최근 유럽연합은 EU 그린딜 정책에서 2035년부터 내연 기관을 퇴출시키되e-퓨얼을 사용하는 경우는 예외적으로 내연 기관 자동차를 유럽 내에서 신규 등록을 허용하기로 했다. 이것을 두고 내연 기관의 생명 연장이라는 관점에서 기사와 논의가 주로 전개되는 것을 본다. 특히 유럽 내에서 고성능 자동차 시장의 강자인 독일과 이탈리아가 e-퓨얼의 탄소중립 인정을 강력하게 주장한다는 점이 이런 관점을 뒷받침하는 것으로 보여질 수 있는 부분이다. 역시 내연기관의 존속 혹은 연명의 관점에서 보고 있는 것이다.
그러나 내 생각은 조금 다르다. 단기적으로는 내연 기관의 수명 연장으로 보일 수 있겠지만 중장기적으로는 수소 생태계의 확장으로 이어질 것이라는 것이 내 의견이다. 그 이유는 수소와 e-퓨얼은 중요한 공통점을 갖고 있으며 동시에 상호 보완적이기 때문이다.
공통점은 크게 두 가지로 생각할 수 있다. 첫번째는 수소와 e-퓨얼 모두 전기 에너지를 화학적으로 저장하는 화학적 ESS(에너지 저장 장치)인 수소를 기반으로 한다는 점이다. 두번째는 배터리에 비하여 훨씬 가볍다는 운용상의 장점이다.
화학적 ESS는 여러모로 쓸모가 많다. 첫번째는 안정성이다. 리튬염의 불안정한 이온화를 이용하여 에너지를 저장하는 배터리에 비하여 안정적인 화학반응을 이용하는 화학적 에너지 저장 방식인 수소나 e-퓨얼은 본질적으로 안정적이다. 또한 운반하기가 수월하다. 즉, 차량으로 육상 운송을 할 수도, 선박을 통하여 대규모로 장거리 운반도 가능하다. 전기의 송전 설비처럼 거대한 인프라 투자가 필요하지 않다는 뜻이다. 즉, 효율 면에서는 전기를 직접 배터리에 저장하는 것보다 떨어지지만 운용성 면에서 유연하다는 것이 실제 사업화에 커다란 장점이 될 수 있다는 뜻이다.
화학적 ESS로서의 두 번째 장점은 ESS의 본질인 에너지 저장성이다. 전기는 일단 생산된 뒤에는 사용하지 않으면 버려지는 에너지이다. 그러나 ESS로 저장할 수 있다면 버려지는 에너지를 나중에 사용할 수 있게 되며 발전 용량에서 예비율을 낮출 수 있으므로 전기 그리드 전체의 효율성을 근본적으로 높일 수 있다는 이득이 있다. 배터리 ESS가 즉각적인 그리드의 안정성에 기여한다면 화학적 ESS는 계절적, 지역적 효율을 높이고 보다 다양한 단말기에서 사용할 수 있다는 장기적이고 광범위한 효과를 갖는다는 차이가 있을 뿐이다. 또한 태양광이 풍부한 지역에서 생산한 화학적 ESS 물질을 에너지 수요가 많은 지역으로 운반하여 사용할 수 있다는 점에서도 배터리와 비교되는 장점을 갖는다.
수소나 e-퓨얼이 배터리보다 가볍다는 두번째 장점은 특히 운송수단에서 자신만의 영역을 또렷이 한다. 거대한 배터리를 사용할 경우 허용 축중량 등의 제약으로 화물 적재량을 줄일 수 밖에 없는 장거리 화물 운송 트럭이 대표적이다. 트럭을 포함한 사업용 차량의 경우는 신속한 연료 보급을 통하여 차량의 운용 효율을 높일 수 있다는 점에서도 배터리 전기차에 비하여 비교 우위를 갖는다.
즉, 수소와 e-퓨얼은 배터리와 함께 에너지 그리드의 효율화와 친환경화를 완성하는 주요 수단이다.
여기까지가 수소와 e-퓨얼의 공통점이다. 그리고 이제부터는 앞서 말한 공통점을 바탕으로 서로 다른 접근법으로 활용할 수 있을 것이다.
e-퓨얼에 비하여 수소가 갖는 첫 번째 장점은 전기를 화학적으로 저장하는 1단계 물질이라는 것이다. 즉, 일단 수소가 만들어진 뒤에 이것을 이산화탄소와 결합하여 만들어지는 탄화수소가 e-퓨얼이기 때문이다. 따라서 e-퓨얼보다 에너지 효율이 높고 단가에서도 유리하다.
수소의 두 번째 장점은 연료전지를 통하여 전기로 즉시 전환할 수 있다는 점이다. 즉, 전기를 동력으로 사용하는 모든 단말기들 – 즉 전기 자동차나 전력 그리드의 수소 발전소 같은 것들 – 에게 적용할 수 있다는 점이다. 즉, 대형 배터리 대신 연료 전지와 수소 탱크, 그리고 중간 버퍼로서 소형 배터리나 슈퍼 커패시터를 적용하면 전동 파워트레인을 그대로 사용할 수 있다는 뜻이다.
수소의 세번째 장점은 수소 인프라의 확대를 위하여 과도기적인 전략을 펼 수 있다는 점이다. 처음부터 재생 에너지로부터 생산되는 탄소 중립의 그린 수소만으로 시작할 필요는 없다는 뜻이다. 그린 수소와 병행하여 이미 다양한 산업에서 부산물로 생산되고 있는 부생 수소를 활용할 수도 있으며, 수소 그리드의 확대를 위하여 천연 가스를 개질하여 생산하는 블루 수소를 사용할 수도 있다. 즉, 궁극적인 탄소 중립을 실현하는 100% 그린 수소 이전에도 수소 그리드의 안정성과 사업성을 과도기적으로 확보할 수 있는 방법이 다양하게 존재한다는 것은 현실적으로 매우 중요하다.
그러나 수소에게도 단점은 있다. 첫번째는 수소를 전기로 변환하는 연료전지가 비싸다는 점이다. 높은 가격은 대중화에 결정적인 걸림돌이다. 두번째는 저장성이다. 수소의 액화점은 -250도 이하로 매우 낮다. 따라서 선박 등 대용량으로 운송하는 경우를 제외하고는 액화 상태로 운반하고 차량 등에 저장하여 사용하기가 매우 어렵다. 그래서 700bar의 매우 높은 압력으로 연료 탱크에 담아 사용하는 것이다. 수소의 저장 및 운반성을 개선하기 위하여 액화점이 -33도인 암모니아(NH3)의 형태가 요즘 부각되고 있지만 차량 등 최종 단말기에 직접 사용하기에는 독성과 부식성때문에 부담스러운 것이 사실이다.
바로 이 두 가지 수소의 단점을 보완할 수 있는 것이 e-퓨얼과 내연기관의 조합이다. 첫번째 수소의 단점이었던 비싼 연료전지의 가격을 당분간은 이미 존재하는 내연기관을 비록 비싸지만 e-퓨얼을 사용하여 운용하는 것이 전반적 가격 경쟁력을 유지하면서 탄소 중립화에 다가갈 수 있는 현실적인 방법이 된다.
또한 e-퓨얼은 두번째 수소의 단점인 저장성을 말끔하게 해결한다. 합성된 휘발유나 경유의 형태인 e-퓨얼은 상온에서 액체 상태이기 때문이다. 즉, 생산 공장을 제외하고 탱크로리나 파이프라인, 주유소, 차량의 연료 탱크 등 현재의 모든 유류 유통 과정을 그대로 사용할 수 있다는 매우 큰 장점을 갖는다는 뜻이다.
그리고 e-퓨얼의 마지막 장점이 하나 더 있다. 수소와 연료전지의 조합이 가볍기는 하지만 엔진을 대체하기에는 중량 대비 출력에서 부족한 경우가 여전히 존재한다. 대표적인 예가 비행기용 엔진이다. 수소 연료 전지를 통하여 생산된 전기로 모터를 돌린다는 뜻은 비행기를 프로펠러로 추진한다는 이야기가 된다. 프로펠러 비행기에는 공기 역학적으로 한계 속도가 존재한다. 따라서, 제트 항공기에는 수소 연료 전지를 사용할 수가 없다. 따라서 제트 엔진을 사용하는 대부분의 장거리 여객기와 화물기들이 탄소 중립을 실현하는 방법은 현재로서는 e-퓨얼이 유일하다.
다만 엔진은 탄소 중립과 환경 보호를 위하여 e-퓨얼 이외에도 해결해야 할 부분들이 더 있다. 대표적인 것이 윤활유다. 물론 전기차에도 변속기에 윤활유를 사용하지만 엔진에 사용하는 엔진 오일과 변속기 오일에 비하면 훨씬 작은 양이다. 또한 윤활유에는 환경 독성의 우려가 있는 다양한 화학 물질들이 사용된다. 따라서 e-퓨얼 뿐만 아니라 탄소 중립적이고 친환경적인 윤활유들도 함께 개발해야 할 것이다.
그럼에도 불구하고 수소와 e-퓨얼은 서로 경쟁하고 또한 공존하면서 배터리와 전기 모터가 해결하지 못하는 전동화의 탄소 중립 영역을 보완할 것이다. 우리가 e-퓨얼을 단순히 가진 자들의 엔진 유지를 위한 특권으로만 볼 수는 없는 이유이다.
글 / 나윤석 (자동차 전문 칼럼니스트)
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