교통과 수소의 만남, 지구를 살리는 친환경 교통수단

교통과 수소의 만남, 지구를 살리는 친환경 교통수단

대학생신재생에너지기자단 23기 김용대, 26기 강민석, 27기 박희원, 홍민서

 

[친환경 수소 교통수단, 왜?]

교통 부문에서 화석연료를 사용하는 자동차, 트럭, 버스 등은 전 세계 온실가스 배출의 약 15% 가량의 큰 비중을 차지한다. 국내의 경우 정부의 ‘자동차 온실가스 관리제도’ 시행에도 불구하고, 2015년부터 2020년까지 국내 판매된 승용차의 온실가스 평균 배출량과 해당 연도 온실가스 배출허용기준을 단순 비교한 결과 그 격차는 오히려 매년 커지는 것으로 나타났다. 2015년 배출허용기준을 2.4% 초과했으나 기준과 실제와의 격차가 매년 커져, 2020년에는 44.8%나 초과한 것이다. 순수 자동차 판매실적으로만 계산된 ‘실제’ 온실가스 평균 배출량 역시 2016년 142.8g/㎞에서 2020년 141.3g/㎞로 개선되지 않고 있다.

이처럼 현대 사회에서 환경 문제가 심각해짐에 따라 친환경 교통수단에 대한 관심이 높아지고 있다. 국내에서는 자전거나 전동킥보드의 이용이 확대되고 있을 뿐 아니라 전기저상버스, 수소전기트럭 등을 개발해 도입 및 수출을 추진 중이다. 그중에서도 특히 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않고 비교적 효율성이 높은 수소를 활용한 친환경 교통수단이 각광받으며 활발한 연구가 이루어지고 있다.

 

[친환경 교통수단, 수소자동차]

[자료 1. 수소전기차 구조]

출처 : 한국자동차연구원

수소자동차는 수소를 연료로 사용해 동력을 얻는 친환경 교통수단 중 하나이다. 수소자동차는 ‘수소내연기관자동차’와 ‘수소전기자동차’로 구분하는데, 일반적으로 수소자동차를 지칭하는 경우에는 수소연료전지를 통해 구동하는 ‘수소전기자동차’를 일컫는다.

[자료 2. 수소연료전지]

출처 : 한국자동차연구원

수소연료전지는 수소와 산소가 만나 전기화학반응이 일어나는 것을 이용해 전기를 생산하는 장치이다. 더 정확히는, 기체확산층을 통해 수소가 양극에 공급됐을 때 백금촉매로 인해 수소이온과 전자로 분리된다. 이때 수소이온은 전해질막을 통해 음극에서 산소와 만나 물이 되고, 전자는 외부 도선을 통해 이동하며 전력을 공급한다. 산소는 공기 중에 많이 분포돼 있으므로, 연료인 수소만 주입하면 전기가 발생해 동력을 얻을 수 있다.

수소자동차의 장점은 전기를 생산하면서 공기를 정화하는 것이다. 기존의 내연기관 자동차는 일산화탄소와 질소산화물 등 각종 대기오염물질이 배출되는 데 반해 수소자동차는 고순도의 산소를 얻기 위해 공기필터가 탑재돼 있어 이 과정에서 초미세먼지가 대량 정화된다. 이로 인해 수소자동차는 ‘달리는 공기청정기’라는 수식이 붙으며 친환경 교통수단으로 구분된다. 이 외에도 수소연료전지는 전기차 배터리와 다르게 수소와 공기가 공급되는 한 계속해서 전기를 생산할 수 있고, 완충시간이 5분 내외로 짧다는 장점이 있다.

이러한 수소자동차의 장점으로 인해 지난 2023년 12월에 정부는 ‘2030 국가 온실가스 감축목표(NDC)’를 달성하기 위해 2030년까지 수소차 30만 대 보급, 수소충전소 640기 이상 구축을 목표로 설정했다. 그렇다면 현재 수소자동차 보급 현황은 어떨까?

[자료 3. 국내 수소자동차 등록현황]

출처 : 수소경제 종합정보포털

수소경제 종합정보포털에 따르면 2024년까지 국내 누적 수소차 등록현황은 37,557대로 목표한 수치에 약 10%에 달한다.

[자료 4. 국내 상업용 수소충전소 구축 현황]

출처 : 수소경제 종합정보포털

국내 상업용 수소충전소의 경우에는 2024년까지 누적 408대로, 목표한 수치의 약 63%에 달한다. 

현재 수소자동차 보급 목표를 달성하는 데 있어 지체가 되는 부분은 대표적으로 수소자동차의 높은 가격과 수소 충전소 부족 등이 있다. 수소연료전지에서 촉매역할을 하는 백금은 2025년 2월 13일 기준 g 당 *46,162원이며, 수소 연료는 전국적으로 kg 당 평균 **10,162원으로 고가에 속한다. 이러한 높은 가격으로 인해 소비자는 구매에 대한 부담을 느낄 수밖에 없다.

*한국금거래소 사이트 기준

**수소유통정보시스템 사이트 기준

또한 수소충전소의 경우 고압의 수소를 보관하므로 방호벽 설치 및 안전거리 유지에 관한 규정이 존재한다. 이로 인해 수소충전소를 설치할 때마다 넓은 부지와 추가적인 설비가 요구돼 설치 비용이 늘어나고, 주유소나 전기차 충전소에 비해 인프라 구축이 쉽지 않다. 본질적으로 수소충전소와 수소자동차는 상호 의존적인 관계이기 때문에 수소자동차 보급을 확대하는 데 있어 수소충전소의 확대가 뒷받침되어야 한다. 이에 따라 정부에서는 도심지역에서도 충전소가 쉽게 들어올 수 있도록 고압가스 안전관리법 시행규칙 등을 개정하며 충전소 설치 기준을 합리화하고, 한국자동차환경협회에서 ‘2024년 수소 전기자동차 충전소 설치 민간자본보조사업’을 추진하는 등 수소충전소 설치비용을 지원하기 위한 움직임을 보인다.

 

[수소 트램과 수소 전기 열차]

두 번째로 살펴볼 친환경 대중교통수단은 바로 수소 열차이다. 수소 트램과 수소 전기 열차 등이 이에 해당한다. 수소 열차, 혹은 수소 전기 열차는 수소와 산소로 전기를 발생시켜 동력을 얻는 방식의 열차이다. 기존의 일반적인 열차와는 달리, 열차 내에 탑재된 수소연료전지가 생산한 전기에너지를 활용해 움직이는 방식으로 작동한다.

[자료 5. 수소 전기 열차 에너지 흐름도(좌: 가속, 우: 감속)]

출처: 국토교통부 20221228 보도자료

앞서 다룬 수소자동차와 유사하게, 수소 열차는 물 이외의 오염물질을 배출하지 않아 친환경적이며, 운행 시 주변 공기를 정화하는 대기질 개선 효과를 가져올 수 있다는 점에서 기존 트램과 큰 차별성을 가진다. 또한 앞서 다룬 것처럼 수소연료전지는 전기에너지를 생성하기 위해 외부로부터 수집한 산소를 필터와 막 가습기 등을 통해 정화하는데, 이렇게 사용 후 정화된 공기를 외부로 다시 배출하기에, 운행 과정에서 미세먼지를 정화하게 되는 것이다.

이 외에도 전차선, 변전소 등 설비가 필요하지 않아 전력 인프라 건설 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

국내에서는 현재까지 22개의 도시(총 35개 노선, 총연장 456.33km 계획 중)가 트램 도입을 추진하고 있다. 이 중 대표적으로 대전, 울산, 제주 등의 지방자치단체가 수소연료전지를 트램의 급전 방식으로 결정했다. 특히 울산시는 2028년 국내 최초로 대전 도시 철도 2호선에서 수소 트램을 개시할 예정이며, 대전시는 2029년, 제주시는 2030년을 목표로 수소 트램 도입을 추진하고 있다.

대한민국 산업통상자원부는 국내 수소 전기 트램 도입을 위해 ‘수소 전기 트램 실증 국가연구개발사업’을 추진하고 있다. 2018년부터 철도 수송부문 온실가스 배출 저감, 비전철화 구간에서 전력 설비 없이 운행이 가능한 수소연료전지 기반 하이브리드 추진시스템 기술개발과 운용 기술의 확보를 위해 수소 전기 열차 시험 차량 개발 R&D를 추진했다. 또한 국토교통부와 한국철도기술 연구원이 국가 R&D를 통해 친환경 수소전기열차 시험 차량(시제품) 개발에 성공했다고 발표하며, 수소 전기 열차의 상용화를 통해 탄소중립 실현에 대한 기대가 높아지고 있다.

그러나 수소 트램을 포함한 수소 모빌리티의 핵심인 수소연료전지는 발전 효율이 40~50% 수준에 불과하며 경제성 확보가 어렵다는 비판을 받기도 한다. 이는 수소 대중교통 확대의 걸림돌로 작용할 수 있기에, 소재부품 기술 수입 의존도를 낮추는 등의 노력을 기울여야 할 것이다. 

 

[수소버스]

수소를 연료로 사용하는 수소버스 역시 친환경 교통수단이다. 수소버스는 수소연료전지에서 수소와 산소의 화학 반응을 통해 생성되는 전기로 운행되는 버스다. 수소버스는 수소자동차와 마찬가지로 운행 과정에서 오염물질이 포함된 배기가스를 배출하지 않는다는 점에서 친환경 교통수단이며, 달리면서 공기를 정화하는 효과가 있기 때문에 ‘달리는 공기청정기’로도 불린다.

[자료 6. 수소버스]

출처: 월간수소경제

수소버스는 경유로 운행되는 버스에 비해 진동과 소음이 더 적게 발생하기 때문에 승차감이 좋다는 장점이 있다. 경유버스는 연료를 안개처럼 분사한 뒤 연소시키는 방식으로 구동되기 때문에 진동과 소음이 유발된다. 반면, 수소버스는 연료전지를 통해 생산된 전기로 운행되기 때문에 경유버스 대비 소음은 약 60%, 진동은 약 40% 감소하여 승차감이 좋다. 그리고 수소버스는 전기버스에 비해 충전 시간이 짧고 주행거리가 길다는 장점이 있어 장거리 노선에도 적합하다. 즉, 수소버스는 지구뿐 아니라 탑승객에게도 좋은 버스라고 할 수 있다.

그러나 수소버스의 보급이 목표했던 것보다 더딘 상황이다. 환경부에서는 2024년에 상용차 중심의 수소차 보급 정책을 통해 수소버스를 1,000대 이상 보급하며 수소버스 보급률을 늘렸지만, 정부에서 제시한 2024년까지 수소버스 2,700대를 보급하고, 수소충전소 385기를 구축하는 목표를 달성하기에는 한참 부족했다. 정부에서 2023년 4월에 의결한 2050년 탄소중립·녹색성장 실현을 위한 국가전략 및 제 1차 국가 기본계획에 따르면, 수소 기여율이 기존 NDC(국가 온실가스 감축 목표) 7.6%에서 8.4%로 상향 조정되었다. 이에 앞으로 탄소중립과 녹색성장을 실현하기 위한 수소의 역할이 더 중요해진 상황이다. 하지만 높은 기술장벽과 부족한 인프라로 인해 수소버스를 비롯한 수소 모빌리티의 상용화가 아직까진 활발히 이루어지지 못한다. 또한, 수소 충전소의 안정성과 관련된 문제는 수소 모빌리티의 상용화를 위해 반드시 해결해야 할 과제다.

탄소중립과 녹색성장의 실현을 위해서 수소버스의 보급을 늘리기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다. 환경부와 국토교통부 대도시권광역교통위원회는 지난 9월 ‘수소버스 보급 활성화 업무설명회’에서 2030년까지 전체 광역버스 25%를 수소버스로 보급할 것이라고 밝혔다. 또한 환경부는 2023년 5월 삼성전자·SK하이닉스 등 7개 기업, 서울·인천 등 12개 지자체 등과 함께 업무협약을 체결했으며, 2026년까지 내연기관 통근버스 2,000대 이상을 수소버스로 전환할 계획이다. 이로 인해 현대차와 두산의 하이엑시움모터스 등을 비롯한 일부 기업의 통근버스에서 수소전기버스의 비율이 높아질 예정이다. 

[자료 7. 수소충전소]

출처: 월간수소경제

그뿐만 아니라, 수소충전소 역시 확충할 예정이다. 수소버스에 수소충전소는 내연기관 자동차에게 주유소와 같은 역할을 하므로, 수소 충전소의 확충은 수소버스를 비롯한 수소 모빌리티의 상용화를 위해 매우 중요하다. 정부에서는 수소 모빌리티를 언제‧어디서나 충전할 수 있도록 인프라를 구축할 계획이며, 수소충전소의 원활한 구축을 위해 후보지 발굴부터 충전 사업자 정보 제공, 인허가 컨설팅 등을 적극적으로 지원할 예정이다. 이를 토대로 2030년까지 수소충전소 660기(액화수소충전소 280기)까지 늘릴 예정이다. 실제로 2024년 정부안으로 액화수소충전소 32개소 구축을 위해 1,155억 원을 지원하는 등 현재에도 수소충전소 확충을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 그리고 수소충전소에 대한 안전기준을 마련하며 수소충전소의 안정성을 높이기 위한 노력 역시 진행되고 있다.

또한, 수소충전소의 안정성을 확보하기 위해 코하이젠에서는 설계부터 시험 운전까지 모든 단계를 통합 관리하는 방식으로 충전소를 건설하고 있다. 이는 고가의 압축기와 높은 안정성이 요구되는 제어설비를 직접 구매해 충전소 건설에 활용하기 때문에 저비용으로 충전소를 완성할 수 있고, 안정성을 확보할 수 있다는 점에서 유용하다. 코하이젠에서 운영하는 수소충전소는 내년부터 10개소로 확대될 예정이며, 글로벌 시장의 흐름에 맞춰 해외로도 수출될 예정이다. 이와 같은 노력을 통해 수소충전소가 확충되고 인프라를 확보한다면, 수소 버스를 비롯한 수소 모빌리티의 상용화까지 몇 발짝은 앞설 수 있다. 

 

[안전·충전·효율 모두 잡고 확대로 나아가야]

현재 정부는 수송 부문에서 2030년까지 6,100만톤의 온실가스 감축을, 2050년까지 실질적 온실가스 배출량을 0으로 만드는 탄소중립을 목표로 하고 정책을 추진하는 중이다. 대기오염 물질 배출이 거의 이루어지지 않는 수소를 활용한 자동차, 기차, 버스 등의 운송수단은 해당 목표 실현에 큰 해결책으로 작용할 것으로 예측된다. 그뿐만 아니라 전동 자전거부터 전기차까지 다양한 친환경 교통수단 상용화를 통한 온실가스 감축 노력이 어느 때보다 촉구되는 시점이다.

다만 수소 교통수단의 안정성 문제와 퍼스널 모빌리티, 전기차 등의 폭발 사고 문제가 잇따라 발생하고 있는 만큼 친환경 교통수단 이용자의 안전 보장이 상용화 이전 첫 번째 과제로 떠오를 것으로 보인다. 특히 수소 교통수단의 경우 일부 항목에서 안전성 문제뿐 아니라 충전소 부족, 가격 및 발전 등의 효율성 부족 문제가 보급 확대를 가로막고 있다. 따라서 충전소 설치 기준 합리화, 소재부품 기술 수입 의존도 절감을 통한 비용 인하 등의 방안을 마련해 수소 교통수단 보급 확대 및 친환경 사회로 나아가는 발판을 마련해야 할 것이다.

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수소 모빌리티에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "연료전지 없는 수소차? 수소 엔진의 시대가 왔다!", 24기 이지혜, https://renewableenergyfollowers.org/4289

연료전지 없는 수소차? 수소 엔진의 시대가 왔다!

2. "이제는 수소버스와 함께 출퇴근해요!", 21기 곽서영, https://renewableenergyfollowers.org/4087

이제는 수소버스와 함께 출퇴근해요!

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참고문헌

[친환경 수소 교통수단, 왜?]

1) 김윤경, "기후위기 대응을 위한 녹색교통 어떻게?", 대한민국 정책브리핑, 2023. 07. 13,  https://www.korea.kr/news/reporterView.do?newsId=148917580 

2) 녹색교통운동, "[환경의 날] 2020년 자동차 온실가스 평균배출량, 기준 대비 44.8% 초과", 2022.06.03,  https://greentransport.org/news/?bmode=view&idx=11766582 

3) 메디 레만, "대중교통이 기후정의의 핵심인 다섯 가지 이유", 그린피스, 2023. 09. 21, https://www.greenpeace.org/korea/update/28279/blog-ce-climatejustice-transport/ 

4) 환경부 교통환경과, 2016~2020년 자동차 온실가스 관리제도 이행실적 공개, 2022. 11.15,  https://www.2050cnc.go.kr/base/board/read?boardManagementNo=43&boardNo=1106&menuLevel=2&menuNo=73 

[친환경 교통수단, 수소자동차]

1) 산업통상자원부, “2030년까지 수소충전소 450개 늘린다…관련 규정 정비”, 대한민국 정책브리핑, 2024.02.02,
https://www2.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148925528

2) 수소경제 종합정보포털, “국내 수소차 등록현황(연도별)”, https://h2hub.or.kr/main/yard/domestic-hydrogen-vehicle-registration-status-yearly.do

3) 이종수, “수소버스 확산…충전소 시장 변화 바람”, 월간수소경제, 2024.11.05, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=13060

4) 전국자동차노동조합연맹, “수소전기차, 당신이 궁금해”, 2019.05.08, http://bus.inochong.org/bbs/board.php?bo_table=magazine&wr_id=64&sca=2019%EB%85%84+4%ED%98%B8#:~:text=%EB%B6%80%EC%82%B0%EB%AC%BC%EB%A1%9C%20%EB%82%98%EC%98%A4%EB%8A%94%20%EB%AC%BC%20%EC%97%AD%EC%8B%9C%20%EA%B8%B0%EC%A1%B4%20%EB%82%B4%EC%97%B0%EA%B8%B0%EA%B4%80%20%EC%9E%90%EB%8F%99%EC%B0%A8%EA%B0%80,%EB%96%A8%EC%96%B4%EC%A7%80%EB%8A%94%20%EC%97%B0%EB%B9%84%20%E2%96%B3%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%B0%A8%EB%B3%B4%EB%8B%A4%20%EB%82%AE%EC%9D%80%20%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80%20%ED%9A%A8%EC%9C%A8%20%E2%96%B3

5) 탄소중립녹색성장위원회, “수소차 보급-충전-수소생산 생태계 구축 위해 민관 힘 합친다”, 2024.12.06, https://www.2050cnc.go.kr/base/board/read?boardManagementNo=43&boardNo=4407&page=3&searchCategory=&searchType=&searchWord=&menuLevel=2&menuNo=16

6) 한국금거래소, “국내시세”, https://www.exgold.co.kr/price/inquiry/domestic

7) 한국석유관리원 수소유통정보시스템, “가격정보”, https://www.h2nbiz.or.kr/sym/mnu/mpm/EgovMainMenuIndex.do?menuNo=20300&chkURL=/rt/sts/pce/rtAmountInfo.do

8) 한국자동차연구원, “수소전기차의 원리”, https://h2mobility-katech.re.kr/sub/sub1_1.php

9) 한국자동차연구원, “연료전지”, https://h2mobility-katech.re.kr/sub/sub1_2.pph

10) 한국자동차환경협회, “2024년 수소전기자동차 충전소 설치 민간자본보조사업 사업자 공개모집 공고문(액화, 특수, 일반, 증설)”, 수소경제 종합정보포털, 2024.01.23,
https://h2hub.or.kr/main/yard/business.do?mode=view&articleNo=1795&article.offset=0&articleLimit=10

11) 한국천연가스수소충전협회, “수소자동차”, http://konfa.or.kr/theme/a01/page/content2-2.php

[수소 트램과 수소 전기 열차]

1) 국토교통부, 친환경 수소전기열차 개발 성공, 철도 분야 탄소중립을 위한 첫걸음 내딛다, 2022.12.28, https://www.2050cnc.go.kr/base/board/read?boardManagementNo=43&boardNo=1201&page=9&searchCategory=&searchType=&searchWord=&menuLevel=2&menuNo=70 

2) 류지수, “수소차, 수소버스에 이어 수소열차가 달린다”, 시빅뉴스, 2019.06.11, http://www.civicnews.com/news/articleView.html?idxno=22953

3) 서지민, “수소연료전지 경제성 확보, 발전단가 낮추기가 핵심”, 시사저널e, 2022.04.15, https://www.sisajournal-e.com/news/articleView.html?idxno=267076  

4) 이종수, “수소트램, 친환경 도시 대중교통으로 부상”, 월간수소, 2024.10.21, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=13014 

5) 장병극, “오송시험선에 수소전기열차가 멈춰선 까닭은?”, 철도경제신문, 2023.05.04, https://www.redaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=5718 

[수소버스]

1) 김하늬, ““안전과 효율로 미래를 충전하다” 기술력으로 앞서가는 수소충전소“, 공학저널, 2025.01.07, http://www.engjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=3091

2) 신석주, “2030년 수소차 30만대·충전소 660기, 실현가능성은?”, 수소신문, 2024.01.10, https://www.hydrogennews.co.kr/news/articleView.html?idxno=1863

3) 이종수,“수소버스 확산…충전소 시장 변화 바람”, 월간수소경제, 2024.11.05, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=13060

4) SK E&S 미디어룸, “달리는 공기청정기 ‘수소버스’ 탄소중립 향해 달린다”, 2023.08.09, https://media.skens.com/5504

[안전·충전·효율 모두 잡고 확대로 나아가야]

1) 대통령직속 2050 탄소중립녹색성장위원회, 2030 국가온실가스감축목표, https://www.2050cnc.go.kr/base/contents/view?contentsNo=59&menuLevel=2&menuNo=109