수소차 원리와 구매 보조금

최근 친환경차에 대한 수요가 많아지고 있습니다. 아직까지는 수소차보다는 전기차에 대한 수요가 많지만, 수소 산업은 탄소중립을 위한 발전 산업으로 촉망받고 있고 주식 시장에서도 하나의 테마로 자리 잡았습니다.

 

수소차란?

• 수소가 연료인 자동차

수소차는 수소를 연료로 하여 구동되는 차량을 말합니다. 최초에는 수소를 연소시켜 엔진을 구동하는 방식으로 작동되었었지만 당시 수소 보관 기술과 구동 효율이 좋지 않아서 발전하지 못했어요. 수소연료전지가 개발된 후로는 수소를 공급하여 전기를 만들고, 이것을 모터로 전달하여 차량을 구동 시키는 원리입니다.

 

영어로 표현하면 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)가 됩니다. 수소차라고 해서 Hydrogen Vehicle이라고 생각할 수도 있는데, 엄밀하게 이야기하면 현재 생산되고 있는 수소차는 수소연료전지차라고 하는 게 정확합니다. 차량에 연료전지(Fuel Cell)가 실려있기 때문이에요.

 

수소차 구동원리

• 화학반응을 통한 전기에너지 발생

수소차에는 수소를 충전했을 때 저장되는 수소 탱크가 있습니다. 현대차에서 생산하는 넥쏘의 탱크에는 약 6kg 정도의 수소를 저장할 수 있고 작은 3개의 탱크가 연결되어있습니다. 탱크에 들어있는 수소와 공기 중의 산소가 연료전지를 통해 화학반응을 하게 되고, 화학반응에서 전기에너지가 발생합니다.

 

이 전기에너지를 활용하여 수소차가 작동하게 됩니다. 그리고 수소와 산소가 화학반응을 하면 순수한 물이 생성되는데, 이 물은 차량 밖으로 배출시킵니다. 기존의 가솔린, 디젤 엔진을 사용하는 내연기관에서 온실가스를 배출하는 것과 달리 수소차는 오로지 물만 배출하기 때문에 친환경차라 부르고 있습니다. 

 

넥쏘(출처 : 현대자동차)

수소차의 배터리

• 수소차도 배터리 필요

수소차가 연료전지를 통해 전기를 만들기 때문에 배터리가 필요 없다고 생각할 수도 있지만, 수소차 역시 전기를 저장하는 배터리를 장착하고 있습니다. 국내에 출시되고 있는 하이브리드(가솔린+전기) 차량과 같이 저전력 배터리와 구동용 배터리가 같이 장착되어 있어요. 저전력 배터리는 기존 내연기관, 하이브리드 차량과 같이 차량 시동 및 차량 내 탑승자 편의를 위한 전자기기(오디오, 창문, 실내등, 열선 등)를 사용하는데 쓰입니다.

 

• 추가 출력은 배터리에서 

구동용 배터리는 수소차가 고출력이 필요할 때 활용됩니다. 이게 무슨 말이냐면, 연료전지에서 만들어지는 전기는 일정한데 수소차는 항상 일정하게 움직이지 않습니다. 엑셀(accelerator)을 천천히 밝으면 차도 천천히 움직이고 강하게 밝으면 더 빠르게 움직이죠. 다시 말해 천천히 움직일 때, 또는 저속일 때 만들어진 전기보다 쓰는 전기가 적습니다. 고속 주행일 때 또는 순간적으로 액셀을 강하게 밟을 때 등 이럴 때는 높은 출력이 필요해요. 그래서 이 배터리는 수소차 출력이 낮을 때 남은 전기를 충전시켜뒀다가 높은 출력이 갑자기 필요할 때 배터리에서 출력 즉 전기를 끌어오는 원리입니다.

 

회생제동

• 효율을 높이기 위한 시스템

수소차에도 구동시 배터리가 작용하기 때문에 일반 배터리 전기차(BEV, Battery Electric Vehicle), 하이브리드차에도 있는 기능인 회생제동장치가 있습니다. 회생제동이란 회전력(운동에너지)을 다시 전기에너지로 변환시키는 것인데, 모터의 역할이 반대로 되는 것이라고 이해할 수 있습니다. 모터는 전기에너지가 운동에너지로 전환되는데 회생제동은 운동에너지가 전기에너지로 바뀌면서 배터리가 충전됩니다.

 

• 회전자를 이용한 재충전

차량이 움직일 때 브레이크를 밝으면 디스크를 마찰로 멈추는 것이지만, 회생제동은 차량 움직임의 관성을 이용해 회전자를 돌리며 일종의 발전을 하게 돼요. 이 원리는 화력발전소나 원자력 발전소에서 증기터빈을 회전시켜 전기를 만들어내는 원리와 같습니다. 그래서 고출력 배터리가 탑재된 차량들은 이와 같은 효율을 더 가져가기 위해 회생제동장치를 탑재하고 있습니다. 

 

 

일반 배터리 전기차와의 차이

• 연료를 사용하여 직접 전기 생산

수소차는 배터리 전기차와 같이 전기를 사용하여 구동된다는 점은 동일합니다. 하지만 가장 큰 차이는 연료를 사용하여 직접 전기를 만들어낸다는 점이에요. 위에서도 이야기한 수소연료전지를 탑재하고 있기 때문인데요, 수소차와 배터리 전기차는 연료전지를 제외하고는 똑같은 원리를 가진 자동차입니다.

 

배터리 전기차는 외부에서 전기에너지를 받아 배터리를 충전하는 방식이지만 수소차는 저장되어있는 연료를 전기로 전환하는 방식이에요. 내연기관의 엔진과 같은 역할을 하는 일종의 발전기를 싣고 다닌다고 이해할 수 있습니다. 수소차는 자가발전을 통해 만들어낸 전기에너지로 구동하는 것이죠.

 

• 대형 차량에 높은 효율

그리고 에너지 출력면에서 수소차가 유리한 점이 있습니다. 배터리에서 나오는 출력을 높이려면 배터리 용량이 커야 하는데, 배터리 용량을 크게 하면 덩달아 배터리 부피도 한없이 커져야 합니다. 그래서 아직은 전기 트럭이나 전기로 구동되는 대형 중장비에서는 배터리 구동 방식의 효율이 좋지 않습니다. 배터리가 부피가 커지면 배터리 무게도 무시할 수 없는 수준이 되어 버려요. 배터리 용량은 늘지만 배터리 무게로 인해 전비 하락이 심해집니다. 하지만 수소차는 탱크 용량만 넓히면 되기에 전비 하락이 덜하게 돼요. 큰 차량일수록 큰 탱크를 넣을 수 있기 때문입니다. 물론 고출력을 위해 연료전지도 좋은 출력이 되거나 2개 이상을 장착해야 할 수도 있습니다. 그래도 배터리 크기와 무게가 늘어나는 것보다는 나은 효율이라고 시장에서 전망하고 있어요.

 

2022년 수소차 보조금

• 국고보조금 2250만 원

2021년 수소차 구매 보조금은 국비 지원금이 2,250만 원이었는데요 환경부 '2022년 수소차 보급 및 수소충전소 설치사업 보조금 업무처리지침(2021. 12. 15)'에 따르면 2022년에도 국고지원금은 2,250만 원으로 동일하게 유지됩니다.

 

하지만 아직 지방비는 확정이 안된듯해요. 2021년 기준 제일 적은 광역자치단체는 대구광역시 900만 원이었으며, 가장 많은 광역자치단체는 강원도가 1,500만 원의 지방비로 보조금이 나왔습니다. 적게는 3,150만 원부터 많게는 3,750만 원의 보조금을 받아 구매할 수 있었어요. 넥쏘의 차량 가격이 프리미엄 트림 기준 7,095만 원이므로 3,400~3,950만 원의 개인부담으로 수소차를 살 수 있었습니다.(무광 컬러 선택 시 20만 원 추가) 

 

2022년도 이와 비슷한 수준일 것 같습니다. 보조금 확정은 1월 중 일반 전기차 구매 국고 보조금이 확정되면 지자체도 차례로 확인할 수 있을 것 같아요. 아래는 2021년도 지자체별 수소차 보조금 산정 내역입니다. 

2021년 지자체별 전기차, 수소차 보조금(무공해차량 통합누리집)

 

수소 충전 요금

일반 내연기관 연료인 휘발유와 경유는 유가에 의해 변동이 잦지만 현재까지 수소 충전 요금은 많이 변하지 않았습니다. 수소 충전소의 충전 요금은 지역마다 조금씩 다른데, 지자체마다의 지원 유무 및 규모, 운영 및 구축 주체에 따라 다릅니다. 

 

일반적인 수소 충전 요금은 kg당 8,800원입니다. 민간 주도로 구축된 수소충전소(한국도로공사 포함)들 요금이 비싼 편이에요. 가장 저렴한 지역은 울산입니다. 울산시 주도로 구축된 수소충전소에는 kg당 7,000원입니다. 인근 도시인 창원 역시 저렴한 편에 속하는데요 창원은 kg당 8,000원에 충전이 가능합니다.

 

 

• 충전량과 이동 가능 거리

수소차는 내연기관과 다르게 한 번 충전 시 무조건 가득 충전해야 합니다. 절반만 채우고 중간에 멈추는 게 되지 않아요. 수소 충전량은 700 bar의 압력(약 690 기압)으로 약 6kg까지 충전됩니다. 현대차에서 밝힌 연비 복합연비는 93.7km/kg(프리미엄 트림, 19인치)으로 한 번 충전 시 약 560km 정도 주행이 가능하네요. 연비 운전을 한다면 600km도 가능할 것으로 보입니다.

 

• 경유차와 비교

수소차와 휘발유, 경유 차량의 계량이 다르기 때문에 km당 얼마의 비용이 드는지로 비교해볼까 합니다. 내연기관 차량 중에도 유류비가 저렴한 경유를 기준으로 계산해보겠습니다. 지역마다 다르지만 경유를 리터당 1450원으로 계산할게요. 그리고 휠 크기가 19인치가 가능한 투싼 디젤 모델의 경우 복합연비는 리터당 13.9km로 표시되어 있어요.

 

그럼 경유 가격을 연비로 나눠주면 104.32원/km 가 나옵니다. 1km 갈 때 약 104원의 비용이 들죠. 100km 운행하면 10400원의 유류비가 드는 거예요. 수소차의 경우 역시 충전 가격 8,800원/kg을 연비 93.7km/kg으로 나눠주면 약 93.92원/km가 됩니다. 100km 운행 시 약 9400원 정도 들게 되니 100km 당 천 원정도의 차이를 보여요. 연간 15,000km를 주행한다고 생각하면 1년에 15만 원이 유류비에서 절감이 됩니다.

 

운전 습관에 따라 이 차이는 조금 더 줄어들 수도, 늘어날 수도 있겠으며 경유 가격과 수소 가격이 변화하기도 합니다. 하지만 수소차 구매를 고려한다면 연비 때문에 수소차를 사는 것은 타당한 이유가 되지 못할 거예요. 차량의 취향이나 편의 기능, 정숙성, 반응성 등 다른 이유가 고려되어야 합니다. 

 

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수소차 구매를 고려하시는 분이라면 보조금 제외 개인부담은 4,000만 원 정도로 생각하시면 될 것 같습니다. 아직은 가격이 많이 떨어지지 않았는데요, 현재는 가격적인 문턱이 높은 편입니다. 앞으로 수소 충전 비용을 낮추거나 더 많은 인프라 확충으로 수소차가 많아지면 생산 단가를 낮출 수도 있지 않을까 하는 기대를 해봅니다.