2021년 9월 7일 현대 자동차 그룹이 전세계를 대상으로 ‘하이드로젠 웨이브 (HYDROGEN WAVE)’라는 수소 관련 온라인 행사를 개최했다. 현대 자동차 그룹이 주도하는 수소 사업의 어제와 오늘, 그리고 비전을 설명하는 행사였다. 전 세계적으로 온실가스 배출에 따른 이상 기후가 심각해지고 있는 오늘날,수소경제는 재생 가능한 사회를 구현하기 위한 주요 대안으로 각광받고 있다. 전 세계를 향해 미래 아젠다를 제안할 수 있는 기업이 한국에 있다는 자부심, 기후 문제에 대한 경각심, 그리고 수소 경제가 그려 나갈 미래에 대한 기대감을 동시에 느낄 수 있는 영상이다. 연료전지에 대한 개념과 지식도 덤으로 얻어갈 수 있는 온라인 행사였다.
https://www.youtube.com/watch?v=hnWFXaQwKdE
1. 현대차 그룹의 수소 비전: "Everyone, Everything, Everywhere"
수소라는 키워드가 최근 들어 급격히 많은 주목을 받기 시작했지만, 현대차 그룹의 수소 사업은 하루아침에 이루어지지 않았다. 현대차 그룹은 지난 20년 가까이 오랜 기간 자원과 인재를 투자하여 수소 기반 기술을 개발해왔다. 그 결과, 수소 자동차뿐만 아니라, 연료전기 기술을 이용한 수소 트램, 트럭, 드론 등 다양한 모빌리티를 구축할 수 있게 되었다. 현대차의 HYDROGEN WAVE는 정의선 현대차 그룹 회장의 자신감 넘치는 발표와 함께 시작된다.
현대차 그룹의 목표는 수소 자동차에서 끝나지 않는다. 현대차 그룹의 수소 사업 목표는 ‘EVERYONE, EVERTHING, EVERYWHERE: HYNDAI VISION 2040’이다. 즉, ‘누구나, 모든 것에, 어디에나’쓰일 수 있는 수소 사회를 2040년까지 구축하는 것이 목표이다.
현대차의 수소 모빌리티는 승용차, 상용차뿐만이 아니라 트램, 기차, 배, 그리고 UAM(Urban Air Mobility)를 모두 포함한다. 그리고, 도로, 집, 공장 등에서 두루 사용되게 하는 것이다. 상용차 분야를 시작으로 할 것이며, 2028년까지 모든 상용차 모델에 수소연료전지를 적용하여 세계 시장에 판매할 것이라고 한다. 이를 위해 가격과 크기는 줄이고, 내구성과 출력은 크게 높인 새로운 연료전지 시스템을 선보일 예정이다. 그리고 정의선 회장은 이런 비전과 기술이 디지털 혁명에 비견될 만큼의 거대한 변화를 가져올 것이라고 단언한다.
2. 수소차의 미래: 물류, 슈퍼카, 충전기 까지
수소 연료전지는 1960년대 아폴로 우주선 프로젝트의 인공위성 ‘제미니’에서 처음으로 사용되었다. 이때까지만 해도 수소는 말 그대로 우주선에서나 쓰일 법한, 대중화되기 쉽지 않을 에너지라는 인식이 대부분이었다.
하지만, 현대차는 일찌감치 수소 에너지의 미래 가능성을 알아보고, 이에 투자를 시작하였다. 1998년부터 수소 전기차 개발에 착수하였고, 10년이 넘는 연구 끝에 조금씩 그 결실을 맺고 있다. 2013년 투산 수소 전기자동차가 처음으로 글로벌 시장에 출시되었고, 2018년 SUV형 수소 전기차 넥쏘가 출시되었다. 참고로 넥쏘는 세계에서 가장 많이 판매된 수소 전기차이다. 현대차는 앞으로 승용차뿐만 아니라 다양한 분야에 수소 연료전지를 활용할 계획이다.
[1] 물류 분야의 트럭: 엑시언트
엑시언트는 현대차 그룹에서 개발한 수소 연료전지 기반 상용트럭이다. 넥쏘 연료전지 시스템 2개, 하이브리드 배터리, 그리고 전기 모터를 통해 충전시간과 거리를 향상시켰고, 장거리 무공해 운행을 가능케 할 것으로 기대된다. 무엇보다, 세계 최초로 대량 생산되는 대형 수소 전기트럭이라는 의의가 있으며, 지난 여름부터 스위스에서 운행을 시작하였다. 현재 45대가 운행 중이며,무공해로 21만 km를 주행할 수 있는데, 이를 통해 매달 130톤의 탄소를 저감하고 있다고 한다. 실제 스위스 물류회사 운전기사들의 평도 좋다. 운행 품질도 내연기관차 못지않게 좋고, 수소 충전시간도 단축되어서 내연기관 트럭과 비슷한 로테이션으로 운영이 가능하다고 한다. 수소전기트럭에 쓰인 연료전지를 활용한 트랙터도 개발 중이며,이는 2024년에 공개될 예정이다.
[2] 고성능 스포츠카: 비전 FK
수소연료전지 기술을 첨단 기술이 필요한 고성능 스포츠카에도 적용될 수 있다. 비전 FK는 현대차 그룹에서 제작한 스포츠카이다. 최대 추력은 500kw, 제로백 0~100km/h까지 채 4초가 걸리지 않으며, 주행거리를 600km 이상 될 것으로 예상된다. 향후에는 모터스포츠 경주에도 참가할 수 있을 것으로 보인다.
[3] 휴대용 수소연료전지 충전기: HTWO
HTWO는 현대차 그룹에서 개발한 무공해 수소연료전지 충전기이다. 원래 목적은 전기차 모터스포츠 대회에 참가하는 고성능 전기 레이싱카를 충전할 목적으로 만들어졌다. 탄소배출 없이도 안정적으로 즉각적으로 동적인 발전이 가능하고, 전력 공급이 어려울 곳에 전력을 공급할 수 있다는 장점이 있다.
위 수소 전기트럭, 수소 전기 스포츠카,그리고 수소연료전지 충전기만 보더라도 현대자동차 그룹의 수소 사업은 자동차에만 국한되지 않을 것이라는 걸 알 수 있다. 수소를 재료로 그려나가는 현대차의 그림은 크다. 트램, 구조 드론, UAM 등 다양한 차세대 모빌리티로 수소 경제를 확장해 나갈 것이다.
3. 수소차의 엔진: 수소 연료전지
수소와 재생에너지를 통해 생산한 전기와 무슨 연관성이 있을까? 우유와 치즈를 통한 비유가 매우 인상적이었다. 현대차 그룹의 수소 연료전지 사업을 이끌고 있는 김세훈 부사장이 나와서 설명한다.
한 일본인 교수가 다음과 같은 비유를 했다고 한다. “유목민들은 여름에 우유를 만들어 먹다가 남은 우유를 치즈로 만들어 저장해 두었다가 우유의 대용품으로 사용한다… 재생에너지 사회가 구현되면 잉여 전력은 남은 우유이고, 수소는 겨울에 저장해 둔 치즈와 같은 역할을 할 것이다…” 재생에너지로 발전된 잉여 전력을 수소로 전환하여 저장한다면, 에너지의 대량 저장,그리고 장거리 운송에 매우 유용하게 쓰일 것이다.
기본적으로 연료전지는 엔진과 같은 발전기(Generator)이다. 즉, 이미 만들어진 전기를 저장만 하는 배터리와 달리, 수소를 연료로 산소와 결합시켜 내연 기관처럼 동력을 생산한다. 단, 탄소배출은 없다. 수소와 산소의 화학반응을 통해 에너지를 만들기 때문에 수소가 계속 공급되기만 한다면 계속해서 가동할 수 있다.
그런데, 여전히 “수소연료전지… 진짜 가능한 것일까?”라고 생각하는 사람들이 많다. 15년 전이었다면 그랬겠지만, 지금은 달라졌다. 연료전지의 상용화를 위한 주요 경쟁력은 바로 낮은 비용과 높은 내구성이었다. 얼마나 비용을 낮출 수 있는가? 그리고 얼마나 내구성을 높일 수 있는가? 에 따라 연료전지의 경쟁력이 결정되었다.
먼지 비용절감을 보자. 연료전지는 전기를 생산하는 연료전지 스택, 수소공급 시스템, 공기공급 시스템, 그리고 열관리 시스템으로 구성되어 있다. 이중, 비용 절감에 가장 중요한 부분은 ‘연료전지 스택’이다. 약 400개의 셀로 구성된 스택은 수소 전기차 비용에서 가장 많은 부분을 차지하고 있다.
그리고 각 셀은 수소와 산소의 유로를 만들어주고 스택의 구조를 지지하는 2개의 분리판(Bipolar Plate), 2개의 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 그리고 1개의 막전극접합체(MEA: Membrane Electricity Assembly)로 이루어져 있다. MEA는 수소와 산소의 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 연료전지의 핵심이다.
현대차는 이러한 부품들의 가격을 낮춤으로서, 가격 경쟁력을 확보하였다. 분리판의 원재료를 비싼 흑연에서 상대적으로 저렴한 스테인리스 스틸로 대체하며 가격을 낮추었고, 촉매로 사용되는 값비싼 백금의 양을 줄이는 기술을 통해 가격을 낮추었다.
이는 그래프를 통해서도 알 수 있다. 과거에는 연료전지가 정말 비쌌다. 2003년에 처음 개발된 프로타입 형태의 연료전지는 당시 김세훈 부사장이 살던 집값의 3배에 달했다고 한다. (어떤 집에 사셨는지는 모르겠다…) 그러다가 2006년 개발된 모델에서는 가격이 절반으로 떨어졌고, 2013년에 개발되어 투싼 수소 전기차에 쓰인 연료전지 가격은 2003년 첫 연료전지의 10% 수준으로 낮아졌다. 최근 개발된 연료전지는 첫 모델에2% 수준으로 낮아져서, 지난 20년간 가격을 98% 가까이 낮추었다.
가격 혁신과 함께 연료전지 시스템의 내구성도 빠르게 발전 중이다.연료전지 시스템의 내구성은 복잡하고 다양한 화학적 반응에 의해 결정되기 때문에 그동안 내구성 확보는 까다로운 문제였다. 하지만, 내구성도 점진적으로 개선 중이다. 2004~2009년까지 미국 에너지부는 수소 전기차의 내구성 검증 프로젝트를 진행하였는데, 이에 따르면 2004년 당시 연료전지 스택의 평균 내구성은 821시간으로 30,000km 주행거리밖에 되지 않았다. 즉, 1년 반 정도 굴리면 망가지는 수준의 내구성이었다. 이는 2006년 1,000시간에 40,000km 주행거리,년까지도 3,000시간에 100,000km 주행거리 수준으로 상대적으로 점진적으로 개선되어 오다가 2018년 5,000시간에 160,000km 주행거리를 달성하게 됐다. 즉, 10년 정도 굴릴 수 있는 내구성이다. 상용차의 경우 최소 500,000km 주행거리까지 달성하는 것을 향후 목표로 하고 있다.
이처럼 연료전지 기술은 그동안 비용절감과 내구성 개선의 연속이었다. 이는 현대차가 그동안 개발해 온 연료전지 시스템을 통해 볼 수 있다. 현대차는 지금까지 3세대 연료전지를 개발했는데, 이는 현재 넥쏘에 들어가 있는 연료전지 시스템의 다음 세대이다. 100kW급과 200kW급 두 모델이 개발되었는데, 육안으로 봐도 크기가 줄었음을 알 수 있다. 100kW급은 현재 넥쏘에 들어가 있는 연료전지 모델에 비해 부피가 30%나 감소하여서 자동차 패키징 면에서 유리하다. 그리고 200kW급은 크기는 1, 2세대와 비슷하나, 출력이 2배나 향상되었다. 3세대 연료전지 200kW 급 2개면 디젤 상용차와 맞먹는 350~360kW의 출력을 낼 수 있다.
연료전지 시스템의 발전상은 육안으로도 쉽게 볼 수 있다. 2013년에 만들어진 1세대 모델은 너무 크기가 컸다. 거의 사람 몸의 절반만 한 크기여서 자동차에 탑재하는데도 어려움이 있었고, 이 연료전지를 탑재해서 자동차 디자인을 뽑아내기도 힘들었다.
그러다가 넥쏘에 들어간 2018년 2세대 모델은 1세대에 비교해 보았을 때 크기가 줄었고, 2023년에 적용될 3세대 모델은 이전 세대와 비교해 보았을 때 확연히 크기가 줄었음을 볼 수 있다. 이처럼 연료전지 시스템은 크기는 줄어들고, 출력은 늘어나는 방향으로 진화하고 있다. 앞으로는 MW 발전 시스템을 개발하려는 것을 목표로 하고 있다고 한다.
그리고 연료전지 시스템이 계속 발전한다면 100kW급, 500Kw급, 그리고 1MW 급 연료전지를 마치 레고처럼 합쳐서 빌딩과 도시에 전력을 공급할 정도의 출력을 낼 수 있게 될 것이다. 머지않은 미래에 도시 전체를 수소연료전지로 빛을 낼 수도 있을 것이다. 이게 바로 현대가 그리는 ‘수소 사회’이다.
하지만, 물론 연료전지 시스템은 여전히 초기 단계이다. 수소 전기차의 생산량은 아직 연간 1~1.5만 대 수준이며 아직 규모의 경제를 달성하지 못하였다. 전기차가 연간 4~5백만 대,내연기관차는 연간 1억대 가까이 생산된다는 점을 생각해보면 아직 수소 전기차, 수소연료전지는 초기 단계라고 할 수 있다.
기존 동력원을 모두 수소 연료전지로 바꾼 다는 것. 사람들은 이에 대해 쉽다고(Easy) 얘기하기도, 혹은 불가능(Impossible)하고도 얘기한다. 하지만, 이는 쉬운 일도 아니지만, 불가능한 일도 아니다. 분명 매우 어렵고, 기존에 해보지 않은 방식으로 도전해야 할 것이지만, 한 가지 확실한 점은 분명 가능한 일이라는 것이다. 현대차 그룹은 수소연료전지의 미래에 대해 강한 확신을 갖고 있으며, 현대의 HTWO연료전지를 통해 글로벌 수소경제로 나아갈 계획을 품고 있다.
4. 수소차가 만드는 새로운 디자인
향후 수소 모빌리티는 자동차뿐만이 아니라, 전 산업에 걸친 새로운 밸류체인을 형성할 것으로 예상된다. 지금으로부터 10년 전에도, 이렇게 큰 변화가 한 번 있었다. 10년 전 세상에 나온 스마트폰이 나왔을 때도 이렇게 큰 변화가 있었다. 스마트폰은 핸드폰을 단순한 통화 도구에서 음악, 영화 스트리밍, 미디어를 아우르는 감성적인 제품이 되면서 이전에 없던 새로운 가치 사슬을 형성되었다. 현대차는 10년 전 스마트폰이 만들었던 새로운 가치사슬을 만들려 하고 있다. 현대차의 모빌리티는 사람을 넘어 트레일러, 기차, 선박 등 물류를 아우를 계획이다.
그리고 수소 모빌리티는 디자이너에게도 새로운 도전의 장을 마련해주고 있다. 그 노력의 결과가 바로 E-보기(E-Boggie)이다. 그동안 상용차 디자인의 조건은 승용차와 많이 달라서 어려웠다. 그래서 아예 처음부터 달리 생각을 시작해야 했다. 새로운 시장이고, 새로운 디자인인 만큼, 새롭게 형성될 넓은 밸류체인을 아우를 수 있는 범용성을 고려해야 했고, 탑승자가 없는 무인 주행이라는 조건을 고려해야 했다.
그 결과, 탑승자가 없는 조건을 고려하여 조향 장치 자체가 앞과 뒤에 모두 들어갔고, 연료전지 시스템의 배치를 최적화하였다. 이는 측면 조향을 가능케 하였고, 보다 정밀한 운전이 가능해졌고, 보다 유연하게 많은 사업에 적용이 가능해졌다. 앞으로 E-보기는 ‘스마트한 로봇’이 되어 컨테이너, 항구 물류, 공항 운영, 건설, 화재진압, 인명구조 등 보다 다양한 분야에 넓게 쓰일 것이다.
마지막으로 정의선 부회장은 이 자리는 현대의 능력과 비전을 보여주기 위한 자리가 아니었으며, 인류의, 그리고 지구의 지속 가능한 실질적인 솔루션을 제안하고 싶었음을 강조한다. 이미 인류는 전례 없는 ‘위기’를 마주하고 있고, 국제적인 협력이 나날이 중요해지고 있다. 수소는 인류의 문제를 해결하기 위한 가장 실용적이며, 현실적인 해결책이 될 것이다.
이제 전 지구적 차원의 노력이 필요한 시기이다. 수소사회와 에너지 전환은 한 회사, 한 국가가 할 수 있는 일이 아니다. 개인, 회사, 국가, 그리고 글로벌 공동체가 모두 함께 노력해야 할 일이며, 현대차도 그 구성원으로서 최선을 다할 것이라는 것이 현대차의 입장이다. ‘수소 물결(Hydrogen수소물결 Wave)’는 이미 일렁이기 시작했다.
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