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수소버스
수소버스(Hydrogen Bus)는 수소를 연료로 하여 전기를 생산하여 움직이는 버스로 수소전기버스(Hydrogen Electric Bus)라고도 한다.
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개요
수소버스는 엄밀히 따져 전기버스의 한 종류이며, 충전식 전기배터리를 동력으로 삼는 전기버스와 달리 운행 중에도 연료전지를 작동시켜 전기를 생산한다. 이러한 특성으로 인해 가벼운 배터리를 사용하고, 연료 충전시간이 거의 들지 않는다는 장점을 가져 효율성이 높고 친환경적인 미래 대중교통수단으로 각광받고 있다.[1] 초기에는 배터리 전기자동차와 비교하여 전기자동차에 대한 악평을 쏟아 내었는데, 이는 가격적인 측면과 수소를 생산하는 과정에서 드는 비용, 오염이 발생하기에 배터리 전기자동차와 비교하여 수소전기차가 가지는 메리트를 느끼지 못하였기 때문이다. 2021년 기준으로 수소자동차가 상용화 됨에 따라 회의적인 의견이 많이 줄어들었다. 수소버스는 2000년대 초부터 등장하여 유럽, 중국, 일본에서 운행되고 있으나 도시형 단거리 노선에 제한적으로 운행되고 있는 상황이며 아직 초기 시장 형성단계이다. 국내에서 주로 아시아권에서는 한국과 일본, 중국이 운행하고 있으며, 현대사 일렉씨티 수소버스를 개발하고 2018년 울산시 시내버스로 최초 도입한 이후 2019년 말까지 전국 총 15대가 등록된 상황이다.[2] 2020년부터 수소버스를 적극적으로 도입하여 77대의 수소버스가 운영 중에 있다.[3]
특징
장점
- 친환경적:수소와 산소가 만나 전기를 발생시켜 구동시키는 방식으로 연료전지가 수소와 산소를 이용하여 전기를 만들어내는 핵심요소이다. 수소연료전지 내 화학반응에는 깨끗한 산소가 필요하므로 때문에 자체 공기 정화능력을 갖추고 있고, 오염된 공기는 고성능 공기정화 필터를 통하여 맑은 산소로 정화되어 사용이 된다. 배기가스를 뿜는 일반 버스와는 달리 깨끗한 물을 배출하게 되어 공기청정기 역할을 한다. 또한 수소버스는 수소전기차보다 주행거리가 길어 대량의 수소를 소비하기 때문에 수소전기버스 1대가 연간 86,000km를 주행한다면 418,218kg의 공기가 정화된다. 이는 약 85명의 성인이 1년 동안 깨끗한 공기를 마실 수 있는 양이라 한다.[1] 또한 연간 125T의 이산화탄소를 줄이게 되는데 소나무 1만 9천 그루의 역할을 한다.
- 효율성: 긴 주행거리와 빠른 충전이 강점인 수소연료차는 대형 장거리 운송 수단인 버스에서 더욱 장점이 부각된다. 수소연료전지차가 세단이나, SUV 등 일반 승용차에서는 열관리의 한계, 주행성능의 한계, 에너지 효율 문제 때문에 시장성이 없을 수 있지만 버스나 트럭, 기차 등 대형 장거리 운송 수단은 방열 면적이 충분하고 전기차와 에너지 효율의 격차도 줄어들어 수소 연료가 대안일 수 있다.[4] 버스를 운용함에 있어 가장 치명적인 것은 공차운행과 충전으로 인한 운행횟수 감소이다. 보통은 버스의 수소 저장량은 적어야 하는 것이 맞다. 대부분 승용차에는 적은 공간에 최대한 많은 수소를 저장하기 위하여 700bar 용기를 사용하여 자동차 제작을 하는데 트럭이나 버스는 사용할 수 있는 공간의 제약이 비교적 적은 편이라서 350bar에 맞추어 차량제작을 한다. 하지만 한국과 일본에서는 버스에도 700bar 시스템을 사용하여 저장되는 과정에서 압력이 2배로 오르기에 350bar보다 더 많은 약 67% 정도의 수소를 저장할 수 있게 된다.[3] 30kg 남짓 풀 충전을 할 경우 30분의 시간이 소요되고, 그 절반인 15kg 이면 15분가량이 걸린다. 30분을 충전하게 되면 최대 450km를 달릴 수 있고, 평균 250km 가량을 운행하는 노선인 370번의 경우 서울 시내를 하루 종일 운행하고도 연료가 남을 양이다.[5]이 장점은 수소 공급 인프라 구축 측면에서도 장점이 된다. 한번 충전하면 오래 사용한 다는 것은 도심 외각에 존재하는 차고지에서 부담 없이 수소 저장, 공급시설을 갖출 수 있어서 공간의 제약이 비교적 떨어진다는 장점이 생기는 것이다.
- 성능: 전기를 동력원으로 하기 때문에 진동이나 소음이 거의 없다. 차량내부와 외부에 있어 소리는 거의 들리지 않아 수소버스의 큰 장점으로 뽑힌다. 또한 진동이 적어 승객들이 멀미를 하는 경우가 적었으며 장시간 운전으로 인한 피로도를 낮추게 된다. 기어변속이 필요 없다는 것도 피로도를 낮추는데 일가견 한다. CNG 차량과 비교하여 CNG는 변속기가 자동이지만 변속 시 차량이 흔들리는 특성이 있었는데, 수소전기버스는 매끄럽게 가속이 이뤄지고 전기버스와 비슷하게 언덕길에서도 속도가 떨어지지 않고 부드럽게 차량이 움직였다.[6] 또한 감속과 정차에 있어서도 부드러움을 잃지 않아서 정차가 일상인 버스에게 큰 메리트로 다가왔다. 전기버스보다 수소전기버스가 힘이 더 좋아 정차 후 초반가속이 좋다.
단점
- 인프라: 전기버스에 비해 수소전기 버스는 인프라 확충에 용이하다는 것은 사실이지만 부족한 공급시설에 대한 의존도는 변함이 없다. 전기버스는 기존에 구축해 놓은 전력망이 자동차 에너지로 이어지는 반면에 수소전기버스는 충전소와 전용 수송관 구축등을 새로 깔아야 한다. 정부에서 수소버스를 지원해주는 많큼 증가하는 버스에 맞춰 공급시설을 구축하지 못한다면 수소전기버스는 전기버스와의 경쟁에서 밀릴 수 있다.[7]
- 기술적 한계:수소차의 큰 한계는 수소 저장탱크의 문제이다. 수소차는 가벼운 기체를 싣고 다니는데, 충분한 질량으로 보관하려면 저장공간에 부피가 커야한다. 그리하여 제한적인 자동차 구조상 수소를 고압으로 압축하는 방식으로 저장탱크에 보관하게된다. 때문에 생산과 운성, 저장 등에서 비효율적인 측면이 너무 많다. 고압저장 기술의 발전으로 높은 압력의 수소를 저장할 수 있더라도 한계가 있다. 고압으로 수소 탱크에 주입하면 초기에 저장 용량이 늘어나지만 700~800기압부터는 압력만 올라가지 수소의 용량은 늘지 않는다. 주입 압력이 높아질 수록 수소분자 사이의 운동에너지가 증가하여 수소의 유입을 막기때문이다. 즉, 800기압이든 2,000기압이나 수소 저장 용량에 큰 차이를 끼치지못한다. 또 하나 골치 아픈점은 연료전지로 인한 발열이다. 연료전지의 발열은 성능에서 큰 영향을 끼치는데 이를 해결하는 데 많은 시간이 소요될 것으로 보아 전기자동차와의 동력경쟁에서 점점 밀릴것으로 보인다.[8] 수소버스의 동력원인 연료전지에서 발열 반응과 함께 열이 발생한다. 이를 해결하기 위해 스택을 사용하므로써 스택 배부로 냉각수를 강제 순환시켜 열을 흡수하고 라디에이터를 통해 방출하는 방식을 사용하고 있다. 하지만 스택은 발열량이 많은대다 수명을 늘리기위해 내부온도차를 최소화 해야하기에 스택의 효율을 높이기에 수소차의 성능을 깍이게 해야 하므로 발목을 잡았다. 그러기에 태생적으로 전기버스와 비교하여 수소버스가 불리하다. 2019년 기준으로 전기차 대비 40%인 수소연료전지차의 에너지 효율을 개선해야 하며, 전기분해 열손실을 20%에서 10% 이하로 줄여야 한다라고 강조하고, 연료전지의 핵심 부품인 스택의 열관리 및 저항 손실을 35%에서 20%로 낮추고, 전기변환장치에서의 열효율을 50% 이상으로 개선을 아여야 에너지 효율이 상승하게 된다고 밝혔다.[4] 기술적 한계에 봉착하여 발전에 많은 시간이 요하고, 아직 미래 발전에 대한 의존도가 상당히 높은 편이다.
- 비용: 2020년 기준으로 차량의 실구매비용은 대당 1억 4,660만원으로 가장 높고, 천연가스버스보다 약 3,600만원 비싼 수준이다. 대중화가 되기 이전에는 가격이 안정되지 않아 상당히 비싼편이다. 연료 또한 비싼 수소를 사용하므로 2020년기준 수소판매단가 8,000원/kg으로 기준으로 하면 11년간 총 5억 3,300만원으로 기존 천연가스버스와 두배정도의 차이를 보여준다.[2] 수소가격이 가장 싼 울산의 경우 7,000원/kg 기준으로 수소전기차인 넥쏘를 완충할 때 4만4310원(6.33kg)이 들고 609km를 달릴 수 있다. 1km 단위로 계산하면 km당 수소요금은 72.7원이 드는 샘이다.[5] 유지보수에 따른 단점도 부각된다. 수소버스에 들어가는 기술적 요인과 연료전지, 수소탱크등이 내연기관과 달리 정비가 까다롭고 자체 정비가 어렵다는 점은 장기 운용시 불확실성을 높이고 수리에 대한 비용이 높아질 수 밖에 없다.
- 생산: 차량운행으로 공기정화의 역활까지 할 수 있는 수소버스의 동력인 수소를 생산하는데 있어 추가적인 비용과 추가오염이 발생한다. 천연가스를 개질하거나 정제과정에서 나오는 수소를 개질하여 생산을 하는데, 다른 방법으로 바이오매스를 가스화하는 과정에서 수소를 얻거나 물을 수전하는 방법이 많이 알려져있다. 그렇다보니 생산과정에서 추가적인 오염이 발생하고 비용이 많이 들어간다. 이를 해결하기위한 방법으로 유럽에서 풍력발전을 통하여 물을 수전하는 방법이 최적의 해법으로 뽑힌다. 하지만 풍력발전의 최대 단점인 바람의 영향으로 이걸 해결하기 위하여 전기가 모자라게 되면 모아둔 배터리저장장치에서 저장된 전기를 사용하는 것 이였는데 배터리저장장치가 크기에 비해 효율성이 떨어지고 열이 발생하여 문제가 됬었다. 그래서 고안된 방법이 잉여 전기를 수소를 생산해서 저장하고 있다가 전기생산이 부족할 때 수소로 다시 전기를 생산하는 방법으로 사용하고 있다.[3]
- 모호한 안전성: 수소버스는 아직 전기버스에 비해 널리 보급되지 않았기에 관련 차량 단위 안전성 평가기술이 국제적으로 규정되지 않아 모호하다.전복이나 충돌 등의 사고 시에 발생할 수 있는 연료장치 안전성에 대한 평가 기술과 세부방법 등이 부재한 상황이고 연료 장치 검증 안전 기준 또한 부재하므로 수소버스에 대한 기준 법제화가 필요한 상황이다. 다른 차종에 비하여 더 큰 인명 피해를 일으킬 수 있는 버스 특성과 친환경 연료이지만 누출 시 화재 등의 위험성이 큰 수소의 특성을 고려하여 수소버스의 충돌 및 화재사고가 발생하더라도, 국민의 생명을 보호하고 재산 피해를 최소화할 수 있도록 평가방법 마련의 필요가 높아진다. 또한 수소버스 부품의 노후화 연료전지 시스쳄의 성능 저하에 따른 운행 중 수소 배기가스 농도 증가, 대형화된 수소내압용기로 인한 수소 투과량 증가등을 고려한 운행차 안전성 확인이 필요하다. 특히 수소내압용기는 기존 수소승요차에 비해 용기 체적이 증가하여 현행 인증시험용 장비로는 평가가 불가능하고 국내 자동차용 수소 내압용기 및 부품 안전기준이 국재기준과 조화될 예정이나 국내에는 시험장비가 마련되어 있지않다.[9] 버스 개별의 출력 성능 시험이 아닌 수소버스만의 출력 성능을 평가할 필요성이 있다. 소수버스의 본격적인 보급에 앞서 수소버스의 안전성을 확보하기위한 평가기술과 장비개발이 시급하다.
비교
- 전기버스
- 전기버스와 비교하면 둘 다 친환경의 성능을 가지고 있지만 전기버스보다 우위에 있다. 모두 배기가스를 배출하지 않지만 수소전기 버스는 한대가 1km를 달리면 4863kg의 공기를 정화하는 효과가 있다. 전기 시스템의 사용은 비슷하면서도 다르다. 기존 전기버스는 전기를 충전, 저장하여 단순히 소모시키는데, 수소전기버스는 수소를 통하여 자체적으로 전기를 생산하여 모터를 구동시킨다. 이는 수소의 사용으로 개끗한 산고가 필요하기 때문에 자체적으로 공기정화능력을 갖추어 필터를 통하여 맑은 산소로 전환시킬수 있다. 하지만 이러한 기술로 인하여 단점을 보여주는데, 연료전지의 집합체인 스택을 제대로 작동하기 위해 복잡한 장치들의 사용이 필요로 해진다. 그리고 이 장치들은 대부분 많은 에너지를 사용하게된다. 연료전지에 다량의 산소를 공급하기 위해 압축기가 필요한데 이는 최대 수십만 rpm으로 회전하면서 연료전지가 생산하는 전력의 최대 10%를 소비하고, 물이 겨울철에 동결되는 것을 방지하기 위한 COD 히터는 생산하는 전력에 20%가량을 사용하게 된다. 여기에다 전기차와 공통적으로 에너지 손실을 유발하는 PTC 히터, 컨버터, 인버터, 메인 모터 등의 요인으로 전기버스보다는 복잡한 열관리와 공기정화능력으로 한참 낮은 에너지 효율을 보여준다. 덕에 차량중량도 늘어나고 실주행 연비는 더욱 악화되어 전기차가 소수차보다 압도적으로 운행거리가 길다고 볼 수 있다.[8]
- 천연가스버스
전망
각주
- ↑ 1.0 1.1 kAIA, 〈제목: 화석연료를 대체하는 수소에너지, 앞으로 우리에게 펼쳐질 수소 라이프〉, 《네이버 블로그》, 2021-08-11
- ↑ 2.0 2.1 한국교통연구원, 〈국내 수소전기버스 도입 여건 분석〉, 《네이버 블로그》, 2020-04-28
- ↑ 3.0 3.1 3.2 최원호, 〈그것이 알고 싶다!! 수소버스의 진실〉, 《버스라이프》, 2021-04-18
- ↑ 4.0 4.1 최홍식 기자, 〈수소연료는 버스나 트럭 등 장거리 운행 수단에 더 유리한 에너지원〉, 《솔라투데이》, 2019-02-23
- ↑ 5.0 5.1 박종관 기자, 〈청정공기 내뿜는 수소버스…소음도, 진동도 없네〉, 《한경사회》, 2020-12-15
- ↑ 조귀동 기자, 〈전주에 등장한 첫 '완성형' 수소버스·수소트럭 타보니〉, 《조선비즈》, 2020-07-31
- ↑ 차완용 기자, 〈'전기차 vs 수소차' 친환경 버스의 승자는〉, 《매거진한경》, 2019-06-18
- ↑ 8.0 8.1 백예리 기자, 〈(이코노미조선) 수소차 전망 어둡게 만드는 세 가지 기술적 난제〉, 《조선비즈》, 2019-02-23
- ↑ 김시우, 〈수소전기버스 안전성 높인다〉, 《월간수소경제》, 2020-06-01
참고자료
같이 보기
