2022년 9월 독일 울름시 이베코 공장에서는 3년만에 ISO TC 197 수소 기술위원회의 첫 현장 회의가 열렸다. 주제는 수소 충전 노즐, 리셉터클 같은 부품 표준(WG 5)과 수소 충전 프로토콜 설계/개발, 수소 충전 통신, 하이플로우(High Flow, 고유동) 수소 충전 프로토콜의 표준기술(WG24)이다. ISO TC 197의 여러 작업반들 중에 큰 주목을 받아 온 충전 표준 WG 5와 WG 24가 코로나 팬더믹 기간에 열린 TC 197의 첫 대면회의를 연 것이다.

한국은 열 명이 독일로 향했다. 열띤 토론 속에, 수소 충전 프로토콜, 수소 충전 통신 표준 분야에서 다섯 차례나 발표를 준비한 한국 참석자들에 큰 호응이 있었다. 두 가지 수소 충전 프로토콜 표준 기술을 제안하는 발표(3회)와 충전 통신 유즈케이스를 표준기술로 제안하는 발표(2회)에 여러 수소 표준 전문가들이 깊은 관심을 보였다. 한국이 수소 충전 표준화에 있어 주도적인 역할을 하고 기여를 이어갈 수 있는 기회를 갖게 된 것이다.

수소 기술을 표준화하는 ISO TC 197 Hydrogen Technologies의 2020년 총회는 TC의 운영과 표준화 방향의 변화 논의로 뜨거웠다. 그로부터 일년 뒤, 2021년 총회 

때 새로운 의장을 선임했고 TC 197 최초의 부위원회(Sub Committee)인 SC1 신설을 공식의결했다. 약 10년동안 수소 표준 기반 다지기에 기여한 전임 의장은 SC1 의장으로 자리를 옮겨 수소 표준 영역 확장을 맡아 활동을 이어가고 있다.

SC1 신설과 전임 의장의 이동은 TC 197의 방향성 변화에서 전환점으로써 의미가 크다. 앞선 10년 간 TC 197은 수소의 안전한 사용을 담아내기 위해 수소 충전소, 수소차 저장용기, 수소 충전 노즐/리셉터클, 수소 품질과 같이 기반이 될만 한 표준 개발에 집중해 왔다. 이제 버스, 대형 트럭과 같은 수소 상용차 시장의 잠재성, 수요를 품은 채, 탄소중립 이행 등 시대적 요구를 만난 TC 197은 SC1을 신설함으로써 수소 에너지의 수평적인 확산을 지원하고, 양적 규모에 힘을 더하기 위해 움직일 수 있게 되었다. 수소 충전 표준 역시 이에 편승해 상용차, 기차, 선박, Aerial Vehicle 등에 큰 용량의 수소를 충전하고, 안전을 강화하고, 액화수소, 고압극저온수소등의 충전/저장과 같은 변화를 수용하기 시작한 것이다. 

TC 197의 구성을 간략하게 도식화한 <그림 1>에서 보면, 기술 프로그램(Technical Program)들과 작업반(Working Group)들이 공유된 구조를 갖고 있어 표준 범위, 작업반 운용, 의사결정등에서 빈번한 협력이 요구됨을 알 수 있다. 수소 충전 표준을 다루는 ‘환경 및 안전 구축, 모빌리티 인프라’ 기술 프로그램(Technical Program) 역시 여러 새로운 제안을 처리하고 표준을 개발하면서 긴밀한 협력과 빈번한 조정이 필요해졌다.

수소 충전은 SAE Fuel Cell Steering Committee의 Interface Task Force에서 개발한 수소 충전 연결부품 표준 SAE J2600, 수소 충전 프로토콜 표준 SAE J2601, 수소 충전을 위한 통신 표준 SAE J2799와 ISO TC 197 WG 5에서 개발한 수소 충전 연결부품 표준인 ISO 17268을 국제적인 표준으로 이용하고 있다. ISO TC 197은 2021년부터 SAE와 조화를 이뤄가며, 헤비듀티(Heavy Duty, 상용대형) 도로 차량(Road Vehicle) 충전을 위한 하이플로우 충전 프로토콜 표준과 단방향 적외선 통신을 선진 양방향 통신으로 개선하는 표준, 충전 프로토콜 기술을 설계하고 개발하는 프로세스 표준, 중/고 유량으로 충전이 가능한 노즐, 리셉터클의 표준 등을 개발하고 있다. 현행 수소 충전 프로토콜 표준인 SAE J2601은 2020년에 기존 최대 유량 60g/s는 유지하면서 Type D 수소탱크에 10kg 이상 넣을 수 있는 중간급 차량 충전 프로토콜 표준으로 개정을 했는데 ISO TC 197 WG 24 는 현행 SAE J2601의 최대 유량을 넘어서서 고 유량의 충전 표준화를 미션으로 삼고 차량용 기체수소 충전 프로토콜 표준을 ISO 19885로 개발한다. 2024년 제정을 목표로 하는 ISO 19885는 개발 프로세스, 통신, 프로토콜에 관한 세 개 Task로 개발되고 있다. <그림 2>에서 ISO 19885의 표준화 방식과 다른 표준들 간의 관계를 볼 수 있다.

•ISO 19885 파트 1 : 충전 프로토콜 설계와 개발 프로세스(Task 1. Design and development process for fueling protocols)

•ISO 19885 파트 2 : 차량과 충전기제어시스템 간 통신 정의(Task 2. Definition of communications between the vehicle and dispenser control systems)

•ISO 19885 파트 3 : 헤비듀티 도로차량용 하이플로우 수소 충전 프로토콜(Task 3. High Flow Hydrogen Fueling Protocols for Heavy Duty Road Vehicles)

같은 시기에, ISO TC 197 WG 5에서는 고유량을 충전할 수 있는 노즐, 리셉터클 표준을 개발 중이다. ISO 17268은 700 bar 표준으로 H70 리셉터클의 내경을 3mm로 도시했다. ISO 17268 에서 고려한 유량은 60g/s까지로 볼 수 있다. ISO 19885가 하이플로우 충전 프로토콜을 만듬과 동시에 ISO 17268에서는 리셉터클의 내경을 넓히는 안을 논의함으로써 고유량으로 충전할 수 있는 리셉터클을 표준화하고 있다.

ISO TC 197은 액화수소 기술 표준 개발을 준비하고 있다. 과냉각액화수소(sLH2, subcooled Liquid Hydrogen)을 포함한 액화수소 관련 표준화 제안들과, 액화수소와 같이 극저온이지만 기체수소로 분류할 수 있는 극저온고압수소(CcH2, Cryogenic compressed Hydrogen)에 대한 표준화를 제안하고 있다. 액화수소는 기체수소에 비해 낮은 압력 유지와 높은 에너지 밀도 특성을 가져 수소 모빌리티 확장 관점에서 헤비듀티 트럭 뿐아니라 선박, Aerial Vehicle등에 산업계의 수요가 있고 표준화 범위를 확대시켜 볼 수 있다. 2022년 12월 시드니에서 열린 ISO TC 197 총회에서는 액화수소와 관련한 신규 표준화 항목 제안(NWIP, New Working Item Proposal)이 다수 제안 되었다. 이미 제정됐거나 개발 중인 국제표준은 대부분 기체수소에 관한 표준이고 액화수소 충전 표준은 미미하거나 20년 전후의 오래된 것들 뿐이다. 새로운 모빌리티에 액화수소를 적용하는 도전적인 신규 표준화 제안으로 한국은 시드니 총회에 Aerial Vehicle 액화수소 저장용기 기술을 제안했다. 이어서 Aerial Vehicle에 액화수소를 충전하는 프로토콜, 액화수소 충전 부품 표준이 필요한 때가 올 것으로 예상한다.

차량 제조업체들은 헤비듀티 트럭에 주목하고 있다. 한국이 세계최초로 수소연료를 이용한 트럭(엑시언트, 현대차)을 양산해 시장 개척에 나섰고, 다임러트럭이 과냉각액화수소를 이용한 트럭 개발을 수시로 알리고 있다. 볼보트럭스도 시험 시작을 알렸다. 헤비듀티 차량에 대한 기대는 표준화 활동에서도 쉽게 볼 수 있다. 안전을 지키면서도 많은 수소를 보다 빠르게 헤비듀티 차량을 충전하기 위해 하이플로우 수소 충전 프로토콜 표준을 개발하고 하이플로우의 수소 충전 연결부품의 표준화에 힘을 쏟고 있다.

하이플로우 수소 충전 프로토콜 표준을 개발하는 ISO 19885-3 은 2022년 9월 울름 회의부터 본격적인 활동에 들어갔다. 2020년부터 헤비듀티 차량 충전 프로토콜을 개발해 온 유럽의 PRHYDE (Protocol for heavy-duty HYDrogEn refuelling) 프로젝트가 울름회의 즈음에 최종 성과물을 공개했기 때문이다. ISO 19885-3는 PRHYDE의 성과물을 활용하기 위해 기다려 왔다. PRHYDE 프로젝트는 유럽의 FCH2JU에서 펀딩해 진행한 프로젝트로 수소 관련 연구소, 에너지 회사들, 자동차 제조회사들이 다수 참여해 헤비듀티 차량에 수소를 100kg까지 충전하기 위해 모델링, 시뮬레이션, 평가 등 과정을 거쳐 충전 프로토콜 컨셉을 공개했다. PRHYDE의 컨셉은 차량 측에 일부 책임을 지우는 충전기술이란 특징이 있다.

울름회의에서는 유럽의 PRHYDE외에 한국이 두 가지 컨셉의 충전 프로토콜을 연달아 발표해 많은 관심과 긍정적인 피드백을 얻었다. 실시간 통신을 기반으로 충전 효율을 높이는 프로토콜 컨셉(RTR-HFP)이 하나이고, 다른 하나는 충전 현장의 데이터를 수집, 분석해 실 충전 상황에 예측 적용하는 프로토콜 컨셉(ANN-MPC)이다. 국내의 여러 연구원, 산업체, 대학이 힘을 모았다. 한국은 울름 발표를 통해 타겟 표준인 ISO 19885-3에서 PRHYDE와 같이 구체적으로 컨셉을 표준문서화 할 수 있는 서브그룹을 얻는 성과를 냈다. 

<그림 3>에 ISO 19885 Part 3에 신설된 서브그룹 구성을 보면 공통인 서브그룹 1을 제외하면 네 개의 서브그룹 중 두 개가 한국이 리딩하는 서브그룹으로 신설된 것이다. 헤비듀티 차량을 충전할 수 있는 한국의 프로토콜 기술이 표준으로 채택되고 수소 충전의 효율성을 높이고 수소 경제를 보편화하는데 기여할 수 있길 기대한다.

수소 충전 연결 부품의 표준을 다루는 ISO 17268 역시 헤비듀티 차량을 위해 해당 표준을 개정하거나 새로 추가하는 작업에 집중하고 있다. 산업체들의 시급한 표준 조달 요구는 충전이 시장의 중대한 작용점 중 하나임을 의미한다. 수요를 충족시킬 수 있는 노즐과 리셉터클 표준화에는 두 가지 접근방식이 있다. 내경을 고 유량에 맞게 충분히 넓게 설계해 지금처럼 하나의 노즐, 리셉터클로 충전하는 방식과, 기존 충전기, 차량과 최대한 호환이 되도록 내경을 약간 넓힌 두 쌍의 노즐, 리셉터클을 설치해 병렬적으로 충전하는 트윈 방식이 그것이다.

내경을 충분히 넓혀 하나의 노즐, 리셉터클로 대용량의 수소를 충전하는 방식은 최대 유량을 300g/s으로 목표로 하는데, 유럽 국가들에서 내경을 10mm 또는 12mm로 확대한 리셉터클을 제안했고 표준으로써 검토, 논의를 시작하고 있다. 트윈 방식은 일본에서 제안한 방식인데, 현재 상용 수소 충전을 연구하는 시설을 갖춰 실증을 진행하는 것으로 알려져 있다. 700bar 리셉터클 내경 표준을 현재 3mm에서 4mm로 늘려 최대 유량을 60g/s에서 90g/s까지 지원하고, 두 쌍으로 병렬 충전함으로써 이론적으로는 180g/s까지 끌어 올리는 방식이다. 일본은 내경 4mm 리셉터클에 충전할 때 유량, 차량 수소 저장용기의 온도를 시뮬레이션 결과로 제시해 타당성을 주장했다. 하나의 연결부품으로 충전하는 방식과 트윈 방식은 최대 유량 180g/s 이내에서 표준의 유량 범위가 겹칠 수 있다. 일본은 트윈 방식에 더해 300g/s을 위한 하나의 내경 8mm 리셉터클 안도 염두에 둔 것으로 보인다. 차량 측면에서 보면 일본의 제안이 충전으로 인한 차압 등 확인해야 할 점들이 있기 때문에 실증 결과를 꼼꼼히 점검해 표준에 대응해야 한다. 산업체의 헤비듀티 차량 충전 표준에 대한 수 년간의 갈증은 하이플로우 충전을 가능케 하는 표준에 기대를 걸게 만들었다. 두 가지 접근 방식이 헤비듀티 차량 시장의 보편화에 어떠한 기여를 할지 지켜볼 일이 겠지만 표준화를 신속히 이뤄 시장 형성에 일조하기를 바란다.

수소를 보다 안전하고 효율적으로 충전하기 위한 ISO TC 197 WG 24의 표준화 노력은 수소 충전 통신을 선진화하고 표준화하는 ISO 19885-2 개발로 이어지고 있다. 현재 수소 충전기와 차량간 통신은 IrDA로 차량에서 충전기 단방향으로 송신하는 기술을 표준으로 쓰고 있다. 통신 데이터는 적용버전, 수소저장용기의 용량, 온도, 압력 등 기본적인 항목들로 간단하게 구성하면 된다. 단방향 IrDA 통신의 한계, 취약점들을 극복하고 수소 충전의 안전과 효율, 시장성을 향상시키기 위해 선진 통신 기술을 접목하자는 목소리가 있어 왔는데, ISO 19885에서 두 번째 Task를 둬 양방향 통신 표준을 개발하고 있다. ISO 19885-2는 한동안 여러 가지 접근과 시도를 했었다. 하지만, 수소 기술에 특화한 WG 24의 전문가들에게 수소 충전에 필요한 선진 통신기술은 쉽지않아 표준화까지 요원할 것만 같아 보였다.

당사는 표준화를 진전시키기 위해 충전 분야 통신기술 표준화 경험과 차량 수소 저장, 충전 기술의 융합이 전제되어야 한다고 판단했다. 전기차 충전 통신기술 표준화를 주도한 전문가와 수소전기차를 개발하는 전문가들이 협업에 착수했고, 2022년 3월부터 수소 충전 통신 표준화 추진 방안과 새로운 통신 기술 아이디어들을 연이어 발표하기 시작했다. 이를 계기로 ISO 19885-2 표준화가 본격화 되었다고 할 수 있다. <그림 3>의 파트2 서브그룹 B는 통신 아키텍처, 통신 유스케이스(인터페이스)등 중요한 통신 표준기술을 만드는데, 한국이 리딩을 하고 있다. 통신 표준화 경험과 수소 기술을 융합시켜 국제 표준화에 크게 기여할 수 있는 기회를 가지게 된 것이다. 전기차 충전 통신 기술과 수소 충전을 비교 분석함으로써, 수소 충전기와 차량 간 통신 유스케이스(Use Case)들을 도출하고 표준 요구사항과 송수신 데 이터 항목을 개발하고 있다. 또, 현 SAE J2799 통신 표준과 상호 호환성을 유지할 방법을 제안하고, ISO 19885-1에서 정의한 통신 데이터 사용분류(UCDC, use classification of communicated data)를 통신 관점에서 명료하게 밝혔다. 

UCDC는 수소 충전과 관련한 표준을 설계, 개발할 때 고려해야 할 개념이며, 통신 여부, 능동적인 제어, 안전기능을 기준 삼을 것을 요구한다.

표준화에 진전을 보이면 수소 충전 통신 표준이 정의할 상세 기술과 표준에서 문제들이 차츰 드러날 것이다. IrDA 통신 방식 외에 어떠한 통신 방식을 추가적인 표준으로 택할 것인지, 수소 충전기와 차량 간 데이터의 신뢰와 책임은 어떻게 정의할 것인지 등 이해관계자, 표준 전문가들 간에 쟁점사항들이 떠오를 수 있다. 한국은 현행 SAE J2799 호환성과 개발 중인 ISO 19885-1의 UCDC 수용을 포괄적이고 간명하게 다뤄 <그림 4>와 같이 풀어 낸 경험이 있다. 앞으로 직면할 표준 기술의 문제들 역시 주도적으로 해소해 나갈 수 있을 것으로 예상한다.

수소 충전 표준을 헤비듀티 차량, Aerial Vehicle과 같은 수소 모빌리티 관점에서 프로토콜, 통신, 노즐/리셉터클, 액화수소로 조망해 보았다. 수소 충전 표준 개발은 모빌리티 시장을 형성하고 촉진시키는 기본적인 작용점이라 할 수 있다. 적극적인 표준화 활동은 크게, 작게 수소 모빌리티 시장을 넓히고 보편화하는 효과를 낳을 것이다. 최대 유량 60g/s을 초과하는 하이플로우 수소 충전 프로토콜과 노즐, 리셉터클 표준을 꾸준히 개발하고 IrDA 단방향 통신 표준을 양방향 통신으로 선진 표준화할 운동장이 우리 앞에 놓여 있다. 프로토콜 표준에서 두 개의 서브그룹을, 통신 표준 분야에서 하나의 서브그룹을 잘 운영해 성과를 끌어 내야 하고, Aerial Vehicle 과 같이 확장된 모빌리티 영역에서는 강한 리더십을 가져가야 한다.

2022년 9월 독일 울름의 ISO 수소 충전 표준회의는 한국에게 헤비듀티 차량 충전 표준화 활동의 구름판 역할을 했고, 2022년 12월 ISO TC 197시드니 총회는 한국에게 미래 모빌리티 영역인 Aerial Vehicle을 위한 액화수소 저장용기 표준화라는 새로운 기회를 주었다. 수소 충전 표준은 시장과 밀접하면서도 기회를 내주는 분야이다. 산업체, 대학, 기관, 정부가 힘을 모아 한국의 충전 기술을 국제 표준으로 삼을 수 있게 노력함으로써, 그간 수소 충전 표준화에 크게 기여해온 국가들에 버금갈 성과를 꾸준히 내기를 기대한다.