채영석 | BMW 하이드로젠7 시승기 |
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com) ㅣ 사진 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2008-05-10 00:53:38 |
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BMW의 수소엔진자동차 하이드로젠7의 한국 시승회가 열렸다. 하이드로젠7은 6리터 V형 12기통 가솔린 엔진을 베이스로 가솔린과 수소를 병행해서 사용할 수 있기 때문에 바이 퓨얼 자동차라고 할 수 있다. 짧은 시간 동안의 시승이었지만 수소엔진자동차의 현 주소를 알 수 있는 좋은 기회였다. BMW 하이드로젠7의 시승 느낌을 적는다.
글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)
사진 / 원선웅 (글로벌오토뉴스 기자)
BMW가 30년 동안 개발을 진행해 온 수소엔진자동차 하이드로젠7을 국내 도로에서 시승할 수 있게 된 것은 시사하는 바가 크다. 불과 수년 전까지만 해도 수소시대가 도래한다는 명제가 당연시되었던 때가 있었다. 그런데 지금은 도대체 언제쯤 그 시대가 올 것인지에 대한 명확한 해답이 없다.
그것은 1997년부터 양산 모델이 등장한 하이브리드카도 마찬가지이다. 데뷔 초기 동급 가솔린 대비 연비가 40% 이상 좋다는 것 때문에 주목을 끌었던 하이브리드카는 21세기 들어 주력 시장인 미국에서 주춤했었다. 그러다가 다시 2005년 미국에서 발생한 거대한 허리케인 카트리나로 인해 연료소모가 적은 차에 대한 관심이 고조되었고 하이브리드카는 판매가 다시 증가하기 시작했다. 하지만 여전히 토요타가 의도한데로 하이브리드카가 주력 파워트레인이 될 것이라는 확신은 없다.
수소를 연료로 사용하는 자동차도 마찬가지이다. 흔히들 말하는데로 과거에는 고체 연료를 사용하다가 현재는 액체 연료를 사용하고 있으며 미래에는 당연히 기체 연료 시대로 갈 것이라는 가정이 성립되어 있다. 누구나 그렇게 부르짖었던 것이 벌써 상당한 시간이 흘렀음에도 미래의 자동차가 모두 수소를 에너지로 사용하게 될 것이라고 장담하지는 못하고 있다. 지금까지 개발이 진행되고 있는 모든 미래 파워 트레인이 완전 무공해를 실현할 수 없기 때문이다.
수소를 에너지로 사용하는 자동차는 크게 두 가지로 구분된다. 현재 진행중인 것 중 BMW는 1978년부터 현재의 내연기관을 그대로 사용하는 수소내연기관 엔진을 개발하기 시작했다. 그리고 메르세데스 벤츠가 1994년부터 수소연료전지전기자동차에 대한 연구에 뛰어 들었다.
알다시피 수소연료전지전기차와 수소엔진차의 기술은 전혀 다르다. 연료전지 즉, Fuelcell은 수소를 에너지로 사용하는 것은 같지만 차 안에서 스택(Stack)이라는 장비를 통해 연료인 수소가 산소와 화학작용을 일으켜 발전을 하고 그 전기로 구동하는 전기차에 속한다. 이에 반해 수소엔진 자동차는 기존 내연기관 엔진을 그대로 사용하면서 에너지만 수소로 바꾼 것이다. 스파크플러그가 실린더 위쪽에 있다는 것이다.
다른 대부분의 메이커들이 연료전지 개발에 열을 올리고 있지만 BMW가 수소엔진에 집착하는 것은 내연기관 엔진 기술에 대해 남다른 애착을 보여왔으며 또한 성능 향상이 선구적인 입지를 구축해 온 때문일 것이다. 더불어 수소 엔진은 기존 가솔린 엔진의 연장선상에 있는 기술이기 때문에 수소 에너지를 실용하는데는 훨씬 접근이 쉽다고 할 수 있다는 점도 꼽을 수 있다.
이런 점 때문에 2003년 디트로이트오토쇼에서 미국 포드가 수소엔진의 가능성을 제시했고 그 해 동경모터쇼에서는 마쓰다가 수소 로터리 엔진을 발표하면서 다시 주목을 끌기 시작했다. 다시 말해 백금 문제 등으로 연료전지가 난관에 봉착해 있는 상황에서 수소엔진에 대한 가능성이 더 부각되어 보이고 있는 것이다.
특히 마쓰다는 올 초부터 30대의 RX-8 하이드로젠 RE를 노르웨이에 공급한다는 계획을 작년에 발표했었다. 이 RX-8 하이드로젠은 노르웨이의 국책 사업인 ‘HyNor 프로젝트’에 투입된다. 마쓰다는 RX-8 하이드로젠 RE 이외에도 프리머시 하이드로젠 RE 하이브리드를 선보이며 수소차 개발에 박차를 가하고 있다. 최근에 나온 수소 로터리 엔진은 항속 거리가 100km에서 200km로 두 배 가까이 늘어났다. 출력도 40% 늘어나 성능 면에서도 가솔린과 근접한 수준에 다다랐다.
이미 설명했지만 다시 한번 BMW의 수소 엔진에 대해 살펴 보자. BMW의 7시리즈에 탑재되어 있는 수소 엔진은 기존 내연기관 엔진을 개량한 것이다. 가솔린 또는 수소 모두 사용할 수 있도록 2 종류의 탱크를 갖고 있다. 이것을 바이 퓨얼(Bi-Fuel) 방식이라고 부른다. 수소 충전소가 아직 한정적으로밖에 설치되어 있지 않았기 때문에 당장에는 가솔린과 수소를 병용한다고 하는 아이디어다. 수소를 공급할 수 없는 지역에서는 가솔린으로만 달릴 수 있다. 좀 더 쉽게 설명하면 하이드로젠7은 BMW760Li에 수소로 주행할 수 있는 시스템을 추가한 모델을 말한다.
앞서 언급했듯이 BMW는 1978년부터 수소 엔진자동차 연구를 시작했다. 필자가 처음 만난 것은 1993년 독일 뮌헨의 BMW연구소에서였다. 당시는 이 분야에 대한 정보가 거의 부재하다시피했고 특히 수소라는 물질에 대한 사회적인 인식 때문에 당시 참가자들은 대부분 수소의 안전성에 대한 질문에 집중했었다.
BMW 의 수소엔진의 특징은 액체수소를 사용한다. 마그나슈타이어제 저온탱크에 탑재된 액체수소는 에너지밀도가 압축수소보다 높아 항속거리를 비약적으로 늘릴 수 있어 연료전지자동차에 액체수소를 채용하는 메이커도 있다. 하지만 액화 과정에서 에너지의 약 30%가 손실되고 만다. 이것이 액화수소의 난점이다.
수소엔진에 관해 토요타자동차에서 미래기술연구를 담당하고 있는 책임자는 효율성이 높지 않다고 지적하고 있다. 하지만 이것은 토요타와 BMW라고 하는 메이커의 관점의 차이로 어느쪽이 옳은 것인가 하는 성질의 문제는 아닐 것 같다. 토요타는 여전히 하이브리드에 올인하고 있고 BMW는 미래는 수소자동차 시대가 도래할 것이라는 확신을 갖고 있다.
이에 대한 일화가 있다. 이미 글로벌오토뉴스를 통해 소개한 내용이지만 그대로 옮겨 본다. BMW가 1998년 디트로이트쇼에 처음으로 수소엔진차를 발표했을 때 연료전지에 더 비중을 두고 있는 미국에서 열리는 쇼답게 한 미국의 기자로부터 질문을 받았다. 세계의 많은 메이커들이 하이브리드와 연료전지차의 개발에 대해 연구하고 있고 화제를 집중시키고 있는데 BMW는 연료전지차를 개발하지 않는가 하는 것이었다. 이에 대해 당시 BMW 관계자는 “BMW는 하이브리드에는 전혀 흥미가 없다.”고 답했었다.
1993년에 뮌헨에서 이미 BMW의 수소엔진차를 잠깐이나마 시승해 본 경험이 있는 필자의 입장에서는 BMW측의 이 명쾌한 해답으로 인해 수소 엔진차가 현실적이지 않는가 하는 생각을 하게 되었다. 물론 처음 7시리즈에 채용된 수소엔진차를 탔을 때는 그저 아직은 연구단계이구나 하는 정도의 수준이었었다. 그리고 90년대 말부터는 연료전지에 대부분의 시선이 집중되어 필자 또한 연료전지만이 대안이라고 생각했었다.
BMW는 그동안 주로 7시리즈를 베이스로 수소엔진 탑재 모델을 개발해 왔으며 이번에 국내에 홍보를 위해 들여 온 모델은 760Li를 베이스로 한 것으로 5세대째에 해당한다. 하이드로젠7은 100대 생산할 예정으로 세계 최초의 양산형 수소엔진 세단이라고 표현하고 있다. 이미 유럽을 시작으로 미국, 중국, 일본 등에서 시승회를 열었으며 이번에 한국에도 가져와 오피니언 리더들을 대상으로 세미나와 시승행사를 가졌다.
Exterior & Interior
하이드로젠7은 760Li와 외형상 차이가 몇 군데 보인다. 우선 프론트 엔드에서는 안개등이 없다. 냉각을 위한 공기의 흐름을 원활히 하기 위해서다. 그리고 보닛 후드에 캐릭터 라인이 이중으로 되어 있다. 엔진 룸 내에 수소 연료 공급을 위한 라인이 추가되었기 때문이다.
사이드에는 방향지시등 옆에 Hydrogen이라는 로고가 있다. 오른쪽 가솔린 연료 주입구 부근의 C필러 아래쪽에는 수소 공급을 위한 장치가 추가되어 있다. 이 장치는 수소가 일정량 이상 소모되었을 때, 자동차가 완전 정지, 시동이 꺼졌을 때, 주차 브레이크가 작동되고 을 때만 운전석에서 버튼으로 충전구를 열 수 있다.
리어에서는 범퍼 아래쪽에 가솔린 엔진을 위한 머플러 외에 보일 오프 매니지먼트(Boil off Management)라는 별도의 에어벤트가 두 개가 추가되어 있는 것이 보인다. 이는 혹시 있을지 모른 증발된 연소된 수소를 공기와 접촉시켜 물로 전환시키기 위한 것이다. 하이드로젠7에 사용하는 액체수소는 섭씨 영하 253도인데 기온이 상승하면 기화할 수 있어 그것을 배출하기 위한 시스템이다. 외기의 흡입을 통해 수소와 산소가 결합해 물로 만들어 배출한다.
또 루프 뒤쪽 안테나 앞에도 별도의 캡이 설계되어 있다. 이는 혹시 충돌이나 추돌사고가 발생했을 경우 수소를 기화시켜 배출하기 위한 만약을 위한 장비다. 이 때문에 BMW 측은 하이드로젠7을 밀폐된 지하 주차장에 주차하는 것을 금하고 있다.
실내에는 연료주입구 버튼 옆에 H2라고 하는 표기가 추가되어 있고 스티어링 휠 캄럼의 버튼에도 오른쪽 맨 아래에 수소와 가솔린 전환을 위한 H2버튼이 있다. 연료 게이지가 가솔린과 수소 두 개가 있는 것도 다른 점이다.
더불어 도어 잠금 장치 부분에 금속이 아닌 플라스틱 처리가 되어 있는데 이는 실내에 수소가 감지되면 빨간색으로 점등된다. BMW측은 아직까지 한번도 경고등이 들어온 적이 없다고 설명하고 있다.
수소 탱크를 설치한 것 때문에 리어 시트가 앞쪽으로 약간 이동해 있고 트렁크 공간도 노멀 모델보다는 좁다.
Powertrain & Impression
가솔린 엔진은 BMW760Li와 같은 6리터 V형 12기통. 이 12기통은 듀얼 모드라고 하며 일반 가솔린 엔진과 같이 작동되기도 하고 수소를 연료로 해 구동되기도 한다. 가솔린 엔진을 위한 기구는 밸브트로닉 등 대부분 그대로이며 직분사 방식이다. 가솔린 대신 수소를 실린더로 보내는 시스템이 추가 장비되어 있다. 가솔린 엔진은 베이스 모델과 마찬가지로 실린더 내에 직접 연료를 분사하는 다이렉트 인젝션 타입인데 수소는 밸브 직전에 혼합기를 형성하는 포트분사를 채용하고 있다.
하이드로젠7의 항속거리는 가솔린으로 500km, 수소로 200km라고. 다시 말해 아직까지는 가솔린이 주 연료이고 수소는 보조 연료인 셈이다. 하지만 BMW측이 추구하는 궁극적인 것은 수소로만 구동하는 것. 지금은 수소를 공급하는 설비 등 인프라 부족으로 바이 퓨얼 시스템을 사용할 수밖에 없다.
연료는 뒤 시트 아래 베이스 모델의 88리터보다 15% 적은 74리터 가솔린 탱크가 있고 트렁크에는 8kg의 액화수소를 위한 탱크가 있다. 영하 253도의 액화수소를 저장하는 탱크는 초고성능으로 이중 스테인레스제로 마그나 슈타이어가 만든 것이다. 안쪽과 바깥쪽 스테인레스 사이는 진공 상태로 카본 파이버로 연결되어 있다. 안쪽 탱크는 40층의 알루미늄 구조, 전체의 단열효과는 17미터의 발포 스티로폴로 감싼 것과 같다고 한다.
BMW측의 자료에 따르면 같은 구조로 액체인 가솔린을 공기 즉 산소와 혼합하는 것, 기체인 수소를 산소와 혼합시키는 것을 간단하게 비교하면 수소구동의 경우 연소에 사용하는 산소의 양이 압도적으로 적다고 한다.
지금까지는 이 시스템으로 구동을 하지만 다음 단계는 액체 수소를 분사하는 타입을 개발하는 것이라고 BMW 관계자는 세미나를 통해 설명했다. 파워소스가 극저온의 액체수소에 대응하려면 충진효율을 비약적으로 향상시키는 것이 가능하다. BMW측은 수소의 잠재력은 높아 같은 중량의 가솔린의 약 3배에 달한다고 밝히고 있다.
수소를 연소시키는 산화반응은 반응 열에너지를 이용하고 있다. 이것은 종래의 피스톤 엔진과 같은 원리다. 전기적으로 결합시켜 전기를 만드는 연료전지쪽이 확실히 효율은 좋겠지만 연료전지 그 자체의 비용과 중량이 아직 현실적이지 않다. 때문에 수소를 단계적으로 사용하면서 수소 에너지 사회로 이행하는 것이 현실적인 사고방식이다. 그 의미에서 수소엔진은 아주 큰 의미가 있다고 할 수 있을 것이다.
BMW가 발표한 하이드로젠7의 성능은 최고출력 260bhp/5,100rpm, 최대토크 39.8kgm/4,300rpm. 760Li 노멀 모델의 성능은 최고출력 445hp/6,000rpm ,최대토크 60.6kgm/3,950rpm다.
시동 버튼을 누르면 2~3초의 이그니션 타임이 걸리고 나서 시동이 걸린다. 그리고는 수소 모드로 달릴 준비가 완료된다. 계기판 클러스터 가운데 H2라는 표기가 나타나는 것으로 주행준비는 완료된다.
발진시의 감각에서 특별한 것을 느낄 수는 없다. 물론 가솔린 6.0리터의 성능을 기대할 수는 없다. 0-100km/h 가속성능도 가솔린 모델의 5.6초에 비해 늦은 9.5초. 수소엔진용 장비의 추가로 인한 것이다.
주행을 하면서 스티어링 칼럼에 있는 H2 버튼을 누르면 가솔린 모드에서 수소모드로 전환된다. 이 때 전혀 진동이라든가 특별한 징후를 느낄 수 없다. 다만 가솔린을 사용할 때와 수소를 사용할 때의 출력이 같다고 하는데 실제로 체감상의 성능은 가솔린으로 달릴 때가 더 강하게 느껴진다. 선입견이라고 하기에는 분명한 차이가 난다. 그래도 어떤 엔진 부하시에도 수소에서 가솔린에로의 전환은 엔진 출력에 영향을 미치지 않기 때문에 BMW Hydrogen 7의 주행성과 동력성능에 부조화가 발생하는 일은 없다고 한다.
자동차로서의 기술적인 문제가 없다는 것을 알 수 있다. 다만 수소 생산과정에서 발생하는 이산화탄소 문제, 수소 충전소 건설을 위한 시간과 비용, 수소에 대한 일반인들의 인식 전환 등 걸림돌이 현재로서는 더 큰 문제다.
하지만 이번 서울에서의 세미나를 통해 BMW 측은 수소 에너지의 공급 프로세스에 대해 설명해 주목을 끌었다. 적도 부근에서 태양광 발전을 통해 만들어진 전기로 물을 분해해 수소를 만들어 내고 그 수소를 냉각시켜 액체로 해 탱크로리로 전 세계로 운반한다는 것. 상당히 이상적이라고 할 수 있는 내용인데 그런 과정이 의외로 빠른 시간 내에 진행될 수 있다고 BMW측은 주장하고 있다.
어쨌든 BMW는 2007년 미국시장 출시를 시작으로 수소엔진자동차를 시판하겠다고 발표했었으나 아직은 실행되지 않고 잇다. 1978년에 착수한 연구가 30년만에 제품화되어 판매될 수 있게 되었지만 현실의 벽을 넘는데는 시간이 더 필요하다는 것을 알 수 있다.
BMW의 목표는 가솔린을 사용하지 않고 수소로만 운행하는 것이다. 이것을 터보차저로 과급하고 압축비를 16 정도까지 높여주는 것이다. 이 엔진으로 독일의 뉘르부르크링 서키트(한바퀴 약 20km의 와인딩 서키트)를 테스트 주행도 했다고 한다. 그 결과 랩 타임은 10분. 당시 테스트 모델은 750hL로 수소 탱크는 140리터. 가득 체웠을 때의 항속거리는 약 350km라고 한다. 실제 타 보면 극히 조용하다거나 파워 넘친다거나 하지는 않는다고 한다. 하지만 수소로 주행하는만큼 카본을 함유하지 않기 때문에 이산화탄소는 전혀 배출되지 않는다. 배기관에서 나오는 것은 물 뿐으로 아주 깨끗하다. 물론 미량의 질소산화물이 배출된다. 어떤 형태로든 연료를 태우기 때문이다. BMW는 2020년에는 BMW차의 50%를 수소 엔진으로 한다는 생각이라고 한다.
지금 수소를 에너지로 사용하기 위해 개발되고 있는 파워 트레인 중 수소엔진자동차는 하이드로젠7이 그 현 주소를 잘 보여 주고 있다. 또한 연료전지차도 리더인 메르세데스 벤츠는 물론이고 토요타와 혼다가 미국시장에 리스 형태로 판매하는 등 세 확장을 위한 노력이 경주되고 있다. 다만 연료전지의 스택을 제작하는데 드는 비용이 아직은 경제성에 턱없이 미치지 못하고 냉간 시동 등 문제점이 산적해 있다. 예를 들어 독일에도 수소충전소가 5군데밖에 없다고 하는 인프라 구축도 아직 요원하다.
결국은 Well to Tank(연료 생산과정) 차원에서 완전 무공해 에너지라고는 할 수 없지만 Tank to Tire(자동차 안에서) 차원에서는 완전 무공해를 추구하지 않을 수밖에 없는 시대적인 상황에 누가 더 먼저 실용화를 앞 당기느냐의 싸움이 진행되고 있다고 할 수 있다. 그것은 물론 시장에서의 반응에 따라 좌우 되겠지만 그것만으로는 부족하다. 범 정부차원에서 지원이 필요한 시점이다.
BMW 하이드로젠7 주요제원
배기량 6.0리터
최고출력 260bhp/5,100rpm,
최대토크 39.8kgm/4,300rpm.
0-100km/h 9.5초
최고속도 230km/h
항속거리 : 가솔린 500km 수소 200km
(작성일자 : 2008년 5월 10일)
글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)
사진 / 원선웅 (글로벌오토뉴스 기자)
BMW가 30년 동안 개발을 진행해 온 수소엔진자동차 하이드로젠7을 국내 도로에서 시승할 수 있게 된 것은 시사하는 바가 크다. 불과 수년 전까지만 해도 수소시대가 도래한다는 명제가 당연시되었던 때가 있었다. 그런데 지금은 도대체 언제쯤 그 시대가 올 것인지에 대한 명확한 해답이 없다.
그것은 1997년부터 양산 모델이 등장한 하이브리드카도 마찬가지이다. 데뷔 초기 동급 가솔린 대비 연비가 40% 이상 좋다는 것 때문에 주목을 끌었던 하이브리드카는 21세기 들어 주력 시장인 미국에서 주춤했었다. 그러다가 다시 2005년 미국에서 발생한 거대한 허리케인 카트리나로 인해 연료소모가 적은 차에 대한 관심이 고조되었고 하이브리드카는 판매가 다시 증가하기 시작했다. 하지만 여전히 토요타가 의도한데로 하이브리드카가 주력 파워트레인이 될 것이라는 확신은 없다.
수소를 연료로 사용하는 자동차도 마찬가지이다. 흔히들 말하는데로 과거에는 고체 연료를 사용하다가 현재는 액체 연료를 사용하고 있으며 미래에는 당연히 기체 연료 시대로 갈 것이라는 가정이 성립되어 있다. 누구나 그렇게 부르짖었던 것이 벌써 상당한 시간이 흘렀음에도 미래의 자동차가 모두 수소를 에너지로 사용하게 될 것이라고 장담하지는 못하고 있다. 지금까지 개발이 진행되고 있는 모든 미래 파워 트레인이 완전 무공해를 실현할 수 없기 때문이다.
수소를 에너지로 사용하는 자동차는 크게 두 가지로 구분된다. 현재 진행중인 것 중 BMW는 1978년부터 현재의 내연기관을 그대로 사용하는 수소내연기관 엔진을 개발하기 시작했다. 그리고 메르세데스 벤츠가 1994년부터 수소연료전지전기자동차에 대한 연구에 뛰어 들었다.
알다시피 수소연료전지전기차와 수소엔진차의 기술은 전혀 다르다. 연료전지 즉, Fuelcell은 수소를 에너지로 사용하는 것은 같지만 차 안에서 스택(Stack)이라는 장비를 통해 연료인 수소가 산소와 화학작용을 일으켜 발전을 하고 그 전기로 구동하는 전기차에 속한다. 이에 반해 수소엔진 자동차는 기존 내연기관 엔진을 그대로 사용하면서 에너지만 수소로 바꾼 것이다. 스파크플러그가 실린더 위쪽에 있다는 것이다.
다른 대부분의 메이커들이 연료전지 개발에 열을 올리고 있지만 BMW가 수소엔진에 집착하는 것은 내연기관 엔진 기술에 대해 남다른 애착을 보여왔으며 또한 성능 향상이 선구적인 입지를 구축해 온 때문일 것이다. 더불어 수소 엔진은 기존 가솔린 엔진의 연장선상에 있는 기술이기 때문에 수소 에너지를 실용하는데는 훨씬 접근이 쉽다고 할 수 있다는 점도 꼽을 수 있다.
이런 점 때문에 2003년 디트로이트오토쇼에서 미국 포드가 수소엔진의 가능성을 제시했고 그 해 동경모터쇼에서는 마쓰다가 수소 로터리 엔진을 발표하면서 다시 주목을 끌기 시작했다. 다시 말해 백금 문제 등으로 연료전지가 난관에 봉착해 있는 상황에서 수소엔진에 대한 가능성이 더 부각되어 보이고 있는 것이다.
특히 마쓰다는 올 초부터 30대의 RX-8 하이드로젠 RE를 노르웨이에 공급한다는 계획을 작년에 발표했었다. 이 RX-8 하이드로젠은 노르웨이의 국책 사업인 ‘HyNor 프로젝트’에 투입된다. 마쓰다는 RX-8 하이드로젠 RE 이외에도 프리머시 하이드로젠 RE 하이브리드를 선보이며 수소차 개발에 박차를 가하고 있다. 최근에 나온 수소 로터리 엔진은 항속 거리가 100km에서 200km로 두 배 가까이 늘어났다. 출력도 40% 늘어나 성능 면에서도 가솔린과 근접한 수준에 다다랐다.
이미 설명했지만 다시 한번 BMW의 수소 엔진에 대해 살펴 보자. BMW의 7시리즈에 탑재되어 있는 수소 엔진은 기존 내연기관 엔진을 개량한 것이다. 가솔린 또는 수소 모두 사용할 수 있도록 2 종류의 탱크를 갖고 있다. 이것을 바이 퓨얼(Bi-Fuel) 방식이라고 부른다. 수소 충전소가 아직 한정적으로밖에 설치되어 있지 않았기 때문에 당장에는 가솔린과 수소를 병용한다고 하는 아이디어다. 수소를 공급할 수 없는 지역에서는 가솔린으로만 달릴 수 있다. 좀 더 쉽게 설명하면 하이드로젠7은 BMW760Li에 수소로 주행할 수 있는 시스템을 추가한 모델을 말한다.
앞서 언급했듯이 BMW는 1978년부터 수소 엔진자동차 연구를 시작했다. 필자가 처음 만난 것은 1993년 독일 뮌헨의 BMW연구소에서였다. 당시는 이 분야에 대한 정보가 거의 부재하다시피했고 특히 수소라는 물질에 대한 사회적인 인식 때문에 당시 참가자들은 대부분 수소의 안전성에 대한 질문에 집중했었다.
BMW 의 수소엔진의 특징은 액체수소를 사용한다. 마그나슈타이어제 저온탱크에 탑재된 액체수소는 에너지밀도가 압축수소보다 높아 항속거리를 비약적으로 늘릴 수 있어 연료전지자동차에 액체수소를 채용하는 메이커도 있다. 하지만 액화 과정에서 에너지의 약 30%가 손실되고 만다. 이것이 액화수소의 난점이다.
수소엔진에 관해 토요타자동차에서 미래기술연구를 담당하고 있는 책임자는 효율성이 높지 않다고 지적하고 있다. 하지만 이것은 토요타와 BMW라고 하는 메이커의 관점의 차이로 어느쪽이 옳은 것인가 하는 성질의 문제는 아닐 것 같다. 토요타는 여전히 하이브리드에 올인하고 있고 BMW는 미래는 수소자동차 시대가 도래할 것이라는 확신을 갖고 있다.
이에 대한 일화가 있다. 이미 글로벌오토뉴스를 통해 소개한 내용이지만 그대로 옮겨 본다. BMW가 1998년 디트로이트쇼에 처음으로 수소엔진차를 발표했을 때 연료전지에 더 비중을 두고 있는 미국에서 열리는 쇼답게 한 미국의 기자로부터 질문을 받았다. 세계의 많은 메이커들이 하이브리드와 연료전지차의 개발에 대해 연구하고 있고 화제를 집중시키고 있는데 BMW는 연료전지차를 개발하지 않는가 하는 것이었다. 이에 대해 당시 BMW 관계자는 “BMW는 하이브리드에는 전혀 흥미가 없다.”고 답했었다.
1993년에 뮌헨에서 이미 BMW의 수소엔진차를 잠깐이나마 시승해 본 경험이 있는 필자의 입장에서는 BMW측의 이 명쾌한 해답으로 인해 수소 엔진차가 현실적이지 않는가 하는 생각을 하게 되었다. 물론 처음 7시리즈에 채용된 수소엔진차를 탔을 때는 그저 아직은 연구단계이구나 하는 정도의 수준이었었다. 그리고 90년대 말부터는 연료전지에 대부분의 시선이 집중되어 필자 또한 연료전지만이 대안이라고 생각했었다.
BMW는 그동안 주로 7시리즈를 베이스로 수소엔진 탑재 모델을 개발해 왔으며 이번에 국내에 홍보를 위해 들여 온 모델은 760Li를 베이스로 한 것으로 5세대째에 해당한다. 하이드로젠7은 100대 생산할 예정으로 세계 최초의 양산형 수소엔진 세단이라고 표현하고 있다. 이미 유럽을 시작으로 미국, 중국, 일본 등에서 시승회를 열었으며 이번에 한국에도 가져와 오피니언 리더들을 대상으로 세미나와 시승행사를 가졌다.
Exterior & Interior
하이드로젠7은 760Li와 외형상 차이가 몇 군데 보인다. 우선 프론트 엔드에서는 안개등이 없다. 냉각을 위한 공기의 흐름을 원활히 하기 위해서다. 그리고 보닛 후드에 캐릭터 라인이 이중으로 되어 있다. 엔진 룸 내에 수소 연료 공급을 위한 라인이 추가되었기 때문이다.
사이드에는 방향지시등 옆에 Hydrogen이라는 로고가 있다. 오른쪽 가솔린 연료 주입구 부근의 C필러 아래쪽에는 수소 공급을 위한 장치가 추가되어 있다. 이 장치는 수소가 일정량 이상 소모되었을 때, 자동차가 완전 정지, 시동이 꺼졌을 때, 주차 브레이크가 작동되고 을 때만 운전석에서 버튼으로 충전구를 열 수 있다.
리어에서는 범퍼 아래쪽에 가솔린 엔진을 위한 머플러 외에 보일 오프 매니지먼트(Boil off Management)라는 별도의 에어벤트가 두 개가 추가되어 있는 것이 보인다. 이는 혹시 있을지 모른 증발된 연소된 수소를 공기와 접촉시켜 물로 전환시키기 위한 것이다. 하이드로젠7에 사용하는 액체수소는 섭씨 영하 253도인데 기온이 상승하면 기화할 수 있어 그것을 배출하기 위한 시스템이다. 외기의 흡입을 통해 수소와 산소가 결합해 물로 만들어 배출한다.
또 루프 뒤쪽 안테나 앞에도 별도의 캡이 설계되어 있다. 이는 혹시 충돌이나 추돌사고가 발생했을 경우 수소를 기화시켜 배출하기 위한 만약을 위한 장비다. 이 때문에 BMW 측은 하이드로젠7을 밀폐된 지하 주차장에 주차하는 것을 금하고 있다.
실내에는 연료주입구 버튼 옆에 H2라고 하는 표기가 추가되어 있고 스티어링 휠 캄럼의 버튼에도 오른쪽 맨 아래에 수소와 가솔린 전환을 위한 H2버튼이 있다. 연료 게이지가 가솔린과 수소 두 개가 있는 것도 다른 점이다.
더불어 도어 잠금 장치 부분에 금속이 아닌 플라스틱 처리가 되어 있는데 이는 실내에 수소가 감지되면 빨간색으로 점등된다. BMW측은 아직까지 한번도 경고등이 들어온 적이 없다고 설명하고 있다.
수소 탱크를 설치한 것 때문에 리어 시트가 앞쪽으로 약간 이동해 있고 트렁크 공간도 노멀 모델보다는 좁다.
Powertrain & Impression
가솔린 엔진은 BMW760Li와 같은 6리터 V형 12기통. 이 12기통은 듀얼 모드라고 하며 일반 가솔린 엔진과 같이 작동되기도 하고 수소를 연료로 해 구동되기도 한다. 가솔린 엔진을 위한 기구는 밸브트로닉 등 대부분 그대로이며 직분사 방식이다. 가솔린 대신 수소를 실린더로 보내는 시스템이 추가 장비되어 있다. 가솔린 엔진은 베이스 모델과 마찬가지로 실린더 내에 직접 연료를 분사하는 다이렉트 인젝션 타입인데 수소는 밸브 직전에 혼합기를 형성하는 포트분사를 채용하고 있다.
하이드로젠7의 항속거리는 가솔린으로 500km, 수소로 200km라고. 다시 말해 아직까지는 가솔린이 주 연료이고 수소는 보조 연료인 셈이다. 하지만 BMW측이 추구하는 궁극적인 것은 수소로만 구동하는 것. 지금은 수소를 공급하는 설비 등 인프라 부족으로 바이 퓨얼 시스템을 사용할 수밖에 없다.
연료는 뒤 시트 아래 베이스 모델의 88리터보다 15% 적은 74리터 가솔린 탱크가 있고 트렁크에는 8kg의 액화수소를 위한 탱크가 있다. 영하 253도의 액화수소를 저장하는 탱크는 초고성능으로 이중 스테인레스제로 마그나 슈타이어가 만든 것이다. 안쪽과 바깥쪽 스테인레스 사이는 진공 상태로 카본 파이버로 연결되어 있다. 안쪽 탱크는 40층의 알루미늄 구조, 전체의 단열효과는 17미터의 발포 스티로폴로 감싼 것과 같다고 한다.
BMW측의 자료에 따르면 같은 구조로 액체인 가솔린을 공기 즉 산소와 혼합하는 것, 기체인 수소를 산소와 혼합시키는 것을 간단하게 비교하면 수소구동의 경우 연소에 사용하는 산소의 양이 압도적으로 적다고 한다.
지금까지는 이 시스템으로 구동을 하지만 다음 단계는 액체 수소를 분사하는 타입을 개발하는 것이라고 BMW 관계자는 세미나를 통해 설명했다. 파워소스가 극저온의 액체수소에 대응하려면 충진효율을 비약적으로 향상시키는 것이 가능하다. BMW측은 수소의 잠재력은 높아 같은 중량의 가솔린의 약 3배에 달한다고 밝히고 있다.
수소를 연소시키는 산화반응은 반응 열에너지를 이용하고 있다. 이것은 종래의 피스톤 엔진과 같은 원리다. 전기적으로 결합시켜 전기를 만드는 연료전지쪽이 확실히 효율은 좋겠지만 연료전지 그 자체의 비용과 중량이 아직 현실적이지 않다. 때문에 수소를 단계적으로 사용하면서 수소 에너지 사회로 이행하는 것이 현실적인 사고방식이다. 그 의미에서 수소엔진은 아주 큰 의미가 있다고 할 수 있을 것이다.
BMW가 발표한 하이드로젠7의 성능은 최고출력 260bhp/5,100rpm, 최대토크 39.8kgm/4,300rpm. 760Li 노멀 모델의 성능은 최고출력 445hp/6,000rpm ,최대토크 60.6kgm/3,950rpm다.
시동 버튼을 누르면 2~3초의 이그니션 타임이 걸리고 나서 시동이 걸린다. 그리고는 수소 모드로 달릴 준비가 완료된다. 계기판 클러스터 가운데 H2라는 표기가 나타나는 것으로 주행준비는 완료된다.
발진시의 감각에서 특별한 것을 느낄 수는 없다. 물론 가솔린 6.0리터의 성능을 기대할 수는 없다. 0-100km/h 가속성능도 가솔린 모델의 5.6초에 비해 늦은 9.5초. 수소엔진용 장비의 추가로 인한 것이다.
주행을 하면서 스티어링 칼럼에 있는 H2 버튼을 누르면 가솔린 모드에서 수소모드로 전환된다. 이 때 전혀 진동이라든가 특별한 징후를 느낄 수 없다. 다만 가솔린을 사용할 때와 수소를 사용할 때의 출력이 같다고 하는데 실제로 체감상의 성능은 가솔린으로 달릴 때가 더 강하게 느껴진다. 선입견이라고 하기에는 분명한 차이가 난다. 그래도 어떤 엔진 부하시에도 수소에서 가솔린에로의 전환은 엔진 출력에 영향을 미치지 않기 때문에 BMW Hydrogen 7의 주행성과 동력성능에 부조화가 발생하는 일은 없다고 한다.
자동차로서의 기술적인 문제가 없다는 것을 알 수 있다. 다만 수소 생산과정에서 발생하는 이산화탄소 문제, 수소 충전소 건설을 위한 시간과 비용, 수소에 대한 일반인들의 인식 전환 등 걸림돌이 현재로서는 더 큰 문제다.
하지만 이번 서울에서의 세미나를 통해 BMW 측은 수소 에너지의 공급 프로세스에 대해 설명해 주목을 끌었다. 적도 부근에서 태양광 발전을 통해 만들어진 전기로 물을 분해해 수소를 만들어 내고 그 수소를 냉각시켜 액체로 해 탱크로리로 전 세계로 운반한다는 것. 상당히 이상적이라고 할 수 있는 내용인데 그런 과정이 의외로 빠른 시간 내에 진행될 수 있다고 BMW측은 주장하고 있다.
어쨌든 BMW는 2007년 미국시장 출시를 시작으로 수소엔진자동차를 시판하겠다고 발표했었으나 아직은 실행되지 않고 잇다. 1978년에 착수한 연구가 30년만에 제품화되어 판매될 수 있게 되었지만 현실의 벽을 넘는데는 시간이 더 필요하다는 것을 알 수 있다.
BMW의 목표는 가솔린을 사용하지 않고 수소로만 운행하는 것이다. 이것을 터보차저로 과급하고 압축비를 16 정도까지 높여주는 것이다. 이 엔진으로 독일의 뉘르부르크링 서키트(한바퀴 약 20km의 와인딩 서키트)를 테스트 주행도 했다고 한다. 그 결과 랩 타임은 10분. 당시 테스트 모델은 750hL로 수소 탱크는 140리터. 가득 체웠을 때의 항속거리는 약 350km라고 한다. 실제 타 보면 극히 조용하다거나 파워 넘친다거나 하지는 않는다고 한다. 하지만 수소로 주행하는만큼 카본을 함유하지 않기 때문에 이산화탄소는 전혀 배출되지 않는다. 배기관에서 나오는 것은 물 뿐으로 아주 깨끗하다. 물론 미량의 질소산화물이 배출된다. 어떤 형태로든 연료를 태우기 때문이다. BMW는 2020년에는 BMW차의 50%를 수소 엔진으로 한다는 생각이라고 한다.
지금 수소를 에너지로 사용하기 위해 개발되고 있는 파워 트레인 중 수소엔진자동차는 하이드로젠7이 그 현 주소를 잘 보여 주고 있다. 또한 연료전지차도 리더인 메르세데스 벤츠는 물론이고 토요타와 혼다가 미국시장에 리스 형태로 판매하는 등 세 확장을 위한 노력이 경주되고 있다. 다만 연료전지의 스택을 제작하는데 드는 비용이 아직은 경제성에 턱없이 미치지 못하고 냉간 시동 등 문제점이 산적해 있다. 예를 들어 독일에도 수소충전소가 5군데밖에 없다고 하는 인프라 구축도 아직 요원하다.
결국은 Well to Tank(연료 생산과정) 차원에서 완전 무공해 에너지라고는 할 수 없지만 Tank to Tire(자동차 안에서) 차원에서는 완전 무공해를 추구하지 않을 수밖에 없는 시대적인 상황에 누가 더 먼저 실용화를 앞 당기느냐의 싸움이 진행되고 있다고 할 수 있다. 그것은 물론 시장에서의 반응에 따라 좌우 되겠지만 그것만으로는 부족하다. 범 정부차원에서 지원이 필요한 시점이다.
BMW 하이드로젠7 주요제원
배기량 6.0리터
최고출력 260bhp/5,100rpm,
최대토크 39.8kgm/4,300rpm.
0-100km/h 9.5초
최고속도 230km/h
항속거리 : 가솔린 500km 수소 200km
(작성일자 : 2008년 5월 10일)
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