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수소연료전지로 한판, 현대차 vs 도요타

수소전기차 주도권 둘러싼 현대차, 도요타 경쟁 치열
현대차, 유럽 수소버스 수출로 상용차 시장 강세
도요타 ‘무빙e’ 수소버스, 이동형 발전기로도 활용
수소연료전지, 2028년에는 도심항공모빌리티로 확장

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[월간수소경제 성재경 기자] 현대차는 2013년에 수소전기차 투싼 ix를 세계 최초로 양산했다. 그로부터 1년 뒤 도요타는 수소전기차인 미라이 1세대 모델을 출시했다. 이후 현대차는 2018년에 2세대 수소전기차인 넥쏘를 출시했고, 도요타는 올해 미라이 2세대 모델을 공개했다. 


제너럴모터스(GM)와 메르세데스벤츠 등 글로벌 자동차 회사들은 수소전기차 개발을 포기했지만, 현대차와 도요타는 뚝심 있게 밀어붙였다. GM은 뒤늦게 니콜라와 손을 잡았지만, 이 판단이 묘수인지 악수인지를 보려면 좀 더 시간이 필요하다. 어찌 됐든 글로벌 완성차 회사들 중에서 현대차와 도요타가 앞서거니 뒤서거니 하며 수소전기차 시장을 주도하고 있는 것만은 분명한 사실이다.

 

현대차 vs 도요타의 주도권 경쟁

“연료전지시스템은 선박이나 열차, 도심형 항공기, 빌딩, 발전소 등 생활 모든 영역과 군사용으로도 활용할 수 있습니다. 수소를 이용한 전기 생산은 미래 친환경 에너지 솔루션이며, 미래 핵심 산업으로 성장할 것입니다.”


지난 7월 ‘한국판 뉴딜 국민보고대회’에서 현대자동차그룹 정의선 회장(당시엔 수석부회장이었다)이 한 말이다. 수소전기차는 시작에 불과했다. 현대차는 애초에 완성차 판매뿐 아니라 연료전지시스템으로 구동되는 모빌리티 시장 전체에 주목했다. 벌써 2년 전에 나온, 현대차그룹의 중장기 로드맵인 ‘FCEV 비전 2030’에도 그 내용이 명확히 담겨 있다. 


수소연료전지 시스템은 사실상 전기로 구동되는 모든 모빌리티에 적용될 수 있다. 드론, 지게차, 열차, 선박…. 레고블록에 들어가는 모터처럼 뭘 만들어도 착착 들어맞는다. 도심형 항공기인 UAM(Urban Air Mobility)도 예외는 아니다. 교통체증으로 한 시간 넘게 걸리는 20km 거리를 단 7분이면 날아서 이동할 수 있다. 현대차는 2028년이면 UAM 시장이 열린다고 보고 있다. 


현대차의 비전은 도요타의 비전과 판박이다. 올림픽을 활용한 마케팅 전략까지 빼닮았다. 현대차는 지난해 전 세계에 4,987대가 팔린 넥쏘를 앞세워 수소전기차 판매 1위에 올랐지만, 보조금 정책에 따른 내수 판매 증가에 힘입은 바가 크다. 글로벌 시장의 인지도가 도요타 미라이에 앞선다고 보기는 어렵다. 


하지만 대형트럭으로 가면 이야기가 달라진다. 10월 초 도요타가 자회사인 히노자동차와 북미용 클래스 8 수소전기트럭을 공동 개발하기로 한 시점에 이미 현대차는 스위스 고객사에 7대의 엑시언트 수소전기트럭을 인도했다. 이 트럭은 현대차 전주공장에서 라인을 제대로 갖추고 양산한 차량들이다. 올해 50대 수출이 잡혀 있다.




스위스 수출용 트럭은 넥쏘에 들어가는 수소연료전지 2개를 탑재해 190kW의 출력을 낸다. 운전석 뒤에 7개의 수소탱크를 장착한 냉장차로 개조되어 마트와 물류 배송에 투입된다. 충전 압력은 스위스 현지 사정을 고려해 350bar로 맞췄다. 32kg의 수소를 저장할 수 있고, 1회 충전으로 400km를 달릴 수 있다. 


도요타의 수소전기트럭 개발 방향도 동일하다. 도요타는 올해 3월부터 2세대 미라이용으로 개발한 연료전지 2개를 히노의 프로피아(Profia) 모델에 장착해 600km를 달릴 수 있는 25톤 트럭을 일본에서 개발 중이다. 


앞서 언급한, 10월 초에 발표된 클래스 8 수소전기트럭 개발 소식은 그 연장선이라 할 수 있다. 미국에서도 대형 전기트럭이나 수소트럭에 대한 관심이 뜨겁다. 도요타는 이를 의식한 듯 히노에서 새롭게 개발한 XL 시리즈 섀시를 기반으로 도요타의 연료전지를 장착한 수소트럭을 내년 상반기까지 미국 시장에 내놓는다는 계획이다. 



시제품 개발에 이어, 라인을 제대로 갖춘 파일럿 공장을 세우는 데 걸리는 시간을 감안하면 현대차가 한 발 앞선다고 할 수 있다. 

 

재난 현장으로 출동하는 수소전기버스

수소전기버스도 흥미롭다. 도요타는 혼다와 손을 잡고 지난 8월 ‘무빙e(Moving e)’라는 이동형 발전·출력 시스템의 개발을 완료했다. 무빙e의 핵심은 도요타의 수소전기버스다. 여기에 혼다의 휴대용 전원공급장치인 Power Exporter 9000, 휴대용 배터리 2종(LiB-AID E500, Honda Mobile Power Pack), 혼다 모바일 파워팩을 위한 충방전 장치가 붙어서 간다. 


도요타 수소전기버스는 그 자체로 이동형 발전기가 된다. 이 버스는 태풍, 지진 같은 자연 재해로 전력망 피해를 입은 재난 현장에 출동해 비상전력을 공급하게 된다. 또 일상에서는 야외 콘서트 같은 이벤트 활동에 발전기로 활용된다. 혼다의 Power Exporter를 통해 수소전기버스에서 생성된 전기를 대용량 휴대용 배터리에 담아 전력을 공급하는 방식이다. 




도요타는 충분한 양의 전기를 공급하기 위해 기존 소라(Sora) 수소전기버스를 개조해 수소탱크의 숫자를 두 배로 늘렸다. 또 고출력 대용량 발전용량(최대 출력 18kW로 454kWh 생성)을 갖춘 연료전지를 탑재했다. 


무빙e의 기동성은 반경 약 100km 이내에 수소충전소가 있을 때로 제한된다. 너무 먼 거리를 이동할 경우 전기로 변환할 수 있는 수소의 양이 부족해지기 때문이다. 휴대용 배터리가 차지하고 있던 버스 내부를 비우면 쉼터나 대피소로도 활용할 수 있다.   


버스 대신 트럭을 이동형 발전기로 활용하는 법도 있다. 도요타는 휴대용 발전기 제조사인 덴요(Denyo)와 손을 잡고 다이나(Dyna) 7톤 트럭에 수소 저장탱크 27개를 장착, 총 65kg의 수소를 운반하는 수소전기트럭을 개발했다. 


65kg이면 1대당 5kg 기준으로 넥쏘 13대를 충전할 수 있는 양이다. 기존 엔진 기반 발전기와 비교해 온실가스나 질소산화물(NOx) 등을 배출하지 않고 72시간 연속으로 전원 공급이 가능하다. 이 트럭은 지난 9월부터 테스트를 진행하고 있다. 


그렇다면 현대차의 사정은 어떨까? 현대차는 지난해 수소전기버스 ‘일렉시티’ 15대를 보급했다. 올해는 더 공격적으로 나서 100대까지 보급 대수를 늘릴 계획이다. 특히 지난 7월부터 정규 양산형 수소버스를 공급하기 시작했다. 전주의 버스 노선에 투입된 것을 시작으로 최근에는 여의도 국회에 셔틀버스로 들어갔다. 또 하반기에는 인천공항 셔틀버스로 7대가 공급된다. 


정규 양산형 버스의 경우 넥쏘용 연료전지 2개가 들어가는 건 맞지만, 출력을 180kW로 낮추면서 내구성을 크게 늘렸다. 버스 운행에는 평균 60kW의 출력이 필요하기 때문에 180kW로도 충분한 출력을 낸다. 1회 충전으로 430km를 달릴 수 있다.


현대차는 지난 9월 27일 사우디아라비아의 글로벌 종합 에너지·화학 기업인 아람코에 넥쏘와 함께 두 대의 수소전기버스를 수출한 바 있다. 이는 해외로 수소버스 완성차를 수출한 첫 사례에 든다. 




이뿐만이 아니다. 현대차는 현대모비스, 현대건설기계와 손을 잡고 최대 5톤의 화물을 들어 올릴 수 있는 중형 지게차를 세계 최초로 개발했다. 오염원 배출이 없는 수소지게차는 항만이나 공항, 물류센터 등에 수요가 많다. 현대차는 지게차에 이어 수소굴착기도 개발 중이다. 향후 실증 평가와 시범사업을 거쳐 2023년 상용화를 목표로 하고 있다.

 

연료전지 품은 발전기 시장

현대차는 지난 9월 부산항을 통해 스위스의 수소저장기술 업체인 ‘GRZ 테크놀로지스’와 유럽의 에너지 솔루션 스타트업에 수소연료전지 시스템을 수출했다. 현대차가 비(非) 자동차 부문에 연료전지시스템을 수출한 최초의 사례라 할 수 있다. 


넥쏘에 들어가는 95kW급 연료전지시스템을 하나의 패키지로 만들어 수출했다고 보면 된다. GRZ와 유럽의 에너지 솔루션 스타트업은 이 시스템을 활용해 비상전력 공급용 친환경 이동형 발전기를 제작하게 된다. 




스위스의 ‘GRZ 테크놀로지스’는 2017년 스위스 로잔연방공과대학(EPFL) 교수진이 설립한 스타트업으로, 금속수소화물(metal hydride) 수소저장탱크와 이 탱크를 활용한 수소전기차 압축·충전기술을 보유하고 있다. 일반 수소저장탱크의 저장 압력인 200~350bar 대비 크게 낮은 10bar로도 기존보다 5~10배 많은 양의 수소를 저장하는 독보적인 기술력을 보유한 업체로 알려져 있다. 이는 수소 저장의 효율성과 안전성 면에 큰 이점이 된다. 


PEM 연료전지는 고정식 발전기로도 활용할 수 있다. 현대차는 울산테크노파크 안에 있는 현대차 연료전지 실증 연구동에 500kW급 발전용 연료전지를 설치한 바 있다. SOFC 같은 고온형 연료전지에 비해 효율이 떨어져 발전시장에서는 인기가 없다. 부하추종 운전이 가능해 주로 가정용이나 건물용으로 활용된다. 


도요타도 올해 6월 화학회사인 도쿠야마와 손을 잡고 고정식 연료전지 발전기 검증을 시작했다. 50kW짜리 PEM 연료전지를 야마구치현에 있는 도쿠야마 공장에 설치해 2022년 3월까지 실증을 이어간다.




도요타는 작년 9월에 이미 아이치현 도요타시에 있는 혼샤공장에서 100kW 연료전지 발전기의 테스트를 진행한 바 있다. 이번 프로젝트에는 정격 출력을 50kW로 맞추고 유지 관리 개선을 위해 스택이나 전력제어장치(PCU), 배터리 등의 구성 요소 레이아웃을 조정한 제품으로 실증이 진행되고 있다. 


이번 실증은 도쿠야마가 클로르알칼리 공정으로 수산화나트륨(가성소다)을 제조하는 공정에서 나오는 부생수소를 연료로 발전한다. 99.97%의 수소를 사용하며, 발전효율은 50% 이상을 목표로 잡고 있다. 도요타는 시스템의 안전성이나 내구성, 유지 보수의 용이성, 염분이 포함된 바닷바람의 영향 등을 평가하게 된다.

 

자동차 다음은 도심항공모빌리티 

수소연료전지는 항공 분야로 그 쓰임을 넓혀가고 있다. 드론 같은 작은 기체를 띄우는 일은 크게 어렵지 않다. 액체수소를 연료로 활용해 비행시간을 크게 늘린 수소드론이 언론의 주목을 받기도 했다. 


드론의 몸집을 크게 불리면 사람을 태우고 나는 드론택시, 일명 플라잉카가 된다. 중국의 이항(Ehang), 독일의 볼로콥터(Volocopter) 같은 스타트업, 항공기 제조사인 에어버스와 보잉, 구글이나 우버 같은 기술기업 등이 이 시장에 눈독을 들이고 있다.


특히 최근에는 스카이드라이브(SkyDrive)라는 일본의 스타트업 회사가 세계 최초로 유인 전동 수직이착륙(eVTOL) 플라잉카 모델인 SD-03의 비행 시험에 성공한 바 있다. 조종사 한 명을 태우고 4분간 비행에 성공한 영상이 화제가 되기도 했다.


현대차도 예외는 아니다. 현대차는 도심항공모빌리티(UAM) 사업을 자동차를 잇는 미래 핵심 사업으로 보고 있다. 이미 작년 9월에 UAM 사업부를 신설하고 인재 영입을 진행한 바 있다. 2028년에는 개인비행체(PAV)를 상용화한다는 것이 그룹 내부의 방침이다. 





올해 초 미국 라스베이거스에서 열린 CES 2020에서 우버와 함께 내놓은 PAV 콘셉트 모델 ‘S-A1’은 그 미래를 담고 있다. S-A1은 날개 길이 15m, 전장 10.7m로 총 5명이 탑승할 수 있다. 전동 수직이착륙 기능을 갖췄고, 최고 속도는 시속 290km, 최대 100km를 날 수 있다. 또 승객이 타고 내리는 5분여의 짧은 시간 동안 다음 비행을 위한 초고속 배터리 충전이 가능하다.


파워트레인은 기술 환경에 따라 달라질 수 있다. 5년 후에는 배터리와 수소연료전지를 조합한 방식이 더 효과적일 수 있다. 기체가 아닌 액체수소를 활용해 공간을 넓게 쓰면서 비행거리를 크게 늘리는 방식도 가능할 전망이다. 


도요타도 UAM 사업을 눈여겨보고 있다. 올해 초 조비 에비에이션(Joby Aviation)이라는 미국의 벤처회사에 3억9,400만 달러(약 4,500억 원)를 투자하면서 eVTOL 항공기의 개발과 생산을 위한 제조, 품질, 비용 관리 등에 대한 전문 지식을 공유하기로 합의했다. 조비 항공은 헬리콥터와 소형 비행기의 장점을 결합한 eVTOL 개발의 선두주자로 알려져 있다.




향후 플라잉카의 수요는 자동차만큼 확대될 수 있다. 사람을 태우고 날 수 있다면, 자율비행을 통한 물건 배송도 가능하다. 아마존이나 DHL, UPS 같은 전자상거래 물류기업도 이 시장에 관심이 많다.

 

기차와 선박도 연료전지가 대세

수소연료전지로 가는 기차도 빼놓을 수 없다. 도요타는 최근 히타치, 동일본 여객철도(JR 동일본)와 손을 잡고 수소연료전지와 배터리를 전기 공급원으로 하는 하이브리드 열차 제작에 나섰다. ‘HYBARI’란 이름이 붙은 테스트 열차는 FV-E991 모델 2량을 개조해서 만든다. 연료전지는 도요타, 주요 배터리와 전력변환장치는 히타치가 맡는다. 




세부 사양을 보면 60kW 수소연료전지 4개, 120kWh 리튬이온배터리 2개, 700bar 충전이 가능한 수소저장탱크 5개를 한 묶음으로 총 4개를 창작하게 된다. 최고 속도는 시속 100km, 운행 거리는 140km에 이를 전망이다. HYBARI 열차의 시험운행은 2022년 3월로 잡혀 있다.


국내 수소전기기차 개발은 현대차가 아닌 현대로템에서 맡고 있다. 현대로템은 울산시와 손을 잡고 노면전차인 수소전기트램 개발을 진행한다. 내년부터 2024년까지 4년간 329억 원을 들여 울산 태화강역에서 울산항역까지 4.6km 구간에 트램 궤도를 구축하고, 수소충전소와 차량기지 등을 설치해 실제로 트램을 운행하게 된다.


현대로템은 작년부터 넥쏘용 95kW 연료전지를 트램에 장착해 1회 충전으로 150km를 주행하는 수소전기트램을 개발 중이다. 최고 속도는 시속 70km다. 현대로템은 내년 3월까지 수소전기트램 개발을 마무리할 계획이다.


마지막으로 수소선박이 있다. 도요타는 얀마(Yanmar)와 손을 잡고 지난 2018년 6월에 17톤급 수소연료전지 선박의 실증을 완료한 바 있다. 일본 국토교통성(MLIT)에서 후원을 받아 3년간 추진된 프로젝트로, 60kW 연료전지시스템을 현장에서 실증하면서 안전 사항을 최종 검증한 바 있다.


도요타와 얀마는 그 후속으로 2세대 미라이의 연료전지 스택을 장착한 중소형 수소선박을 개발 중이다. 범용으로 쉽게 설치할 수 있는 연료전지 모듈을 구현해 올해 말까지 현장에서 시연하는 것을 목표로 하고 있다. 


도요타는 이 외에도 세계일주 항해를 목표로 하는 프랑스의 ‘에너지 옵저버 호’에 연료전지시스템을 공급한 바 있다. 에너지 옵저버 호는 재생에너지와 해수에서 생산된 수소를 이용한 연료전지를 동력으로 하는 세계 최초의 자립 에너지 연료전지 선박으로, 도요타의 유럽 기술진이 함께 참여해 7개월 만에 개발한 연료전지시스템을 탑재한 바 있다.




현대차도 선박에 연료전지시스템을 공급하기 위해 관련 업체를 물색해왔다. 지난 6월에는 2017년에 설립된 스타트업 기업으로 전남 영암에 본사를 둔 빈센(VINSSEN)과 연료전지 공급 협약을 맺었다. 


빈센은 선박용 전기 추진장치와 수소연료전지 공기 공급장치 등의 특허를 보유한 국내 업체로, 최근 영암군·전남테크노파크와 업무 협약을 맺고 ‘수소연료전지 기반 레저선박 건조·실증 사업’을 추진 중이다. 빈센은 내년까지 12m급 친환경 선박을 개발할 예정으로, 현대차는 여기에 95kW급 넥쏘용 연료전지 4기를 공급한다.




빈센은 모터 드라이브 두 개로 구동되는 레저보트를 제안했다. 전기 추진 드라이브 하나당 연료전지 2개, 125kW급 리튬이온 배터리 하나를 연결해 한 세트로 구성할 방침이다. 162kW급 전기 추진모터 2기를 달고 15노트 이상의 속도를 내는 소형 레저선박을 내년에는 볼 수 있게 된다. 


현대차 넥쏘와 도요타 미라이가 주목을 받는 건 연료전지시스템의 완성도 때문이다. 수소연료전지는 모듈화가 가능하다. 모빌리티의 특성에 맞게 연료전지 스택의 사양을 조정하면서 그에 맞는 파워팩을 개발해 적용할 수 있다. 이 유연함이야말로 연료전지의 큰 장점이자 매력이다. 현대차와 도요타는 이 유연함을 앞세워 한판 승부를 이어가고 있다.





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