휴대용 수소 카트리지가 FCEV의 매력을 강조한다

전기차(EV)는 현재 대세이다. 전기차의 인기도와 채택이 전 세계적으로 급격히 증가함에 따라, 10년이 끝나기 전에 $1,084 billion의 시장 규모가 예상된다.

2021년은 EV 판매량이 2020년 대비 두 배가 되어 6.75 million대가 되었고, 2022년에는 1천만 대를 넘어섰다. 한편, EV의 연간 판매량은 2029년까지 18.84 million대에 이를 것으로 예상된다.

EV는 기존의 가솔린 엔진을 사용하는 내연기관과 달리 전기 모터와 충전식 배터리를 사용해 움직인다.

실제로 여러 종류가 있다: 배터리 EV는 완전히 충전식 배터리 팩으로만 구동되며; 플러그인 하이브리드 EV는 전통적인 가솔린 엔진과 외부 전원에서 충전 가능한 전기 모터를 모두 사용한다; 하이브리드 EV는 배터리 구동 모터와 내연기관을 모두 갖추고 있으며, 연료전지 EV는 수소를 이용해 전기 모터에 전력을 공급한다.

모든 EV와 마찬가지로 연료전지 전기차(FCEV)도 전기 모터에 전력을 공급하기 위해 전기를 사용하지만, 배터리를 대신해 수소로 구동되는 연료전지를 통해 전기를 생산한다.

FCEV의 작동 원리는 연료전지에 두 개의 전극, 즉 음극(음전극)과 양극(양전극)이 존재한다는 것이다. 두 전극은 전해질을 사이에 두고 배치된다. 수소와 같은 연료가 음극에 공급되고, 공기가 양극에 공급된다.

음극에서는 촉매가 수소 분자를 전자와 양성자(프로톤)로 분해한다.

촉매는 화학 반응을 가속화하는 역할을 하며, 과학자들은 수소 연료전지 제작 비용을 낮출 수 있는 촉매를 찾고 있다. 가장 일반적인 촉매는 백금이며, 그 외에 니켈, 팔라듐, 철 등이 사용된다.

수소 연료전지에서는 전자가 외부 회로를 통해 전기를 생성하고, 양성자는 양극을 통과해 산소와 전자와 결합해 물과 열을 만든다. 이처럼 연료전지는 에너지를 저장하는 배터리와 달리 에너지를 변환하는 장치이다.

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수소 연료전지: 차량을 위한 지속 가능한 미래

연료전지는 기본적으로 수소와 같은 연료의 화학 에너지를 효율적이고 깨끗하게 전기로 변환한다. 수소는 가장 가벼운 원소로, 산소와 반응할 때 풍부한 에너지를 방출하고 물만을 생성한다.

이 눈에 보이지 않는 가스는 미래의 청정 연료로 주목받고 있다. 에너지, 운송, 산업 분야의 주요 기업들이 참여한 글로벌 이니셔티브인 Hydrogen Council는 수소가 미래 차량의 지속 가능한 동력원일 뿐만 아니라 열과 전기를 생산하는 청정 에너지 원이라고 보고 있다.

하지만 모든 수소가 청정한 것은 아니다. 제로 배출 “그린 수소”는 청정 전기를 사용해 물을 전기분해하여 수소와 산소로 분리하는 과정에서 생산된다.

청정 수소를 사용하면 연료전지는 낮은 배출량 또는 제로 배출을 달성하고 기후 문제 해결에 기여할 수 있다. 수소 연료전지는 유해 배출물을 전혀 배출하지 않기 때문에 독성 물질 취급 및 저장 비용을 없앨 수 있다. 또한 조용하게 작동하며, 건강 문제를 일으키는 대기 오염 물질도 배출하지 않는다.

연료전지는 배터리와 내연기관 발전기에 비해 배터리를 교체·충전·관리할 필요가 없어 비용을 절감한다. 간단한 유지보수와 현장 방문 횟수 감소는 운영 비용을 더욱 낮춘다.

전통적인 연소 기반 기술에 비해 연료전지는 더 높은 효율로 작동한다. 연료에 저장된 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환함으로써 높은 효율을 달성한다.

미국 에너지부에 따르면 수소 연료전지의 에너지 효율은 40%~60%이며, 일반 자동차 내연기관의 25%에 비해 높은 편이다.

또한 수소 자동차는 전기차와 유사한 주행 경험을 제공하며, 수소 탱크를 충전하는 데도 짧은 시간이 걸린다. 대용량 배터리를 탑재한 전기차와 비슷한 주행 거리도 제공한다. 이는 FCEV의 가용성과 유연성을 일반 자동차 수준으로 끌어올린다.

수소 연료전지에서 생산된 에너지는 드론, 상업용 차량, 산업·상업·주거용 건물 등 다양한 분야에 전력을 공급할 수 있다. 신뢰할 수 있는 청정 대체 에너지 원으로서 이 기술은 점점 더 많은 적용 사례를 보이고 있다.

연료전지 전기차(FCEV)에 대한 통계를 살펴보면, 2022년 전년 대비 40% 증가했으며 전 세계 도로에 72,000대 이상이 등록돼 있다고 국제 에너지 기구(IEA)의 2023년 글로벌 EV Outlook 보고서가 밝혔다.

하지만 2023년 전 세계 판매량은 30% 이상 급감했으며, 2023년에는 14,451대, 2022년에는 20,704대가 판매되었다. 이 급락은 한국에서 FCEV 판매가 55.2%까지 감소한 것이 주요 원인이다.

한편, 중국은 완만한 성장세를 보이며 세계 최대 FCEV 시장이 되었으며, 이는 한국 컨설팅 업체 SNE Research가 보고했다.

중국 정부는 실제로 다음 해까지 최소 1,200개의 수소 충전소를 건설할 계획이며, 이는 전기차 분야를 장악하고 있는 현재와 마찬가지로 선두를 유지하는 데 도움이 될 것이다. 중국은 전 세계 전기차의 약 2/3과 전기차 배터리의 3/4 이상을 생산한다.

유럽 수소 관측소는 2023년 독일이 가장 많은 FCEV 등록 대수와 차량을 보유했으며, 그 다음이 프랑스라고 보고했다.

As for the types of vehicles, passenger cars are the most registered FCEVs and have seen the highest increase in activity in recent years. FCEV buses and trucks are also becoming more common, with 464 buses and 215 trucks in 2023.

연료전지 전기차가 직면한 과제

The International Energy Agency believes that hydrogen will account for 16% of road transport in 2050.

인프라가 문제다. 수소는 특수 펌프를 통해 충전되기 때문이다. 예를 들어, 유럽 전체에 수소 충전소는 178개에 불과하고 그 절반이 독일에만 있다. 영국에는 약 9개의 수소 충전소가 있는 반면, 공공 충전소는 31,000곳에 달한다.

하지만 인프라는 서서히 확대되고 있다. 전기 충전소와 수소 충전소를 동시에 갖춘 인프라가 순수 전기 충전 인프라보다 비용이 저렴한 것으로 나타났다.

비용도 수소차 채택을 제한하는 요인이다. 현재 시장에 나와 있는 소수의 연료전지 차량은 배터리 전기차나 내연기관 차량보다 가격이 높다.

수소차가 더 비싼 이유 중 하나는 촉매 역할을 하는 백금 비용이다. 그러나 자동차용 연료전지에 필요한 귀금속 양은 크게 줄었으며, 과학자들은 비용 효율적인 대안을 찾고 있다.

연료 비용은 기존 내연차와 비슷하며, 전 세계적으로 수소 생산이 증가함에 따라 가격이 하락할 것으로 예상된다.

현재 많은 주요 자동차 기업이 수소가 배터리를 대체해 제로 배출을 달성하는 핵심 기술이 되기를 기대하고 있다.

BMW CEO 올리버 집스는 수소를 “배출 없는 이동성을 위한 퍼즐의 빠진 조각”이라고 부른 바 있다. 독일 제조사는 배터리 기술에 크게 투자하고 있지만, 토요타 연료전지를 사용한 BMW iX5 수소 연료전지 차량을 테스트하고 있다.

The auto manufacturer doesn’t see FCEV as a competitor to battery-powered e-cars; rather, it sees them as complementary.

“하나의 기술만으로는 전 세계 기후 중립 이동성을 실현하기에 충분하지 않을 것이다.”

– 집스는 지난해 이렇게 말했다

회사에 따르면, 수소 차량은 높은 유연성과 장거리 이동이 필요한 사람들에게 적합한 솔루션이 될 것이다. BMW는 또한 생산 및 물류 분야에서 수소 기술 활용을 검토하고 있다.

일본의 Toyota (TM ) 아키오 토요다 회장은 배터리 차량 비중이 30%에 이를 것으로 예상하면서, 나머지는 수소와 기존 내연기관이 차지할 것이라고 최근에 말했다.

이 주요 자동차 제조사는 미라이(Mirai)를 수소 구동 자동차로 대중에게 널리 제공하고 있다.

많은 관심과 개발에도 불구하고, FCEV가 직면한 또 다른 문제는 청정 수소에 대한 접근성이다. 토요타는 기술 책임자인 히로키 나카지마에 따르면, 현재까지 수소 자동차는 “연료 공급 부족”으로 성공적이지 못했다고 인정했다.

하지만 토요타가 교체 가능한 혁신적인 수소 연료전지 배터리를 공개하면서 상황이 바뀔 수 있다.

토요타의 돌파구: 휴대용 수소 카트리지

At the Japan Mobility Show Bizweek 2024, Toyota Motor Corp (TM ) displayed its portable hydrogen cartridges to the world, and the auto manufacturer aimed to change the world of FCEVs by providing swappable power for these vehicles.

출처: Toyota

이 행사는 10월 15일부터 10월 18일까지 일본 치바 현 마쿠하리 메세에서 열렸으며, 지속 가능한 미래를 목표로 하는 모빌리티 스타트업들이 참여했다. 토요타는 이 행사에서 탄소 중립과 관련된 기술을 선보였다.

토요타는 수소 사회 구현과 재생 에너지 관리 등 다중 경로 접근 방식을 통해 탄소 중립을 추구하고 있다. 이러한 노력은 에너지 공급을 안정화하고 환경 영향을 감소시키는 데 기여한다.

휴대용 수소 카트리지는 토요타가 발표한 주요 개발 중 하나이며, 시가총액 $267.8 billion에 주가 $169.55(연초 대비 -7.54%)를 기록하고 있다. 토요타는 2022년 모빌리티 기술 전문 자회사인 Woven을 통해 작동 프로토타입을 처음 선보였다.

이 대형 수소 카트리지는 AA 배터리처럼 보이며, 차량에 바로 연결해 전력을 공급한다. 에너지가 모두 소진되면 새로운 카트리지를 교체해 차량과 기기를 계속 작동시킬 수 있다.

More importantly, Toyota has reduced the size and weight of these tanks, which allowed them to be carried by hand. Previously, these hydrogen tanks were too large and difficult to handle. The company said:

“They are designed to make hydrogen a familiar and safe energy source that can be used in a variety of everyday situations.”

수소 자동차 제조와 사용이 아직 매우 낮은 수준이지만, 토요타가 이 차량의 큰 문제를 해결했으므로 수소 자동차가 점차 주목받고 장기적으로는 배터리 전기차를 능가할 가능성도 있다.

하지만 이것이 전부는 아니다. 행사에서 토요타는 수소로 구동되는 비표준 레이스카도 공개했다. 토요타는 3년 전 가스 수소로 구동되는 GR Corolla 레이스를 시작했으며, 지난해부터는 일본과 해외에서 내구 레이스에 참가하고 있다.

수소 차량에 대한 자동차 제조사의 참여를 유도하는 것 외에도, 토요타는 휴대용 수소 카트리지를 다양한 용도로 활용할 계획이다.

이 새로운 개발의 흥미로운 점은 이 셀을 가정용 전원으로도 사용할 수 있다는 것이다. 요리를 위한 수소 연소도 가능하도록, 토요타는 린나이(Rinnai)와 협력해 해당 기능을 시연한 컨셉 쿠커를 선보였다.

In fact, Toyota is planning to work with companies to get its cartridges into the market and find its various applications. In its official press release, the company said:

“(It) aims to find matches with the technologies and ideas of various companies and startups from a variety of perspectives, including both providing services and developing and selling devices using portable hydrogen cartridges.”

이와 같은 움직임으로, 금융 및 기타 사업에도 관여하고 있는 토요타는 “휴대용 수소 카트리지를 활용한 노력을 더욱 강화하고 수소 사회 구축에 기여할 것”이라고 밝혔다.

연료전지 전기차 시장의 주요 기업

Now, if we look at some of the most prominent names in the Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) sector, Plug Power (PLUG ) has been among the leading ones. The company has produced fuel cell-powered forklifts and expanded into green hydrogen production and distribution, however, its shares are currently down 54.22% YTD as they trade at $2.08. Click here to learn all about investing in Plug Power.

Then there’s Ballard Power Systems (BLDP ), which focuses on fuel cell solutions for buses, trucks, and other heavy-duty vehicles. Its shares are also down 55.95% as it trades at $1.66, much like Nikola Corporation , whose shares are down 83.81%. Its Truck business unit uses both FCEV and BEV technology.

Now, let’s take a deeper look into the company whose stocks have performed well this year.

#1. Cummins Inc.

Trading at $332.68 at the time of writing, Cummins shares have seen an increase of 38.87% this year. With that, the company has a market cap of $45.59 billion while having an EPS (TTM) of 3.79, a P/E (TTM) of 24.13, an ROE (TTM) of 19.55%, and a dividend yield of 2.19%.

Traditionally known for its diesel engines, Cummins has also made significant investments in hydrogen technology, including fuel cells for commercial vehicles. For Q2 2024, the company reported record revenues of $8.8 billion and net income of $726 million. EBITDA in the quarter was 15.3% of sales, while diluted EPS was $5.26.

Through its acquisition of Hydrogenics in 2019 for $290 million, Cummins has been pushing forward with hydrogen fuel cell solutions for buses, trucks, and other heavy-duty vehicles. In 2023, the company also announced the buyout of Air Liquide’s (AIL.DE ) 19% interest in Hydrogenics, which Cummins said “reinforces its commitment to these technologies and the increasing importance they will play in creating value for all stakeholders and decarbonizing our world.”

Back in 2022, Cummins started providing proton exchange membrane (PEM) fuel cell systems to Scania, a world-leading provider of trucks and buses for heavy transport applications, for use in 20 FCEV. This collaboration on hydrogen began in 2020 when Scania’s four electric trucks, powered by Cummins’ fuel cell systems, started operating as part of a pilot project with Norway’s largest grocery wholesaler ASKO.

Earlier this year, the company announced the integration of advanced software and electronics in BEVs and FCEVs to optimize performance, improve safety, and help make the transportation industries more sustainable. Cummins’ zero-emissions business segment Accelera also launched new versions of its hydrogen fuel cell engines. FCE300 and FCE150 fuel cell engines offer advanced durability, improved system efficiency, and increased power density for larger systems.

“Through constant innovation, real-world testing in the field, and collaboration with customers and partners to tailor solutions, we continue to improve our next-generation technologies, helping accelerate adoption and the shift to zero.”

– Amy Davis, President of Accelera

결론

The colorless, tasteless, odorless, and flammable gaseous substance, Hydrogen, showcases great potential as an energy carrier of the future. Its storage and transport capability particularly makes hydrogen suitable for use in a wide variety of applications.

자동차 산업에서 높은 효율성과 청정 에너지 특성을 가진 수소 연료전지 기술은 배터리 전기차에 대한 매력적인 대안으로 부각된다. 더욱이 이 궁극적인 청정 에너지는 사용 중에 CO2를 배출하지 않을 뿐만 아니라, 태양광·풍력 등 재생 에너지를 활용한 생산 과정에서 CO2 배출을 최소화할 수 있다.

FCEV 채택이 여러 과제에 직면해 있지만, 토요타의 휴대용 수소 카트리지와 같은 혁신이 보다 폭넓은 활용을 열어줄 수 있다. 따라서 수소는 지속 가능한 모빌리티에 점점 더 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.