탄소중립을 위한 친환경 기술 혁신 중 전기 및 수소 자동차와 트럭의 미래

내연기관에서 배출되는 독성물질의 유해한 영향 때문에 자동차 기술의 친환경 에너지원에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 전통적인 친환경 자동차 기술은 시간이 지남에 따라 발전해 왔습니다. 예를 들어, 바이오 디젤은 최소한의 변경으로 디젤 엔진에 사용할 수 있는 친환경 연소 대안입니다. 바이오디젤은 온실가스 배출량을 무려 86%나 줄입니다. 그린수소는 화석연료가 아니라 재생 가능한 에너지원으로 생산되는 연료. 물은 산업이나 운송 등에 지속 가능한 에너지를 공급하기 위해 폐기물로 사용될 수 있습니다. 수소에너지는 가스나 액체 형태로 사용되며 에너지나 연료로 전환돼 다양한 방법으로 생산할 수 있어 매우 적응력이 뛰어나다. 연간 약 7천만 톤의 수소가 정제, 암모니아, 야금, 철강, 화학 및 비료, 식품산업, 금속가공 및 기타 용도로 생산됩니다.

 

우주에 있는 모든 원자의 90%가 수소 원자라는 것은 잘못된 생각입니다. 최근 연구에서는 우주의 중입자 물질의 약 75%가 수소로 이루어져 있고, 나머지 25%는 주로 헬륨으로 이루어져 있는 것으로 나타났습니다. 추정치는 별과 은하의 풍부한 원소와 우주 마이크로파 배경 복사에 관한 연구를 기반으로 합니다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이며 헬륨이 그 뒤를 이었습니다. 정확한 비율은 측정 기법에 따라 약간 다를 수 있지만, 대부분의 사람은 수소가 우주에서 가장 풍부한 원소라는 데 동의합니다. 그러나 양성자, 중성자 및 기타 아원자 입자로 이루어진 중입자 물질은 우주에서 물질의 극히 일부에 불과하다는 점에 유의해야 합니다. 다른 모든 것은 잘 이해되지 않은 암흑 물질과 암흑 에너지로 구성되어 있다고 믿어집니다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이지만, 종종 다른 원소와의 화합물의 일부로 발견됩니다. 수소 원자는 결합하여 우주에서 가장 흔한 형태의 수소인 분자 수소(H2)를 형성할 수 있습니다. 수소는 또한 물(H2O)과 메탄(CH4)을 포함한 많은 다른 분자의 일부입니다. 수소 원자는 풍부하지만 혼자서는 발견할 수 없습니다. 수소를 생산하기 위해서는 수소 원자가 다른 물 분자와 분리되어야 합니다. 수소 생산은 촉매를 사용하여 메탄과 고온의 증기를 수소, 일산화탄소, 그리고 오늘날 사용되는 대부분의 수소를 생산하는 매우 적은 양의 이산화탄소로 변환합니다. 다음 단계에서는 일산화탄소, 증기 및 촉매가 더 많은 수소와 이산화탄소를 생성합니다. 마지막으로 이산화탄소와 오염물질은 제거되어 순수한 수소를 생성합니다.

수소 에너지란

수소에는 3가지 종류가 있습니다. 그레이수소는 메탄가스의 SMR 또는 석탄의 가스화 과정의 결과로 생산되는 가장 풍부한 형태의 수소입니다. 그레이수소는 재생 불가능한 에너지원으로 생산되며, 생산 과정에서 온실가스를 방출합니다. 블루 수소. 또한 SMR 또는 ATR 공정을 통해 생산되는데, 그 과정에서 생성된 이산화탄소가 흡수되어 저장되므로 수소의 순수한 형태가 됩니다. 그린 수소는 태양 에너지, 풍력 또는 수력과 같은 재생 가능한 에너지원을 이용하여 물 분자를 수소와 산소로 분리하는 전기 분해에 의해 생산됩니다. 그것은 생산 과정에서 온실가스를 배출하지 않기 때문에 수소의 가장 순수한 형태로 여겨지고 있습니다.

 

프로판, 가솔린, 석탄 등의 화석 연료는 수소로 변환할 수 있습니다. 화석연료에서 나오는 수소를 생산하는 이 방식은 그레이 수소를 생산해 연간 8억 3000만 t의 이산화탄소를 배출하는데 이는 영국과 인도네시아의 연간 배출량을 합친 것과 비슷한 수준. 자동 교환 시스템(SMR 또는 ATR)은 블루 수소를 생산하기 위해 수소와 이산화탄소로 천연가스를 방출합니다.

 

수소를 생산하는 또 다른 방법은 산소를 부산물로 생산하는 물의 전기분해를 사용하는 것입니다. 전기분해 과정은 전류를 이용해 물을 수소와 산소로 분리합니다. 만약 생산 과정에서 사용되는 에너지가 태양열이나 풍력과 같은 재생 가능한 에너지원에서 나온다면, 그 결과 발생하는 수소는 '녹색수소'로 알려져 친환경적이라고 볼 수 있습니다. 재생 가능 에너지 비용이 감소함에 따라 그린 수소에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 재생 가능 에너지 가격은 최근 몇 년간 급격히 하락하여 그린 수소를 경제적으로 보다 실현할 수 있게 했습니다. 국제재생에너지기구(IRENA)의 연구에 따르면 2009년 이래 태양과 풍력 에너지에 대한 동일한 전기 비용이 각각 89%와 70% 감소했다고 합니다. 블룸버그 신에너지 금융(BNEF)의 별도 분석에 따르면 2010년과 2020년 사이 태양에너지에 대한 전 세계 평균 가중에너지 비용이 85% 감소했다고 합니다.

 

게다가 연구에 따르면 같은 기간에 풍력 발전과 동등한 전기 비용이 49% 감소했습니다. 재생에너지, 특히 태양과 바람의 비용을 낮추면 그린수소 생산이 다양한 애플리케이션에서 청정연료로 사용하기에 더 경제적입니다. 최근 그린수소에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 미국의 제46대 대통령인 바이든 대통령은 천연가스보다 저렴한 가격에 재생에너지를 기반으로 한 그린수소를 생산하겠다고 약속했습니다. 미 에너지부는 5년간(20222026) 수소와 연료전지 연구개발에 최대 1억 달러를 투자할 예정. 이 투자는 운송 및 기타 응용 분야에서의 수소 및 연료 전지 기술의 도입을 촉진하는 것을 목표로 합니다. 이 기금은 미국의 수소 및 연료전지 기술을 개발하고 구현하기 위한 기술사뭇국의 노력 일부입니다. 수소 사용 기술 기구는 전기차, 수소 생산, 저장 및 연료전지 기반 시설과 같은 몇 가지 연구개발 이니셔티브를 지원합니다.

수소 자동차란

수소로 구동되는 다양한 자동차를 의미합니다. 이러한 차량은 내연기관, 가스 터빈 엔진 또는 수소 연료 전지를 엔진으로 사용할 수 있습니다. 수소엔진에는 두 가지 유형이 있는데 가솔린이나 천연가스 대신 수소가스를 사용하는 전통적인 내연기관이다. 수소 연료 스테이션은 주유소와 마찬가지로 수소 차량에 사용할 수 있습니다. 증기 메탄가스는 수소 스테이션에 저장됩니다. 게다가 수소 자동차를 생산하는 것은 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 수소는 잘 보관되고 처리되면 가연성이 높아서 치명적입니다.

 

수소는 용도에 따라 다양한 압력으로 압축할 수 있습니다. 예를 들어 350 및 700 bar는 연료전지에 수소를 저장하는 일반적인 압축압력입니다. 350 bar는 단거리 자동차에 적합하지만 700 bar는 동일한 용량의 대용량 저장용량을 제공합니다. 산업 애플리케이션은 특정 요건에 따라 다양한 수준의 압력을 사용할 수도 있습니다. 수소는 도로 차량의 경우 700 bar의 고압으로 압축해야 합니다. 이는 수소를 압축하고 수송하기 위해 에너지와 인프라가 있어야 하며, 이는 수소를 연료로 사용하는 비용을 증가시킵니다. 현재 세계에서 생산되는 대부분의 수소는 증기 메탄을 수정하는 과정에서 화석연료(주로 천연가스)에서 생산됩니다. 에너지 집약적인 프로세스는 부산물로 이산화탄소를 생성합니다.

 

국제에너지기구(IEA)는 메탄가스 증기 변화가 전 세계 수소 생산의 80% 이상을 차지한다고 밝혔습니다. 대부분의 수소는 암모니아 생산 및 석유 정제 등의 산업 용도로 사용되고 있습니다. 풍력이나 태양열로 물을 전기로 바꾸는 등 재생 가능한 수소 생산 방식을 쓸 수는 있지만 증기 메탄을 수정하는 것보다 높습니다. 재생 가능한 수소 생산은 천연가스에서 나오는 수소 생산보다 2~3배 높을 것으로 추정됩니다. 그러나 재생 에너지 기술의 가치가 계속 하락함에 따라 재생 가능한 수소의 비용은 다음 몇 년 동안 감소할 것으로 예상됩니다. 수소는 화석연료에 대한 저탄소 대안이 될 수 있지만, 그것은 상당한 에너지와 기반 시설이 필요하며, 오늘날 생산되는 수소의 대부분은 화석연료와 관련된 이산화탄소 배출에서 나옵니다.

전기자동차란

반면 전기차는 내연기관이 아닌 휘발유 탱크가 없는 전기로 구동되는 전기 엔진에 의해 동력을 얻습니다. 배터리 전기차(BEV)는 연료탱크가 없고 내연기관이 없는 배터리로 구동되는 전기차 카테고리입니다. 또 하나의 유사한 기술에는, 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)가 있습니다. 배터리 전기차의 가장 큰 장점은 이미 구축된 전력망 기반 시설에 의존해 세계 모든 전기 콘센트가 충전소 역할을 할 수 있다는 것. 반면 연료전지, 전기차는 처음부터 새로운 기반구조를 구축해야 합니다. 배터리 전기차의 광범위한 도입의 주요 문제는 수소 생산, 운송, 저장 및 분배의 완전한 시스템을 개발하기보다는 보다 단순한 기존 고속 충전소가 필요하다는 것입니다.

 

배터리 전기차(BEV)는 배터리만으로 작동하는 배터리 팩입니다. 반면 전기차 수소연료전지차(FCEV)는 연료전지 스택과 에너지 저장용 소형 배터리를 모두 사용합니다. 수소전기차의 배터리는 일반적으로 BEV보다 상당히 낮습니다. 주로 가속 중 출력 버퍼링, 기타 최대 전기 요구량 및 회생 제동에 사용됩니다. 그러나 두 차량 모두 에너지 저장 시스템에 관한 문제에 직면했습니다. BEV는 제한된 배터리 범위, 충전에 드는 시간, 배터리 비용 및 중량과 관련된 문제에 직면했습니다. 수소전기차는 연료전지를 저장하는 비용과 복잡성뿐만 아니라 수소 충전을 위한 인프라의 제한된 가용성에 관한 문제에 직면합니다.

트럭운송산업의 방향

수소연료 트럭 산업은 세계적으로 약 3만 대의 배터리 전기차를 보유한 중국만큼 발전하지 못하고 있습니다. 한편, 연료 전지 전기 스쿠터는 아직 시험 중이며, 아직 상용화되지 않았습니다. 비교를 위해 중형 및 중량화물을 위한 150개 이상의 배터리 전기버스 모델이 이미 도입되었습니다. 현재 배터리 전기차의 과제는 장거리(연간 평균 10만 km) 물류와 킬로당 높은 에너지 소비로 이어지는 무거운 화물 운송입니다. 여기서 수소 트럭은 종종 잠재적인 해결책으로 논의됩니다. 그런데도 여러 트럭 제조사와 연료전지 및 인프라 공급업체가 2030년까지 유럽 도로에 10만 대의 연료전지 트럭을 배치하는 목표는 2027년 가장 빠른 상업적인 전기 노트북 생산이 시작될 것이라는 주장에 비춰볼 때 가능성이 없어 보입니다. 그때쯤이면 2세대 배터리 전기차가 상용화돼 가동될 겁니다.

 

하루에 500킬로미터 이상의 트럭을 장거리로 수송하는 것은 배터리 전기적인 해결책에 문제를 일으킵니다. 그러나 유럽법에 따르면 트럭 운전자는 4.5시간 이상 주행한 뒤 45분 이상 휴식을 취해야 합니다. 4.5시간이면 큰 차는 약 400km를 달릴 수 있습니다. 결과적으로 고성능과 급속 충전이 가능한 배터리 전기차가 일반적으로 이용 가능하다면 450km의 실행 가능한 범위로는 충분할 것입니다. 대형차가 45분 만에 400㎞를 가속할 수 있도록 하는 데 필요한 평균 충전용량은 약 800㎾다. 현재 급속 충전 규격은 최대 350kW를 생산할 수 있습니다. 하지만 2MW 이상을 충전할 수 있는 새로운 메가와트 충전 시스템 표준이 현재 개발 중입니다. 기술 사양이 예상되며 최종 표준은 2023년까지 설정될 예정입니다. 유럽의 트럭 제조사들은 메가와트 충전 네트워크 구축을 위해 로비를 하고 있으며, 예상되는 급속 충전 장치의 위치를 제공하고 있습니다. 유럽 기반 구조 계획 초안에 따르면 주요 백본 네트워크를 따라 50km마다 고전압 충전이 필요합니다.

 

전기 및 수소차와 트럭의 미래는 기술 발전, 비용 고려 사항, 정부 정책 및 규제를 포함한 다양한 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 배터리 전기차(BEV)는 높은 효율성, 낮은 배기가스 배출, 상대적으로 낮은 운영 비용으로 인해 점점 인기를 끌고 있는 배터리에 전류를 공급합니다. 더 많은 에너지 밀도와 더 적은 충전 시간과 같은 배터리 기술의 발전은 BEV를 더 실용적이고 소비자에게 매력적으로 만들 것입니다. 연료전지전기차(FCEV)는 수소로 작동해 부산물로 물만 생산하기 때문에 전통적인 가솔린 자동차에 대해 깨끗하고 효율적인 대안입니다. 수소전기차의 미래는 수소 생산과 유통 기술의 발전과 수소 연료비에 달려 있습니다. 기술이 더 성숙하고 수소의 생산과 분배가 더 효율적이기 때문에 수소전기차에 대한 비용은 아마 더 낮아질 것이고, 이는 소비자들이 더 저렴하고, 더 실용적일 것입니다.

결론

승용차로도 알려진 연료전지전기차(FCEV)는 기술적인 진보로 인해 여객 운송 분야에서 더 이상 그다지 중요한 역할을 하지 못하고 있습니다. 오늘날 수소차에 대한 대부분의 투자는 우리가 이미 이 기술을 개발하기 위해 상당한 돈을 썼다고 주장하는 잘못된 매장량 때문인 것 같습니다. 그러나 배터리와 전기차에서 연료를 쓰는 자동차가 경쟁할 수 있을지는 의문. 경제가 이미 규모가 크고 충전 인프라가 곧 더 싸고 더 좋아져서다.

 

연료 전지를 소유하는 비용은 대용량으로 충전할 수 있는 배터리로 구동되는 자동차보다 높습니다. 게다가 자동차보다 트럭 운영비가 더 중요하기 때문에 연료전지 전기차의 경우는 훨씬 낮습니다. 그런데도 수소차는 인구밀도가 낮은 지역에서 무거운 짐을 옮기는 데 유용할 수 있습니다. 문제는 이런 전문화된 시장이 연료 전기기관차의 상용화 및 경제적 효율성 제고와 필요한 지원 기반 구조에 충분한지 여부. 2030년까지 탄소 중립 바이오 연료 또는 재생 가능한 합성 연료는 시장 수요에 따라 이러한 지역에 전력을 공급하는 옵션이 될 수 있습니다. 이러한 차량은 생산 비용을 절감하기 위해 트럭 제조사가 연료전지 트럭을 최대한 빨리 대량 생산하지 않는 한 저탄소 자동차 시장에서 경쟁할 수 없습니다. 정책 입안자와 기업 지도자는 전기차가 수소 기술의 추가 연구개발을 정당화할 만큼 충분히 큰 연료전지 시장인지 여부를 최대한 빨리 결정해야 합니다.

 

내연기관에 의한 유독성 물질 방출의 부정적인 영향 때문에 자동차 기술로 깨끗한 에너지원에 대한 필요성이 증가하고 있습니다. 전기차와 수소차는 현재 개발 중인 대표적인 친환경 차 2대다. 이 기사에서는 수소 자동차가 전기 자동차를 대체할 수 있는지에 대해 조사했습니다. 그 결과 연료전지차가 전기차와 충전 인프라 비용 절감과 생산성 향상으로 전기차와 경쟁하지 못할 것으로 보입니다. 하지만 수소차가 먼 지역의 무거운 운송을 지원할 수 있지만 연료전지 전기버스 시장은 제한적이고 사용 사례는 배터리 전기버스에 비해 훨씬 제한적입니다. 결론적으로 수소차는 2050년까지 전기차를 대체하지 않을 것입니다.