누구나 한번쯤은 어린 시절 아니 성인이 되어서도 자동차가 기름대신 물을 넣고 달린다거나 전기로 충전해서 달릴 수 있을까? 라는 깜찍한 상상을 해보았을 것이다.
휘발유 엔진 자동차가 나온 지 반세기가 지난 현재 그 상상은 아직 전 세계 누구에게나 꿈같은 이야기일지 모른다. 하지만 화석연료고갈의 위기에 처한 세계 각국은 그동안 차세대 자동차 개발에 지대한 관심을 보여 왔고 또한 수많은 연구와 노력 끝에 점차 우리는 상상이 현실로 돼가고 있음을 느끼고 있다.
세계 각 국이 주력하고 있는 미래자동차에 대한 연구방향은 각기 상이하지만 궁극적으로 수소와 연료전지를 이용하는 에너지원의 사용에 있어서는 그 방향을 같이한다고 말할 수 있다.
그런 미래자동차 연료의 핵심적 역할을 담당하게 될 수소에너지의 중요성은 아직 일반 시민들에게는 낯설게 들릴지도 모르나 일반 시민들이 일상에서 수소자동차들을 목격하게 되는 그 순간이 실질적으로 수소경제가 도래하는 날이라 해도 전혀 이상하지 않을 것이다.
이에 본지는 수소자동차를 비롯한 차세대 자동차의 개발 및 현황을 분석하고 이와 관련한 미래비전을 제시해 보고자 한다.<편집자 주>
하이브리드 VS 수소연료전지
최근 들어 세계 각 국의 자동차 회사들이 연이어 미래형 자동차 개발소식과 연구 성과들을 발표하면서 휘발유 엔진 자동차를 대체할 미래형 자동차를 놓고 업계간 치열한 격돌이 한창이다.
일본 도요타 자동차의 경우 가솔린 엔진과 전지 모터를 함께 사용하는 하이브리드 자동차를 미래 자동차의 표준으로 내세우고 있다.
이에 맞서 GM·BMW·폭스바겐 등은 ‘수소 연료전지차’와 ‘수소엔진차’ 등 수소를 직접적으로 연료로 한 자동차를 차세대 자동차로 육성해 집중 개발하고 있다.
한편 국내의 현대·기아자동차는 하이브리드와 연료전지 자동차 사이에서 세계 표준이 어디로 갈지를 예의 주시하고 있는 상황이다. 워낙 막대한 자금이 들어가기 때문에 섣불리 한 방향으로 결정하기 어렵다는 것이다.
특히 하이브리드 기술에서는 이미 도요타가 세계 최고 수준인 점과 현재 하이브리드 기술과 관련한 특허 또한 대부분을 갖고 있어 자칫하면 국내는 물론 세계 자동차 산업이 도요타의 손아귀에 떨어질지도 모르는 상황이기 때문이다.
현재 미국이나 유럽 여러 나라들이 앞 다퉈 개발이 한창인 수소연료전지 차량은 내연기관 발전기처럼 기계적 장치를 거쳐 전기를 만들어내는 방식이 아닌 산소와 수소의 화학반응을 이용해 직접 전기를 만들어 내는 방식이다.
즉 물을 전기분해하면 산소와 수소가 만들어지는데 산소와 수소를 전지의 양극에 공급해 전자의 흐름 다시 말해 전기와 물 , 반응열을 생성시키는 것이 연료전지다.
이런 연료전지를 차량에 쓰게 되면 자동차에서 배출되는 오염물질이 전혀 없고 혁신적인 차량의 디자인이 가능하다.
현재로서는 화석연료의 고갈로 인한 대체수단으로 수소만큼 확실한 대안은 없는 실정이다. 하지만 지금은 수소의 생산·저장 인프라와 차량 내 시스템 양쪽모두 초기단계에 머물러 있다.
일단 수소는 청정연료지만 생산과정 자체가 무공해와는 거리가 멀다.
현재로써는 수소를 생산하기 위해서는 화석연료를 개질해 추출하거나 원자력 등 발전소에서 나오는 전기를 이용할 수밖에 없기 때문이다.
결국 연료전지 자동차는 에너지를 수소에 저장했다가 꺼내 쓰는 것과 크게 다를 바 없다.
따라서 연료전지 자동차 자체는 무공해라고 해도 수소생산과정에서 지금처럼 주로 화석연료를 사용한다면 공해 및 온난화 방지면에서는 큰 의미가 없을 수 있다.
수소연료를 차세대 에너지원으로 반대하는 의견의 대부분이 이같은 문제점 때문이다.
연료전지차량이 완전한 무공해 교통수단이 되기 위해서는 태양열이나 수력, 풍력, 혹은 미래의 기술인 핵융합발전 등으로 수소 생산수단도 무공해이어야만 하는 것이다.
또한 수소는 가장 가벼운 기체로 확산성(폭발성)이 크고 비등점도 -253℃로 극히 낮기 때문에 다루기 까다로운 성질을 가진다.
결국 연료전지 차량 보급 확대를 위해서는 전국의 수소 충전소가 고압 파이프라인으로 연결되거나 경제적인 액화 수송수단이 확보돼야 한다.
도요타 등 일본 업체가 과도적 기술로 하이브리드 자동차에 주력하고 있는 것도 가까운 시일 내에는 이런 인프라 문제가 해결되기 어려울 것이라는 전망이 크게 작용했기 때문이다.
이와는 다르게 도요타 및 일본 자동차업체들이 개발에 주력하는 하이브리드 차량은 휘발유와 경유 등 화석연료를 기본 동력원으로 두고 발전기나 대용량의 고압 배터리를 연결해 쓰는 내연기관 자동차와 전기자동차의 혼합 형태라고 말할 수 있다.
하이브리드 차량의 가장 큰 장점으로는 정차 시에 엔진과 모터가 정지해 도심운행에서 불필요한 공회전 연료낭비가 없다는 점과 전기모터를 사용함으로써 엔진소음이 없고 급가속시에 전기모터가 엔진의 힘에 동력을 보탬으로써 가속성이 증가하는 특징을 갖는다.
하지만 내연기관과 전기모터를 결합하는 구조 때문에 구동계가 복잡하고 무거워지는 점과 기본적으로 화석연료를 사용하는 기존 내연기관 차량의 발전모델이라는 한계점을 갖고 있다.
즉 현재 인프라 부족으로 인해 당장 수소연료전지 차량시대로 진입이 어렵기 때문에 그 시점까지 중간다리 역할을 해주는 차량이기 때문에 각국의 차세대 차량의 궁극적 목표가 되지 못하고 있다.
BMW, 수소엔진차로 승부
BMW는 11월 8일 독일 베를린에서 수소자동차 ‘하이드로겐7 살롱’ 기술발표회를 개최하고 내년 4월 출시를 앞두고 있다.
BMW가 야심차게 개발한 이번 ‘하이드로겐7 살롱’은 수소와 가솔린을 함께 쓰는 겸용엔진 차량이다.
총 주행거리 700km 가운데 200km를 수소로 운행할 수 있는 이 차량은 수소를 직접 엔진에 분사하여 폭발하는 힘으로 구동한다.
이것은 액체수소 충전소가 극히 적은 현실을 고려 한 BMW의 전략을 잘 반영했다고 할 수 있다.
차량의 특징을 살펴보면 우선 최고속력 230km/h와 엔진출력 260마력을 자랑하고 있다.
또한 가속력(정지 상태에서 시속100km/h 도달시점)은 9.5초로 현재의 가솔린 자동차와 차이가 없을 정도로 뛰어나다.
액체수소 만원어치 1kg으로 25km를 주행할 수 있는 점과 더불어 운전자가 버튼하나로 수소에서 휘발유로 연료를 바꿀 수 있는 편리함도 주목할 만하다.
BMW측은 현재 연료전지차는 기술개발의 속도나 제조원가의 측면에서 볼 때 상용화되는 것은 상당히 먼 미래가 될 것으로 내다보고 현실을 고려한 겸용엔진인 수소엔진차가 출시 후 시장을 장악할 것이라고 밝히고 있다.
내년 4월 최초 출시예정인 ‘하이드로겐7 살롱’은 일단 수소충전소가 부족하고 차량가격이 비싸기 때문에 우선적으로 100여대를 생산해 유럽과 미국에서 선별한 소비자들에게 리스 형태로 제공할 계획으로 알려졌다.
GM, 수소연료전지차가 최후 대안
한편 11월 6일 중국 상하이 자동차 전시 센터에서 선보인 GM의 시보레 ‘시퀄’을 보면 BMW의 차세대 자동차 연구방향과는 다르게 가고 있는 것을 알 수 있다.
GM의 릭 웨고너(Rick Wagoner) 회장은 기존 석유엔진과 전기모터를 함께 사용하는 자사 및 타사의 하이브리드 차량은 전환기 차량이고 장기적으로 수소연료전지차량을 생산하는 것을 목표로 하고 있음을 분명히 하고 있다.
GM이 이번에 발표한 시퀄은 수소가 공기 중의 산소와 결합해 발생하는 전기로 주행하는 차량으로 유해배기가스 대신 수증기만을 배출하는 청정 차세대 자동차로 1회 충전으로 480km를 주행할 수 있는 것이 특징이다.
최고속도 145km/h에 가속력 또한 10초에 불과하다. 아직 속도 면에서 미미한 점이 보이긴 하지만 상용화 단계에 거의 근접한 수소 연료전지차량으로 일반 가솔린 차량과 비슷한 성능을 낼 수 있는 것이 상당히 고무적인 것으로 평가 되고 있다.
GM은 ‘시퀄’에 적용한 연료전지 기술을 활용 내년 시보레 ‘에퀴녹스’ 연료전지 차량 100대를 한정 생산할 계획으로 북미시장을 시작으로 전 세계에 선보일 예정이다.
도요타의 승부수 하이브리드 자동차
이처럼 세계 유수의 자동차 업체들이 수소를 이용한 연료전지 차량 개발에 한창인 지금 차세대 미래 연료인 수소의 중요성과 그에 따른 연료전지자동차의 중요성을 잘 알고 있을 도요타가 과도적 기술로 하이브리드 자동차에 주력하고 있는 이유는 무엇일까?
이는 앞서도 언급했듯이 연료전지 차량 보급 확대를 위해서는 전국의 수소 충전소가 고압 파이프라인으로 연결되거나 경제적인 액화 수송수단이 확보 돼야하는 문제점들을 안고 있기 때문으로 분석된다.
가까운 시일 내에는 이런 인프라 문제가 해결되기 어려울 것이라는 것을 간파한 도요타가 연료전지 자동차 대신 하이브리드 자동차 시장에 한발 먼저 뛰어든 것을 일부에선 시장상황을 정확히 판단한 도요타의 성공이라고 말하고 있다.
이미 하이브리드 자동차에 관련된 기술 특허 대부분을 가지고 있는 도요타의 기술력은 국내 뿐 아니라 미국 및 유럽 국가들의 태풍의 눈으로 여겨지고 있다.
연료전지 차량에 기술적 중점을 두고 있던 미국과 유럽업체들이 충전소 등 인프라 부족문제로 고전하고 있는 사이 과도기술로 하이브리드에 집중 투자해 시장을 선점한 것이다.
지난 1997년 시장에 첫 선을 보인 하이브리드 차량 프리우스의 경우 현재까지 판매량 50만 대를 넘어서면서 하이브리드 차량의 대표주자로 자리매김 하고 있다.
2003년부터 2세대 모델이 시판되고 있는 프리우스는 현재 실제연비 25km를 자랑할 정도로 그 성능을 인정받고 있다.
도요타의 하이브리드 판매고는 지난해 23만5천여대로 업계 1위를 달리고 있다.
아직까지 전체 자동차판매대수 비중은 미미하지만 앞으로 부품 경량화 및 원가절감 등을 통해 전차종의 하이브리드화를 추진해 2012년까지는 총 판매고를 연간 1백만대로 늘린다는 방침을 갖고 있다.
또한 도요타 측은 제조원가를 30% 가량 더 낮춰 휘발유 엔진차량과의 가격차를 낮춰 수요를 촉진하게 되면 도요타의 하이브리드 비중은 현재의 3%에서 10%로 높아지게 될 것으로 전망하고 있다.
특히 2008년부터 출시될 3세대 프리우스는 지붕전체에 태양열 전지를 장착해 현재의 연비보다 50%정도 개선시키겠다는 방안까지 가지고 있어 도요타가 하이브리드에 얼마나 지대한 노력을 펼치는지 알 수 있는 대목이다.
반면 혼다는 도요타와 달리 하이브리드 기술 자체의 진화 외에 경량화, 기존 엔진의 효율성 증대 등을 동시에 추진 한 2005년 시빅과 어코드 하이브리드 차량에서 볼 수 있듯이 하이브리드 시장에서 도요타와 함께 업계 수위를 다투고 있다.
게다가 얼마 전 한번 충전으로 430km를 주행할 수 있는 수소연료전지차인 ‘FCX’를 상용화해 정부에 임대함으로써 연료전지 차량에서 도요타보다 한발 앞서 달리고 있다.
아울러 혼다 측은 기존 ‘FCX’보다 한 단계 발전한 차기 모델인 ‘FCX컨셉’ 을 2008년 일본과 미국에서 발매해 도요타에 밀려있는 하이브리드 시장 외에 수소연료전지차량에서는 일본 내에서 독보적 위치에 서겠다는 속내를 비치고 있다.
외국 업체에 뒤쳐지는 국내 기술력?
국내의 경우 현재 하이브리드 차량을 차세대 성장동력 중 하나로 선정해 연구·개발(R&D) 등을 지원하겠다는 산업자원부정책 방침대로 보급을 추진하고 있으나 국내기술 미비 및 높은 가격 등으로 시장이 본격적으로 형성되지 못하고 있다.
국내 하이브리드자동차에 대한 연구는 현대·기아자동차가 일본보다는 다소 늦은 1990년대 중반부터 본격화했다.
이로 인해 2004년 대당 2억원씩 투입해 생산한 클릭 50대가 환경부에 공급된 것을 시작으로 베르나와 프라이드 등 모델을 추가하면서 올해 4백여대가 공공기관에 공급됐다.
클릭의 경우 기존 가솔린 차량(연비 12.1㎞/ℓ)보다 50% 향상 된 연비 18.0㎞/ℓ, 최대 출력도 기존 가솔린 모델보다 15%가량 높은 특징을 가지고 있다.
아울러 2007~2008년에는 연비가 20㎞/ℓ로 향상된 차량 3천3백90대 등이 정부와 공공기관에 보급될 계획이다.
하지만 이 같은 성과는 일본이나 외국의 개발행보에 비해 상당부분 뒤처지고 있는 성과로 여겨진다.
현재까지 국내 완성차업체인 현대·기아자동차는 하이브리드에 대한 핵심 기술의 상당부분을 개발해 놓은 상태다.
다만 대량 생산 시스템 구축을 통한 기술 축적 및 개발에 있어 일본 업체에 밀리고 있다.
현재 현대·기아자동차는 가까운 일본이 하이브리드 시장에서 두각을 나타내고 있는 상황과 뒤쳐진 기술력 한계를 타계하기 위해 일단 부품 국산화를 통한 가격경쟁력을 확보해 성능 및 가격 면에서 일본 경쟁사를 추월하는 차량을 출시한다는 계획이다.
양산경험 면에서 일본 업계보다 7년가량 뒤지고 부품기술도 다소 취약한 면이 있지만 하이브리드의 핵심 기술 중 하나인 첨단 리튬 배터리의 상용화를 위해 협력업체와 공동연구를 진행 중이기 때문에 수년 내 일본 업체들과의 경쟁이 가능할 것으로 현대차는 내다보고 있다.
완전한 수소연료전지차량 진입 시기는 2030년?
도요타의 하이브리드 차량 성공에 자극을 받은 각국의 자동차 업체들은 현재 도요타 및 일본 업체가 장악하고 있는 하이브리드 자동차 시장에 뒤늦게 뛰어들어 GM과 BMW, 다임러 크라이슬러 등도 공동으로 하이브리드 엔진을 개발하고 있다.
그동안 하이브리드 시장을 관망만 해오고 연료전지차 연구에 몰두해 온 미국 및 유럽업체들이 이런 행보를 보이는 데는 수소연료전지차 시대로 가는데 상당한 시간이 걸릴 것을 우려한 일종의 방어책 수순으로 풀이된다.
즉 다시 말해 수소에너지를 이용한 연료전지차량이 차세대 자동차임을 알면서 그 개발 과정단계 동안의 시장을 일본 업체들에게 빼앗길 수 없다는 심산인 것이다.
마찬가지로 도요타 또한 수소연료전지차량의 중요성을 간과할 수 없는 상황이다.
본격적인 연료전지차량의 수요가 발생하려면 2025년 이후가 될 것이란 전문가들의 견해처럼 시기가 불분명한 상태임은 틀림없다.
현대·기아자동차는 당초 올 연말부터 하이브리드 차량 양산체제를 갖출 예정이었으나 최근 그 시기를 2009년 이후로 늦췄다.
현재는 하이브리드시장이 우선시 되고 있지만 각국이 보유 또는 연구 중인 기술력이 철저한 보완 속에 이루어지고 있기 때문에 언제 어느 순간에 무결점 연료전지차량을 발표할지 모르는 상황이기 때문이다.
즉 단기적으로는 하이브리드 시장에서 도태되지 않기 위한 연구개발을 하고 있지만 현대·기아자동차는 연료전지 차량의 연구개발도 소홀히 할 수 없는 입장이기 때문에 보다 명확한 세계시장 상황을 분석하려는 움직임인 것이다.
현재 내연기관 자동차시장이 향후 하이브리드나 수소연료전지로 갈 것인지 아무도 장담할 수 없다.
하지만 어느 정도 시기까지는 일본을 비롯해 자동차산업 보유국들은 2010년께 하이브리드시장이 본격 성장기에 들어설 것으로 보고 집중적인 투자를 아끼지 않고 있다.
국내에서도 정부가 투자를 하고 있긴 하지만 일본이나 다른 나라에 비해 턱없이 미미한 수준이다.
하물며 자동차 후진국인 중국에 비해서도 지원규모가 작은 것은 문제가 아닐 수 없다.
차세대 자동차 시장에서 한국이 도태되지 않기 위해서는 무엇보다 세재혜택 등 정부의 지원이 선결돼야 하며 현재 하이브리드 차량의 선두인 일본 업체나 다른 유럽업체들의 기술력과 정부제도 등을 벤치마킹할 필요가 있다.
차세대자동차 산업은 단순 자동차산업만이 아니라 환경과 에너지산업 분야로까지 광범위하게 파급될 수 있어 에너지 절약 차원에서 접근하면 국가의 미래를 준비하는 것과 같다.
앞으로 나타날 화석연료의 고갈로 인한 차세대 자동차 개발은 한 나라에 국한되는 쟁점이 아닌 세계 모든 국가들이 사활을 걸고 있는 사안이다. 분명한 것은 현 자동차 시장 상황이 수소연료전지나 하이브리드를 놓고 어떤 것도 버릴 수가 없다는 데에 있다.
이미 차세대 자동차 개발에 세계 각국의 총성 없는 전쟁이 시작됐다. 차세대 자동차 산업의 선두자리를 선점하려는 세계 각국의 행보에 주목하고 보다 명확한 정책과 연구를 통해 발 빠른 움직임이 필요할 때다.
