서 2월까지 2개월간 중국의 대기질이 상당히 개선되었다고 발표하였다.

 

이는 COVID 19로 인하여 공장 폐쇄와 자동차 운행 감소로 중국의 대기 오염도가 눈에 띄게 저감 되었기 때문으로 판단된다. 그러나, 대기 오염 수준이 일시적으로 감소하였지만 전문가들은 경기가 회복되면 화학물질 배출량이 COVID-19 상황 이전보다 더 높은 수준으로 상승할 수 있다고 경고하고 있다. 

이러한 상황으로 인하여 세계적 환경규제의 현실화는 빠르게 진행 중이며, 글로벌 완성차업체들의 생존 경쟁으로 인해 시장 상황은 더욱 치열해지고 있으므로 그 어느 때보다 어려움이 가중되고 있다. 따라서, 안정적이고 지속적인 성장을 위해서는 친환경 자동차 산업에 대한 정부의 지원과 배려가 필요하다.

한편, 육상 교통수단에 대한 연도별 온실가스 배출량 증가 추이를 살펴보면, 주요 육상 교통수단에 대한 온실가스의 배출 규제 대응 조치가 적절히 취해지지 않을 경우, 2020년도 전체 육상 교통수단 중 온실가스 최대 배출원인 대형 트럭이 2.81Gt(전체의 58.5%)을 배출하고, 2050년에는 두 배에 달하는 5.66Gt(전체의 74.5%)을 배출하게 됨에 따라 신속하고 적절한 대응 방안이 제시되어야 할 것이다.

2000년대부터 본격적으로 연구가 되어온 수소연료전지는 미국과 유럽의 주도로 상용화를 위한 개발이 이루어지면서 가정용과 차량용 분야에서 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 그림 2는 2019년 및 2030년의 수소연료전지 스택 생산비용 및 전력밀도 변화를 나타낸 것이다.

스택 생산비용은 2019년 약 185€/kW에서 2030년 약 75€/kW로 40% 정도의 가격 하락이 예상되는 반면, 스택의 전력밀도는 2019년 3.4kW/ℓ에서 2030년 5.25kW/ℓ로 54% 정도의 효율 향상이 기대된다. 수소연료전지를 활용한 모빌리티 분야에서는 효율적, 비용적 부담을 상당한 수준까지 개선시킬 수 있으므로, 향후 수소모빌리티 관련 기업들이 더욱 공격적으로 활용 분야를 확대할 것으로 예상된다.

현재, 자동차 관련 업계에서는 수소연료전지 기술이 발전함에 따라 온실가스 배출량이 많은 대형 트럭을 대상으로 수소연료저장·공급시스템을 적용하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 세계 최초로 수소연료전지자동차 상용화에 성공한 현대자동차는 넥쏘 뿐만 아니라 대형 트럭인 엑시언트의 양산화에도 역시 세계 최초로 성공하였으며, 지난 1월에는 40여년 동안 이어온 내연기관 자동차의 개발을 중단하고, 2040년에는 내연기관을 탑재한 신차 출시도 중단할 것임을 선언함으로써, 수소전기자동차와 순수 전기자동차로 대표되는 친환경 모빌리티 기업으로 전환할 것임을 공식 선언하였다. 

이러한 시대의 변화 속에서, 장거리 친환경 운송수단의 중요성이 새롭게 주목받고 있으며, 이를 실현할 수 있는 액화수소 기반의 연료저장·공급시스템이 전략적으로 중요한 핵심 기술로 부각되고 있다.

정부에서는 2019년도 국토부 ‘상용급 액체수소 플랜트 연구단’ 출범을 기점으로 액화수소 생산 기반 구축에 착수하였다. 창원에서는 2020년 12월에 두산중공업이 Air Liquide와 손잡고 5ton/day 규모의 수소액화플랜트 건설을 위한 파트너십을 체결하였고, 2021년 2월에는 효성중공업이 Linde와 연 10만대의 자동차에 연료를 공급할 수 있는 35ton/day 규모의 세계 최대 액화수소 플랜트 건립을 위한 합작법인 계약을 체결하여 현재, EPC 추진 중이다.

또한, 2020년 10월 정부는 수소 상용차 보급 활성화에 기여하고자, 경상남도, 전라북도, 부산, 인천, 울산 등의 지방자치단체, 에너지기업인 한국지역난방공사를 비롯한 현대자동차와 함께, 상용차용 수소충전소 구축·운영 특수목적법인인 ‘코하이젠(Kohygen)’의 설립 및 운영을 위한 협약 체결을 통해 액화수소 충전소 보급에도 박차를 가하고 있다. 

이와 별도로 민간에서는 효성중공업이 2022년까지 액화수소 충전 인프라 120기를 구축할 예정이라고 발표하였고, 2020년 7월 한국가스공사와 현대자동차는 공동사업으로 융 복합형 충전소 구축과 운영을 위한 합작법인 설립에 합의하 였으며, 해외 수소도입, 액화수소 생산 및 이를 활용할 충전인프라 기술 개발에도 적극 협력하기로 하였다.

국내 수소 판매 가격은 2020년 현재 8,000~9,000원/kg이지만, 2030년 4,000원/kg에서 2040년 3,000원/kg으로 현재 대비 30~38% 수준으로 낮아질 전망이어서 수소연료의 가격 경쟁력이 해를 거듭할수록 향상할 것으로 기대되고 있다.

현대자동차를 비롯하여 도요타, 혼다, 닛산, GM, 포드, 다임러벤츠, BMW 등 세계적인 완성차업체들뿐만 아니라 니콜라, 하이존모터스 등 신생기업들까지 수소산업의 물결을 타고 수소모빌리티 시장에 속속 진입하고 있으며, 이들은 전기자동차의 한계를 극복하고 대규모, 장거리 운송 효율성을 증대시킬 수 있는 액화수소 모빌리티 분야에서 선도적인 위치를 점유하기 위하여 치열한 기술개발 경쟁을 벌이고 있다. 현재, 대부분의 업체들은 자동차의 연료공급을 위하여 압축 수소 저장방식을 사용하고 있는데, 700bar 이상의 고압에서도 견딜 수 있는 저장용기는 중량이 증가되므로 연비 및 주행거리가 감소하게 된다. 반면, 액화수소 저장방식의 경우, 700bar 기준의 압축수소 보다 저장밀도가 약 1.7배 증가하므로 연료저장용기의 크기는 절반으로 작아지며, 저압에서 사용하므로 저장용기 무게도 절반 수준으로 감소하게 된다. 이것은 큰 화물 적재공간을 확보하거나 주행거리가 2배 정도 증가할 수 있다는 것을 의미한다.

또한, 고압 기체수소 저장방식보다 충전시간이 짧고, 극저온 유체를 상압 부근에서 활용하므로 차량 충돌 발생 시 안전성 측면에서 유리하다. 이러한 장점으로 인하여 최근 들어 액화수소를 활용하기 위한 우리의 노력이 다각도로 진행되고 있지만, 액화수소의 생산 및 보급, 충전 기술과 인프라 구축은 점진적으로 진전을 보이고 있으며, 생산된 액화수소의 활용성을 증대시키기 위한 모빌리티 상용화 성과는 국내·외를 모두 합하여도 미미한 수준이다. 

해외 주요 기업들의 액화수소 기반 모빌리티 상용화 현황을 살펴보면, 2007년 BMW는 액화수소 기반 수소엔진 컨셉트카 발표 이후 관련 기술개발을 지속적으로 연구하고 있으며, 특히, 에너지밀도를 극대화시키기 위한 극저온압축수소(CCH2, Cryo-Compressed Hydrogen) 기술개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 2020년 베이징자동차 그룹은 109kW 연료전지를 장착한 액화수소 기반 상용 트럭의 초기 모델을 세계최초로 선보였으며, 다임러벤츠는 액화수소 기반 트럭 GenH2를 2023년에 출시할 것이라고 발표하였고, Linde와 함께 차세대 액화수소 충전 기술을 공동개발하기로 합의하였다.

수소는 상압, -253℃에서 액화되며, 지금까지 알려진 원소 중에 가장 가벼워서 액화 이후에도 증발가스로 쉽게 변화하는 문제로 인하여 액화수소 기반 모빌리티 상용화에 걸림돌이 되어 왔다. 

국내에서는 액화수소를 연료로 사용하는 자동차의 실증 사례는 없는 것으로 조사되고 있으며, 액화수소 기반의 드론 상용화를 위한 시험 비행 수준의 성과들이 보고되고 있다. 현재까지 개발된 액화수소 관련 기술을 종합하여 보면, 자동차용 액화수소 기반의 동력시스템 설계를 위해서는 일반적으로 개념설계, 저장장치설계, 모듈설계 및 시스템 설계의 4단계를 거쳐야 하며, 이를 요약하면 다음과 같다.

•개념설계 : 액화수소 연료저장·공급시스템은 대부분 대기환경에서 사용되기 때문에 액화수소의 특성 상 증발가스의 발생은 피할 수 없다. 따라서, 액화수소 연료저장·공급시스템의 적용 분야에 따라 액화수소 저장기간 및 운영조건이 상이하므로 이에 적합한 단열시스템의 구성이 결정되어야 하며, 액화수소 운송 방안, 기체수소 생성을 위한 열교환 방법, 충전 방법과 제어로직 구성 등을 전반적으로 고려하여야 한다. 

•저장장치설계 : 일반적으로 자동차용 액화수소 연료저장용기는 이중 금속 용기의 진공 다층막 단열시스템으로 구성되어 있다. 저장용기 설계 시는 운영 특성에 부합하는 각종 안전 관련 규정을 준용하여야 하고, 단열시스템 구성을 위하여 다층막 소재의 열적 특성, 적용 방법, 진공층 두께, 연료 주입 및 공급 방법 등을 고려하며, 안전성 확보를 위하여 Holding time test, Dropdown test, Bonfire test 등을 적용한 설계가 이루어져야 한다.

•모듈설계 : 액화수소 연료저장용기에 저장되어 있는 액화수소를 연료전지시스템의 연료 인입 조건에 적합한 상태로 변환하여 공급하기 위해서는 유량제어, 상변화, 압력제어 등의 과정을 거쳐야 한다. 이때 액화수소를 기체수소로 변환시키기 위한 상변화 방안으로 공냉식, 수냉식 열교환 과정이 필요한데, 장착 공간, 부대장치의 추가 유무, 열효율 및 운영성 등을 종합적으로 고려하여 선정해야 한다. 또한, 연료전지 출력 변화에 따른 대응 방안, 충전 시 연료저장탱크의 충전량 조절, 충전자동중단 및 유량, 압력제어 방안도 더불어 개발되어야 한다.

•시스템설계 : 수소연료전지시스템으로 연료 공급을 하기 위한 액화수소 기반 연료공급시스템은 최종적으로 완성차에 장착되어야 하므로, 제한된 설치 공간 및 열효율 향상 등 주변장치를 비롯하여 설비와 발생할 수 있는 상관관계를 반드시 고려해야 한다. 특히, 수소연료전지 자동차의 경우에는 연료전지 스택의 발생열, 냉각 방안 등을 포함한 통합 열관리시스템의 구성도 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 장착 위치, 충전 등을 포함한 다중 연료저장용기의 구성 방법 등도 함께 고려하면 전체 시스템 효율 향상을 도모할 수 있다.

미국 NASA가 50여년 전 세계 최초로 -253℃의 극저온 액화수소를 우주발사체의 연료로 사용하면서부터 액화수소를 생산·저장·활용하는 사례는 지속적으로 증가하고 있다. 액화수소 생산의 선두 주자인 Linde가 2019년 발표한 바에 따르면, 2010년 이후 다양한 산업분야에서 액화수소를 사용하면서 글로벌 액화수소의 생산량이 급증하고 있으며, 2020년 현재 북미에서 약 300TPD, 일본에서 31TPD, 유럽에서 20TPD가 생산되고 있다는 것을 알 수 있다.

액화수소 활용은 우주항공산업 이외에도 에너지 운송·저장, 수소 충전소, 발전 및 수소모빌리티와 같은 산업에서도 매력적인 솔루션이다. LNG 트럭의 상용화 성공을 배경으로 세계 유수의 완성차업체들이 이제는 액화수소를 기반으로 한 연료전지 트럭산업에서 시장을 선점하고 점유율을 높이고자 Linde, Air Liquide 등과 손잡고 대규모, 장거리 운행 차량 개발에 박차를 가하기 위한 신호탄을 쏘아 올리고 있다.

액화수소 기반 수소모빌리티를 비롯한 관련 산업 시장의 활성화를 위해서는 보다 많은 국내 기업들이 액화수소의 표준을 적용하는 모빌리티 및 핵심부품 기술개발에 참여하고, 그 성과를 마중물로 삼아 액화수소 생산, 운송, 저장 및 활용 분야로 확산시키면, 가까운 미래에 구축되는 친환경·신에너지 모빌리티 산업에 대한 글로벌 시장을 선점할 것이며, 영향력을 높일 수 있을 것이다.

치열해져 가는 친환경 수소에너지 및 모빌리티 세계시장에서 주도력을 갖기 위해서는 정부의 수소산업에 대한 표준화 및 관련 법규의 신속한 정비가 필요하며, 전문기업 육성을 위하여 적극적인 재정적·제도적·법률적 지원이 뒷받침되어야 할 것이다. 또한, 완성차업체는 액화수소 관련 중견·중소기업들을 집중적으로 발굴하고 육성하며, 역할 분담을 통해 유기적으로 융합하면, 이제 열리고 있는 세계시장에서 우리가 액화수소 산업의 허브가 될 수 있다.