日칼럼 ‘연료전지차’와 ‘수소엔진차’ 어떻게 다를까?

어디에나 존재하는 수소

‘수소’라고 하면 연료전지차(FCV: Fuel Cell Vehicle)를 생각하지만 지금 화제가 되고 있는 차는 수소를 연료로 사용하는 수소엔진차다. 일본 레이싱 팀 ROOKIE Rancing은 5월 21일부터 시작되는 ‘슈퍼 다이큐 시리즈 2021 제3전 후지 24시간 레이스’에 ‘코롤라 스포츠’를 베이스로 한 수소엔진 탑재 차량으로 참가하기로 밝혔다. 어떤 주행을 보여줄 것인지 관심이 높아지고 있다. 현시점에서 도요타는 수소엔진차를 발매할 예정은 없지만 장기적으로 그 가능성이 있을지, 만약 발매한다면 어떤 이점이 있을지 생각해보자. 수소(H)는 우주에서 가장 많이 존재하고 지구 상에 넘쳐흐르는 원소로서 대부분 물(H20)로 존재한다. 인체에도 수소는 필수적이며 체내에서는 물 혹은 다양한 화합물 형태로 존재하여 질량 비율로 따지면 약 10%를 차지한다. 모빌리티적인 관점에서 보면 수소는 가볍고 반응성이 높으며 유연성이 있고 이론적으로 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않는 청정 에너지원이라고 할 수 있다. 이런 특징들은 그대로 기술개발적 과제가 된다. 더욱 자세히 살펴보자.

 

 

마쓰다 프레마시

기존 기술을 살릴 수 있다는 메리트

FCV의 심장부는 당연히 연료전지이며 수소와 산소를 반응시켜 전기를 생성한다. 바꿔 말하면 수소와 산소의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다고도 할 수 있다. 혹은 물을 수소와 산소로 분해하는 전기 분해 반응을 거꾸로 일으킨다고도 할 수 있다. 이 반응에는 탄소(C)와 질소(N)이 관여하지 않기 때문에 발전할 때 수소와 산소가 결합된 물(H2O)가 배출되지만 이산화탄소(CO2)나 질소산화물(NOx)는 발생하지 않는다. 이 특징이 FCV를 환경친화적이라고 부르는 이유다. 한편 수소엔진차는 엔진에서 수소를 연소시킨다. 연소란 산화를 의미한다. 연료 화합물이나 원소에 산소를 결합시킬 때 열과 빛이 발생하기 때문에 그 열 에너지를 동력으로 삼는 것이 기본원리이다. 화석연료는 탄소를 지니고 있기 때문에 연소될 때 CO2가 발생하지만 연료가 수소라면 극히 미량의 엔진오일 연소분을 제외하면 CO2는 발생하지 않는다. 또한 수소는 연소속도가 매우 빠르다. 도요타는 ‘수소는 가솔린보다 반응속도가 약 8배 빠르며 저속토크가 좋고 토크풀에서 반응이 좋다’고 한다. 다만 이 특징은 기술개발적 한계이기도 하다. 수소 엔진은 흡배기 밸브 등 고온의 부품과 수소가 만나면 자연 발화하므로 백 파이어(back fire)라고 하는 의도치 않는 연소가 일어나기 쉽다. 이를 얼마나 제어하면서 고속 출력을 낼 수 있는지가 기술력을 보여줄 수 있는 부분이다. 또한 도요타의 수소 엔진은 가솔린 엔진에서 연료 공급계와 분사계를 변환시킨 부품이라고 한다. 이처럼 오랜 시간동안 축적해온 기술과 노하우를 살릴 수 있다는 점은 큰 메리트다. 예를 들어 수소엔진차에서도 연료 시 공기를 빨아들이기 위해 질소산화물(NOx)이 발생하지만 후처리를 위해 기존의 기술일 도입할 수 있다. 또한 수소 저장탱크나 수소보급 기술에는 FCV 기술이 사용된다. 이런 유형무형 자산들을 살릴 수 있다면 가격경쟁력과 시장 경쟁력이 높아질 것이다. FCV ‘도요타 미라이’는 최저가 모델이 710만 엔(円)이다. 언젠가 양산되어 가격이 내려갈 가능성도 있지만 연료전지 가격이 극적으로 떨어지지 않는 한 동급의 엔진차들과 가격 경쟁이 어렵다. 이에 비해 수소엔진차는 FCV보다 염가로 제공할 수 있다. 게다가 엔진에 사용하는 수소는 FCV에서 사용될 때만큼 순도가 높을 필요도 없으며 하이 옥탄 가솔린, 레귤러 가솔린처럼 구분 지어 사용할 수도 있다. 즉 수소엔진차는 FCV와 비교해 이니셜 코스트(initial cost)도 러닝 코스트(running cost)도 낮으며 비교적 대중적인 자동차가 될 수 있다.

 

BMW Hydrogen 7

우리 사회 속에 수소는 어떻게 자리 잡을까?

기존 기술을 살릴 수 있다고 해도 새로운 모빌리티의 상용화는 간단하지 않다. 과거에는 마쓰다가 수소 로터리 엔진을 탑재한 ‘프레마시’나 ‘RX-8’를 BMW는 ‘하이드로젠 7’을 발매하려고 했으나 큰 반향을 일으키지는 못했다. 그런 사례도 있기 때문에 수소엔진 논쟁은 어느새 잊혀 가는 듯하다. 하지만 사회 전반적으로 수소를 활용하고자 하는 움직임은 활발해지고 있다. 스가총리의 내각이 그리는 ‘2050년 탄소중립’ 실현을 위해 수소는 중요한 역할을 차지하고 있다. 살짝 설명하자면 목표로 하는 방향성은 ‘수요의 전기화’와 ‘전기 에너지원’의 저탄소화다. ‘수요의 전기화’란 지금은 가스와 가솔린, 석유 등을 상황에 맞춰 사용하고 있지만 이를 전기에너지로 바꾼다. 이 수요지점까지 에너지를 보내는 방법으로 수소가 주목받고 있다. 전기자동차(EV)는 전기 에너지원에서 전기 에너지를 얻지만 FCV는 수소를 통해 에너지를 얻는다고 볼 수 있다. 즉 수소는 에너지를 운반하기 위한 ‘캐리어(carrier)’인 것이다. 또한 사회는 수요의 전기화와 동시에 발전 부분의 저탄소화도 목표로 한다. 수소엔진처럼 천연가스가 아닌 수소가스에 의한 화력발전도 하나의 방법이다. 수요의 전기화는 가솔린엔진과 디젤엔진을 완전히 뒤집어 놓을 패이지만 수소 혹은 100% 바이오 연료에 의한 지속가능한 연료는 2050년에도 엔진차에 사용할 수 있다. 다만 이는 모두 미래의 이야기로 현재로서는 한계가 존재한다. 예를 들어 수소는 캐리어로서 사회 곳곳에 에너지를 운반해 줄지도 모르지만 수소의 특성상 굉장히 가볍고 에너지 밀도가 낮기 때문에 저장, 관리, 운반에 비용이 든다. 액화수소나 암모니아 등 취급용이한 형태를 검토하고 있지만 현시점에서는 뾰족한 방법은 없다. 또한 현재 사회시스템에서 수소 제조에도 큰 비용이 필요하다. 이차적으로 발생하는 수소의 활용도 검토하고 있지만 사회에 충분한 임팩트를 줄 수 있는 방법은 아직 없다. 이러한 근본적 과제들을 어떻게 해결할지. 산업계, 연구계, 교육계의 연계가 더욱 필요한 시점이다.

 

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 안녕하세요:)

 

 수소차에 대해서 알아보던 중 'web CG'라는 일본 사이트에서 수소연료 전지차와 수소 엔진차의 차이점을 설명해준 칼럼이 있어서 번역해 봤습니다. 작년 5월 칼럼이라 시간이 지난 칼럼이긴 하지만 나름 재밌게 풀어놓은 것 같아 가볍게 번역해 봤습니다. 감사합니다.

 

원본 링크

https://www.webcg.net/articles/-/44517