산업화 이후 화석 연료 사용 증가와 비례하여 온실가스 배출량이 증가하였고, 이는 지구온난화 현상을 초래하였다. 이러한 문제에 대응하기 위해 2015년 파리협정 채택, 정부 간 협의체(IPCC)의 2050년 탄소중립(Net-zero) 목표 제시 및 이산화탄소 배출 규제 등과 같은 세계적인 노력이 지속되고 있다. 탄소중립을 실현하기 위해서는 에너지 생산, 산업, 운송 등 모든 분야에서 온실가스 배출량을 줄이는 것이 필수적이다. 따라서 태양광, 풍력 등의 재생에너지와 재생에너지의 기후, 지리적 한계를 보완할 수 있는 수소 등의 대체 에너지 기술 발전이 대단히 중요한 시점이다. 하지만 우리나라의 경우 재생에너지를 통한 전력 공급에는 큰 제약이 있기 때문에, 우리 정부는 수소를 친환경 에너지의 원동력으로 삼아 탄소중립을 실현하고자 하는 ‘수소경제 활성화 로드맵(2019)’을 발표하였고, 이와 동시에 수소자동차 및 수소 인프라 관련 정책을 발표하면서 수소 사회로의 전환을 위해 박차를 가하고 있다.

이에 대하여 본 고에서는 수소 경제에 필수적인 수소 생산 및 충전에 대한 현황과 친환경 자동차 중 수소 엔진 자동차를 중심으로 수소 생태계와 친환경 자동차 산업과의 연관성을 살펴보고자 한다.

수소를 생산하는 방식으로는 크게 부생 수소, 천연가스 개질, 수전해가 있으며, 또한 수소를 생산하는 과정에서 배출되는 이산화탄소의 배출량 따라 그레이수소, 블루수소, 그린수소로 구분된다<표 1, 표 2>. 현재 우리나라의 경우 생산된 수소의 90% 이상을 그레이수소가 차지하고 있으며, 그린수소의 생산량은 1%에 불과하다. 수소는 연소 과정에서 이산화탄소를 비롯한 탄소 포함 물질을 배출하지 않는 친환경 에너지원이기 때문에 탄소중립 실현 수단으로써 주목 받고 있다. 따라서 수소를 생산하는 과정에서 이산화탄소 및 탄소 포함 물질의 배출량을 줄일 수 있도록 청정수소(블루수소, 그린수소)의 양을 점진적으로 늘리기 위한 노력이 요구된다.

이에 따라 정부는 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 기반으로 대·중·소규모의 수소 생산 설비를 구축하여 2050년까지 연간 2,800만톤의 수소를 생산하고, 생산되는 수소의 100%를 청정수소로 공급, 또한 그린수소의 생산단가를 현재 약 9,000원/kg에서 2,500원/kg까지 낮출 계획을 발표하여 청정수소로의 전환 계획을 확고히 하고 있다.

수소충전소는 수소자동차(수소 엔진 자동차 및 수소연료 전지 자동차)를 비롯하여 각종 수소 모빌리티를 위한 핵심 설비로서, 충전 시간 및 접근성 등에 대한 편의성 / 수소를 저장하고 충전할 때의 안정성 / 수소 가격에 대한 경제성이 매우 중요하다.

특히, 수소자동차 및 수소 모빌리티 보급의 가속화를 위해서는 언제 어디서든 편리하게 이용할 수 있는 충전망이 구축되어야 하며, 이에 따라 2021년 기준으로 118개소가 구축된 수소충전소를 2040년까지 전국 시,군,구에 수소 충전소 1기 이상 / 주요 도시에 15분 이내에 수소 충전소 이용 가능 / 고속도로에서 반경 50km 내 수수 충전소 이용 가능하게 하여 총 1,200개소의 충전소 구축 계획을 세우고 있다.

수소 엔진의 개념은 1978년부터 30년간의 연구를 통해 2007년에 출시된 BMW의 Hydrogen 7으로부터 시작되었다. 이 외에도 2003 디트로이트 오토쇼에서 미국의 Ford가 수소 엔진의 가능성을 제시하였고, 같은 해 일본의 Mazda가 수소 로터리 엔진을 발표 하는 등 수소 엔진에 대한 연구는 꾸준히 지속되어 왔다. 또한 최근 2021년에는 일본의 레이싱 경기(Super Taikyu Series)에서 Toyota가 수소 엔진을 탑재한 자동차로 경기에 참가하였는데,1 이는 많은 이들에게 수소 엔진 자동차의 상용화가 머지않았음을 느끼게 했을 것이다.

수소 엔진은 기존의 엔진을 활용하여 연료만 수소로 바꾼 엔진이다. 수소 엔진의 가장 큰 장점은 연소 과정에서 탄소의 부재로 인하여 배기가스에 이산화탄소 및 탄소 포함 물질이 거의 없다는 것이다. 또한, 기존의 엔진 시스템을 활용할 수 있기 때문에 기존의 자동차 시스템에 도입이 매우 용이하다.

이러한 수소 엔진 자동차를 배터리 전기 자동차(Battery Electric Vehicle), 연료 전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle)와 같은 친환경 자동차와 비교하였을 때, 수소 엔진 자동차는 다른 친환경 자동차와 달리 기존의 엔진을 사용하기 때문에 내구성이 높고 가격은 낮다. 또한 높은 회전 속도에서 전기모터를 사용하는 배터리 전기 자동차와 연료 전지 자동차는 토크가 낮아지는 반면, 수소 엔진 자동차는 토크 유지가 가능하여 다른 기술들보다 높은 마력을 낼 수 있는 등의 장점이 있다. 수소 엔진 자동차와 다른 친환경 자동차에 대한 비교는 <표 3>과 같다.2

우리나라의 경우 해외 자동차 및 엔진 제조 업체에 비하여 승용차용 수소 엔진 및 대형 수소 엔진에 대한 연구가 활발히 이루어지지 않았다. 하지만 수소 경제로의 전환이 가속화 됨에 따라 수소 엔진과 같은 차세대 동력원에 대한 산학연의 관심이 절실한 시기이며, 정부의 전폭적인 지원이 요구된다.