수소자동차

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2016 토요타 미라이

1 개요

수소를 연료로 구동하는 차량. 전기자동차 등과 함께 차기 교통수단으로 각광받는 차량이다. BMW 등 여러 차량 회사에서 연구 중이며, 출력은 보통 화석연료 자동차에 비해 크다고 알려진다.

사실 2가지 방식으로 구분해야 하나 1가지로 뭉뚱그려 부르고 있다. 1번째 방식은 수소를 연료로 내연기관을 작동시키는 것으로, 가솔린 차량과 기본적인 원리는 비슷하다. 2번째 방식은 수소를 산소와 반응시킬 때 만들어지는 전기로 움직이는 방식이다. 전기자동차에서의 배터리를 대신한 수소저장탱크와 수소연료전지, 즉 '미니 발전소'가 들어간 것이다.

새로운 차기 교통수단으로 각광 받는다고 하나 그 실상은 꽤나 암울한데, 차기 교통수단의 경쟁상대라고 할 수 있는 전기자동차의 발전이 꽤나 빠르기 때문이다. 우선 수소자동차는 동력원인 수소연료의 부피가 발목을 잡는 반면, 전기자동차는 배터리 관련 기술이 일취월장하는 중이다. 게다가 수소차의 동력원인 수소를 어느 원자재에서 추출하느냐에 따라 효율적이지 않을 수도 있고, 수소가 연소되며 생기는 부산물인 물의 처리도 문제이다.

따라서 앞으로 차량연료 대체에너지에 대한 연구는 전기자동차에 주목될 것으로 예상되며, 수소차의 실용화는 아주 늦어지거나, 아예 없을지도 모른다.

한국에는 2015초 기준 수소자동차를 충전시킬 수 있는 곳은 3곳, 실증용 임시충전소는 14곳 있었다.

현대자동차에서 전기차 연구를 거의 배제하면서까지 연구에 집중하여 세계 최초 상용 판매를 개시한 투싼 ix35 FCEV 등의 성과를 내기도 했으나 비싼 가격(약 1억 5,000만원)과 충전소 부재 등 정부 지원 미비로 인해, 현재는 일본정부의 지원을 받은 토요타 미라이에 밀려 사실상 일본업체들에게 주도권을 내준 상태이다. # 관련 기사

2016년 7월 28일 현재 해당 차량은 초기 판매 가격보다 43% 정도 저렴해진 가격인 ￦ 85,000,000 에 판매 중이다. 할인은 2015년 2월 2일부터 시행되었다.

2 장점

• 수소의 높은 효율로 적은 연료로 많은 거리를 달릴 수 있다.(이론 상 최대 85% 효율로서 가솔린 27%, 디젤 35%보다 훨씬 높다.) 이론상으로 최대 85%이지만, 실제로 80% 효율 달성은 기술 개발로 극복 가능하다고 한다. 따라서 1.5톤급의 승용차로도 한적한 고속도로에서는 수소 1㎏ 당 150㎞이상 갈 수 있다. (도심에서도 70~80㎞ 운행 가능). 하지만 수소의 생산비가 가솔린 값보다 훨씬 비싸므로 주행거리당 연료가격으로 경제성이 낮고 수소를 안전하게 저장하고 사용하기위한 무거운 압축 탱크나 안전설비 등이 가솔린 연료탱크나 엔진 보다 훨씬 무겁고 비싸므로 이런 장점을 상쇄하고 있다.

• 대형차를 굴리더라도 높은 효율로 운행이 가능하다. 연료 무게가 높지 않기 때문이다.(기술만 개발된다면 비행기와 기관차에도 이용 가능하다.)

• 배기가스 대신 물을 방출하므로 환경에 안정적이다. 하지만 이건 배기구에서 봤을 때 그렇고 수소를 생산하는데 석유나 천연가스를 사용하므로 환경에 더 낫다고 하기어렵다. 오히려 변환효율로 보면 휘발유차보다 주행거리 당 더많은 이산화탄소를 배출하고 있다.

• 기술 개발로 인해 가스차나 석유차보다 폭발면에서 안정적이다. 수소는 공기중에 확 퍼지는 장점이 있으므로, 농도만 높지 않다면 오히려 화석연료차에 비해 안전면에서도 안정적이다. 기술개발로 인해 치명적인 사고시에도 화재나 폭발의 위험성을 석유차보다 훨씬 줄일 수 있다.

• 효율이 높은 전기자동차는 리튬으로 개발해야 되는데 그렇게 되면 많은 리튬이 들어 리튬 고갈이라는 치명적인 결과를 낳게 되지만 수소차는 무한정의 물을 분해해 생산하므로 그럴 일이 없다.

3 단점

• 물을 전기분해해 수소를 생산하는데 드는 에너지량은 수소가 내는 에너지보다 2~3배나 더 높다. 따라서 이 형태로는 수소차의 상용화가 불가능하다. 인건비와 기타 비용을 포함하면 7~8배 이상 차이 난다. 때문에 광촉매로 태양에너지를 이용해 물을 분해하던지 수소 발생 미생물을 이용하던지 화학반응을 통해 수소를 얻기 위한 연구 등이 계속되고 있다.

• 현재 가장 경제적인 수소 생산법은 천연가스 등을 이용하는 것인데 그 과정에서 역시 이산화탄소 등을 발생시키는 건 마찬가지고 또 변환과정에서 손실도 있어서 전체적인 주행거리 당 연료 비용이나 환경부담으로 보면 천연가스를 직접 연료로 사용하는 LNG 차량보다 경제적이거나 친환경적인 것은 아니다. 현재의 수소생산비로는 휘발유 자동차보다 경제성이 있다고 보기 어렵다. 수소자동차는 어디까지나 수소를 천연가스나 석유보다 훨씬 싸게 공해없이 대량생산 할 수 있다는 전제가 있어야 비로소 경제성이 있다. 원자로의 고온을 이용해 수소를 값싸게 생산하는 연구는 있으나 실용화와는 거리가 멀고 가장 낙관적인 전망으로도 2050년 이전에는 어렵다고 보인다.

• 미래에 가장 상용화 가능성이 있고 안정적이고 경제적인 수소 생산 방법은 초고온 가스 냉각로(원자로의 한 종류로써 4세대 원자로)를 건설하여 부산물로 얻어지는 열로 수소를 고온에서 열 분해하여 생산하는 방법인데, 한국에 모든 자동차를 수소연료전지차로 바꾸고 이를 위한 수소의 공급을 모두 초고온 가스 냉각로가 전담한다고 가정 시 30만kW 급 초고온 가스 냉각로를 90기 가량 지어야 안정적인 수소 공급이 가능하다. 하지만 초고온 가스 냉각로는 아직 활용할 수 있는 기술이 아니며, 만약에 건설이 가능하다쳐도 건설 비용은 일반 경수로보다 훨씬 비싸다. 또한 헬륨 공급의 부족 문제도 최대의 걸림돌 중 하나. 이 때문에 미래에는 천문학적 비용이 들지도 모를 만큼 수소의 가격은 천정부지의 가격을 달성할 수 있다.

• 수소는 원자가 매우 작아서 매우 잘 새어나가고 또 위험한 기체이므로 수소를 가지고 다니려면 고압이나 저온에 압축 액화해서 가지고 다녀야 하므로 고압 수소탱크나 수소저장합금 탱크를 가지고 다녀야 하는데 가솔린 연료탱크에 비해 매우 무겁고 비쌀 수 밖에 없다. 그리고 저온의 가스를 안전하게 이용하기 위한 안전장치도 가솔린 엔진과는 비교할 수 없이 비쌀 수 밖에 없다.

• 산소와 수소가 빠르게 반응하기 위해 필요한 촉매의 재료인 팔라듐, 백금, 세륨 등의 확보가 필요하다. 이런 귀금속은 양이 많지 않기 때문에 이를 대체하기 위한 새로운 촉매의 개발이 연구되고 있다.

• 시속 80~100㎞는 안정적으로 달릴 수 있지만 시속 120㎞가 넘어가면 힘이 딸리게 된다. 최대 시속은 시속 160㎞이다.(내연 수소차는 시속 250㎞도 가능하지만 이 경우 효율이 일반 가솔린차 수준으로 낮아진다. 물론 그 전까진 효율이 높고 일상적으로 그 정도 속도까지 달릴 일은 거의 없겠지만.)

• 큰 사고 시 폭발 위험성이 있다.(하지만 유출 시 1곳에 모여 있다 폭발할 수 있는 휘발유나 LPG보다 쉽게 날아가버리는 수소가 더 안전하다는 견해도 있다.) 이를 방지하기 위해 폭발 위험성이 있는 기체형태가 아닌 격자구조물질에 수소를 담아 저장하는 수소저장합금에 대한 연구가 이루어지고 있다.

• 수소 인프라 구축이 대대적으로 이루어져야 하므로 많은 비용이 들게 되며, 특히 수소의 특성으로 인해 다른 에너지보다 충전시설의 규모당 초기비용이 훨씬 커지는 문제가 있다.(전기자동차의 경우도 인프라 구축이 필요한 것은 마찬가지지만 그 난이도가 수소 에너지에 비해 훨씬 낮다. 다만 충전 시설 입장에서는 일단 정상적으로 운영되기 시작한다면 전기자동차 충전보다 수소자동차 충전 쪽이 이익을 내는데 더 용이하다고 한다.)

4 이야깃거리

• 수소는 물 수(水) 자를 딴 것인데, 물을 동력으로 삼는다는 이미지 때문인지, 수소차는 어째 파란색 디자인이 많다. 물을 배출하기도 하니깐 그럭저럭 들어맞는다.
• 신세기 GPX 사이버 포뮬러에 나오는 머신의 대부분은 이 수소차라는 설정이다. 물론 아직까지 수소차는 상용화되지 않았다