국립환경과학원은 ‘수소를 사용하는 자동차’와 관련한 기술개발 동향 정보를 담은 ‘자동차 환경정책 및 기술 동향 자료집’ 10월호를 지난 28일 발간·배포했다.

2050년 글로벌 탄소중립 목표 달성을 위해 각국에서 연비 규제가 지속적으로 강화되면서 전기차와 함께 주행 중 탄소배출이 없는 수소차가 주목을 받으며 개발·양산이 강화되고 있다.

수소차는 크게 수소를 산소와 반응시킬 때 만들어지는 전기로 움직이는 ‘수소연료전지차’와 수소를 연료로 내연기관을 작동시키는 ‘수소 내연기관 자동차’로 구분되는데, 장거리 운행으로 유해가스 배출량이 많은 상용차에 대한 무공해 요구가 커짐에 따라 유럽, 일본, 중국 등 주요국은 트럭, 버스 등 상용차를 중심으로 수소 연료전지 및 수소내연기관차에 대한 기술 개발을 동시에 추진하고 있다.

◆ 수소연료전지차 기술개발 동향

수소연료전지차 개발은 1960년 일부 진행된 바 있으나, 경제성 문제로 양산에 실패하며 개발이 지지부진하다가, 현대자동차가 2013년 세계 최초로 수소전기차(투싼ix) 양산에 성공했다. 현재까지 양산형 수소연료전지차(승용차)는 공식적으로 현대자동차 투싼ix, 넥쏘 및 토요타 미라이, 혼다 FCX 클래리티 4종에 불과하다. 글로벌 자동차 업체는 높은 제조비용과 부족한 수소 인프라로 인해 수소연료전지 승용차의 대중화가 어렵다고 판단하고 잇달아 수소승용차 개발을 포기하거나 연기하고 ‘수소상용차’ 개발에 집중하고 있어 향후 2~3년 후에는 수소전기 상용차 시장이 본격화될 것으로 전망된다.

관련해 현대자동차는 넥쏘용 연료전지 2개를 더한 190kw급 연료전지 시스템에 최고출력 350kw급 구동 모터를 적용하고, 최대 32kg의 수소를 저장할 수 있는 수소탱크 7개를 장착해 1회 충전으로 400km 주행 가능한 수소전기 대형트럭 ‘엑시언트’를 통해 세계 최초로 수소전기 대형 트럭 양산체제를 구축했다.

일본의 토요타 자동차는 히노 자동차와 함께 히노에서 개발한 XL 시리즈 섀시를 기반으로 토요타의 2세대 수소전기차 ‘미라이’에 들어간 차세대 연료전지 및 수소탱크 6개를 장착해 한번 충전에 약 500㎞ 주행이 가능한 36톤급 대형 수소전기트럭 ‘클래스8(Class8)’ 개발을 완료했다.

독일의 BMW도 수소를 대형 자동차 부문에서 유망한 기술로 보고 6㎏의 수소 탱크와 고효율 연료전지시스템, 최고출력 275㎾의 모터를 장착한 스포츠유틸리티차량(SUV) ‘X5’를 기반으로 한 수소전기차 ‘iX5 하이드로젠(Hydrogen)’을 개발, 2025년부터 본격 양산할 예정이다.

다임러 트럭은 150㎾ 전기 모터 2개를 탑재해 각 최고 313마력을 발휘, 1회 충전시 최대 1000km 주행가능한 수소전기트럭 GenH2 콘셉트카를 개발해 2027년 출시 목표로 2021년 5월부터 주행테스트를 진행 중이며, 프랑스의 르노자동차도 16kW급 연료전지를 탑재해 1회 충전시 800km까지 주행 가능한 SUV 수소전기차 ‘르노 마스터밴 FCEV’ 차량의 시제품을 공개하기도 했다.

◆ 수소 내연기관 자동차 기술개발 동향

탄소중립 실현을 위해 주요국에서 내연기관 자동차의 퇴출이 추진되고 있는 가운데, 강화된 배기가스 규제인 Euro7 등 탄소 중립 규제 시행을 앞두고 상용차 브랜드들의 친환경 엔진에 대한 수요가 높아지며 유럽과 일본을 중심으로 글로벌 자동차 및 엔진 제작 기업에서 수소엔진 개발을 가속하고 있다.

현재 수소 내연기관(엔진) 기술 고도화 및 콘셉트카 개발 위주로 진행되고 있으며, 아직까지 상용화되지는 못했으나, 향후 수소엔진 시장 성장 가능성은 높다.

관련해 2016년부터 수소엔진 개발을 위해 야마하 모터, 덴소와 협력해 온 토요타 자동차는 2021년 4월 수소 엔진 기술 개발 착수를 발표하고 2022년 2월 렉서스 RC-F에 탑재된 5.0리터 V8 가솔린 엔진을 바탕으로 개발된 8기통 수소엔진을 공개했다. 이와 함께 수소엔진 탑재 콘셉트카 ‘GR 야리스 H2’와 1.0리터 직렬 3기통 DOHC4 밸브 구조로 개발된 수소 엔진을 탑재한 2인승 렉서스 콘셉트카 ‘ROV’도 잇달아 공개했다.

2000년대 최초의 수소 동력 로터리 엔진 차량인 ‘RX-8 Hydrogen RE’를 개발한 바 있는 마쓰다 자동차도 RX-8의 후속 차종 출시를 위해 최근 들어 수소 연소 방식의 로터리 엔진을 개발 중이다.

수소 내연기관 엔진 개발을 진행 중인 미국의 포드 자동차도 최근 폭발력을 제어하고 ‘초희박 연소’가 가능한 터보차저를 함께 사용하는 수소 엔진 기술에 대한 특허를 미국 특허청에 출원한 것으로 확인됐으며, 중국의 광저우자동차그룹(GAC)도 기존 내연기관보다 높은(44％) 열효율, 연소 위험을 최소화한 수소엔진을 개발했다.

이 밖에 유렘코(영국), 커민스(미국), 도이츠 AG(독일), 케유(독일), 아쿠아리우스엔진(이스라엘), 위차이(중국) 등도 수소엔진 및 수소엔진 장착 상용차(트럭 등)를 개발했다.

국내에서는 현대두산인프라코어가 2025년 양산 목표로 수소엔진 개발에 착수했으며, 현대자동차도 아람코(Aramco) 등과 ‘초희박 연소 엔진’ 공동개발(2년 소요 예정)에 나섰다.

기술적 난제와 시장 불확실성에도 불구하고 유럽, 일본, 중국 등 주요국은 수소 연료전지 및 수소 내연기관 분야 차량에 대한 기술 개발을 동시에 추진하고 있어, 우리도 두 분야 모두에 대한 핵심 기술 확보가 요구된다.

자세한 내용이 수록된 ‘자동차 환경정책 및 기술 동향 자료집(10월)’ 전문은 국립환경과학원 공지사항 게시판에서 전자파일(PDF) 형태로 확인할 수 있다.