수소전기 자동차 기술 및 시장 동향
2020-10-05
org.kosen.entty.User@26b1e5b2
윤정배(yoonjung)
1. 기술 개요[1~3]
수소전기 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)는 연료전지를 주 동력원으로 사용하고, 이차전지(배터리)를 보조 동력원으로 연계시켜 전기에너지 효율을 향상시킨 자동차이며, 연료전지 스택, 이차전지(배터리) 그리고 수소탱크 등의 핵심부품으로 구성된다.
연료전지 스택(Stack)은 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응을 유도하여 전기를 발생시키는 장치로, 수소전기자동차의 핵심 구동장치이며, 이를 통해 발생된 전기는 직접 모터를 구동시키는데 사용되거나, 배터리에 저장된다.
이차전지(배터리)는 전기를 저장하는 장치로, 연료전지 스택에서 발생된 여분의 전기나 모터의 회생제동 시스템을 통해 얻은 전기를 저장하였다가 필요시에 모터에 공급하는 보조 구동 역할을 수행한다.
수소탱크는 수십에서 수백 기압의 수소 기체를 저장하였다가 연료전지 스택의 연료로 공급해주는 부품으로, 탄소섬유 등을 이용해 제작되고, 더불어 누출, 화재, 충격에 의한 피해를 최소화하는 설계 및 센서 등을 적용하여 제작된다.
수소전기 자동차는 이론적으로 순수한 물만 배출되는 자동차이므로, 차세대 친환경 운송수단의 핵심으로 각광받고 있으며, 2020년 현재 기술 수준에서 수소전기자동차의 수소탱크 충전이 전기자동차의 배터리 충전보다 빠르고, 장거리 주행에 더욱 적합한 형태로 인식되고 있다.
그러나, 연료전지 스택에는 고가의 촉매 및 소재가 사용됨에 따라 가격적 부담이 존재하며, 수소 충전소 등의 인프라 구축이 미흡하여 아직 상업적 활성화 속도가 더디나, 승용차, 택시, 버스, 트럭 등 다양한 범위의 운송수단에 점진적으로 적용되고 있다.
수소전기 자동차는 국내외에서 기존 내연기관 자동차의 환경오염 유발 문제 등을 해결하기 위해 친환경 운송수단 정책 추진의 주요 요소로 손꼽히며 긍정적인 시장 성장이 예상되고 있다.
특히 정부는 2022년까지 2조 원 수준의 수소전기자동차 시장 확대 및 수소 인프라 구축을 위한 투자 계획을 밝혔으며, 국내 업계 또한 2030년까지 연간 50만 대 수준의 수소전기자동차 생산능력을 확보하려는 계획을 수립하고 있다.
수소전기 자동차 시장 확대를 위해서는 수소연료전지 스택 및 연료용 수소의 가격경쟁력 확보에 대한 기술개발이 요구되고, 수소 충전소 구축비용 부담에 대한 국가적 차원의 접근 전략이 요구된다.
특히 고가의 연료전지 전극 소재, 경량 스택 부품 그리고 수소탱크 소재를 대체할 수 있는 소재기술 개발이 필요하고, 기존의 부생수소 활용 방안 외에 향후 수소전기자동차의 대폭 보급에 따른 수소 대량생산 및 수요대응 전략이 요구된다.
더불어 수소전기 자동차의 보급을 위해서는 수소 충전소 접근성이 중요한 요소이므로, 정부는 2022년까지 수소충전소를 300기 수준으로 구축하고, 2040년까지 1,200기까지 확대할 계획을 보유하고 있으며, 수소 충전소 구축비용 지원책을 마련하고 있다.
그러나, 수소 충전소 초기 구축비용이 매우 높고, 인허가 절차가 복잡하며, 유지/보수 비용이 기존의 주유소 대비 높게 발생하는 점 등이 수소 충전소 구축의 걸림돌로 작용하고 있다.
본 리포트에서는 2020년 현재 수소전기자동차 관련 기술 및 시장(산업) 동향을 조사하고자 하며, 이를 통해 수소전기자동차 시장 확대 방안을 도출 하고자 한다.
2. 기술 동향[1~3]
2.1. 정의 및 분류
수소전기 자동차(FCEV)는 수소연료전지와 배터리의 연계를 통한 전기 구동 방식의 자동차이며, 수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 발생시키는 장치이다.
수소차는 엄밀하게 연료전지를 사용하는 수소전기자동차와 수소를 연료로 하는 수소내연기관(수소 또는 수소와 가솔린을 함께 연소시켜 얻은 에너지를 동력원으로 사용함) 자동차로 세분화될 수 있으나, 수소내연기관자동차(수소와 가솔린을 함께 사용하는 ‘하이브리드’ 형태로, 수소 연소에 필요한 개량형 내연기관 엔진이 필요함)는 낮은 연료 효율성(까다로운 수소 공급 제어가 요구됨)으로 인하여 사실상 개발이 중단된 상태이다.
하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)는 기존 내연기관에 배터리를 연계시켜 에너지 이용효율을 향상시킨 자동차로, 회생제동 시스템을 통해 배터리를 충전하고, 필요시 전기에너지로 모터를 구동하여, 별도의 인프라 구축 없이 배기가스 배출량의 50% 저감 효과를 유도할 수 있다.
플러그인 하이브리드 자동차(PHEV, Plug-in Hybrid Vehicle)는 기존 내연기관에 배터리를 연계시킨 하이브리드 자동차와 구조가 유사하나, 대용량 배터리를 주 전원으로 이용하고, 외부 전원으로부터 직접 연결을 통해 배터리 충전이 가능한 구조로, 하이브리드 자동차 대비 전기구동 주행거리가 길고, 배기가스 배출량이 더 적다.
전기자동차(EV, Electric Vehicle)는 내연기관 없이 고출력 대용량 배터리로 구동되는 자동차로, 내연기관에 의한 소음과 진동이 적고, 배기가스 배출이 없으나, 외부로부터 저가의 전기를 주기적으로 공급받을 수 있어야 하고, 현재 기술로는 배터리 충전속도가 느리며, 주행가능범위 상승에 비례한 배터리 탑재가 요구된다.
2.2. 구성 및 특성
수소전기자동차는 수소연료전지 스택, 운전장치, 배터리를 포함하는 전장장치 그리고 수소저장장치(수소탱크)로 구성되며, 일반적으로 수소연료전지 스택과 수소탱크가 차량 가격의 약 40%를 차지하고 있다.
수소연료전지 스택은 수소와 산소의 전기화학반응을 유도하여 전기를 발생시키는 장치이며, 막-전극 접합체, 기체확산층, 분리판 또는 집전판 등으로 구성된 셀(Cell)이 연속적으로 다수 결합된 형태로 구성되고, 막-전극 접합체는 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 백금계 촉매, 탄소 담지체, 이온전도성 바인더를 다공성 박막으로 구성한 전극을 접합시킨 구조체로 이루어져 있으며, 막-전극 접합체의 바깥 면으로 수소 또는 산소 기체의 공급과 생성된 물의 배출을 위한 기체확산층과 분리판으로 구성된다.
운전장치는 운전 환경에 맞게 수소와 공기를 공급하여 자동차의 출력을 제어하고, 자동차 부품의 열을 관리하는 장치로, 일반적으로 수소연료전지 스택 등의 부품에서 발생한 열을 관리하는 장치 및 공조 장치를 포함하고 있다.
전장장치는 생성된 전기를 자동차의 구동 환경에 맞게 변환시키는 장치로, 차량 주행을 위한 구동 모터, 감속기, 주행과 각종 전자기기 구동에 필요한 전력변환시스템을 포함하며, 윤활장치, 냉각장치, 진동저감장치 등을 포함하고 있고, 기존의 내연기관 자동차 또는 전기자동차와 유사하므로, 일부 부품의 공유가 가능하다.
수소저장장치(수소탱크)는 수십에서 수백 기압으로 압축된 수소를 안전하게 저장하는 장치로, 수소연료전지 스택에 수소를 적절히 공급하는 역할을 함께 수행하고 있으며, 수소저장용 고압용기와 이를 스택에 공급하기 위한 고압 밸브 및 배관류 등으로 구성되어 있고, 더불어 고온, 고압, 외부충격 등의 환경에서 수소 방출 및 용기파손 방지를 위한 안전장치 및 수소 충전 장치를 포함하고 있다.
2.3. 향후 전망
수소전기자동차의 에너지 효율은 약 45 ~ 60% 정도로, 가솔린 자동차 27%, 디젤 자동차 35%와 비교하여 높은 수준이고, 수소연료전지의 에너지밀도(1330Wh/kg 내외)는 리튬이온배터리의 에너지밀도(250Wh/kg 내외) 대비 높은 편으로, 특히 장거리 주행에 유리하다.
2019년 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 환경부, 국토교통부, 해양수산부 그리고 특허청이 참여한 ‘수소 기술개발 로드맵’에 따르면, 수소에너지 분야의 기술경쟁력 제고를 통한 수소경제 활성화를 위해 민/관 합동 추진체계를 수립하고, 정책적 지원 방향을 제시하고 있다.
정책 추진방향은 수소의 생산, 저장/운송, 활용(수송수단), 활용(발전/산업) 그리고 안전/환경/인프라의 5개 대분류를 토대로, 특히 활용(육상용 수송수단) 부분에서 중점적인 역할을 수행할 것으로 전망되며, 가격저감 및 시스템 국산화에 초점이 맞춰지고 있는 것으로 판단된다.
또한 수소전기자동차의 상업적 확산을 위해서는 수소 충전시설이 필수적이나, 이를 충전할 국내 수소충전소(2020년 4월 기준 구축되어 운영 중인 수소충전소는 22개소로 턱없이 부족함)는 매우 부족한 상황이고, 이를 극복하기 위해 정부는 수소충전소를 2022년 310기(주요 도시에서는 20분 이내, 고속도로에서는 75㎞ 이내에 충전소에 도달) 그리고 2040년까지 1,200기(15분, 50㎞ 이내 도달)를 구축할 계획이다.
3. 시장 및 산업 동향[4~8]
3.1. 시장 규모 및 전망
국내 수소전기자동차 시장은 2018년 151억 원에서 연평균 25.33% 성장하여 2023년에는 467억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망되고, 세계 수소전기자동차 시장은 2018년 2.3억 달러에서 연평균 23.9% 성장하여 2023년에는 6.7억 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.
수소전기자동차 분야는 제품 수명주기상 ‘도입기’에 해당하며, 법, 규제 등 시장 환경은 ‘우수’인 것으로 판단되나, 수소전기자동차의 높은 비용으로 인하여 현재는 소비자 매력도가 낮고, 최근 지속된 저유가 기조로 인하여 친환경 자동차의 장점이 약화된 상태이며, 수소충전소 인프라 구축에 큰 비용이 소요되고, 현재 전국에 20여 개의 수소충전소가 구축되어 있어 충전 편의성이 매우 낮은 상황이다.
따라서 수소전기자동차 산업이 차지하고 있는 시장규모, 시장성장성, 수익성, 경쟁강도, 수명주기 및 시장촉진/저해요인을 종합적으로 검토한 결과, 수소전기자동차 산업의 시장매력도는 ‘보통’ 수준으로 판단된다.
3.2. 해외 업체 동향
주요 해외업체는 Toyota(일본), Honda(일본), Mercedes-Benz(독일), BMW(독일), Audi(독일), Volkswagen(독일), GM(미국), Ford(미국), Nikola(미국), Renault(프랑스) 그리고 Geely(중국) 등이 있다.
Toyota는 생산량 기준 세계 최대 자동차 회사 중 하나로, 연간 천만 대 이상을 생산하고 있으며, 1992년 수소연료 개발 착수하여 1996년 첫 수소연료전지 자동차를 공개하였고, 2015년 1월 수소연료전지 자동차 글로벌 특허 5,680건을 무상 개방하여 수소연료전지 자동차 생태계를 구축하기 위해 노력하고 있으며, 2015년 수소연료전지 자동차 ‘미라이’를 출시하였고, 2017년 약 1,200대를 판매하면서 세계 수소연료전지 자동차 판매 1위를 기록하였으며, 거점형 충전이 가능한 상용 버스(SORA)를 출시하여 2020년까지 100대의 운용 대수를 확보할 계획이다.
Honda는 현재 Toyota, Nissan와 함께 일본 3대 자동차회사 가운데 하나이자, 세계 10위권 안에 포함되는 자동차 회사이며, 1999년 수소연료전지를 탑재한 차량을 선보였고, 2005년부터 자체적으로 개발한 연료전지를 탑재한 차량을 리스 판매하고 있으며, 2003년 최초로 영하 20℃에서 시동 가능한 수소연료전지 자동차를 개발하였고, 최초로 슈퍼커패시터를 함께 장착한 차량을 운행하는 등 수소연료전지 자동차 분야에서 다양한 기술을 보유한 기업으로 평가받고 있다.
Mercedes-Benz는 글로벌 완성차 업체로, 1994년 유럽 최초의 수소연료전지 자동차인 ‘네카(NECAR)’를 공개하였으며, 네카를 개발한 이후에도 꾸준한 연구 및 실증 데이터 확보를 진행하여 개선 연구를 진행 중이고, 현재 300대 이상의 수소연료전지 자동차를 생산하고 있다.
Nikola는 2014년에 설립된 미국 애리조나에 있는 수소연료전지 자동차(트럭) 회사로, 2015년 1회 연료 주입으로 1,900㎞ 이상 달릴 수 있다는 대형 트럭 ‘니콜라 원’ 시제품을 선보인 이후, 중대형 트럭인 ‘니콜라 투’, 중형 트럭 ‘니콜라 트레’ 등의 양산 계획을 발표하였고, 2020년 전기 픽업트럭 ‘배저’의 예약 주문을 받고 있으며, 14,000대 이상의 수소트럭을 선주문 받은 상태라고 밝혔으나, 아직 실제로 생산 판매된 차량은 없는 상태이다.
3.3. 국내 업체 동향
주요 국내업체는 현대자동차, 기아자동차 등이 있고, 관련 소재 및 부품 제조업체로는 현대모비스, 한온시스템, 코오롱인더스트리, 뉴로스, 제이엔케이히터, 세종공업, 이엠코리아 그리고 유니크 등이 있다.
현대자동차는 세계 자동차 시장에서 경쟁력을 갖춘 완성차 제조업체로, 2013년 ‘투싼ix FCEV’를 출시하며 세계 최초로 수소전기자동차의 양산에 성공하였으며, 2018년 수소전기자동차 중 최장 거리 주행이 가능한 ‘넥쏘 FCEV’를 출시하였으며, 관련 소재, 부품 등의 자체 기술개발 및 생산능력을 확보한 것으로 평가되고 있다.
더불어 2020년에 ‘엑시언트 수소연료전지 대형트럭’ 10대를 친환경 상용차 수요가 급증하는 추세인 스위스에 수출하였고, 2025년까지 수소연료전지 트럭 1,600대를 스위스에 공급할 계획이며, 지방자치단체와의 업무협약 등을 통해 시내버스 일부 노선에 수소전기버스를 운행 중이며, 시범사업 확대를 통해 운행범위 확장 및 청소용 수소트럭 도입 등을 추진하고 있다.
한온시스템은 자동차용 공조시스템 단일 품목을 OEM 방식으로 제조하는 업체로, 수소전기자동차용 연료전지 스택의 열관리 부품을 생산하고 있다.
코오롱인더스트리는 산업 소재, 화학, 필름/전자 재료 그리고 패션의 4개 사업 부문을 영위하며, 수소연료전지용 전해질막, 연료전지 시스템 내 수분 제어장치 등을 생산하고 있다.
뉴로스는 수소전기자동차에 투입되는 공기 압축기, 비접촉식 공기 포일 베어링 등의 관련 부품을 생산하고 있다.
4. 주안점
본 리포트에서는 2020년 현재 수소전기자동차 관련 기술 및 시장(산업) 동향을 조사하였고, 이를 통해 도출된 주안점은 다음과 같다.
References
1. 수소전기차. 한국과학기술기획평가원, 2018.
2. Electric Vehicles and Fuel Cell Vehicles. BBC Research, 2019.
3. 수소전기자동차. 한국신용정보원, 2020.
4. 수소 기술개발 로드맵. 과학기술관계장관회의, 2019.
5. 수소연료전지차 국내외 산업동향. 융합연구정책센터, 2018.
6. 수소연료전지 자동차 충전용 수소 시장 조성을 위한 정책연구. 에너지경제연구원, 2017.
7. 친환경 자동차(전기차, 수소차) 활성화를 위한 충전시설 확충 방안. 대전세종연구원, 2018.
8. Global Fuel Cell Commercial Vehicle Market. TechNavio, 2019.
수소전기 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)는 연료전지를 주 동력원으로 사용하고, 이차전지(배터리)를 보조 동력원으로 연계시켜 전기에너지 효율을 향상시킨 자동차이며, 연료전지 스택, 이차전지(배터리) 그리고 수소탱크 등의 핵심부품으로 구성된다.
연료전지 스택(Stack)은 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응을 유도하여 전기를 발생시키는 장치로, 수소전기자동차의 핵심 구동장치이며, 이를 통해 발생된 전기는 직접 모터를 구동시키는데 사용되거나, 배터리에 저장된다.
이차전지(배터리)는 전기를 저장하는 장치로, 연료전지 스택에서 발생된 여분의 전기나 모터의 회생제동 시스템을 통해 얻은 전기를 저장하였다가 필요시에 모터에 공급하는 보조 구동 역할을 수행한다.
수소탱크는 수십에서 수백 기압의 수소 기체를 저장하였다가 연료전지 스택의 연료로 공급해주는 부품으로, 탄소섬유 등을 이용해 제작되고, 더불어 누출, 화재, 충격에 의한 피해를 최소화하는 설계 및 센서 등을 적용하여 제작된다.
수소전기 자동차는 이론적으로 순수한 물만 배출되는 자동차이므로, 차세대 친환경 운송수단의 핵심으로 각광받고 있으며, 2020년 현재 기술 수준에서 수소전기자동차의 수소탱크 충전이 전기자동차의 배터리 충전보다 빠르고, 장거리 주행에 더욱 적합한 형태로 인식되고 있다.
그러나, 연료전지 스택에는 고가의 촉매 및 소재가 사용됨에 따라 가격적 부담이 존재하며, 수소 충전소 등의 인프라 구축이 미흡하여 아직 상업적 활성화 속도가 더디나, 승용차, 택시, 버스, 트럭 등 다양한 범위의 운송수단에 점진적으로 적용되고 있다.
수소전기 자동차는 국내외에서 기존 내연기관 자동차의 환경오염 유발 문제 등을 해결하기 위해 친환경 운송수단 정책 추진의 주요 요소로 손꼽히며 긍정적인 시장 성장이 예상되고 있다.
특히 정부는 2022년까지 2조 원 수준의 수소전기자동차 시장 확대 및 수소 인프라 구축을 위한 투자 계획을 밝혔으며, 국내 업계 또한 2030년까지 연간 50만 대 수준의 수소전기자동차 생산능력을 확보하려는 계획을 수립하고 있다.
수소전기 자동차 시장 확대를 위해서는 수소연료전지 스택 및 연료용 수소의 가격경쟁력 확보에 대한 기술개발이 요구되고, 수소 충전소 구축비용 부담에 대한 국가적 차원의 접근 전략이 요구된다.
특히 고가의 연료전지 전극 소재, 경량 스택 부품 그리고 수소탱크 소재를 대체할 수 있는 소재기술 개발이 필요하고, 기존의 부생수소 활용 방안 외에 향후 수소전기자동차의 대폭 보급에 따른 수소 대량생산 및 수요대응 전략이 요구된다.
더불어 수소전기 자동차의 보급을 위해서는 수소 충전소 접근성이 중요한 요소이므로, 정부는 2022년까지 수소충전소를 300기 수준으로 구축하고, 2040년까지 1,200기까지 확대할 계획을 보유하고 있으며, 수소 충전소 구축비용 지원책을 마련하고 있다.
그러나, 수소 충전소 초기 구축비용이 매우 높고, 인허가 절차가 복잡하며, 유지/보수 비용이 기존의 주유소 대비 높게 발생하는 점 등이 수소 충전소 구축의 걸림돌로 작용하고 있다.
본 리포트에서는 2020년 현재 수소전기자동차 관련 기술 및 시장(산업) 동향을 조사하고자 하며, 이를 통해 수소전기자동차 시장 확대 방안을 도출 하고자 한다.
2. 기술 동향[1~3]
2.1. 정의 및 분류
수소전기 자동차(FCEV)는 수소연료전지와 배터리의 연계를 통한 전기 구동 방식의 자동차이며, 수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 발생시키는 장치이다.
수소차는 엄밀하게 연료전지를 사용하는 수소전기자동차와 수소를 연료로 하는 수소내연기관(수소 또는 수소와 가솔린을 함께 연소시켜 얻은 에너지를 동력원으로 사용함) 자동차로 세분화될 수 있으나, 수소내연기관자동차(수소와 가솔린을 함께 사용하는 ‘하이브리드’ 형태로, 수소 연소에 필요한 개량형 내연기관 엔진이 필요함)는 낮은 연료 효율성(까다로운 수소 공급 제어가 요구됨)으로 인하여 사실상 개발이 중단된 상태이다.
하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)는 기존 내연기관에 배터리를 연계시켜 에너지 이용효율을 향상시킨 자동차로, 회생제동 시스템을 통해 배터리를 충전하고, 필요시 전기에너지로 모터를 구동하여, 별도의 인프라 구축 없이 배기가스 배출량의 50% 저감 효과를 유도할 수 있다.
플러그인 하이브리드 자동차(PHEV, Plug-in Hybrid Vehicle)는 기존 내연기관에 배터리를 연계시킨 하이브리드 자동차와 구조가 유사하나, 대용량 배터리를 주 전원으로 이용하고, 외부 전원으로부터 직접 연결을 통해 배터리 충전이 가능한 구조로, 하이브리드 자동차 대비 전기구동 주행거리가 길고, 배기가스 배출량이 더 적다.
전기자동차(EV, Electric Vehicle)는 내연기관 없이 고출력 대용량 배터리로 구동되는 자동차로, 내연기관에 의한 소음과 진동이 적고, 배기가스 배출이 없으나, 외부로부터 저가의 전기를 주기적으로 공급받을 수 있어야 하고, 현재 기술로는 배터리 충전속도가 느리며, 주행가능범위 상승에 비례한 배터리 탑재가 요구된다.
2.2. 구성 및 특성
수소전기자동차는 수소연료전지 스택, 운전장치, 배터리를 포함하는 전장장치 그리고 수소저장장치(수소탱크)로 구성되며, 일반적으로 수소연료전지 스택과 수소탱크가 차량 가격의 약 40%를 차지하고 있다.
수소연료전지 스택은 수소와 산소의 전기화학반응을 유도하여 전기를 발생시키는 장치이며, 막-전극 접합체, 기체확산층, 분리판 또는 집전판 등으로 구성된 셀(Cell)이 연속적으로 다수 결합된 형태로 구성되고, 막-전극 접합체는 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 백금계 촉매, 탄소 담지체, 이온전도성 바인더를 다공성 박막으로 구성한 전극을 접합시킨 구조체로 이루어져 있으며, 막-전극 접합체의 바깥 면으로 수소 또는 산소 기체의 공급과 생성된 물의 배출을 위한 기체확산층과 분리판으로 구성된다.
운전장치는 운전 환경에 맞게 수소와 공기를 공급하여 자동차의 출력을 제어하고, 자동차 부품의 열을 관리하는 장치로, 일반적으로 수소연료전지 스택 등의 부품에서 발생한 열을 관리하는 장치 및 공조 장치를 포함하고 있다.
전장장치는 생성된 전기를 자동차의 구동 환경에 맞게 변환시키는 장치로, 차량 주행을 위한 구동 모터, 감속기, 주행과 각종 전자기기 구동에 필요한 전력변환시스템을 포함하며, 윤활장치, 냉각장치, 진동저감장치 등을 포함하고 있고, 기존의 내연기관 자동차 또는 전기자동차와 유사하므로, 일부 부품의 공유가 가능하다.
수소저장장치(수소탱크)는 수십에서 수백 기압으로 압축된 수소를 안전하게 저장하는 장치로, 수소연료전지 스택에 수소를 적절히 공급하는 역할을 함께 수행하고 있으며, 수소저장용 고압용기와 이를 스택에 공급하기 위한 고압 밸브 및 배관류 등으로 구성되어 있고, 더불어 고온, 고압, 외부충격 등의 환경에서 수소 방출 및 용기파손 방지를 위한 안전장치 및 수소 충전 장치를 포함하고 있다.
2.3. 향후 전망
수소전기자동차의 에너지 효율은 약 45 ~ 60% 정도로, 가솔린 자동차 27%, 디젤 자동차 35%와 비교하여 높은 수준이고, 수소연료전지의 에너지밀도(1330Wh/kg 내외)는 리튬이온배터리의 에너지밀도(250Wh/kg 내외) 대비 높은 편으로, 특히 장거리 주행에 유리하다.
2019년 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 환경부, 국토교통부, 해양수산부 그리고 특허청이 참여한 ‘수소 기술개발 로드맵’에 따르면, 수소에너지 분야의 기술경쟁력 제고를 통한 수소경제 활성화를 위해 민/관 합동 추진체계를 수립하고, 정책적 지원 방향을 제시하고 있다.
정책 추진방향은 수소의 생산, 저장/운송, 활용(수송수단), 활용(발전/산업) 그리고 안전/환경/인프라의 5개 대분류를 토대로, 특히 활용(육상용 수송수단) 부분에서 중점적인 역할을 수행할 것으로 전망되며, 가격저감 및 시스템 국산화에 초점이 맞춰지고 있는 것으로 판단된다.
또한 수소전기자동차의 상업적 확산을 위해서는 수소 충전시설이 필수적이나, 이를 충전할 국내 수소충전소(2020년 4월 기준 구축되어 운영 중인 수소충전소는 22개소로 턱없이 부족함)는 매우 부족한 상황이고, 이를 극복하기 위해 정부는 수소충전소를 2022년 310기(주요 도시에서는 20분 이내, 고속도로에서는 75㎞ 이내에 충전소에 도달) 그리고 2040년까지 1,200기(15분, 50㎞ 이내 도달)를 구축할 계획이다.
3. 시장 및 산업 동향[4~8]
3.1. 시장 규모 및 전망
국내 수소전기자동차 시장은 2018년 151억 원에서 연평균 25.33% 성장하여 2023년에는 467억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망되고, 세계 수소전기자동차 시장은 2018년 2.3억 달러에서 연평균 23.9% 성장하여 2023년에는 6.7억 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.
수소전기자동차 분야는 제품 수명주기상 ‘도입기’에 해당하며, 법, 규제 등 시장 환경은 ‘우수’인 것으로 판단되나, 수소전기자동차의 높은 비용으로 인하여 현재는 소비자 매력도가 낮고, 최근 지속된 저유가 기조로 인하여 친환경 자동차의 장점이 약화된 상태이며, 수소충전소 인프라 구축에 큰 비용이 소요되고, 현재 전국에 20여 개의 수소충전소가 구축되어 있어 충전 편의성이 매우 낮은 상황이다.
따라서 수소전기자동차 산업이 차지하고 있는 시장규모, 시장성장성, 수익성, 경쟁강도, 수명주기 및 시장촉진/저해요인을 종합적으로 검토한 결과, 수소전기자동차 산업의 시장매력도는 ‘보통’ 수준으로 판단된다.
3.2. 해외 업체 동향
주요 해외업체는 Toyota(일본), Honda(일본), Mercedes-Benz(독일), BMW(독일), Audi(독일), Volkswagen(독일), GM(미국), Ford(미국), Nikola(미국), Renault(프랑스) 그리고 Geely(중국) 등이 있다.
Toyota는 생산량 기준 세계 최대 자동차 회사 중 하나로, 연간 천만 대 이상을 생산하고 있으며, 1992년 수소연료 개발 착수하여 1996년 첫 수소연료전지 자동차를 공개하였고, 2015년 1월 수소연료전지 자동차 글로벌 특허 5,680건을 무상 개방하여 수소연료전지 자동차 생태계를 구축하기 위해 노력하고 있으며, 2015년 수소연료전지 자동차 ‘미라이’를 출시하였고, 2017년 약 1,200대를 판매하면서 세계 수소연료전지 자동차 판매 1위를 기록하였으며, 거점형 충전이 가능한 상용 버스(SORA)를 출시하여 2020년까지 100대의 운용 대수를 확보할 계획이다.
Honda는 현재 Toyota, Nissan와 함께 일본 3대 자동차회사 가운데 하나이자, 세계 10위권 안에 포함되는 자동차 회사이며, 1999년 수소연료전지를 탑재한 차량을 선보였고, 2005년부터 자체적으로 개발한 연료전지를 탑재한 차량을 리스 판매하고 있으며, 2003년 최초로 영하 20℃에서 시동 가능한 수소연료전지 자동차를 개발하였고, 최초로 슈퍼커패시터를 함께 장착한 차량을 운행하는 등 수소연료전지 자동차 분야에서 다양한 기술을 보유한 기업으로 평가받고 있다.
Mercedes-Benz는 글로벌 완성차 업체로, 1994년 유럽 최초의 수소연료전지 자동차인 ‘네카(NECAR)’를 공개하였으며, 네카를 개발한 이후에도 꾸준한 연구 및 실증 데이터 확보를 진행하여 개선 연구를 진행 중이고, 현재 300대 이상의 수소연료전지 자동차를 생산하고 있다.
Nikola는 2014년에 설립된 미국 애리조나에 있는 수소연료전지 자동차(트럭) 회사로, 2015년 1회 연료 주입으로 1,900㎞ 이상 달릴 수 있다는 대형 트럭 ‘니콜라 원’ 시제품을 선보인 이후, 중대형 트럭인 ‘니콜라 투’, 중형 트럭 ‘니콜라 트레’ 등의 양산 계획을 발표하였고, 2020년 전기 픽업트럭 ‘배저’의 예약 주문을 받고 있으며, 14,000대 이상의 수소트럭을 선주문 받은 상태라고 밝혔으나, 아직 실제로 생산 판매된 차량은 없는 상태이다.
3.3. 국내 업체 동향
주요 국내업체는 현대자동차, 기아자동차 등이 있고, 관련 소재 및 부품 제조업체로는 현대모비스, 한온시스템, 코오롱인더스트리, 뉴로스, 제이엔케이히터, 세종공업, 이엠코리아 그리고 유니크 등이 있다.
현대자동차는 세계 자동차 시장에서 경쟁력을 갖춘 완성차 제조업체로, 2013년 ‘투싼ix FCEV’를 출시하며 세계 최초로 수소전기자동차의 양산에 성공하였으며, 2018년 수소전기자동차 중 최장 거리 주행이 가능한 ‘넥쏘 FCEV’를 출시하였으며, 관련 소재, 부품 등의 자체 기술개발 및 생산능력을 확보한 것으로 평가되고 있다.
더불어 2020년에 ‘엑시언트 수소연료전지 대형트럭’ 10대를 친환경 상용차 수요가 급증하는 추세인 스위스에 수출하였고, 2025년까지 수소연료전지 트럭 1,600대를 스위스에 공급할 계획이며, 지방자치단체와의 업무협약 등을 통해 시내버스 일부 노선에 수소전기버스를 운행 중이며, 시범사업 확대를 통해 운행범위 확장 및 청소용 수소트럭 도입 등을 추진하고 있다.
한온시스템은 자동차용 공조시스템 단일 품목을 OEM 방식으로 제조하는 업체로, 수소전기자동차용 연료전지 스택의 열관리 부품을 생산하고 있다.
코오롱인더스트리는 산업 소재, 화학, 필름/전자 재료 그리고 패션의 4개 사업 부문을 영위하며, 수소연료전지용 전해질막, 연료전지 시스템 내 수분 제어장치 등을 생산하고 있다.
뉴로스는 수소전기자동차에 투입되는 공기 압축기, 비접촉식 공기 포일 베어링 등의 관련 부품을 생산하고 있다.
4. 주안점
본 리포트에서는 2020년 현재 수소전기자동차 관련 기술 및 시장(산업) 동향을 조사하였고, 이를 통해 도출된 주안점은 다음과 같다.
- 수소전기자동차는 수소연료전지 기반으로 구동되므로 오염원 배출이 거의 없어, 기존 내연 기관 자동차의 환경오염 유발 문제 등에 대응하여 차세대 친환경 운송수단으로 각광받고 있다.
- 최근 빠르게 보급되고 있는 전기자동차 대비 운행가능거리와 충전속도 측면에서 유리하나, 높은 차량가격과 부족한 수소 인프라는 시장 확장에 부정적인 요소로 작용하고 있다.
- 수소연료전지 자동차가 대중화되려면 수소 충전 인프라도 병행되어야 함으로, 정부 및 기업의 지속적인 투자와 관심이 필요하다.
- 수소전기자동차의 핵심부품인 수소연료전지 스택의 제조원가 절감과 경량화 기술개발이 요구되며, 고가의 수소 충전소 등의 인프라 구축을 위해서는 정부 차원의 유도 정책이 필요하다.
- 수소전기자동차 가격의 40% 이상을 차지하는 수소연료전지 스택 관련 소재/부품의 가격 저감 및 국산화 기술 확보가 중요하므로, 지속적인 R&D 투자가 요구된다.
- COVID 19 파생 경기불황으로 기인된 산업의 투자 위축으로 단기적인 약세가 전망된다.
References
1. 수소전기차. 한국과학기술기획평가원, 2018.
2. Electric Vehicles and Fuel Cell Vehicles. BBC Research, 2019.
3. 수소전기자동차. 한국신용정보원, 2020.
4. 수소 기술개발 로드맵. 과학기술관계장관회의, 2019.
5. 수소연료전지차 국내외 산업동향. 융합연구정책센터, 2018.
6. 수소연료전지 자동차 충전용 수소 시장 조성을 위한 정책연구. 에너지경제연구원, 2017.
7. 친환경 자동차(전기차, 수소차) 활성화를 위한 충전시설 확충 방안. 대전세종연구원, 2018.
8. Global Fuel Cell Commercial Vehicle Market. TechNavio, 2019.