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전기차는 수소연료전지차와 배터리차 2가지가 있습니다. 일반적으로 수소차와 전기차로 불립니다.
두가지 모두 내연기관보다 훨씬 좋은 효율을 가지고 있고 배기가스를 배출하지 않는 무공해라는 점에서도 높은 평가를 받고있습니다.
그런데...
테슬라 모터스의 일론 머스크는 수소차에 대해서 "놀랍도록 멍청하다고 했습니다".
반면, 일본에서는 정부협조로 세계최초의 수소사회를 만들겟다며, 2021년 3월까지 4만대의 수소차와
충전소 160개를 짓겟다고 발표했습니다.
어느쪽이 더 좋은 선택일까요?
일단, 언뜻보기에 수소에너지가 월등해보입니다.
압축된 수소는 kg당 거의 4만 watt/hours의 에너지를 가집니다. 반면,리튬-이온 배터리는 kg당 최고 278 watt/hours밖에 안되며 대부분은 167 watt/hours로 떨어집니다. 수소가 배터리보다 236배의 에너지를 가질수 있다는 계산이 나옵니다.
게다가, 수소는 밀도가 낮고 무게가 가볍습니다.
전기차 디자이너들에게는 배터리 용량을 늘릴수록 무게가 늘어나기 때문에 거기에 따른 추가적인 구조적 설계와 성능이 더 좋은 모터가 필요하게됩니다. 수소차는 이러한 무게계산을 할 필요가 없습니다. 또한, 수소차는 5분안에 충전이 가능하지만 테슬라 모델s의 경우 완전충전까지 3시간이 걸립니다. 이렇게 표면적으로는 수소차가 확실한 승자처럼 보이지만, 생산과정을 보게되면 이야기는 완전히 달라집니다.
사는곳에 따라 다를 수 있지만 테슬라 모델3의 75kw배터리를 완충하는데는 10-12달러가 듭니다. 500킬로미터를 달릴수 있으며 킬로미터당 2-2.4센트(약 27원)입니다. (공식 스펙은 535km)
수소차의 경우, 자체 수소생산시설을 갖춘 충전소에서 토요타의 미라이 5kg탱크를 채우는데 85달러가 필요합니다. 이 충전소는 야간 할인전기를 이용해 수소를 만들고있습니다. 주행가능거리는 485킬로미터 입니다. 킬로미터당 17.7센트이며(190원)이며 전기차의 8배입니다.
여기서 문제가 발생합니다. 수소는 만드는데 더 많은 에너지와 인프라를 필요로 합니다.
우주에서 가장 많은 원소라고는 하지만 대부분 물,메탄같은 탄화수소등의 유기물질에 흡수되있어서 추출하는데 많은 비용과 환경오염이 야기됩니다.
미국에서 수소를 만드는 가장 일반적인 방법은 증기변성이라는 과정을 거칩니다. 고온의 증기와 가스를 결합시켜 수소를 추출하는 방법인데 이 과정에서 공해가 발생하며 효율도 높지 않습니다.
또 다른 방법으로는 물을 전기분해해서 얻는 것입니다. 이때 재생에너지로 전기를 만들어 분해할 수 있지만 30%의 손실이 발생합니다. 차를 켜기도 전에 이미 30% 손해를 보는겁니다. 좀더 효율적인 방식으로는 고분자 멤브레인이라는(polymer exchange membrane) 방식으로 20% 손실율을 가지고 있습니다. 즉 80% 효율. 2030년쯤 되면 82~86%까지 개선할 수 있다고 합니다.
전기배터리의 충전효율은 99%입니다.
그래도 19%의 효율차이로 인한 가격의 차이는 아직 설명이 되지 않습니다.
도로에서 수소차가 드문 이유는 수소의 저장와 운송문제입니다. 위의 예처럼 자체생산 충전소의 경우 운송문제는 해결되지만 저장비용이 문제입니다. 수소는 밀도가 매우 낮아서 사용할수 있는 밀도로 만들어줘야 합니다. 압축하거나 액체로 만들어야합니다.
압축하는데 790배의 기압이 필요하며 이때도 에너지가 필요합니다. 그리고 13% 손실이 발생합니다. 액체로 만들려면 -253도로 만들어야 하며 40% 효율손실이 발생합니다. 또한 이를 위한 시설물도 지어야합니다.
그다음 난관은 자체생산충전소외에는 이렇게 저장한 수소를 운송해야합니다. 대부분 트럭으로 하겟죠. 비용이 발생합니다. 충전소 업주도 돈을 벌어야하니 여기에 마진도 따로 붙어야 합니다. 생산자와 서비스 제공자 2단계에 걸쳐 마진이 붙어야 하는겁니다. 전기도 마찬가지 아니냐는 생각이 든다면, 수소를 만드는데도 전기가 필요하다는걸 생각하면 됩니다.
전기 배터리의 경우 재생에너지를 곧바로 사용할 수 있으며 미국의 전기전송망 손실율은 평균 5%입니다.
수소의 최상 시나리오는 전기분해 20% - 압축수소 13% 합계 33%의 손실율이고 액체수소의 경우는 56%손실율까지도 계산할 수 있습니다.
전기 배터리는 전송망의 손실율을 합쳐 총 6% 손실만 계산하면 됩니다. 수소와 27%에서 50%까지 차이가 납니다.
그다음 따져볼것은 연료에서 바퀴까지 동력이 전달되는 과정에서 일어나는 손실입니다.
수소차는 탱크의 수소를 연료전지로 보내어 전기를 만드는 과정을 거쳐야합니다. 전기분해의 역방향입니다.
촉매작용으로 수소는 양자와 전자로 나뉘고 멤브레인이 전자만 걸러서 음극으로 흐르게 합니다. 이 과정에서도 손실이 생기며 60%의 효율성을 가지게 됩니다.
전기차 배터리도 손실이 생깁니다. 전기전송망에서 전달되는 교류를 직류로 바꾸어 저장해야하는데 테슬라 모델s의 경우 92% 효율을 가집니다.
그런다음 다시 교류로 바꾸어 모터에 공급해야하는데 이때는 90%효율을 가집니다. 또한 리튬이온 배터리는 누수로 인한 손실도 있습니다.
이 모든 요소를 고려하면 75%의 효율성을 가집니다.
수소차도 이러한 전환손실이 발생합니다. 수소를 얻기위한 전기분해는 직류가 필요하기때문에 전송망에서 전달되는 교류를 직류로 바꿀때 92%효율로 전환이 이루어집니다. 또한 연료전지의 직류를 다시 교류로 바꾸어 모터에 보낼때도 90%의 효율성을 가집니다. 마지막으로 수소차와 전기차 모두 모터의 효율성을 따져야합니다. 두가지 모두 90-95% 효율성을 가지며 내연기관의 20-30% 효율성에 비하면 월등합니다.
그럼 수소차의 최종 효율성을 보게되면, 1)자체 수소생산시설을 가진 충전소가 있다고 가정하고, 2) 전기분해 효율성 80%라고 가정하고, 3)연료전지의 전기생산 효율성을 80%로 높여서 가정해도 여전히 최종 효율성은 50%미만입니다. 이러한 수소의 추출,저장,운송등의 비효율성때문에 5kg연료통을 채우는 비용이 전기배터리에 비해서 이론적으로는 3.5배 차이가 예상됬지만 실제로는 8배 차이가 나게됩니다.
수소차의 연구로 효율성을 높이기는 하겟지만 전기차의 효율성은 더욱 빠르게 높아지고 있습니다. 지금 당장에 하더라도 페러데이 퓨처라는 회사에서 1회충전에 680km를 달릴수 있는 1000마력 전기차를 생산하기 시작했습니다.
타케타츠아야나
지금도 수소 저장 방식때문에 골머리 썪는중 인거가 제일 크게 와닿고
10년동안 수소차와 전기차의 발전 및 편의성 갭이 너무 커지고
도심지에 수소 충전소가 과연 들어 설 수 있을까 부터가 관건이라 생각하네요 ㅎㅎ
좋은 글 읽고 갑니다~