대박난 발명품 100가지 이야기 (86)

▲ 수소전기 자동차 구동 원리. (이미지 자료 출처: 현재자동차)

[SNS 타임즈- USA] ‘대박난 발명품 101가지’ 시리즈 86번째 주인공은 미래 도로를 점유할 자동차는 어떤 방식일까? 전기차 일까 아니면 수소전기차 일까?

어떻게 하면 대박이 나고, 부자가 될 수 있을까? 과거에 많은 사람들을 부자로 만든 대박 발명품들과 아이디어들!! 이 발명품들 속에 담긴 이야기들을 지금부터 만나보도록 할까요? 그래서 우리도 본받고 다들 대박이 나고 부자가 됩시다.

현대자동차그룹이 세계 최초로 한국 내에 수소 연료전지 시스템 대량생산체제를 구축하고, 수소경제 글로벌 리더십 강화에 나섰다.

이를 위해 협력사와 함께 2030년까지 연간 50만 대 수소 전기차를 생산할 수 있도록 연구·개발(R&D) 및 설비 확대 등에 총 7조 6000억 원을 투자하고 5만 1000명의 신규 고용을 창출할 방침이라고 밝힌바 있다.

이는 미래 자동차 산업의 새로운 생태계를 구축하는 기반으로 침체된 국내 자동차산업을 살리는 원동력이 되고 국가 차원의 신성장동력이 될 것으로 기대된다.

현대차 그룹은 작년에 이미 충북 충주의 현대모비스 공장에서 중장기 수소 및 수소 전기차(FCEV) 로드맵인 ‘FCEV 비전 2030’을 발표하고 수소 연료전지 시스템 제2공장 신축 기공식을 가졌다. 수소와 공기 중의 산소를 결합해 전기를 만드는 장치인 수소 연료전지 시스템은 수소차의 엔진에 해당하는 핵심 부품이다.

기존의 휘발유차, 디젤차, 천연가스차, 전기차 외에 이제 수소차까지 등장하며 소비자들에게 궁금증을 갖게 한다.  과연 10년 20년 후에 고속도로에는 어떤 종류의 차가 미래의 자동차 시장을 장악할까?

아직은 대부분의 소비자가 가솔린과 디젤을 연료로 하는 내연기관차에 익숙하기에 수소 전기차는 어떻게 구동 되는지, 수소는 어디서 구하는 것인지 또, 전기차와는 무엇이 다른 것인지 낯선 것 투성이다.  환경에 유해한 물질은 정말 나오지 않는 것인지, 가격은 언제쯤 낮아 질지도 관심사다.

흔히 말하는 ‘수소차’의 정확한 이름은 수소 연료전지 자동차(FCEV·Fuel Cell Electric Vehicle)이다. 이걸 줄여서 수소 전기차라고 부른다.

영문 이름에 전기(Electric)가 포함돼 있듯, 수소 전기차도 전기차의 한 종류다. 리튬 이온 전기차(BEV)가 배터리에서 전기를 얻는다면, 수소전기차는 수소와 산소의 화학반응에서 생긴 전기를 사용해 모터를 구동한다. 개발 초기에는 수소 전기차가 아닌 ‘수소연료차’’(Hydrogen Fueled Car)를 만들려는 시도도 있었다.

수소 연료차는 수소를 엔진에서 직접 연소해 생기는 열로 모터를 구동하는 것이다. 그렇지만 열을 역학 에너지로 전환 하는 과정에서 효율이 낮아지는 문제가 해결되지 않았다. 그래서 ‘수소+산소’로 전기를 만드는 ‘연료 전지’를 자동차에 탑재하는 쪽으로 개발이 진척된 것이다.

수소 전기차의 핵심 부품은 연료 전지 스택이다. 연료 전지를 여럿 묶어 자동차를 움직일 정도의 충분한 전기를 생산하도록 만든 부품이다. 연료 전지 스택과 수소 공급 장치, 공기 공급 장치, 열 관리 장치 등이 연료 전지 시스템으로 묶여 하나의 소형 발전기처럼 기능하다.

수소 전기차의 구동 방식은 생각보다 복잡하지 않다. 우선 공기를 흡입해야 하는데, 이때 불순물을 제거하는 에어필터로 공기가 여과되기 때문에 수소 전기차는 공기 청정기 같은 역할도 하게 된다고 한다.

그 뒤 수소 탱크에 있던 수소와 산소가 연료전지에서 만나 화학반응을 거친다. 수소(H2)와 산소(O2)가 백금촉매를 거치며 이온으로 분리되고, 분리된 전자가 이동하면서 전기가 발생되는 방식이다. 생산된 전기는 모터를 굴리는 데 쓰고 물은 차 밖으로 배출된다.

현재로선 ㎞당 연료비 면에서는 수소차보다는 전기차가 월등히 유리하다. 케이티비(KTB) 투자증권의 이현준 분석가와 김영준 연구원이 작성한 ‘수소차 산업의 현재와 미래’ 보고서를 보면, 현대차의 수소 전기차 넥쏘의 연료비는 ㎞당 73원이다.

반면 테슬라의 모델 3 전기차의 연료비는 ㎞당 25원이 들어간다. 둘 다 내연기관의 연료비(연비 15㎞/ℓ, 휘발유 1600원/ℓ, 디젤 1400원/ℓ 가정 시 ㎞당 각각 107원, 93원) 보다는 저렴하다.

반면에 주행 거리와 충전 시간 면에서는 수소전기차가 우위에 있다. 현대 넥소는 수소 용량 6.33㎏을 완충하는 데 3∼5분이 걸리고 609㎞ 주행할 수 있는데, 테슬라 모델 3은 배터리 용량 50㎾h를 20분간 급속 충전해 350㎞를 달릴 수 있다.

차 구매 가격은 한국 정부 보조금과 지자체 보조급을 적용해 현대 넥소는 3300∼3900만   원이고 테슬라 모델 3은 2천만 원대로 예상된다.

정리하면 수소차의 가장 큰 단점은 가격, 전기차는 주행거리 등 성능이라고 볼 수 있다.

전기차 주행거리는 냉·난방을 사용하면 20∼30% 감소한다고 알려져 있다. 거기다 자율주행 시스템이 상용화되면 전기 소모량은 더 많을 것으로 예상돼 수소차가 전기차보다 유리해진다.

다만 전기차의 배터리 기술(무게)과 가격이 꾸준히 개선되고 있어 주행거리가 늘어나고 있다. 이미 양산 단계라 규모의 경제도 이뤄지고 있다.

수소 전기차가 확산되려면 전기차에 견줄 가격 경쟁력이 갖추는 것이 중요하다.

일단 중요한 것은 수소차 생산원가에서 가장 높은 비중(약 40%)을 차지하는 것은 연료전지 스택으로 가격 하락 속도가 중요하다.

시장 조사 업체인 에스에이(SA·Strategic Analysis)는 2017년 기준 연료전지 스택이 1000개 팔릴 때의 가격을 ㎾당 180달러로 추산했다. 현대차 넥소에는 연료전지가 95㎾ 용량으로 탑재되니, 총 1만 7100달러(약 1900만 원)가 투입된다.

만약 스택 생산량의 연간 50만 개로 늘어나면, 추가적인 기술 개발 없이도 스택 가격은 ㎾당 45달러가 될 것으로 분석된다.

결국 많이 만들고, 많이 팔아야 가격이 낮아진다는 것이라 ‘양산 체계’ 구축에 속도를 내어야 한다.

앞으로 2025년까지 수소차 10만 대의 양산 체계를 갖춰 현재의 반값이 3천만 원대의 수소차를 구매할 수 있게 한다고 했다. 이론적으로 아주 불가능한 시나리오는 아닌 셈이다.

다만 연료인 수소 가격 하락과 안정적인 공급망도 뒷받침돼야 한다. 전기를 이용해 수소를 구하고, 그 수소로 전기를 만들어 모터를 굴리는 두 번의 변환 과정에서 생기는 에너지 손실의 문제가 있다.

엘론 머스크 테슬라 최고경영자는 에너지 손실 문제를 지적하며 “수소 전기차는 엄청나게 멍청하다”라고 말하기도 했다.

더욱이 한국 산업부에 따르면 한국 내에서 생산되는 부생수소(석유화학 공정에서 생기는 수소, 2016년 기준 164만 톤 생산)의 상당 부분을 정유화학사들이 다시 원료로 사용하고 수소차로 쓸 규모는 약 5만 톤(25만 대 1년 치)에 불과한 등 수소 공급이 원활한 것도 아니다.

앞으로 초기에는 부생수소와 추출 수소를 늘리는 방식으로 진행되다 향후 신재생에너지가 확충되면 남는 전기로 물을 전기 분해해서 수소를 얻거나 해외 거점 수소 생산기지에서 대량의 수소를 수입할 계획이다.

기술이 발전함에 따라 점점 전기 및 수소 동력으로 가는 친환경, 그리고 자율주행 자동차 등이 발달하고 있다. 동시에 공유 경제의 개념으로 우버 등 공유 자동차 등이 널리 퍼지고 있다.

미래의 고속도로가 어떤 모습일지인지는 확실하지 않지만 많은 변화가 있을 것은 확실하다.

예를 들어 자동차의 인공지능과 공유 자동차 등의 발달로 미래에는 자동차 운전을 덜 해도 될 것 같고, 자동차를 소유할 필요가 없을지도 모른다.

앞으로도 발명자들뿐만 아니라 우리들도 부자로 만들 수 있는 대박 발명품들에 대해서 재미있는 이야기는 계속된다.

집단 지성이 함께 참여하는 Social 뉴스 플랫폼 ‘SNS 타임즈’에서는 미국 특허 상표청 등록 특허 변호사로 활동하고 있는 이상기 변호사와 함께 ‘대박 난 발명품 100가지 이야기’를 소개합니다. 연재되는 글들은 이상기 변호사가 타 매체에 게재했던 칼럼을 새롭게 구성, 편집해 다시 소개하는 형식을 갖습니다.

이상기 변호사는 이 시리즈 스타트에서 “어떻게 하면 대박이 나고, 부자가 될 수 있을까?”라는 첫 화두를 던지며, “이들 발명품 속에 담긴 이야기를 만나보면서 우리도 본받고 모두 대박 나 부자가 되자”고 제안합니다.

앞으로 소개하는 ‘대박 발명품 100가지 이야기’를 통해 독자 여러분들도 그냥 스쳐지나 갈 수 있는 단순한 아이디어나 주변에서 흔하게 접하는 일상의 불편함에서 또 다른 ‘100가지 대박 발명품’의 주인공이 되는 행운을 누리시기 바랍니다.

- 편집자 주

이상기 변호사는 특허, 저작권, 그리고 상표 등 지적 재산권과 상해 법을 중점적으로 다루고 있다. 법무법인 드림에 합류하기 전 이상기 변호사는 시카고 소재 소프트비 법률 사무소에서 특허 변호사로 근무하면서 중소기업들과 개인 고객들의 특허 신청과 자동차 상해를 담당했다.

이상기 변호사는 복잡하고 과학적이고 공학적인 지식이 필요한 지적 재산권과 시간과 참을성과 설득력이 필요한 상해 건들에 대해서 풍부한 경험과 전문지식을 갖추고 있는 것으로 평판을 받고 있다.

그는 파나소닉에서 10년 연구원 근무와 랜다우어 회사에서 10년 수석 연구원으로 근무하기도 했다. 또 주유소에 사용되는 크레디트 카드 컴퓨터 시스템에 대한 특허를 갖고 있다. (U.S. Patent #5,889,676, 1999)

이상기 변호사 약력(sang@dream-law.com)

·      미국 특허 상표청 등록 특허 변호사

·      로욜라 대학 법대, 법학박사

·      랜다우어 수석 연구원

·      파나소닉 연구원

·      일리노이 주립대학 – 전산학과 석사

·      일리노이 주립대학 - 전산학과 학사

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