2022.10.31 (월)

HOT ISSUE

‘느릿느릿’ 규제 개선에 멈칫하는 수소건설기계   

수송부문 탄소중립 위해 수소모빌리티 개발 활발
韓, 지게차‧굴삭기 중심으로 수소건설기계 개발 박차
규제 때문에 보급 확대 중인 美‧日에 뒤처져
업계, 관련 규제 신속히 개선 촉구

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[월간수소경제 박상우 기자] 탄소중립을 달성하기 위해서는 수송부문의 탄소저감이 필요하다. 이는 전체 탄소배출량에서 수송부문이 차지하는 비중이 크기 때문이다.


환경부 온실가스종합정보센터가 지난 6월에 발표한 자료에 따르면 2021년 국가 온실가스 잠정배출량은 전년 대비 3.5% 증가한 6억7,960만 톤으로 집계됐다. 이 중 수송부문이 이동수요 증가로 배출량이 전년보다 160만 톤 증가한 9,786만 톤을 기록한 것으로 나타났다. 


또 환경부 국가미세먼지정보센터에 따르면 2019년 승용차, 상용차 등 도로이동오염원의 질소산화물(NOx) 배출량은 37만1,851톤, 철도, 항공기, 농업기계, 건설기계 등 비도로이동오염원은 31만1,748톤으로 각각 집계됐다. 이들의 총 배출량은 전체 배출량인 108만6,862톤의 62.9%에 해당된다. 


이에 정부는 지난해 10월에 발표한 ‘2030년 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안’에서 친환경차 보급 확대, 바이오디젤 혼합률 상향 등을 통해 수송부문 온실가스 배출량을 2018년 배출량 9,810만 톤 대비 37.8% 감축한 6,100만 톤을 달성하겠다는 목표를 세웠다. 


또 같은 시기에 발표한 ‘2050 탄소중립 시나리오’에서는 전기차와 수소차로 100% 전환해 수송부문 온실가스 배출량을 2018년 대비 97.1% 감축한 280만 톤을 달성하는 A안과 전기차와 수소차로 85% 전환해 90.6% 감축한 920만 톤을 달성하는 B안을 마련하기도 했다.


이와 함께 정부는 지난해 11월에 발표한 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’에서 수소차 보급대수를 2030년 88만 대, 2050년 526만 대 달성한다는 계획을 세웠다. 그 일환으로 수소승용차 생산능력을 2025년까지 연 10만 대로, 트럭·버스 등 수소상용차는 연 2천 대로 확대하고 청소차, 공항 화물카트견인트럭, 항만 컨테이너 취급장비, 지게차, 무인운반차 등 수소특수차는 정부 R&D를 통해 조기 상용화를 이룬다는 방침이다.


이에 정부는 다양한 수소모빌리티 연구개발(R&D) 과제를 내놓고 있다. 특히 승용차 중심인 수소모빌리티 시장을 상용차, 철도, 선박, 항공기, 건설기계 등으로 확대하기 위해 관련 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 그 일환으로 지난 2019년 10월 ‘수소기술개발 로드맵’을 발표하기도 했다.


정부의 이러한 움직임에 맞춰 기업들은 친환경 모빌리티 개발에 나섰다. 특히 건설기계업계는 지게차와 굴삭기를 중심으로 수소건설기계를 개발하고 있다. 

 


 
국내 수소건설기계 개발 현황
개발이 가장 활발한 기계는 바로 지게차다. 지게차의 생명은 짧은 충전 시간과 긴 운행 시간이다. 그런데 배터리 충전 방식인 전동식 지게차는 2~3시간 사용하기 위해 8시간 충전해야 할 정도로 긴 충전 시간에 비해 운행 시간이 짧아 효율이 떨어지고 장비를 추가로 확보해야 하는 부담이 있다. 


반면 수소지게차는 5분 충전으로 6~8시간을 운행할 수 있어 효율이 높은데다 배터리보다 연료전지 수명이 길어 전동식 지게차보다 유지비 부담이 적다. 또 소음이 없고 오염물질을 배출하지 않는다. 


여기에 전자상거래 산업의 성장과 인프라 산업에 대한 투자 증가에 탄소중립이 맞물리면서 전동화 지게차 수요가 급증할 것으로 보인다. 


시장전문가들은 글로벌 수소지게차 시장 규모가 2019년 10억7,000만 달러에서 연평균 15.92% 성장해 2027년 52억5,000만 달러에 이를 것으로 전망했다.


국내 최초로 수소지게차 개발에 성공한 곳은 바로 가온셀이다. 가온셀은 지난 2003년에 메탄올 3.3%, 물 96.7%를 연료로 하는 DMFC 방식의 수소연료전지를 개발했다. 2009년에는 DMFC와 리튬배터리의 장점을 살린 2.2kW급 DMFC 배터리 하이브리드 시스템 개발에 성공했고, 이를 지게차용 DMFC 1.5kW급 파워팩에 적용하고 있다.


이어 2012년 당시 지식경제부의 ‘실내 물류운반차용 연료전지 파워팩 상용화 기술개발’ R&D 공모사업의 주관기관으로 참여해 2016년까지 4년간 80억6,000만 원을 지원받아 핵심부품개발과 시스템 상용화에 총력을 기울인 결과 고출력(5kW이상, PEMFC), 저출력(2kW이하, DMFC) 파워팩을 개발하고 핵심부품 개발 및 시스템 실증·상용화 결실을 보았다. 


특히 1.5kW급 연료전지시스템과 3.5kWh 리튬배터리를 결합한 하이브리드 타입의 최적 운전 로직을 개발했다. 이를 바탕으로 국내 최초로 5kW급 수소지게차를 개발했다.


지난 2020년 9월 현대모비스는 현대자동차, 현대건설기계와 세계 최초로 중형급 수소지게차 시제품 개발에 성공했다고 밝혔다. 3개 회사가 수소연료전지를 적용한 건설기계 공동개발을 위한 양해각서(MOU)를 체결한 지 7개월 만에 이룬 성과다.


이 수소지게차는 현대차그룹이 세계 최초로 양산한 95kW급 연료전지시스템과 현대모비스가 독자 개발 50kW급 수소지게차용 연료전지 파워팩이 적용됐다. 현대건설기계는 전용 차체의 설계와 제작을 맡았으며 향후 성능과 품질 검증 등 종합평가를 담당한다. 이를 통해 수소 완충 시 최대 5시간 동안 연속 운행이 가능하고 최대 5톤의 화물을 들어올릴 수 있다. 


이들은 수소지게차뿐만 아니라 14톤급 수소굴삭기도 2023년에 상용화하는 것을 목표로 개발 중이다. 

 


또 현대건설기계는 지난해 8월 에스퓨얼셀과 물류창고용 1~3톤급 소형 수소지게차를 공동 개발한다고 발표했다. 현대건설기계는 파워팩 제어와 통신 시스템·수소지게차 생산을, 에스퓨얼셀은 수소연료전지 파워팩 개발과 생산을 맡는다. 이를 통해 2023년에 상용화한다는 목표다.


지난 4월에는 두산밥캣이 SK E&S와 플러그파워의 합작법인인 SK플러그하이버스와 함께 수소지게차를 개발한다고 밝혔다. 


두산밥캣은 수소지게차 개발을, SK플러그하이버스는 연료전지 개발과 공급, 수소충전소 설치 등을 담당한다. 또 양사는 산업통상자원부가 지원하는 ‘수소지게차 상용화를 위한 실증 기반 신뢰성 검증 기술개발’ 시범사업에 참여해 수소지게차 개발과 마케팅, 판매를 함께 추진한다.


양사가 개발한 수소지게차는 지난 8월 30일에 열린 H2 MEET 2022에서 처음 공개됐다. SK플러그하이버스는 쿠팡풀필먼트서비스, 켄달스퀘어자산운용과 협력해 내년 하반기부터 충남 천안에 있는 쿠팡 목천물류센터에서 운영 중인 배터리 기반 전동지게차 일부를 수소지게차로 전환해 시범 운영할 예정이다. 


범한퓨얼셀은 국내 최초로 수소굴삭기를 개발하는 데 성공했다. 범한퓨얼셀은 지난 2016년 5월부터 2019년 9월까지 한국에너지기술평가원의 ‘2톤급 전동식 건설중장비용 연료전지 파워팩 개발’ 과제를 통해 건설기계용 연료전지 파워팩 기술 및 연료전지 굴삭기 운행기술을 확보했다.


건설현장에서 사용이 가능한 내진동·내환경 특성을 갖는 15kW급 연료전지 파워팩 개발을 목표로 15kW급(연료전지 8kW, 배터리 7kW) 연료전지 파워팩 통합모듈, 연료전지 스택 및 파워모듈의 내환경·내진동 설계 기법, 연료전지-배터리 하이브리드 최적화 운전기술을 개발하고, 연료전지 중장비 시작품 제작·평가를 진행했다.


범한퓨얼셀은 두 차례에 걸친 시제품 제작을 통해 연료전지 파워팩의 완성도를 높였다. 2차 시제품은 크기가 590×780×295mm로 1차(610×900×374mm)보다 소형화됐고, 시스템 효율 44.2%, 1회 충전 최대 운전시간 9시간, 302시간 정상 작동, 파워팩 및 실차 부품 내구성, 동급 건설기계(엔진식) 대비 실차 작업 성능 108% 등 개발 목표를 대부분 달성했다.

 


현대두산인프라코어는 산업통상자원부 산하 산업기술평가관리원의 국책과제인 ‘건설기계·상용차용 수소엔진 시스템 및 저장·공급계 개발’의 주관기관으로 선정됨에 따라 상용차, 버스, 건설기계에 적용할 수 있는 수소연소엔진 개발에 나섰다.


현대두산인프라코어는 이번 사업을 통해 출력 300kW, 배기량 11리터급 수소엔진과 수소탱크시스템 등을 개발할 예정이다. 2024년까지 트럭, 대형버스 등 상용차와 굴착기 등 건설기계에 수소엔진을 탑재, 검증을 거친 후 2025년 본격적인 양산을 목표로 하고 있다. 


두산퓨얼셀파워는 산업부의 국책과제인 ‘건설 농기계용 스키드 로더급 50kW급 수소 다중 동력 시스템 개발 및 실증’의 주관기관으로 선정됨에 따라 2026년 3월까지 50kW급 스키드로더용 수소 다중 동력 시스템을 개발한다.


이 시스템은 △최대 8시간 작업이 가능한 연료 저장·공급시스템 △최대 50kW를 출력하는 연료전지 스택 △46% 하이브리드 효율을 갖춘 배터리팩 △95% 전력변환 효율을 갖춘 전력변환장치 등으로 구성된다. 


두산밥캣은 전동 스키드로더를 두산퓨얼셀파워, 울산테크노파크, 동양피스톤, 유한정밀은 스택과 파워팩을 테너지, 명화공업, SI테크는 BOP를 건설기계부품연구원과 우석대학교가 실차 형식 승인 및 표준안을 각각 개발한다.


또 다른 산업부의 국책과제인 ‘수소지게차 상용화를 위한 실증 기반 신뢰성 검증 기술개발’도 진행되고 있다. 이 과제는 5톤급 이하 수소지게차의 신뢰성을 확보하고 보급 기반을 마련하기 위한 것으로 지난 4월에 시작돼 2026년 3월까지 총 48개월 동안 진행된다. 사업비는 약 141억 원이 투입된다.


5톤 수소지게차 45대 이상을 공장과 물류창고에 투입해 운전 데이터를 수집하고 수리 이력 데이터베이스를 확보한다. 또 수소지게차 핵심부품 10종을 선정해 평가 방법을 개발하고 검증한다. 여기에 평균고장주기(MTBF)를 도출하고 성능 지표 산출 방법론을 개발한다. 총소유비용(TCO) 분석에 필요한 주요 파라미터(parameter)를 선정해 TCO 기반 경제성을 분석한다.


이를 통해 TCO 기반 수소지게차 제조사별 데이터를 확보해 상품성을 비교하고 수소지게차 구입에 따른 정부 혜택, 운영 중 필요한 보험수가 책정모델 등을 포함하는 수소지게차 보급 정책안 자료로도 활용할 예정이다.


주관기관인 건설기계부품연구원은 지게차 구입, 부품 분석, 사업 운영을 맡고 고려아연은 지게차 및 시설 운영과 데이터 제공을, 서울대는 경제성 분석과 보조금 도출을, 조선대는 지게차 성능 해석 모델 개발을, 수소융합얼라이언스는 사업 홍보와 보급 제반 마련을 담당한다.


내년까지 해당 실증이 진행되는 곳에 수소충전소를 구축하고 수소지게차는 2023년에 8대, 2024년에 37대를 각각 도입해 관련 데이터를 수집하고 분석한다.

 

 

저 멀리 앞서 있는 미국과 일본 
수소지게차 보급과 관련해 가장 앞서 있는 곳이 바로 미국이다. 미국 수소지게차 시장은 아마존, 월마트, 홈디포 등 미국·유럽 유통·물류기업에 6만 대 이상의 수소지게차용 연료전지 파워팩을 공급한 플러그파워를 중심으로 형성돼 있다. 플러그파워의 미국 수소지게차 시장점유율은 95%에 달하는 것으로 알려진다.


물류센터뿐만 아니라 항만 등에도 수소지게차를 보급하기 위한 테스트가 추진되고 있다. 미국의 지게차 및 기타 자재 취급 장비 전문업체인 하이스터 컴퍼니(Hyster Company)는 지난 10월 미국 로스앤젤레스 항만에서 45kW급 연료전지 2개가 탑재된 컨테이너 전용 지게차인 ‘컨테이너 핸들러’ 테스트를 진행할 예정이라고 발표한 바 있다.


일본은 지난 2016년 7월 도요타 자동직기가 출시한 제품을 중심으로 2021년 말까지 330여 대를 보급했다. 주로 간사이국제공항, 주부국제공항, 도쿠시마공항 등 공항과 도요타자동차, 다이요닛산 등의 사업장에서 도입됐다.


이런 가운데 도요타 자동직기는 지난 9월 2세대 수소지게차를 출시했다. 이 지게차에는 2세대 미라이에 들어가는 연료전지시스템이 탑재됐다. 특히 연료전지 셀 개수가 기존 82개에서 58개로 줄었음에도 1세대와 같은 출력을 실현했다. 여기에 출력 변동을 억제하는 제어시스템을 새롭게 채용해 내구성을 이전보다 2배가량 높였다. 그런데도 판매가격은 30% 저렴해졌다.


일본의 도야마현은 지난 8월 말부터 현 내 기업들과 협력해 총 10개 사업소에서 해당 수소지게차를 1주일씩 운영하는 실증사업을 진행하고 있다. 이 사업은 11월 초까지 진행되며 참여기업들의 의견을 모아 과제나 지원책 등을 모색할 계획이다.


유럽에서는 지난 2013년부터 2018년까지 5년 동안 200대의 연료전지 자재취급차량과 충전인프라를 실증하는 ‘HyLIFT-EUROPE’ 프로젝트가 진행됐다. 이 프로젝트에는 독일의 자재취급차량 공급업체인 STILL을 비롯해 에어프로덕츠, 넬, 에어리퀴드, 발라드 등이 참여했으며 유럽연합 집행위원회의 689만 유로 지원을 포함해 총 1,568만 유로(219억 원)가 투입됐다.


영국의 건설장비 제조사인 JCB는 지난 2020년 세계 최초로 20톤급 수소굴착기를 개발했다. 지난해 5월에는 4.8리터 수소엔진이 탑재된 백호로더 프로토타입을 선보였다. 그로부터 5개월 후에는 수소엔진 탑재 텔레스코픽핸들러 프로토타입을 공개했다. JCB는 올해 말 수소엔진 탑재 기계를 판매하기 위해 초고효율 수소엔진 생산 프로젝트에 1억 파운드를 투자했다.
 
규제 때문에 상용화까지 갈 길 멀어
반면 우리나라의 수소건설기계 상용화는 규제 때문에 언제 이뤄질지 알 수 없다.


가온셀은 국내 최초로 수소지게차를 개발했으나 국내 DMFC 관련 인증체계 부족으로 지난 2020년 11월 KS인증을 획득하기까지 10년 정도 소요된 데다 충전 인프라 부족, 높은 가격 등으로 인천국제공항공사, 공항물류업체 등과 함께 연료전지 지게차 도입을 위한 업무협약을 맺었음에도 실제 상용화로 이어지기까지 갈 길이 멀었다.


또 중형 지게차를 개발한 현대자동차, 현대모비스, 현대건설기계는 2023년 상용화를 목표로 지난해 10월부터 울산 수소그린모빌리티 규제자유특구에서 실증사업을 할 예정이었으나 규제 때문에 인증 절차가 늦어지면서 아직도 착수하지 못하고 있다.


지난해 7월 지게차 안전관리 소관 부처인 고용노동부는 현대차그룹에 실증허용을 위한 부대조건으로 지게차용 연료전지의 안전성 확보를 위해 KS인증에 준한 공인시험 실시를 제시했다. 


이에 현대차그룹은 부대조건 준수를 위해 KS 적합성 인증제도를 추진했으나 절차와 시간이 예상보다 많이 소요되자 기존 부대조건을 ‘수소법’에 따른 검사로 대체하기로 지난 2월 고용부와 협의했다.


이후 현대차그룹은 수소법 안전검사를 위해 지난 7월 한국가스안전공사에 1차 검사(제조공장 검사)를 신청, 지난 8월에 완료됐다. 현재 2차 검사(제품검사)를 진행 중이며 빠르면 10월 중에 완료될 예정이다. 2차 검사가 완료된 후 지게차 실증이 진행될 것으로 보인다. 이 때문에 2023년에 해당 수소지게차를 상용화하겠다는 목표를 이루지 못할 가능성이 커졌다.

 

이러한 상황이 계속되자 업계에서 불만이 커지고 있다. 지난 10월 5일 더케이호텔 서울에서 열린 ‘제4회 수소건설기계 발전 포럼’에 참석한 업계 관계자들은 산업 활성화를 위해 관련 규제를 개선해야 한다고 촉구했다.


이날 자유토론 패널로 참여한 조성국 수소융합얼라이언스 안전표준실장은 “안전을 위해 규제하는 것에 대해 동의한다”라며 “그런데 수소건설기계 산업은 걸음을 떼기도 쉽지 않은 초기여서 KS표준과 관련된 적합성 평가 기준을 강화하는 등 산업 활성화에 초점을 맞춰 규제해야 하지 않나 생각한다”라고 말했다.


김희수 건설기계부품연구원 그린에너지연구실장은 “울산에서 수소지게차 실증사업이 진행됐는데 해당 사업에는 지게차 충전과 관련된 과제도 포함됐다”라며 “이 사업이 큰 무리 없이 끝났고 지게차 충전 관련 규제를 풀기 위한 작업이 시작됐으나 워낙 조심스럽다 보니 도입시기가 예상보다 2~3배 더 늦춰질 것으로 보인다”라고 밝혔다.


이어 “현재 수소굴착기 개발의 일환으로 수소충전소에 대한 규제샌드박스를 신청하고 있는데 그것이 건설기계에 대한 것이 아니라 제품 하나하나에 대한 샌드박스”라며 “그래서 계속 제품을 추가하다 보니 해당 샌드박스를 추진한 지 1년 반 정도가 지났음에도 아직도 완료되지 않았다. 그래서 완료되기까지 상당한 시간이 소요될 것으로 보인다”고 덧붙였다.


한 기업 관계자는 “플러그파워로부터 파워팩을 공급받아 시제품을 테스트하려고 준비했으나 지금 모든 것들이 막혀 있다”라며 “플러그파워의 파워팩은 국제표준을 받아 상용화된 제품인데 국내에는 테스트용으로도 들여올 수 없는 실정이어서 우리뿐만 아니라 플러그파워도 답답해하고 있다”고 했다.


다른 기업 관계자는 “국가적인 차원에서 저변이 확대돼야 하는데 제품을 만들어놓고도 테스트를 못해서 관련 데이터를 볼 수 없다”라며 “그래서 누구든 제품을 평가할 수 있는 플랫폼이 조속히 마련돼야 한다”고 운을 뗐다.


이어 “건설기계는 인프라 기반 사업이어서 제품만 가지고는 절대 성공할 수 없는 분야”라며 “그래서 여러 기업에서 관심을 두지만, 기반을 갖추기까지 굉장히 오래 걸리기 때문에 제품을 상용화하지 못할 수 있다는 생각이 지배적”이라고 덧붙였다.


또 다른 기업 관계자는 “기업은 기술을 개발하기 위해서 돈을 먼저 투입한다. 그런데 허가받기까지 많은 시간이 소요되다 보니 많은 돈을 투입해놓고도 허가가 나올 때까지 아무것도 못하는 경우가 많다”라며 “그래서 시간을 조금이라도 단축할 수 있도록 필요한 절차와 서류가 무엇인지 바로 알 수 있는 플랫폼이 필요하다”고 밝혔다.


자유토론 좌장을 맡은 유상석 충남대학교 교수는 “수소건설기계의 경우 규제가 기술개발 속도를 따라가지 못하는 부분들이 가장 큰 쟁점이 되고 있다”며 “이에 대한 의견들을 모아 정부를 설득할 수 있는 목소리를 내면서 관련 협의를 해나가야 한다”는 의견을 냈다.





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