한국은 아직 탄소 중립에 대해 절박하지 않은 듯하다. 여전히 에너지 절약이 최대의 재생 에너지라는 인식도 부족하고 배달의 편리함은 강조하면서 그로 인해 넘치는 플라스틱 쓰레기에 대해서도 무덤덤하다. 수돗물 대신 생수를 마시면서 패트병을 그대로 분리수거라고 해서 버리면서 뚜껑과 라벨을 떼 낸, 재활용하기 좋은 패트병을 일본으로부터 수입하는 것도 모르고 산다. 재활용 분리수거 하러 나가보면 코로나19 이전보다 훨씬 많은 박스가 비닐을 제거하지 않은 상태로 그대로 수북이 쌓여 있어도 심각성을 느끼는 사람은 많지 않아 보인다. 그러나 자동차 업계에서는 주어진 조건에서 최선의 답에 도달할 때까지 다양한 차선책을 찾고 있다. 대표적인 것이 항속거리 연장형 전기차(EREV)이고 수소 엔진이다. 최근 다시 증가하고 있는 EREV와 수소 엔진의 현황에 대해 짚어 본다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)


항속거리 연장형 전기차는 크게 분류하면 하이브리드 전기차다. 내연기관과 전기모터가 같이 사용되기 때문이다. 다만 내연기관의 역할이 배터리를 충전하는 것으로 한정되기 때문에 플러그인 하이브리드 전기차와도 다르다.


이 항속거리 연장형 전기차의 시작은 쉐보레 볼트(Volt)다. 2007년 디트로이트 오토쇼를 통해 소개됐고 2011년 미국 시장에 출시됐으며 2017년 북미 올해의 차로 선정되기도 했다. 한국 시장에도 2015년 출시된 2세대 모델이 2017년부터 판매되기도 했었다.


BMW도 2012년 배터리 전기차 i3와 함께 항속거리 연장형 전기차 i3 REx를 출시했다. BMW C650 GT 모터사이클에 사용된 647cc 2기통 가솔린 엔진을 탑재해 발전하는 개념으로, 약 7ℓ 정도의 연료탱크에 완충 시 항속거리는 대략 320km 수준까지 늘어날 수 있다. 하지만 i3와 달리 이 모델은 한국 시장에는 상륙하지 않았다.





쉐보레 브랜드에 볼트(Volt)를 도입한 것은 진정한 디트로이트 맨으로 알려진 GM의 제품전략책임자 밥 러츠였다. 그는 당시 앞으로 전 세계 자동차회사들이 볼트와 같은 차량을 개발할 것이라고 확신했다. 향후 10년, 20년간 아무리 기존 가솔린이나 디젤 엔진 혹은 전기 배터리만으로 움직이는 차들의 성능을 개선하더라도 '무공해 운전'과 '장거리 주행'이라는 두 마리 토끼를 다 잡을 수는 없을 것이기 때문이라는 것이었다.


그러나 그의 그런 예상과 달리 쉐보레 볼트(Volt)는 2016년 출시된 볼트(Bolt)에 밀려 2019년 단종되고 말았다.


그 배경에는 전동화에 대한 흐름의 변화가 있고 탄소 중립이 인류 최대의 과제로 떠 오른 때문이다. 전동화, 즉 하이브리드 전기차와 플러그인 하이브리드 전기차, 배터리 전기차, 연료전지 전기차라는 다양한 선택지에서 그 무게중심이 배터리 전기차와 연료전지 전기차로 가야 한다는 당위성이 설득력을 얻게 되면서 글로벌 플레이어들이 모두 배터리 전기차 중심으로 전략을 바꾸었다. 요약하면 탄소 중립이 가장 중요한 추진력이었으며 강화되는 배기가스 규제로 인한 것이다.


그것을 촉발한 것은 2015년 폭스바겐의 디젤 스캔들이고 2018년 부도의 위기에 처했던 테슬라를 이끄는 일론 머스크의 이슈화였다. 폭스바겐은 근본적인 존재에 대해 질문을 하게 됐고 탄소 중립이라는 명제와 더불어 배터리 전기차만이 지속가능한 대안이라는 생각으로 대대적인 투자를 위해 전기차회사로의 전환을 시작했다.





테슬라는 프리미엄 감성을 강조하며 기존 자동차회사들과는 다른 마케팅을 추구했다. 광고하지 않고 온라인 마케팅에만 의존하며 스토리 텔링에 힘을 쏟는다. 그리고 그것을 뒷받침할 수 있는 기술력을 개발해 사용자들에게 어필한다. 처음에는 로터스의 로드스터를 개조한 차량으로 시작했지만, 그들만의 전기차 전용 플랫폼을 베이스로 자체 개발한 모델S로 프리미엄화를 추구했다. 여기에 오토 파일럿이라고 하는 자율주행 시스템을 채용한 것도 큰 몫을 했다. 여전히 그로 인한 사고가 발생하고 있지만, 사용자들은 그 편의성에 대해 호응하고 있다.


그 힘을 바탕으로 2020년에는 처음으로 연간 흑자를 기록했으며 2021년 1분기까지 7분기 연속 흑자를 기록하기도 했다. 하지만 그 흑자는 이산화탄소 배출량을 기준으로 하는 크레딧 판매와 비트코인으로 인한 것이라는 점이 테슬라의 현실을 말해 준다. 여기에 기존 자동차회사들이 속속 배터리 전기차를 출시하면서 본격적인 점유율 싸움에 돌입해 있어 크레딧 판매로 인한 수익이 줄어들 것으로 보여 근본적인 대책이 필요한 상황이다.


그것은 테슬라만의 문제가 아니고 글로벌 자동차회사들이 모두 안고 있는 문제다. 대부분의 투자를 전기차와 자율주행에 쏟아부어야 하는데 실제로 그것을 바탕으로 지속가능한 수익을 올릴 수 있을지는 미지수다.




그런 복잡한 속내를 알 수 있게 해주는 것이 최근 다시 시선을 끌고 있는 쉐보레 볼트(Volt)와 같은 컨셉의 항속거리 연장형 전기차와 수소 엔진차다.


현시점에서 가장 적극적으로 항속거리 연장형 전기차에 공을 들이고 있는 것은 닛산이다. 양산 브랜드 중에서는 가장 먼저 2010년 배터리 전기차 리프를 출시한 닛산도 2050년 탄소 중립이라는 목표를 설정하고 있으며 세계 주요 시장에서 2030년대 초기에 신차를 모두 전동화차로 전환할 계획이다. 다만 전동화라고는 하지만 배터리 전기차만을 판매하겠다는 대부분의 메이커와 달리 닛산은 항속거리 연장형 전기차 이파워(e-Power)를 배터리 전기차와 양대 축으로 삼고 있다. 이는 토요타가 탄소 중립이라는 목표는 같지만, 여전히 하이브리드를 중심으로 하는 것과 같은 전략이다.





닛산은 2016년 처음 선보인 e-파워가 닛산 인텔리전트 모빌리티 전동화 파워트레인의 새로운 형태라고 말한다. e-파워는 전적으로 발전만을 담당하는 1.2ℓ 가솔린 엔진을 탑재하고 있다. 이 엔진은 배터리와 직접 연결되고 배터리는 인버터를 거쳐 모터에 직접 에너지를 공급한다. 엔진에서 발생한 에너지가 발전기와 인버터를 거쳐 배터리로 가는 과정을 거치지 않기 때문에 손실을 줄일 수 있고, 그만큼 구조를 간단하게 만들 수 있다.


전동화 작업을 거치는 데 있어 배터리 가격이 걸림돌이 된다는 사실에도 주목했다. 노트 e-파워에 적용되는 배터리는 리프 1세대 모델에 적용되는 배터리 크기의 1/20 정도로 그만큼 가격을 낮출 수 있는 여지가 생긴다. 배터리가 1열 좌석 아래에 적용되어 실내 공간이 희생당하지 않는다는 점도 전동화 모델 보급에 있어 큰 장점이 된다. 충전을 위한 플러그가 아예 없기 때문에 충전 걱정을 전혀 할 필요가 없으며, 일반 자동차처럼 주유만 해도 전동화 모델을 즐길 수 있다.


e-파워의 장점은 에너지 관리에 상당히 유리하다는 것이다. 이는 엔진을 가동해야 하는 순간과 저장한 에너지를 사용해야 하는 순간을 잘 설정해야 가능한 것인데, 닛산은 e-파워가 ‘고객이 배터리 전기차로 이동하기 전의 초석이 될 파워트레인’이 될 것에 주목하고 배터리 전기차와 비슷한 주행 감각을 만드는 데 집중했다. 그 결과, 충전 걱정 없이 전기차와 비슷한 감각을 즐길 수 있는 파워트레인이 만들어지게 된 것이다.


전기 모터를 동력으로 사용하는 자동차는 정지와 출발이 반복되는 상황에서 큰 위력을 발휘한다. 초반부터 강한 토크가 발휘되는 데다가 반응도 빠르고 일반 내연기관 자동차보다 훨씬 부드러운 가속이 가능하다. 닛산은 이런 점에 있어서 e-파워가 순수 내연기관과는 또 다른 재미를 제공하는, 즐거운 자동차라고 말하고 있다.


여기에 닛산은 2021년 2월 26일, 차세대 e-파워를 위한 세계 최고인 50%의 열효율을 달성하는 기술을 개발했다고 발표했다. 현재 자동차용 가솔린 엔진의 평균 열효율은 30%이며 토요타와 현대차그룹 등 하이브리드용으로 40%를 발휘하는 예가 있다. 닛산은 자사의 하이브리드 전기차 기술 e-파워를 위한 새로운 고효율 엔진은 연비를 기존보다 25% 향상했으며 2025년 실용화를 목표로 하고 있다고 밝혔다.


이를 바탕으로 닛산은 e-파워를 채용한 모델을 유럽과 중국 등 세계 시장으로 확대하고 있다.


마쓰다도 2021년 4월 15일, 배터리 전기차 MX-30의 올가을 미국 출시 소식과 함께 로터리 엔진을 발전 전용으로 사용해 항속거리 연장형 플러그인 하이브리드와 마일드 하이브리드 버전을 추가할 예정이라고 밝혔다. 로터리 엔진의 부활인 셈인데 전용 가솔린 엔진이 아니라 발전 전용 엔진으로 사용된다는 점이 특징이다. 무엇보다 내연기관 엔진을 활용하겠다는 의지의 표현이라고 할 수 있다.





중국의 전기차 스타트 업 리 오토(Li Auto)도 배터리 전기차와 함께 항속거리 연장형 전기차 ONE SUV를 판매하고 있다. 1.2ℓ 터보차저 가솔린 엔진과 100kW의 발전기를 조합한 모델이다. 축전 용량 40.5kWh의 리튬 이온 배터리와 140kW의 전기모터를 탑재하고 11.9갤런의 연료탱크를 탑재하고 있다. 리 오토에 따르면 항속거리가 800km(NEDC 기준)에 달한다고 한다. 중국 내 충전소 문제 등으로 현실적인 대안이라고 강조하고 있다.


그리고 전기차 스타트업 사이러스와 화웨이가 공동으로 개발한 SUV SF5도 2021 상하이 오토쇼를 통해 공개됐으며 미국에 있는 카르마(Karma)도 항속거리 연장형 전기차를 개발하고 있는 것으로 알려졌다.


항속거리 연장형 전기차는 궁극적인 대안이라기보다는 여러 가지 이유로 배터리 전기차의 보급이 어려운 상황에서 대안으로 받아들여질 것으로 기대하고 있다. 이는 배터리 전기차가 배터리의 에너지 밀도와 가격, 코발트 등 원자재 문제 등이 복잡하게 얽혀 있는 현실과 내연기관 생산 인프라를 가능한 활용해 고용과 환경을 동시에 해결할 수 있는 차선책이라고 할 수 있다.




수소 엔진에 관해서는 이미 글로벌인사이트 칼럼 ‘유럽, 디젤 대신 수소 엔진으로 간다.’를 통해 2020년 10월에 언급한 바가 있다. EU는 수소 에너지 보급을 위해 2030년까지 5,000억 유로를 투자한다. 유럽이 강한 내연기관 엔진 기술과 수소 에너지를 조합해 환경 대책은 물론이고 고용을 늘려 산업을 살리고자 하는 목적도 있다고 보고 있다.


EU는 2020년 7월 8일, 유럽 기후 중립을 위한 수소 전략(A Hydrogen Strategy for a Climate-neutral Europe)을 발표했다. 2030년까지 수소 생성의 수전해장치에 최대 420억 유로, 동 장치와 태양광발전 풍력발전과의 접속에 최대 3,400억 유로를 투자한다는 방침이다.


이로 인해 1978년 BMW가 시작해 하이드로젠 7이라는 시제품까지 만들었던 수소 엔진차가 다시 부상하고 있다. 수소 엔진의 연구는 특허 출원 수를 보면 2000년대 중반에 정점이었다가 하락했으나 최근 유럽에서 증가하는 경향이다.





현재 주목을 끌고 있는 것으로는 보쉬가 개발하고 있는 2.0ℓ 직렬 4기통 승용차로 일반적인 구성의 수소 엔진이다. 수소 가스를 연료로 사용해 최고출력 60kW/리터, 최대토크 148Nm/리터를 발휘한다. 최신 디젤 엔진에는 미치지 못하지만, 가능성은 있다. 기술적으로 디젤과 동등 이상의 동력성능을 추출할 가능성이 있다고 한다.


수소 엔진의 구성 부품은 디젤엔진 등과 큰 차이가 없고 기존 엔진 공장을 유지할 수 있다. 다만 냉각 손실 등 기술적으로 해결해야 할 과제가 있으며 수소 인프라도 필요하게 된다. 사용 편의성은 합성액체연료 이용차에 미치지 못하지만, 차선책으로서는 충분하다는 생각이다.


수소 엔진차 개발을 가장 먼저 시작한 BMW가 2015년 말에 스핀아웃한 기술컨설턴트회사인 독일 KEYOU도 국제회의와 독일 자동차기술전문지 MTZ에 새로 개발한 대형 상용차용 수소 엔진(배기량 7.8리터)의 프로토타입을 발표했다. 보쉬가 채용하지 않았던 직분 과급 린번에 대량 EGR을 조합해 열효율 44.5%를 달성했다고 한다. 질소산화물 배출량에서는 유로6 규제를 클리어했다.


파워트레인 엔지니어링 서비스회사인 독일 말 파워트레인(MAHLE Powertrain)도 수소 테스트 인프라를 설치했으며 연료전지는 물론이고 수소 엔진 관련 연구도 진행하고 있다. 지난 3월에는 수소엔진 테스트 센터를 개설하기도 했다. 테스트 센터의 활동은 대형 상용차를 위한 드라이브 시스템 및 부품 개발에 초점을 맞출 것이라고 한다. 말은 연료 전지 및 수소 엔진이 지속 가능한 운송에 중요한 기여를 할 것이라고 주장하고 있다.


토요타도 코롤라 스포츠에 수소 엔진을 탑재해 5월 21일부터 개최되는 한국(Hankook) 라운드 3 NAPAC 후지 슈퍼 TEC 24시간 레이스를 통해 선보일 예정이다. 이 수소 엔진은 또한 2020년 9월부터 판매를 시작한 GR 야리스와 마찬가지로 모터스포츠 참여를 통해 지속적으로 개선해 온 기술을 양산차량에 적용하고 있다. 안전에 관해서는 연료전지 차량 개발과 미라이의 상용화를 통해 축적된 기술과 노하우를 활용한다.





정통 스포츠카 브랜드 포르쉐도 재생 가능 에너지에서 유래한 수소 가스의 상용화를 서두르고 있다. 배터리 전기차 타이칸의 라인업을 확대함과 동시에 기존 가솔린차를 대체할 수 있는 대안이 필요한 상황에서 아우디와 맥라렌, 보쉬 등이 개발하고 있는 e퓨얼이라고 하는 수소가스의 상용화를 추진하고 있다. e-퓨얼(electro fuel)는 전기분해로 얻은 수소에 이산화탄소, 질소 등을 합성해 연료를 생산하는 기술이다. 독일 정부는 지멘스 에너지가 칠레에 건설하는 그린수소 플랜트에 820만 유로(약 110억원)을 투자해 이곳에서 생산되는 수소로 e퓨얼을 생산하는 세계 최초의 파일럿 플랜트를 추진하고 있다.


아우디가 먼저 개발해 상용화에 나서고 있는 e퓨얼의 장점은 기존 내연기관 엔진을 별도의 조정 없이 그대로 사용할 수 있다는 점이다. 일반 차량 외에 911 GT3컵 레이싱카에도 사용할 수 있다. 포르쉐 911의 판매 대수는 2020년 기준 3만 4 천대로 카이엔 등 SUV보다 적지만 이익률은 약 50%로 포르쉐 수익의 기둥이다. 그런 만큼 친환경적인 에너지를 사용해 그동안의 이미지를 유지할 필요가 있다는 생각이다. 수소 엔진으로 911의 성격을 살리겠다는 것이다.


국내에서도 지난 4월 15일, 산업통산부가 수송용 e퓨얼(탄소중립연료) 연구회 발족식을 개최해 자동차에 적용하는 방안을 모색하고 있다. 정부는 그레이 수소에서 그린 수소의 페러다임으로 전환을 천명하고 수소 관련 기업을 1,000개 이상 육성한다는 방침이다.


수소 엔진은 연료전지와 마찬가지로 물(H2O)밖에 배출하지 않는다는 점과 더불어 연료전지보다 저가로 개발할 수 있다는 것이 장점으로 꼽힌다. 수소의 경우 FCEV용은 순도가 99.97% 이상으로 높은 고가이지만 수소 엔진용은 저순도의 것을 사용한다. 물론 FCEV가 보급되고 있어 같은 수소 충전소를 유용할 수 있다는 이점도 크다.


하지만 기술적으로는 아직 해결해야 할 과제가 많다. 과거 유일하게 시판화된 적이 있는 수소엔진차인 BMW의 하이드로젠7은 배기량 6ℓ의 대형 엔진으로 수소를 기체가 아닌 액체로 탱크에 탑재했다. 그런데 탱크를 초고압으로 할 필요가 있어 난이도가 높고 비용도 비쌌다. 더불어 사회적인 인식도 좋지 않아 독일에서는 수소를 에너지로 사용하는 자동차는 지하 주차장에 주차할 수 없고 차량에 외부와 통풍구를 설계해야 하도록 하고 있다.





여기에 조기 착화와 냉각 손실 문제 등 기술적으로 풀어야 할 과제도 많다. 보쉬가 학회에 발표한 수소 엔진은 수소 가스를 엷게 해 공기와 혼합해 열효율을 높은 린번을 채용해 해결을 노린 것인데 열효율이 37%로 아직은 낮다. 더 높은 열효율을 실현해야 한다는 지적이 나오고 있다. 한편에서는 e퓨얼을 생산하는 과정에서 많은 이산화탄소가 발생한다는 반론도 있다.


그런데도 수소 엔진이 주로 대형 상용차의 디젤엔진 대체로 고려되고 있는 것은 이산화탄소, 탄화수소류, 일산화탄소, 입자상 물질 등의 배출량이 많은 상용차에 대한 무공해 요구가 크다. 그런 점에서 출력과 토크, 저속 토크는 디젤엔진과 비슷하거나 그 이상인 수소 엔진차는 대형차의 파워트레인으로 이상적이라는 의견이 부상하고 있 있다.


물론 이 역시 항속거리 연장형 전기차와 마찬가지로 주류로 자리 잡을지는 미지수다. 그런데도 탄소 중립을 위해 다양한 방안이 강구되고 있다는 점에서 주목할 필요가 있다.


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