에너지
수소 차량이 미래 교통 수단을 대표할 수 있다 – 안전 우려가 있을까?
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수소 차량 또는 수소 연료전지 차량은 2015년 이후 현상으로 떠올랐습니다. 수소 차량의 미래를 예측하기엔 아직 이르지만, 이에 대한 관심이 뚜렷하면서도 변동이 있다는 점은 부인할 수 없습니다.
2022년에서 2023년 사이, 수소 연료전지 전기 차량의 수는 20,704대에서 14,451대로 감소했습니다. 연간 감소만으로는 소비자들의 수소 차량에 대한 관심 추세를 확정하기엔 부족합니다. 그러나 양쪽에서 논의가 있습니다. 수소 차량에는 많은 장점이 있지만, 수소 차량의 안전성에 대한 논의도 많습니다. 다음 섹션에서는 수소 차량의 이러한 양측 측면을 살펴보겠습니다.
수소 차량의 독특함
전기차임에도 불구하고 수소 차량은 내장 배터리가 필요하지 않습니다. 차량에 전력 플랜트가 탑재되어 연료 탱크의 수소를 전기로 변환할 수 있습니다. 수소 자동차는 현지 배출가스 없이 주행합니다.
하지만 지금까지 제공할 수 있는 가장 큰 장점은 짧은 충전 시간입니다. 다른 전기차와 달리 수소 차량의 충전은 차량 모델이나 인프라에 좌우되지 않습니다. 배터리 저장 용량이 길고, 주행 거리는 외부 온도에 영향을 받지 않아 추운 날씨에서의 성능 저하가 없습니다.
수소는 재생 에너지를 저장하고 운송하는 매우 효율적인 방법이기도 하며, 이를 채택하면 장기적으로 비용 절감에 도움이 됩니다.
이점이 모두에게 제공되는 반면, 일부 연구에서는 위험 및 손상 가능성도 지적합니다. 오늘은 TU Graz 팀이 터널 내 수소 차량의 위험 및 손상 가능성을 분석한 사례를 구체적으로 살펴보겠습니다. 연구에서는 몇 가지 권고 사항도 제시했습니다.
수소 차량의 위험 및 손상 가능성: 위험 최소화 방법
HyTRA 프로젝트 하에, 그라츠 공과대학은 위험할 수 있는 여러 측면을 조사했습니다. 연구는 가능한 사고 유형, 사람에 대한 위험, 터널 구조를 평가하고 이러한 위험을 최소화하기 위한 조치를 권고했습니다.
연구자들은 터널 내 수소 차량 사고 발생 확률이 낮다고 판단했지만, 수소의 높은 에너지 밀도와 상당한 저장 압력으로 인해 수소 연료전지 차량은 광범위한 손상을 초래할 수 있는 중대한 위험을 가지고 있습니다.
차량 탱크에 700바 압력으로 수소를 저장하면 대량의 에너지가 급격히 방출될 수 있습니다. 점화될 경우 수소는 2,000도 이상의 온도로 연소될 수 있습니다. 제조업체는 연료 탱크를 견고하고 기계적 충격에 잘 견디도록 설계하지만, 대형 트럭과의 후방 충돌과 같은 상황에서는 한계가 있습니다.
이러한 충돌의 결과로 발생할 수 있는 위험 시나리오는 크게 세 가지가 있습니다.
첫 번째 경우, 열압력완화장치(TPRD)는 열 충격으로 압력이 상승하면 작동하여 탱크에서 수소를 제어된 제트 형태로 방출할 수 있습니다. 이 메커니즘은 압력을 안전 수준으로 유지해 탱크 파열을 방지합니다. 그러나 방출된 수소가 공기와 섞여 점화되면 위험이 발생할 수 있습니다. 그럼에도 위험 구역은 제한된 범위에 머무릅니다.
열압력완화장치가 고장 나면 상황이 악화되어 탱크가 폭발할 수 있습니다. 발생하는 폭풍파는 전체 통로에 퍼질 수 있습니다. 사망 위험은 약 30미터까지, 심각한 내부 부상 위험은 300미터까지 확장됩니다. 더 멀리서는 고막 파열 위험도 존재합니다.
세 번째 시나리오는 가장 가능성이 낮으며, 수소가 먼저 점화 없이 방출됩니다. 주기율표에서 가장 가벼운 원소인 수소는 상승하여 터널 천장 아래에 구름 형태로 축적됩니다. 뜨거운 램프나 전기 충격과 같은 점화원이 존재하면 수소 구름 폭발을 일으켜 강력한 폭풍파를 생성할 수 있습니다.
위험 시나리오 조사팀은 다양한 완화 전략을 제시했습니다. 팀은 구간 제어를 통해 모니터링되는 보다 엄격한 속도 제한을 시행할 것을 제안했습니다. 또한 운전자가 과도하게 근접했을 때 경고하는 강력한 신호 체계에 기반한 정밀 거리 제어 전략을 권고했습니다.
수소 차량의 위험 및 손상 가능성을 논의하면서, TU Graz 팀은 이들이 작동하는 맥락과 위험·손상 가능성을 어떻게 측정하는지도 언급했습니다.
“현대 수소 탱크는 매우 안전하게 설계되어 수소가 새어나오기 위해서는 많은 것이 잘못되어야 합니다.”
– 다니엘 프루히르트, TU Graz 열역학 및 지속 가능한 추진 시스템 연구소
수소 차량을 향한 추진
연구자들은 향후 몇 년간 수소 차량 채택이 크게 증가할 것으로 예측합니다. 산업 연구자와 분석가들은 전 세계 수소 차량 수가 2022년 약 60,000대에서 2027년에는 100만 대를 초과할 것으로 추정하며, 이는 1,500% 이상의 급증을 의미합니다. 소비자 시장이 수소 차량 분야의 주요 부문이 될 것으로 예상되며, 2027년까지 60% 이상을 차지할 것입니다.
연료전지 차량을 촉진하는 정부 이니셔티브가 있습니다. 예를 들어, 에너지부 산하 에너지 효율 및 재생 에너지 사무국은 2013년에 H2USA를 출범시켰습니다. 공식 성명에서 정부 당국은 H2USA의 사명에 대해 다음과 같이 언급했습니다:
“H2USA의 사명은 미국 전역에 연료전지 전기 차량의 도입과 광범위한 채택을 촉진하는 것입니다. 회원에는 연방 기관, 연료전지 무역 협회, 자동차 제조업체, 수소 공급업체, 연료전지 개발자, 국립 연구소 및 기타 이해관계자가 포함됩니다. 이 협력은 특히 독일, 일본, 영국과 같은 수소에 중점을 둔 다른 국가들의 공공‑민간 협력과 유사한 플랫폼을 미국에 제공합니다.”
보도에 따르면, H2USA는 현재 30명 이상의 참여자를 보유하고 있습니다.
정부 이니셔티브 외에도, 수소 연료전지 차량에 대한 잠재 소비자들의 관심과 신뢰를 구축하는 데 도움이 되는 성능 향상 연구가 다수 진행 중입니다.
예를 들어, 하버드와 인천국제대학교 연구팀이 수행한 최근 연구는 내구성과 수명이 모두 높은 연료전지를 구축하는 접근법을 고안했습니다. 이 연구는 Nafion과 퍼플루오로폴리이터(PFPE)의 상호 침투 네트워크로 구성된 피로‑저항 전해질 막을 개발하는 데 초점을 맞추었습니다. 팀은 ‘내구성/수명에 대한 놀라운 향상’에 대한 대가로 연료전지 성능이 약간 저하된다고 언급했습니다.
제조업체들에게 특히 고무적인 또 다른 흥미로운 발전은 고갈된 유정에 특수 효소를 도입하는 것입니다. 이러한 효소는 남아 있는 탄화수소를 수소를 포함한 다양한 성분으로 분해합니다. 이 진보는 전 세계 수많은 고갈되고 폐기된 유정이 깊은 곳에서 보다 지속 가능한 연료인 수소의 원천으로 변모할 수 있게 할 것입니다.
수소 차량에 대한 추진은 미래를 위한 보다 지속 가능한 교통 대안을 창출한다는 비전과 일치하며, 전기차(EV)보다 더 지속 가능할 수도 있습니다. 이는 전기차가 완전한 지속 가능성을 달성하지 못하고, 배출량이 전력 생산 방식에 따라 달라지기 때문입니다.
많은 기업이 수소 차량 솔루션을 개발하고 있으며, 정부와 교통 당국이 향후 EV보다 수소 차량을 점점 더 선호할 것으로 예상하고 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 기업 몇 곳을 논의합니다.
#1. General Motors의 Ultium 플랫폼 및 HYDROTEC 연료전지 파워 큐브
GM의 Hydrotec 연료전지 기술은 육상, 항공 및 해양 적용을 위한 저렴한 연료전지 전력 솔루션이라고 주장합니다. 2021년, Wabtec Corporation(NYSE: WAB)과 General Motors (GM ) (NYSE: GM)는 Wabtec 기관차용 GM의 Ultium 배터리 기술 및 HYDROTEC 수소 연료전지 시스템을 개발·상용화하기 위해 협력한다고 발표했습니다.
GM 솔루션이 Wabtec에 제공할 가치에 대해 이야기하면서, Wabtec의 CEO 겸 사장인 Rafael Santana는 다음과 같이 말했습니다:
“우리의 FLXdrive 기관차는 세계 최초의 100% 배터리 구동 기관차로, 6 MWh에서 운행 시 탄소 배출량을 최대 30%까지 감소시킬 수 있는 잠재력을 입증했습니다. 하지만 여기서 멈출 수 없습니다. GM과 Ultium 배터리 및 HYDROTEC 수소 연료전지 기술을 협력함으로써, 이 두 중요한 추진 기술을 활용해 철도 산업의 탈탄소화와 무배출 기관차로의 전환을 가속화할 수 있습니다.”
GM의 Hydrotec 솔루션은 기관차를 포함한 다양한 적용 분야에 적합한 컴팩트하고 손쉽게 패키징할 수 있는 연료전지 파워 큐브를 제공합니다. Ultium은 철도에 필요한 유연성, 효율성, 전력 및 신뢰성을 더하는 배터리 기술입니다.
2021년, General Motors는 Liebherr‑Aerospace와 협력해 항공기를 위한 수소 연료전지 발전 시연 시스템을 개발했습니다. 그 다음 해, GM은 Hydrotec 솔루션으로 차량 및 자동차 운송 영역을 넘어서는 결정을 내렸습니다.
회사는 GM의 Generation 2 HYDROTEC 연료전지 파워 큐브를 기반으로 한 다수의 HYDROTEC 전력 발전기를 개발할 계획을 발표했습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:
- 영구 충전소를 설치하지 않고도 전기차에 빠른 충전 기능을 제공하는 모바일 전력 발전기(MPG).
- 소매 연료 스테이션이 전력망을 확장하지 않고도 저렴한 DC 급속 충전을 추가할 수 있게 하는 EMPOWER 급속 충전기.
- 군사 캠프와 시설에 조용하고 효율적으로 전력을 공급하는 팔레트형 MPG.
GM 가격 차트
2023 회계연도, GM은 매출 1,718억 달러를 기록했으며, 주주에게 귀속된 순이익은 100억 달러를 초과하고 EBIT 조정액은 120억 달러였습니다.
#2. Cellcentric: 다임러와 볼보의 50‑50 협업
Cellcentric은 Volvo Group과 Daimler Truck (DTG.DE ) AG가 50:50으로 공동 설립한 합작 기업으로, 2050년까지 중립적이고 지속 가능한 교통 수단 도입이라는 세계 목표 달성을 돕는 선도적인 글로벌 연료전지 제조업체가 되는 것을 목표로 합니다.
2024년 5월, Cellcentric은 유럽 및 북미 장거리 트럭용으로 맞춤화된 NextGen 연료전지 시스템을 발표했습니다. 이 시스템은 고도로 통합되고 컴팩트하며 경량화된 단일 시스템 패키지 솔루션으로, 최대 성능 시 350kW 이상의 전력을 제공할 수 있습니다.
Cellcentric의 추정에 따르면, 이 솔루션은 BZA150 세대에 비해 연료 소비를 20% 절감할 것으로 예상됩니다. NextGen 시스템은 현재 세대에 비해 전력 밀도가 30% 증가하고, 피크 부하 시 폐열이 40% 감소하는데, 이는 정교한 시스템 설계와 최적 성능 덕분입니다. 또한 이 솔루션은 냉각 요구량을 낮춰 제품 적합성을 향상시킵니다.
2023 전체 연도, Volvo는 순매출을 약 800억 SEK에서 5,530억 SEK로, 조정 영업이익을 776억 SEK(50.5)로 증가시켰으며, 조정 영업 마진은 14.0%(10.7)였습니다. Daimler Group의 매출은 2023년에 10% 증가하여 사상 최고 수준인 559억 유로에 달했습니다.
수소 연료전지 차량의 미래
전반적으로, 지속 가능한 교통 솔루션에 대한 전 세계적인 수요가 급증하고 있어 수소 차량의 미래는 유망해 보입니다. 그러나 보다 효율적이고 안전하게 만들기 위해서는 제조업체와 기술 연구자들이 셀 스택, 연료 충전구, 연료 탱크, 컨트롤러, 열 시스템 등 수소 연료전지 전기차의 모든 측면을 개선해야 합니다.
이 차량들은 즉각적인 토크와 부드럽고 일관된 전력, 낮은 유지보수 요구사항, 빠른 재충전, 무배출 등 여러 장점을 제공합니다. 그러나 제조업체는 비용 측면에서도 더 많은 노력이 필요합니다.
연료전지 자동차의 구매 비용은 동등한 크기의 기존 자동차보다 높을 수 있습니다. 그러나 선진 경제권에서는 캘리포니아의 청정 차량 리베이트 프로그램에서 제공하는 $4,500(소득 자격 구매자는 $7,500) 등 여러 인센티브가 존재합니다. 이러한 인센티브는 단기적으로 채택과 인지도를 높일 수 있지만, 장기적인 성공은 제공되는 안전 및 성능 기준에 의해 좌우될 것입니다.
