중대형 수소상용차의 기술개발 방향

★ 수소차의 전기에너지 발생의 핵심기술은 수소에 전자를 뽑아내는 기술, 즉 수소를 이온화시키는 기술과 수소이온을 공기극으로 이동시키는 기술, 그리고 수소이온을 산소와 외부도선으로 이동된 전자와 다시 결합시키는 기술 등으로 구성되며, 전기에너지의 발생은 모두 연료전지 스택 내에서 이루어짐

★ 연료전지 스택(Fuel cell stack)에서 전기를 발생시키기 위해서는 수소를 공급하거나 공기를 공급하거나 열이 발생시 열을 제거해주는 장치가 필요하며, 연료전지 스택은 스스로 전기를 생산할 수 없고 주변 부대장치가 있어야 가능

★ 연료전지시스템이라고 하면 ① 연료전지 스택, ② 수소공급장치, ③ 공기공급장치, ④ 열관리장치 등을 포함한 시스템을 의미함

2. 수소전기상용차의 특징

★ 전기상용차에 비해 수소상용차가 갖는 장점은 짧은 충전시간과 긴 주행거리 등을 들 수 있으며, 상대적인 단점은 복잡한 시스템 구조와 높은 차량가격 등임

짧은 충전시간

★ 수소상용차의 충전시간은 수소충전소의 성능과 직접적인 연관이 있음

- 현재 수소 승용차와 상용차의 최대 수소 충전속도는 각각 분당 1.8kg과 3.6kg 수준임

- 수소상용차에 최대 충전 속도인 3.6kg/min으로 25kg의 수소를 충전한다면 약 7분의 시간이 소요되고, 평균 2.5kg/min으로 충전된다면 10분이 소요됨

- 수소충전소에서 수소상용차 충전 시 승용차와 같이 평균 1kg/min으로 공급된다면 25분이 소요됨

★ 수소상용차의 장점은 짧은 충전시간이라고 말할 수 있으나, 이것은 수소충전소가 상용차용으로 구축되었을 경우에만 가능하며, 국내 수소상용차용 충전소는 2020년부터 구축이 시작되어 현재까지는 구축된 충전인프라가 미미한 상황

- 수소상용차의 장점인 짧은 충전시간을 유지하기 위해서는 수소충전소 구축을 위한 비용이 상승하는 문제점을 안고 있음

★ 특히, 수소충전 시 수소상용차의 용기의 온도가 급격히 올라가는 것을 방지하기 위해서는 저온의 수소로 공급이 필요하며, 350기압보다 700기압으로 충전 시 수소온도는 더 낮아져야 짧은 시간에 충전이 가능

★ 미국 DOE의 수소온도에 따른 충전 시험결과에 의하면 섭씨 영하 40도의 수소를 충전할 때 소요되는 시간이 영하 20도의 수소로 충전 때의 절반 이하로 나타나며, 수소상용차에 저장하는 수소량이 증가하고, 저장압력이 높아짐에 따라 수소 충전 시 요구되는 온도가 더 낮아져 이로 인한 비용 상승 초래

긴 주행거리

★ 전기차와 수소전기차의 일충전 주행거리의 차이는 차량에 탑재되는 배터리의 에너지와 수소저장용기에 저장되는 수소의 에너지 저장 밀도 차이에 기인함

★ 현재 수소전기차용 수소저장용기의 중량효율은 약 6.3wt% 정도이며, 수소저장량을 약 7kg으로 가정하면 용기무게는 약 110kg 상당이고, 이를 전력량(kWh)으로 환산하면 수소저장용기 1개당 약 230kWh의 에너지를 저장하는 것이 가능

- 통상 약 5개 내외의 용기를 사용하는 수소전기버스의 경우 수소전기버스 1대에 저장 가능한 최대 수소에너지양은 약 1,165kWh로 추산할 수 있으며, 연료전지시스템의 변환 효율 약 55%를 감안하면 약 640kWh의 전기에너지 활용 가능하여 현재 운행 중인 배터리 탑재 전기버스의 약 2배 상당의 에너지를 저장하는 형태

★ 중대형 트럭 등 상용차의 경우 일반적으로 긴 주행거리가 요구됨으로 제한된 공간에 많은 에너지를 저장할 수 있는 수소상용차가 상대적으로 유리

- 단, 정해진 노선을 반복적으로 운행하거나 또는 주행거리가 약 200km 내외인 상용차의 경우 등 운행행태에 따라 전기가 상대적으로 유리한 분야도 존재

- 수소상용차가 모든 상용차를 대체할 수 있는 것은 아니므로 차종 및 주행거리 등 운행 특성을 고려한 전동화 접근 전략 필요

복잡한 시스템 구조

★ 수소전기차는 다양한 부품으로 구성된 연료전지시스템이 탑재되며, 배터리시스템을 탑재하는 전기차에 비해 상대적으로 많은 부품수로 인해 신뢰성 관점에서는 불리할 수 있음

- 수소전기차용 연료전지 스택, 공기공급장치, 수소공급장치, 열관리장치 등 연료전지시스템을 구성하고 있는 장치 내 부품들이 모두 성능과 내구성 등 신뢰성을 확보해야만 차량에 적용 가능

★ 캐다나 발라드社는 상용차에 적용 가능한 수준의 내구성을 가진 연료전지 스택을 개발하여 대형 상용차에 탑재

- 수소승용차용 연료전지 스택의 연속 운전시간은 5,000시간 정도이나, 발라드社의 대형 상용차용 연료전지 스택 연속 운전시간은 30,000시간 수준인 것으로 알려짐

높은 차량가격 및 총소유비용

★ 현재 수소상용차의 차량 가격은 고가의 연료전지시스템 및 수소저장용기의 사용으로 인해 높은 수준임

- 연료전지 스택은 장기적으로 대량생산 체계가 구축되면 엔진가격과 유사한 수준으로 낮아질 수 있을 것으로 기대되나, 수소저장용기는 내연기관 연료탱크의 가격 수준으로 낮추는 것은 곤란할 것으로 전망

★ Transport&Environment 발표에 따르면 총소유비용(Total Cost of Ownership; TCO) 측면에서 장거리 주행 상용차의 경우에 전기차가 수소전기차에 비해 비교우위를 가질 것으로 예측

- 현재 전기상용차가 상대적으로 긴 충전시간, 적재량 감소 등의 단점을 가지나, 2030년 이후 이를 극복할 수 있을 것으로 예상

3. 중대형 수소상용차의 기술개발 방향

★ 수소상용차의 장점인 짧은 충전시간은 2030년 이후까지 유지될 것으로 예상되나, 일충전 주행거리는 배터리의 기술의 진보 등으로 인해 전기차도 800km 수준에 도달할 것으로 예측

★ 수소상용차가 시장에서 지속적인 경쟁력을 확보하기 위해서는 총소유비용(TCO) 측면에서 상대적인 우위를 확보하는 것이 중요

- 2020년 Hydrogen Council이 분석한 수소전기차와 전기자동차의 TCO 비교에 따르면 일충전 주행거리가 650km인 세단형 승용차의 경우 중장기적으로 전기차와 수소차가 유사한 형태를 보임

★ Hydrogen Council 분석에 따르면 총소유비용(TCO) 측면에서 승용차 뿐만 아니라 상용차도 전기차와 수소차가 크게 차이나지 않는 것으로 분석

- 일반적으로 장거리를 운행하는 대형 상용차량의 경우 수소차가 전기차보다 유리하다고 알려져 있으나, TCO 측면에서는 지속적인 개선이 필요함을 의미

★ 수소전기상용차의 미래 시장경쟁력 확보를 위해서는 현실적인 총소유비용(TCO) 저감을 위한 다양한 대안 강구 절실

차량가격 저감

★ 현재 대형 수소상용차의 판매가격은 약 7~8억 원 수준으로, 기존 내연기관 상용차 대비 약 5배 이상 높아 TCO 관점에서 경쟁력 확보가 어려운 상황

- 현재 kg당 8,000원인 수소가격이 50% 수준으로 낮아지더라도 초기 차량 구입비용이 현저히 높아 내연기관 차량에 근접하는 수준의 TCO 달성 곤란

- TCO 측면에서 경쟁력을 확보하기 위해서는 향후 수소 공급가격이 1kg당 4,000원 수준으로 낮아지는 것을 전제로 대형 수소상용차의 차량가격이 약 3억 원 수준으로 공급 가능해야 할 것으로 추정

★ 수소상용차의 차량가격 저감을 위해 버스와 트럭 등 상용차에 공동으로 활용할 수 있는 연료전지 및 수소저장시스템을 개발, 적용하는 등 공용화 및 플랫폼화 기술개발 필요

- 연료전지시스템이나 수소저장용기 등 가격비중이 높은 부품이나 시스템을 중대형 수소상용차가 공용으로 활용할 수 있는 전략 필요

★ 수소상용차의 연료전지와 배터리 간의 출력 분배를 최적화하여, 차량에 탑재되는 배터리의 용량을 줄여 차량 가격 저감 도모

★ 국내 중대형 상용차의 시장규모는 연간 수만대 수준으로 상대적으로 크지 않은 상황이므로, 해외시장 진출을 통한 시장 확대방안 강구 절실

부품 및 시스템 내구성 확보

★ 수소상용차 연료전지시스템의 내구성이 낮으면 자동차 보유기간 동안 교체에 의한 비용 발생우려가 있어, 이를 해소할 수 있는 내구성 확보 중요

- 현재 산업부의 지원을 받아 내구성 확보를 위한 다양한 기술개발이 진행 중이며, 내연기관 상용차 수준의 내구성을 확보할 수 있을 것으로 기대

연비 향상

★ 수소상용차의 TOC의 개선을 위해서는 현재 약 10~13km/kg 수준인 주행효율(연비)의 개선 통한 연료비 절감 절실

★ 내연기관 승용차의 연비는 약 15km/L, 대형상용차의 연비는 약 3.5km/L 수준으로 상용차 연비가 승용차 연비의 약 23% 수준이나, 현재 수소상용차의 경우 수소승용차 넥쏘 연비 96.2km/kg 대비 약 14% 수준으로 개선 필요

- 수소상용차의 연비를 현재 약 13km/kg 수준에서 20km/kg까지 향상시키면 연료비 절감을 통한 TCO 관점에서 경쟁력 제고가 가능할 것으로 보임

★ 현재 약 50~55% 수준인 연료전지시스템 효율을 향상시킬 수 있는 기술개발의 지속적인 지원 필요

4. 맺음말

★ 온실가스, 미세먼지 배출량이 상대적으로 많은 상용차를 전기·수소차로의 전환하는 전동화 개발이 활발히 진행 중이며, 중대형 상용차의 경우 전기자동차 대비 수소전기차가 유리하다고 알려져 있으나, 아직은 초기시장 단계로 면밀한 검토 필요

★ 수소상용차의 시장경쟁력 확보를 위해서는 수소차의 장점을 부각시키는 동시에 복잡한 시스템 구조와 높은 차량가격에 기인하는 단점을 보완하여 성공적인 초기시장 안착과 지속 가능한 미래시장 창출을 위한 초석을 다지는 것이 중요

★ 현재 수소상용차는 본격적인 시장 진입의 초기 단계로, 짧은 충전시간과 긴 주행거리라는 장점을 지속적인 시장경쟁력의 원동력으로 연계시키기 위해 TCO 저감을 고려한 지속적인 연구개발 투자 필요

출처 : keit pd 이슈리포트

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