2022.09.24 (토)

TREND

연료전지-배터리 조합 ‘하이브리드 수소전기버스’가 뜬다

메르세데스-벤츠 전기버스에 도요타 연료전지모듈 적용
버스운송사업자, 연료전지 배터리 접목한 ‘하이브리드’ 선호
‘주행거리 연장형’ 하이브리드 수소전기버스, 경쟁력 높아
시장은 ‘최고’보다 ‘최적’의 시스템 원해…350bar 충전도 고려해야

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[월간수소경제 성재경 기자] 내연기관, 배터리 전기모터의 조합으로 구성된 ‘하이브리드’ 차량의 인기가 여전하다. 높은 연비로 유류비 부담이 적고 기존의 주유소를 그대로 이용할 수 있는 편리함 때문이다. 


하이브리드(hybrid)는 ‘이종 결합’을 뜻한다. 서로 다른 기술의 장점을 취해 약점을 보완한 차량이라 할 수 있다. 전기차의 약점은 긴 충전시간에 있다. 이 약점은 승용보다 상용에서 더 두드러진다.


다임러버스는 최근 자사의 전기버스 브랜드인 ‘메르세데스-벤츠 eCitaro’에 도요타의 연료전지모듈(TFCM)을 적용하기로 했다. 흥미로운 것은 여기에는 60kW급 2세대 플랫형 모듈인 TFCM2-F-60을 넣기로 했다는 점이다. 연료전지의 두께가 얇아 배터리, 수소탱크와 함께 기존 전기버스에 쉽게 통합할 수 있다. 

 

 

메르세데스-벤츠 eCitaro에는 ‘레인지 익스텐더(Range Extender, 주행거리 연장형)’라는 말이 붙는다. 연료전지를 장착해 1회 충전으로 일반버스는 약 400km, 굴절버스는 최대 350km로 주행거리가 크게 늘어나기 때문이다. 이는 도심 주행에서 큰 이점이라 할 수 있다.


다임러버스는 다임러트럭 AG에 속해 있다. 다임러트럭은 다임러 AG가 승용과 상용 부문을 분리하기로 결정하면서 지난해 12월에 독립회사가 됐다. 다임러의 전신인 ‘다임러-벤츠’가 1926년에 설립된 지 근 100년 만에 홀로서기를 한 셈이다. 


다임러트럭은 탄소중립을 목표로 한 전동화에 사활을 걸고 있다. 2025년까지 배터리전기차(BEV)와 수소전기차(FCEV) 개발에 집중, 오는 2030년까지 차량 판매대수의 60%에 전동화를 적용할 방침이다. 

 


이번 계약으로 도요타자동차 유럽은 최적의 효율성, 전력, 서비스 수명을 보장하기 위해 연료전지시스템의 전체 설계와 모듈 통합기술을 다임러버스에 지원하게 된다. 다임러트럭은 지난해 3월 볼보그룹과 연료전지 합작사인 셀센트릭(Cellcentric)을 설립하고 연구개발에 집중하고 있다. 


후발주자인 셀센트릭이 글로벌 수준의 연료전지 기술력을 갖추려면 시간이 필요해 보인다. 도요타의 앞선 기술을 통해 상용화에 나서면서 기술력을 높여가는 계기로 삼겠다는 포석으로 읽힌다. 
 
발라드, 두산퓨얼셀 손잡고 국내 시장 진출 모색
배터리와 연료전지의 하이브리드 조합은 이미 중국의 버스 시장에서 하나의 트렌드로 자리를 잡았다. 


중국은 상용차 시장을 중심으로 ‘수소 굴기’에 집중해왔다. 배터리가 차량에서 차지하는 부피와 무게, 효율을 따져봤을 때 전기차는 승용, 수소차는 상용에 적합하다는 점을 일찍이 간파했다. 시장의 간섭 없이 파이를 키우기 위해 전기버스와 트럭에 연료전지를 접목하면서 수소전기차 기술을 발전시켜왔다.


중국의 수소버스는 말 그대로 ‘하이브리드 수소전기버스’다. 현대차나 도요타처럼 넥쏘나 미라이에 들어가는 연료전지(2개가 들어간다) 중심의 파워팩이 아니라, 이보다 낮은 출력의 연료전지를 하나만 써서 차량 운행 시 배터리에 전기를 충전하는 용도로 활용한다. 앞서 말한 ‘주행거리 연장형’ 하이브리드 전기버스인 셈이다.


중국은 디젤엔진 업체인 웨이차이파워(51% 지분), 캐나다 연료전지 전문기업인 ‘발라드파워시스템즈(이하 발라드, 49% 지분)의 합작사인 ‘웨이차이 발라드’를 통해 버스와 트럭 같은 상용차에 들어가는 연료전지 스택과 모듈을 생산하고 있다. 지난 2019년 산둥성에 연료전지 공장을 짓고 이듬해 초부터 공장을 가동해왔다.


참고로 도요타도 2020년 6월에 베이징자동차, 제일자동차(FAW), 베이징 시노하이텍(SinoHytec), 둥펑, 광저우자동차(GAC) 등 중국을 대표하는 5개 자동차 기업과 연구개발 법인을 세우고 상용차용 연료전지시스템 개발을 지속해오고 있다. 

 


중국의 수소버스용 연료전지는 발라드와 깊은 관련이 있다. 발라드는 지난 2019년에 8세대에 해당하는 70kW급 FCmove-HD 모듈을 출시했다. 이 제품은 유럽의 버스·무궤도전차 제조업체인 솔라리스 버스앤코치(Solaris Bus & Coach)에서 생산하는 ‘우르비노 12’ 수소전기버스에도 들어간다. 천장 상부에 타입4 탄소복합소재 탱크 5개를 설치해 350bar의 압력으로 37kg 정도의 수소를 저장한다.


발라드는 타타모터스가 인도의 국영석유회사(IOCL)와 진행하는 수소전기버스 실증에도 70kW급 연료전지모듈을 제공한다. 또 영국의 연료전지시스템 통합업체인 아르콜라 에너지(Arcola Energy)를 4,000만 달러에 인수하면서 영국 내 수소전기상용차 시장의 입지를 키워가고 있다. 


발라드는 두산퓨얼셀과 손을 잡고 국내 시장에도 진출할 계획이다. 발라드는 지난 4월 두산퓨얼셀, 두산퓨얼셀의 미국 내 자회사인 하이엑시엄(HyAxiom)과 모빌리티용 연료전지시스템 개발과 양산, 수소버스 판매, 수소·전기 충전소 공급 등에 협력하는 양해각서를 체결했다. 


두산퓨얼셀은 발라드의 연료전지를 기반으로 내년에는 수소버스 시범사업에 나선다는 계획이다. 또 향후 2년 안에 하이엑시엄이 개발한 모빌리티용 수소연료전지를 탑재한 버스를 국내에 출시하겠다는 목표를 세워두고 있다. 이 버스는 주행거리 연장형 하이브리드 수소전기버스일 가능성이 높다.
 
도심 운행에 하이브리드 수소전기버스가 최적
셀을 쌓아 만드는 연료전지의 특성상 모듈화를 적용할 수밖에 없다. 대면적화를 통해 무작정 출력을 크게 높일 경우 스택의 내구성을 확보하기가 어렵고, 셀에 하나라도 문제가 생기면 연료전지모듈 전체를 바꿔야 해서 큰 비용이 든다. 


트럭에 비해 비교적 낮은 출력이 요구되는 버스는 연료전지와 궁합이 잘 맞는다. 주행거리 연장형으로 60kW나 70kW급 연료전지 하나를 배터리와 조합할 경우 배터리의 성능을 유지하면서 안정적으로 시스템을 운영할 수 있다. 휴대폰 배터리만 해도 방전 없이 자주 충전을 해주는 편이 성능 유지에 도움이 된다. 


버스운송사업자의 생각도 다르지 않다. 도심의 지선버스를 운행하는 데도 연료전지를 접목한 하이브리드 버스가 전기버스보다 유리하다고 한다. 서울버스 조준서 대표의 말을 들어보자.


“충전비용, 충전시간, 운영효율 등을 고려했을 때 최적의 조합은 연료전지와 배터리를 접목한 수소전기버스라 할 수 있죠. 야간에 심야전기로 완속충전을 하고, 하루에 한 번 350bar로 수소를 충전하는 형태가 가장 효율적입니다. 그래야 수소충전 시간을 CNG(압축천연가스)버스처럼 10분 안에 끊을 수 있죠. 버스기사 분들이 고비용의 전문직 종자사예요. 이런 분들이 충전에 30분씩 시간을 허비하게 해선 곤란하죠. 고압을 쓰지 않기 때문에 압축설비의 운영이나 내구성에도 큰 도움이 됩니다. 제가 350bar 충전을 고집하는 데는 이런 배경이 있죠.”

 


버스 전용이 아닌 일반 수소충전소에서 700bar 고압으로 완충을 하려면 넉넉잡아 30분 정도 시간이 걸린다. 시간당 두 대 꼴이다. 충전소에 대기 차량이 있거나, 충전설비 고장으로 다른 충전소를 이용하게 되면 그 시간은 갑절로 늘어난다. 전기버스에 대한 생각도 확고하다.


“350kW급 전기버스 104대를 돌린다고 가정하고 계산을 해본 적이 있어요. 자정부터 새벽 5시까지 심야전력으로 충전을 한다고 했을 때 시간당 무려 5MW의 전력이 필요합니다. 차고지에 이만한 충전설비를 갖출 사업자가 있을까요? 저는 그럴 여력이 없다고 봅니다.”


인천국제공항공사 에너지관리팀의 담당자도 비슷한 말을 했다. 공사는 3년마다 업무용 차량을 업체와 계약해서 운영한다. 인천국제공항공항은 지난해 1월 전 차량을 친환경차로 교체하면서 수소차, 전기차의 비율을 2대 1로 갔다. 


“전기차 100대용으로 급속충전기 30기를 설치하는 데 3MW가 필요하다는 계산이 나와요. 그러자면 메가와트 단위의 변압설비가 필요하죠. 충전기 설치 공간도 확보해야 하고 시설관리 문제도 고려해야 했어요. 저탄소 친환경 국제공항 구현이라는 목적에 맞게 충전과 에너지 효율을 따져 차량을 배분했다고 보시면 됩니다. 수소차(넥쏘) 84대, 전기차 40대를 들여오는 걸로 최종 계약을 맺었죠.”


친환경차 보급의 핵심은 충전 인프라에 있다. 이 둘은 하나로 묶여서 간다. 수소는 전주기 산업이다 보니 수요처가 없으면 생산부터 꽉 막힌다. 정부와 기업에서 수소충전소 구축에 열을 내는 것도 이런 이유다. 매일 주기적으로 일정 노선을 오가며 수소를 대량으로 소비한다는 점에서 버스의 역할이 크다. 


인천국제공항 인근에 T1, T2 수소충전소가 차례로 들어서면서 충전 인프라를 확보했다. 1터미널과 2터미널을 오가는 순환버스 7대를 수소버스로 교체할 수 있었던 것도 그 덕분이다. 물론 인천국제공항공사에서 구입한 차량은 넥쏘 연료전지 2개가 들어간 현대차의 일렉시티 수소버스다.

 


현대차에서 수소버스를 내놨지만, 차종이 하나라 선택지가 없다. 버스운송사업자나 국내 전기버스 제작사들이 답답해하는 지점이 여기에 있다. 


버스의 차령은 9년이다. 서울의 시내버스는 통상 2교대로 하루에 200~300km를 운행한다. 현대차의 양산형 일렉시티 수소전기버스는 1회 충전으로 450km를 달릴 수 있다. 고사양의 수소버스를 비싼 값에 도입하려니 엄두가 안 나고, 수소전기버스를 자체 기술로 개발하자니 기술의 문턱이 너무 높다.  


지난해 울산에서 관련 프로젝트가 시작되긴 했다. 엔지브이아이(연료전지시스템, 수소저장시스템), 에이팸(와이어링 하네스), 케이에이알(자율주행), 성산브이씨씨(통합 소프트웨어) 같은 울산지역 업체가 참여하는 ‘수소전기 하이브리드 버스 개발사업’이 그것이다. 서울버스도 여기에 수요기업으로 참여하고 있다. 


파워팩의 사양은 이렇다. 캐나다 루프에너지 사의 90kW급 이플로우(eFLOW) 연료전지 하나가 들어간다. 나머지 배터리(80kWh), 수소탱크(타입4 용기 5개)는 현대차의 일렉시티 수소버스와 동일하다고 보면 된다. 350bar로 수소를 충전해서 버스를 운영하게 된다. 
 
시장은 ‘최고’보다 ‘최적’의 시스템을 원한다
테슬라의 창업자인 일론 머스크는 최근 한 언론사와의 화상대담에서 수소연료 사용을 두고 비판의 목소리를 냈다. 핵심은 두 가지다. 수소를 에너지 저장 수단으로 활용하는 데 많은 에너지가 들고, 이 수소를 액체 형태로 저장해서 사용하는 데 더 큰 에너지가 든다는 점이다.


비판의 수위는 과거보다 낮아졌다. 그는 수소차에 들어가는 연료전지(Fuel Cells)를 두고 ‘Fool Cells’라고 비꼰 적이 있다. 비판의 초점도 수소차보다는 수소의 생산과 저장에 있다. 이는 수소에너지 전환에 나서고 있는 글로벌 시장의 움직임에 대한 경계의 의미로 해석될 수 있다. 


미국 캘리포니아에 본사를 둔 프로테라(Proterra)란 회사가 있다. ‘버스업계의 테슬라’라 불리는 북미 1위의 전기버스 제조사로 지난 2004년에 창업했다. 수소전기트럭 개발사인 니콜라가 올해 출시할 계획인 트레(Tre) 전기트럭 프로토타입에도 프로테라의 배터리 기술이 적용된다. 


프로테라는 현재 판매 중인 ZX5 전기버스에 738kWh의 배터리를 올려 주행거리를 480km까지 늘렸다. 1회 충전으로 하루 동안 운행할 수 있다는 점을 강점으로 내세우고 있다. 


하지만 충전설비 구축에 드는 비용, 차량의 가격, 충전시간에 따른 운영 효율성, 차량의 중량과 연비의 관계 등을 수소버스 또는 하이브리드 수소전기버스와 꼼꼼히 따져볼 필요가 있다. 또 수소 차량에 요구되는 안전성만큼이나 배터리 충전 시 화재에 대한 우려가 있는 것도 사실이다. 

 


결국 검증의 시간이 필요하다. 처음에는 기술을 선도하는 제조사의 목소리가 크겠지만, 종국에는 시장의 실수요자인 운송사업자의 요구를 만족시키는 업체가 살아남기 마련이다.


시장은 경제성에 따라 움직인다. 니콜라가 프로테라의 숙련된 배터리 기술을 필요로 하듯, 프로테라가 자사의 전기버스에 연료전지 파워팩을 접목하지 말란 법도 없다. 수소전기차 기술을 확보하려면 배터리, 전기모터가 적용된 전동화 기술을 자유자재로 다룰 수 있어야 한다. 중국이 전기차 기술을 기반으로 수소전기차 개발에 나선 것만 봐도 알 수가 있다. 


수소충전소 구축에 큰 편견이 없는 지자체를 중심으로 수소버스 운행 대수가 조금씩 늘고 있다. 창원에서는 전국 최초로 버스노선과 연계한 버스 전용 가포수소충전소가 개장했다. 


린데, 에어리퀴드, 넬 같은 글로벌 업체들이 수소충전소 구축과 설비에 앞선 기술력을 갖추고 있지만, 실제로 이들 국가에서 하루에 40대가 넘는 차량을 700bar 충전으로 소화한 적이 없다. 글로벌 기업들이 한국을 테스트베드 삼아 수소사업에 도전적으로 나서는 데는 이런 배경이 있다. 


이는 우리 기업도 마찬가지다. 프로테라의 전기버스에 LG에너지솔루션의 배터리가 들어간다는 점을 상기해야 한다. 최종단에서 완성품을 내놓는 업체들은 성능과 가격, 내구성이 뛰어난 소재와 부품을 원한다. 또 자국의 자동차산업을 발전시키거나 자사의 약점을 보완하기 위해 기꺼이 경쟁사와 손을 잡는다.


일본의 도요타와 이스즈도 여기에 든다. 이스즈는 지난 2006년 소형 디젤엔진의 공동개발을 위해 도요타와 제휴를 맺고 주주로 맞아들였다. 그러다 2018년 8월에 자본제휴를 청산했다. 그러다 지난해 3월, 이스즈는 도요타, 히노와 다시 손을 잡았다. 


3사는 지난해 차세대 상용차 제작을 위해 4,500억 원 규모의 합작사를 세웠다. 3사는 미래차 핵심기술로 ‘CASE’를 꼽았다. 이는 연결(Connected), 자율주행(Autonomous), 공유(Shared), 전동화(Electric)를 의미한다.


이스즈는 지난 2월 도요타의 상용차 자회사인 히노와 세운 합작사인 제이버스(J Bus) 브랜드를 통해 2024년까지 저상형 전기버스를 출시한다는 계획을 밝혔다. 3사는 전기버스·수소버스 제작 경험을 공유하고 동일한 섀시와 부품을 써서 친환경버스 제작비를 크게 낮춰갈 방침이다. 


도요타가 현대차의 일렉시티에 해당하는 소라(SORA)버스를 출시하고, 이스즈는 도요타의 플랫형 모듈을 적용한 하이브리드 수소전기버스를 출시해 시장의 간섭을 피하는 것도 예상해볼 수 있는 시나리오 중 하나다. 

 


그에 반해 국내 중소 전기버스 제조사들은 잠잠하다. 우진산전, 자일대우상용차는 수소버스 개발 소식이 없다. 그나마 에디슨모터스가 수소전기버스 개발을 진행해왔지만, 쌍용차 인수 건이 틀어지면서 분위기가 좋지 않다. 


에디슨모터스의 담당자는 지난 2월호 인터뷰에서 “2020년부터 현대차 측과 수차례 실무협의를 진행해 현대차가 개발한 95kW급 연료전지시스템 공급을 타진했지만 성사되지 않았다”고 말했다. “현대차가 제안한 공급가격과 조건으로는 시장 경쟁력을 확보할 수 없고, 기술 노하우도 전수받을 수 없어 협의를 계속 진행하기 어렵다는 내부 결론을 내렸다”고 했다.


에디슨모터스는 플러그파워의 125kW 프로젠(ProGen) 연료전지시스템을 장착한 수소전기버스를 올해 하반기까지 개발할 방침이다. 이 계획의 실현 여부를 담담히 지켜볼 필요가 있다.


현대차는 그동안 완성차 중심의 수소차 사업을 전개해왔다. 수소연료전지시스템 브랜드인 ‘HTWO(에이치투)’를 만들기는 했지만, 다양한 수소모빌리티 제품 라인업을 갖췄다고 보기가 어렵다.


수소버스에는 넥쏘용 연료전지 2개가 들어간다. 현대차도 답답한 노릇이다. 연료전지와 수소차 개발에 들인 투자비를 생각하면 차량을 많이 팔아야 하는데, 주민 수용성 문제로 수소충전소 구축이 예상보다 더뎌지면서 차량 보급이 정체됐다.


발전용으로 PEM 연료전지를 판매하는 전략도 경쟁 상대인 SOFC의 높은 전기효율을 생각하면 한계가 분명하다.


현대차는 풀어야 할 숙제가 많다. 도요타와의 연료전지 기술 격차를 줄이기 위한 노력을 경주하면서 모빌리티용 연료전지 개발에도 나서야 한다. 이 매듭이 푸는 데 ‘하이브리드 수소전기버스’가 실마리가 될 수 있다.


시장이 원하는 제품이 꼭 최고의 기술력을 갖출 필요는 없다. 메이저리그에는 놀란 라이언 같은 강속구 투수도 있지만, 그렉 매덕스 같은 기교파 투수도 있다. 시장은 ‘최고’보다 ‘최적’의 시스템을 원할 때가 많다. 하이브리드가 오래 살아남는 이유이다.





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