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TECH M

[쉽게 보는 수소이야기] 좌절과 희망 가득한 수소전기차의 역사

수소전기차 개발은 목전까지 갔지만 인프라 구축 지연에 상용화 더뎌

2019-02-11권순우 기자

[편집자주] MTN은 연중 기획으로 <수소시대를 여는 기업들>을 연재 보도한다. 수소를 연료로 하는 수소발전과 수소전기차는 새로운 산업으로 태동하고 있다. 한국은 수소 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하며 무한한 가능성을 엿보이고 있다. 아직은 낯선 수소와 수소 산업에 대한 기본 개념을 좀 더 쉽게 이해할 수 있도록 <쉽게 보는 수소 이야기>를 마련했다.

수소전기차에 대한 오해 중에 하나는 전 세계 자동차 회사 중에 현대차와 도요타, 혼다만 수소차를만든다는 겁니다. 수소전기차는 내연기관을 대체할 가장 유력한 대안으로 수십년 동안 거의 모든 자동차 회사들의 화두였습니다. 수소전기차 개발의 역사를 돌아봄으로써 한국 수소전기차의 현재와 향후 미래를 함께 생각해보려고 합니다.

▲ 공산권 과학자의 손에서 시작된 미국의 수소전기차
1953년 오스트리아의 과학자 카를 코르데쉬는 어린 두 자녀, 아내와 함께 여름 휴가를 떠났습니다. 코르데쉬의 가족들은 여름이 훌쩍 지나도록 오스트리아로 돌아오지 않았습니다. 코르데쉬 가족이 발견된 곳은 미국 뉴저지. 이후 코르데쉬는 미국의 화학회사 유니온 카바이드의 연구소에서 근무하게 됐습니다.

코르데쉬 가족을 미국으로 ‘옮겨온’ 조직은 미국 CIA의 전신인 전략사무국(OSS)였습니다. 미국은 2차 세계 대전을 거치며 동독 등 공산권 국가의 과학 기술에 두려움을 느꼈고 비밀리에 과학자들을 빼오는 작전을 세웠습니다. 작전명 ‘종이클립’, 이때 포섭된 공산권 국가의 과학자들은 미국의 항공, 국방 연구에 투입됐습니다.

미국 유니온 카바이드에서 전지를 연구하던 코르데쉬는 옆집에서 사용하다가 내놓은 오스틴-A40을 개조해 천장 위에 6개의 수소탱크를 싣고 다니는 연료전지 자동차를 만들었습니다.

 

1961년 수소 연료전지 자동차로 개조된 오스틴 A-40/출처. 리서치게이트
 

코르데쉬는 옆집 차를 개조해 만든 수소 연료전지 자동차를 3년 넘게 사용했습니다. 코르데쉬의 연료전지 설계는 이후 미국의 제너럴모터스, GM 연료전지 자동차의 기초가 됐습니다. GM은 코르데쉬가 설계한 연료전지를 기반으로 200여명의 연구진이 2년 넘게 연구해 1966년 6인승 밴(일렉트로밴)을 만들었습니다.

일렉트로밴은 연구 성과 자체는 훌륭했지만, 곧 폐지됐습니다. 일렉트로밴은 6인승 밴을 기반으로 만들었지만 연료전지 시스템 부피가 워낙 크다보니 2명만 탈 수 있었습니다. 또 촉매인 백금 사용량이 너무 많았기 때문에, 백금 가격만 차 한 대 값이 넘었지요. 일렉트로밴은 GM의 헤리티지 센터에 보관돼 있다가 최근 캘리포니아 LA에 있는 피터슨 자동차 박물관에 옮겨져 전시돼있습니다.


GM 일렉트로밴/출처.GM

 

GM은 이후에도 미국의 우수한 우주 항공 기술에서 파생된 연료전지 기술을 기반으로 수소전기차 연구를 지속해 왔습니다. 2000년에는 세단 기반의 ‘Precept 컨셉’을 출시했고 2001년 오펠 자피라 기반의 HydroGen1을 선보였습니다. 2002년에는 전자제어 기술을 결합한 오토노미(AUTOnomy)를 내놓았는데, 스케이트보드 섀시라는 특이한 구조를 보여줬습니다.

 

GM 스케이드보드 섀시 컨셉/출처. GM
 

스케이트보드 섀시는 아이들이 타는 스케이드보드 위에 뭔가를 싣는 형식으로, 스케이트보드 안에 모든 조향, 제동, 동력 장치가 탑재가 되기 때문에 상부는 용도에 따라 마음대로 꾸밀 수 있는 플랫폼입니다. 최근 자동차 회사들이 잇따라 발표한 ‘전기차 전용 플랫폼’과 거의 같은 형태의 구조를 GM은 이미 16년 전에 보여줬습니다.

미국은 2004년 부시 정부 출범 이후 수소연료전지를 차세대 자동차의 동력으로 채택하려는 ‘프리덤카 프로젝트’를 대대적으로 진행했고, 연료전지 연구는 전성기를 맞이했습니다. GM은 한번 충전으로 480km를 주행할 수 있는 ‘시퀄’을 출시하며 2007년 100여대의 수소전기차를 뉴욕, 캘리포니아, 워싱턴 등에서 실증하는 ‘프로젝트 드라이브웨이’를 실시합니다.

GM이 수소 연료전지 사업을 중단하게 된 가장 큰 계기는 ‘파산’입니다. 2009년 GM은 파산을 겪은 이후 철저하게 단기성과, 주주 중심의 지배구조를 갖게 됐고 수소전기차와 같은 장기적인 사업 전략을 짜지 못하게 됐습니다. 그럼에도 불구하고 2016년 미국 육군과 함께 중형 픽업트럭 콜로라도에 연료전지 시스템을 탑재한 군사용 차량을 만들며 수소전기차에 대한 끈을 이어가고 있습니다.

 

쉐보레 콜로라도 ZH2/출처. GM

▲ 수소화물, 메탄, 연료전지, 하이브리드 다임러벤츠의 도전과 실패
유럽에서는 독일 자동차 회사 다임러벤츠와 BMW가 수소를 동력으로 활용하는 자동차 연구에 공을 들였습니다. 전편에서 설명했듯 세계 최초의 연료전지는 영국 윌리엄 로버트 그로브 교수가 만든 ‘그로브 전지’입니다.

전편:[쉽게 보는 수소 이야기] ‘가벼움→폭발→전기’…수소 활용의 변천사
(http://techm.kr/bbs/board.php?bo_table=article&wr_id=5649)

다임러 벤츠는 자신들의 수소전기차에 대해 그로브 전지를 기원으로 삼고 “그로브의 발명품이 부활하기까지 120년이 걸렸다”며 “겉보기에는 너무 무겁고 너무 비싸 아무 쓸모없는 것이었지만 다임러 벤츠는 연료 전지 기술에 대한 연구를 계속해 사람들을 깜짝 놀라게 했다”고 표현하고 있습니다.

다임러 벤츠는 1960년대 후반 미래 에너지원으로 수소를 주목했습니다. 1967년 다임러 벤츠는 티타늄-철 수소화물을 이용해 수소를 보관하는 방식을 구현했습니다. 수소화물은 스폰지에 물이 스며들 듯 금속에 수소가 스며들게 해서 수소를 보관하는 방식입니다. 다임러 벤츠는 1975년 프랑크푸르트 모터쇼에서 ‘브레멘’ 모델 시리즈에 수소화물 연료전지 시스템을 탑재한 수소 미니버스를 선보였습니다.


1975년 다임러벤츠의 최초 수소 동력 미니밴/출처. 다임러

 

다임러의 대표적인 수소전기차는 NECAR(New Electric Car)시리즈입니다. 다임러는 1990년대 초반 세계적인 수소 연료전지 회사인 발라드와 협업해 수소 자동차를 만들었습니다. NECAR1은 미니밴 MB100을 기반으로 만들어졌는데 연료전지 구동 시스템만 800kg에 달했습니다. 그래도 연료전지 자동차가 가능하다는 것을 확인한 것에 의미를 뒀습니다. 다임러는 이후에도 A, B클래스, 버스, 스포츠카 등 다양한 차종에 연료전지를 탑재한 모델을 선보였습니다. 그중 1999년 4인용 A클래스 차량에 연료전지를 탑재한 NECAR4는 기념비적인 작품입니다. 위르겐 슈렘프 다임러 회장은 “이제 우리는 연료전지 차량의 기술적 실행 가능성을 입증하는 경주는 끝났다고 단언한다. 지금부터는 연료전지 차량이 가격 경쟁력을 갖게 하는 경주를 시작해야 한다”고 말했습니다.


NECAR4/출처. 다임러

 

2017년에는 배터리와 연료전지 동력 장치를 모두 탑재한 ‘GLC F-CELL’을 세계 최초로 공개했고, 지난해에는 배터리 외부 충전이 가능한 배터리와 수소 연료전지를 활용한 플러그인 하이브리드 모델도 공개했습니다.


다임러벤츠 GLC F-CELL/출처. 다임러

 

올해 1월 다임러는 수소 연료전지를 연구하는 자회사 ‘NuCellSys'의 이름을 ’Mercedes-Benz Fuel Cell‘로 바꾸고 여전히 연료전지 자동차 개발에 매진하고 있습니다. 다임러 AG 연료전지 개발 책임자인 크리스찬 모데익 교수는 “연료전지가 핵심 부분이라는 명확한 신호를 보내기 위해 회사 이름을 변경했다”며 “장거리 주행, 짧은 급유시간, CO2 배출 제로 지역에서의 운행 가능성을 감안할 때 연료전지는 확실한 미래 보장 기술(futureproof)”이라고 강조했습니다. 다임러벤츠는 지난해 말 독일 철도회사 도이치반에 GLC F-CELL를 인도한데 이어 올해부터 일반 고객을 대상으로 리스 방식으로 하이브리드 수소전기차를 판매할 계획입니다.

▲ 수소 엔진에 집착하다 좌절한 BMW
BMW 역시 수소 자동차 분야에서는 일획을 그었습니다. BMW는 1979년 가솔린과 액체 수소로 작동할 수 있는 이중 연료 엔진을 탑재한 520h를 선보인 이래 4세대에 걸쳐 수소 자동차를 만들었습니다. BMW는 연료전지가 아니라 내연기관에서 수소를 연소시키는 수소 엔진 자동차에 매진했습니다. BMW는 압축, 액화 천연가스 자동차를 비롯해 압축수소, 액화수소 등을 내연기관에서 연소시키는 기술을 집중적으로 연구했습니다. 1994년 유럽에서 300명의 기자를 초청해 4세대 액화수소 내연기관 자동차도 전시했고 2000년 BMW는 청정에너지 프로젝트의 일환으로 ‘7시리즈’에 수소 내연기관을 탑재한 15대의 750hL 세단을 독일의 여러 도시에 배치하기도 했습니다.


BMW 하이드로겐7/출처.BMW

 

BMW 수소차의 백미는 2006년 출시된 ‘하이드로겐7’입니다. 하이드로젠7은 가솔린과 수소를 동력원으로 사용하며 운전대 옆 버튼을 누르면 수소, 휘발유 연료 전환이 가능하며 한쪽 연료가 소진이 되면 자동으로 다른 연료를 사용하도록 설계가 됐습니다. 수소 모드에서 200km, 휘발유 모드에서 500km를 달릴 수 있어 양쪽 탱크를 모두 채우면 총 700km까지 주행이 가능했습니다. 연료가 달라져도 승차감은 그대로 유지하면서 ‘역시 내연기관은 BMW'라는 찬사를 자아냈습니다. 한국에는 2008년에 5대가 들어와 여러 기자들이 시승할 수 있는 기회를 가졌습니다.

하지만 하이드로겐7은 대중들을 상대로 상용화가 되지 않았고, BMW의 수소 엔진 연구는 사실상 중단이 됐습니다. BMW가 수소 엔진을 포기한 가장 큰 이유는 연료를 너무 많이 사용하기 때문입니다. 하이드로젠7은 100km를 가는데 50리터의 수소를 사용했습니다. 가솔린 자동차 13.9리터에 비해 압도적으로 많고 거의 트럭 수준의 연료를 사용했습니다.

그런데 700바로 기체를 저장할 수 있는 고압 탱크 기술이 발전하면서 -253℃를 유지해야 하는 액화 수소를 사용해야 할 유인도 적어졌습니다. 이후 BMW는 도요타와 손잡고 연료전지 방식의 수소전기차를 연구했고, 2025년 롤스로이스 브랜드 ‘팬텀’을 기반으로 수소전기차를 출시하겠다는 계획을 밝힌 바 있습니다.

일본의 자동차 회사인 토요타와 혼다가 수소 연료자동차에 많은 공을 들이고 있다는 것은 굳이 설명하지 않아도 많은 분들이 아실 것 같습니다. 토요타 자동차는 2014년 세단형 수소전기차 ‘미라이’를 출시해 현재까지 가장 많은 수소전기차를 판매한 자동차 회사입니다. 2020년 도쿄 올림픽 전에 차세대 수소전기차를 출시할 계획입니다.


토요타 미라이/출처.토요타

 

한국에서는 현대자동차가 수소차에 지나치게 집착한다는 비판을 많이 하는데, 토요타는 아직까지 출시한 배터리 전기차가 없을 정도로 수소전기차에 확신을 갖고 있습니다. 승용차뿐 아니라 트럭, 버스, 지게차에 이르기까지 토요타는 수송용 연료전지에 매진하고 있습니다. 또 5600여건의 특허를 무상 공개하며 수소 사회를 함께 열자며 경쟁자들을 독려하고 있습니다.

수소전기차 연구 기간만 따지자면 2000년 처음 싼타페 수소전기차를 출시한 현대차는 다소 늦은 편입니다. 다소 부침은 있었지만 20년 가까이 꾸준하게 연구개발을 진행해 왔다는 것이 다른 자동차 회사와 차이라면 차이라고 할 수 있습니다. 현대차의 수소전기차 개발사는 다른 시리즈에서 소개해드리도록 하겠습니다.


닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐/출처.셔터스톡

▲ 달이 먼저냐 달걀아 먼저냐의 딜레마를 깨려는 한국과 일본의 자동차 회사
전 세계 자동차 회사들이 수소전기차를 미래의 대안 에너지로 생각하고 수십년간 연구를 해왔습니다. 하지만 상용화된 수소전기차를 출시한 회사는 현대차와 토요타, 혼다밖에 없지요. 가장 큰 이유는 ‘닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐’의 딜레마 때문입니다.

수소충전소가 없을 때 수소전기차를 출시하면 자동차가 안 팔려서 자동차 회사가 손해를 보고, 수소전기차가 보급되지 않았을 때 수소충전소를 만들면 수소충전소 업자가 손해를 봅니다. 지구온난화를 유발하는 화석연료를 대체할 동력을 개발해야 한다는 것은 누구나 알지만 누구도 그 부담을 지고 싶지 않습니다. 이 순환 논리를 깨기 위해서는 누군가 초기 적자를 감수해야 합니다.

초기 인프라가 구축되지 않아 시장이 형성되지 않을 경우 정부가 나서서 초기 시장 형성을 위한 자금을 투입합니다. 수소 산업에 대한 연구는 정권이 관심을 가질때 활발하게 이뤄졌지만 정권이 바뀌면 외면을 받는 일이 전 세계적으로 반복돼 왔습니다. 미국에서는 부시 정부가 수소 경제에 대한 투자를 강화했다가 오바마 정부로 바뀌면서 외면을 받았고, 한국에서는 노무현 정부가 수소 에너지 활성화 정책을 펴다가 이명박 정부로 바뀌면서 중단이 됐습니다.

전 정권이 적극적으로 추진했던 정책은 다음 정권에서는 매장해야 할 정책으로 전락하곤 합니다. 이 과정에서 수소전기차는 양치기 소년이 된듯 비난을 받기도 했습니다. 100년이 넘는 시간 동안 구축된 화석 에너지를 대체할 친환경 에너지 인프라가 구축되기에 민주주의 국가 정권의 임기는 짧았습니다.

그럼에도 불구하고 자동차 회사들은 여전히 수소전기차를 대안으로 생각하고 있습니다. 인프라 구축 초기에 먼저 치고 나갈 엄두를 내기는 힘들지만 언제 시장에 진출할지 호시탐탐 기회를 엿보고 있습니다.

한국과 일본의 자동차 회사들이 손해를 감수하고 수소전기차 시장에 먼저 뛰어들 수 있었던 것은 지배구조와도 관련이 깊습니다. 주주들의 단기 성과 압박을 많이 받는 서양 기업들의 경우 장기적인 비전을 가지고 전략을 세우기가 힘듭니다. 하지만 한국과 일본 특유의 오너 경영 체제는 단기적인 부담이 되더라도 장기적인 방향성을 가지고 전략을 추진할 수 있습니다.

먼저 시작한 회사의 이점은 분명히 있습니다. 토요타는 1997년 세계 최초의 하이브리드 자동차 ‘프리우스’를 출시하고 10년 간 적자를 봤습니다. 엔진과 배터리를 모두 탑재해야 하는 하이브리드는 내연기관에 비해 비쌀 수밖에 없고, 내연기관 자동차와 경쟁를 하려면 손해를 보더라도 싸게 팔 수밖에 없습니다.


토요타 프리우스/출처. 토요타

 

토요타는 손해를 감수하며 프리우스를 팔았고, 규모의 경제가 나타나기 시작하면서 압도적인 기술, 원가 경쟁력을 갖추게 됐습니다. 토요타는 2017년 말 현재 152만대의 친환경차를 판매해 세계 1위를 차지하고 있습니다. 2위는 현대차인데 토요타의 1/6(25만대)에 불과합니다. 먼저 손해를 감수하고 선도한 업체가 시장을 지배할 가능성은 높습니다. 프리우스의 시장 지배 과정을 지켜본 GM의 전설적인 경영자 밥루츠 부회장은 "장기적인 관점에서 판단하고 추진할 수 있는 지배구조가 부럽다"고 말했습니다.

빠르게 강화되는 환경 규제 흐름에 맞춰 다시 전 세계적으로 수소의 바람이 불고 있습니다. 각국 정부는 수소 경제를 선도하기 위한 로드맵을 만들어 과감한 지원책을 내놓고 있고 자동차, 에너지, 물류기업들은 합종연횡을 하며 수소전기차 개발에 박차를 가하고 있습니다.

최근 한국 정부가 수소 경제 활성화 로드맵을 발표하자 많은 사람들은 왜 아무도 안하는 수소 경제를 우리만 하려고 하느냐, 그러다 소중한 국민 세금만 날리는 것 아니냐는 우려를 합니다. 수소 경제 인프라가 100년 전통의 내연기관 인프라를 완전히 대체하려면 많은 시간이 걸리는 것은 분명합니다. 하지만 수소 인프라를 구축하는 정책은 한국만 하고 있는 것이 아니며, 수소전기차를 만드는 것 역시 현대차만 하는 것이 아닙니다. 후발주자가 아직 수소전기차를 본격적으로 내놓지 않았다고 해서 선발 주자가 후발주자를 기다려야 하는 것은 더더욱 아닙니다.

가장 앞서 뛰는 사람 주변에는 사람이 없는 법입니다. 미래는 분석하는 것이 아니라 만들어가는 것입니다. 지금까지 수소전기차의 과거를 정리해봤습니다. 앞으로 수소전기차의 역사가 어떻게 흘러가는지는 행동하는 자가 써내려가는 현실이 될 것입니다.


[머니투데이방송 MTN = 권순우 기자 (soonwoo@mtn.co.kr)]