휴대용 수소 카트리지가 FCEV의 매력을 강조한다

전기차(EV)는 현재 대세이다. 전기차의 인기도와 채택이 전 세계적으로 급격히 증가함에 따라, 10년이 끝나기 전에 1조 840억 달러의 시장 규모가 예상된다.

2021년은 EV 판매량이 2020년 대비 두 배가 되어 675만대가 되었고, 2022년에는 1천만 대를 넘어섰다. 한편, EV의 연간 판매량은 2029년까지 1,884만대에 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 전원으로 충전하는 배터리와 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, 주요 에너지원으로 수소를 사용하고 수소로 구동되는 연료전지를 통해 전기를 생산한다.

수소 연료전지에는 전해질을 사이에 둔 두 전극이 있다. 수소는 음의 전극인 연료극(애노드)에 공급되고, 공기 중 산소는 양의 전극인 공기극(캐소드)에 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 연료전지에서 전자는 외부 회로를 통해 흐르며 전력을 공급한다. 양성자는 전해질막을 통과한 뒤 공기극에서 산소 및 전자와 결합해 물을 만들고, 이 과정에서 열도 발생한다. 연료전지는 에너지를 저장하는 배터리와 달리 공급된 연료의 화학 에너지를 전기로 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 작동 중 연소 배기가스를 배출하지 않지만, 수소의 안전한 취급과 저장을 위한 설비 및 비용은 필요하다. 또한 조용하게 작동하며, 건강 문제를 일으키는 대기 오염 물질도 배출하지 않는다.

연료전지는 배터리와 내연기관 발전기에 비해 용도와 설계에 따라 배터리 교체나 충전 관리 부담을 줄일 수 있다. 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.

차종별로 보면 승용차가 등록된 FCEV의 가장 큰 비중을 차지하며 최근 몇 년간 증가세도 가장 컸다. 유럽의 FCEV 버스와 트럭도 늘고 있으며, 기사에 인용된 2023년 수치는 버스 464대와 트럭 215대이다.

연료전지 전기차가 직면한 과제

기사에서 인용한 전망에 따르면 수소는 2050년 도로 운송 에너지의 16%를 차지할 가능성이 있다. 이는 미래 시나리오에 따른 전망이며 확정된 결과는 아니다.

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 일부 시나리오에서 비용을 줄일 가능성이 제시되었다.

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.

BMW는 FCEV를 배터리 전기차의 경쟁 상대라기보다 서로 보완하는 기술로 보고 있다.

“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 휴대하고 교체할 수 있는 수소 저장 카트리지를 공개하면서 상황이 바뀔 수 있다.

토요타의 돌파구: 휴대용 수소 카트리지

2024년 일본 모빌리티 쇼 비즈위크에서 Toyota Motor Corp (TM )는 휴대용 수소 카트리지를 선보였다. 이는 수소를 더 쉽게 운반하고 다양한 기기에 공급하기 위한 개발품이며, 모든 FCEV에서 곧바로 사용할 수 있는 교체식 배터리라는 의미는 아니다.

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 2,678억 달러에 주가 $169.55(연초 대비 -7.54%)를 기록하고 있다. 토요타는 2022년 모빌리티 기술 전문 자회사인 Woven을 통해 작동 프로토타입을 처음 선보였다.

이 카트리지는 대형 AA 배터리를 연상시키는 형태의 수소 저장 용기이다. 적절한 연료전지 시스템에 수소를 공급하거나 수소 연소 기기에 사용할 수 있다. 수소가 소진되면 카트리지를 교체하는 방식을 구상하고 있으며, 일반 FCEV에 즉시 꽂아 사용할 수 있는 제품으로 발표된 것은 아니다.

토요타는 기존에 크고 운반하기 어려웠던 수소 탱크의 크기와 무게를 줄여 손으로 옮길 수 있도록 했다. 회사는 다음과 같이 설명했다:

“일상생활의 다양한 상황에서 사용할 수 있는 친숙하고 안전한 에너지원으로 수소를 만들기 위해 설계했습니다.”

수소차의 생산과 보급은 아직 제한적이다. 휴대용 카트리지는 수소 활용을 넓힐 가능성이 있지만, 차량의 연료 공급 문제를 모두 해결했다거나 장기적으로 배터리 전기차를 능가할 것이라고 단정할 수는 없다.

하지만 이것이 전부는 아니다. 행사에서 토요타는 수소로 구동되는 액체수소 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 카트리지를 가정용 전원으로도 사용할 수 있다는 것이다. 요리를 위한 수소 연소도 가능하도록, 토요타는 린나이(Rinnai)와 협력해 해당 기능을 시연한 컨셉 쿠커를 선보였다.

토요타는 카트리지의 다양한 용도를 찾고 상용화 가능성을 검토하기 위해 다른 기업들과 협력할 계획이다. 공식 보도자료에서는 다음과 같이 밝혔다:

“휴대용 수소 카트리지를 활용하는 서비스 제공과 기기의 개발·판매 등 여러 관점에서 다양한 기업 및 스타트업의 기술과 아이디어를 연결하고자 합니다.”

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

연료전지 및 수소 분야의 주요 기업으로는 Plug Power (PLUG )가 있다. 이 회사는 연료전지 지게차를 공급해 왔으며 그린 수소 생산과 유통으로 사업을 확대했다. 기사 작성 당시 주가는 연초 대비 54.22% 하락한 2.08달러였다. 플러그 파워 투자에 관한 자세한 내용은 관련 기업 안내에서 확인할 수 있다.

Ballard Power Systems (BLDP )는 버스, 트럭 및 기타 대형 차량용 연료전지 솔루션에 집중한다. 기사 작성 당시 주가는 연초 대비 55.95% 하락한 1.66달러였다. Nikola Corporation의 주가도 83.81% 하락했다. 당시 니콜라의 트럭 사업은 FCEV와 BEV 기술을 모두 활용했다.

이제 기사 작성 시점에 주가가 상승했던 기업을 좀 더 자세히 살펴보자.

#1. Cummins Inc.

기사 작성 당시 커민스 주가는 332.68달러로 연초 대비 38.87% 상승했다. 시가총액은 455억 9,000만 달러였으며, 기사에 제시된 지표는 최근 12개월 주당순이익(EPS) 3.79, 주가수익비율(P/E) 24.13, 자기자본이익률(ROE) 19.55%, 배당수익률 2.19%이다.

전통적으로 디젤 엔진으로 알려진 커민스는 상용차용 연료전지를 포함한 수소 기술에도 상당한 투자를 해왔다. 2024년 2분기에는 매출 88억 달러와 순이익 7억 2,600만 달러를 보고했다. 해당 분기 EBITDA는 매출의 15.3%였고 희석 주당순이익은 5.26달러였다.

커민스는 2019년 2억 9,000만 달러 규모의 하이드로제닉스 인수를 통해 버스, 트럭 및 기타 대형 차량용 수소 연료전지 솔루션을 확대해 왔다. 2023년에는 에어리퀴드의 (AIL.DE ) 하이드로제닉스 지분 19%도 인수한다고 발표했다. 커민스는 이 거래가 해당 기술에 대한 의지를 강화하고 이해관계자를 위한 가치 창출과 탈탄소화에서 그 중요성이 커지고 있음을 보여 준다고 설명했다.

2022년 커민스는 대형 운송용 트럭과 버스를 공급하는 스카니아에 FCEV 20대용 고분자전해질막(PEM) 연료전지 시스템을 공급하기 시작했다. 양사의 수소 분야 협력은 2020년 노르웨이 최대 식료품 도매업체 ASKO의 시범 사업에서 커민스 연료전지를 탑재한 스카니아 전기트럭 4대가 운행하면서 시작되었다.

2024년 커민스는 BEV와 FCEV의 성능과 안전성을 높이고 운송 산업의 지속 가능성을 개선하기 위한 첨단 소프트웨어 및 전자장치 통합을 발표했다. 무배출 기술 사업 부문인 Accelera도 새로운 수소 연료전지 엔진을 출시했다. FCE300과 FCE150은 내구성, 시스템 효율 및 대형 시스템용 출력 밀도 개선을 목표로 한다.

“지속적인 혁신과 실제 현장 시험, 고객 및 파트너와의 협력을 통해 맞춤형 솔루션을 만들고 차세대 기술을 계속 개선함으로써 도입과 무배출 전환을 앞당기고 있습니다.”

— Accelera 사장 에이미 데이비스

결론

수소는 색과 맛, 냄새가 없고 가연성이 있는 기체로, 미래의 에너지 운반체로서 큰 잠재력이 있다. 저장과 운송이 가능하다는 점 때문에 다양한 용도에서 활용할 수 있지만, 이를 위한 안전 설비와 인프라도 필요하다.

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.