친환경차 전환 흐름 속 주목받는 '수소 엔진'

일본 정부의 2050년 ‘탈탄소 사회’ 선언에 따라 일본 자동차 업계에서도 탈탄소화를 목표로 한 친환경 자동차 개발 움직임이 본격화되고 있다. 친환경 자동차는 가솔린 엔진과 모터를 사용하여 주행하는 하이브리드차(HEV), 배터리를 충전해 주행하는 배터리 전기차(BEV), 수소화학 반응 시 발생하는 전력으로 주행하는 수소 연료전지차(FCV)가 대표적이다. 그중에서도 전기차(BEV)와 수소차(FCV)는 연료전지를 탑재해 모터로 주행하기 때문에 대기오염의 주범이 되는 매연과 먼지, 이산화탄소 등을 배출하지 않아 탄소 배출 삭감에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

한편 최근 일본에서는 전기차 보급 확대에 따른 밸류체인 변화가 새로운 과제로 대두되고 있다. 내연기관차의 부품 수는 약 3만 개에 달하지만 전기차의 부품 수는 1만~2만여 개에 불과하다. 지난 2021년 9월 일본 제국 데이터 뱅크사의 조사에 따르면, 자동차 부품사의 46.5%가 적자 현상을 겪고 있으며 내연기관(엔진) 부품 제조사의 경우 기술적인 문제 등으로 전기차 부품 생산에 어려움을 겪고 있는 것으로 나타났다. 조사에 따르면, 2050년까지 일본 부품 제조사 직원 약 70만 명 중 11.4%에 해당하는 8만 명이 일자리를 잃을 것으로 예측된다. 이처럼 일본 내 EV 보급에 따른 밸류체인 구조 붕괴 문제가 심화되고 있다.

이러한 가운데 작년과 올해 5월 일본 후지스피드웨이에서 개최된 24시간 내구레이스에 도요타에서 개발한 수소 엔진 탑재 차량(코롤라 GR)이 주목을 받고 있다. 수소 엔진은 기존 엔진을 활용하면서 연료만 수소로 바꾼 엔진으로 기존 엔진과 플랫폼을 공유 가능하다. 또한, 대부분 기존 엔진과 공통된 부품을 사용하기 때문에 부품 공급기업의 수요 확보와 자동차 관리 사업자를 포함한 기존 고용을 유지하면서 탈탄소화를 달성할 수 있는 큰 이점이 있다.

대형 상용차용 수소 엔진 개발에 나서는 日 기업

올해 7월 8일 탄소 배출량 삭감을 위해 도요타, 화물 자동차 메이커인 이스즈, 자동차 부품 대기업 덴소, 완성차 기업 4개사(이스즈·스즈키·다이하츠·도요타)의 합작회사인 CJPT(Commercial Japan Partnership Technologies)의 총 4개 기업이 협력해 대형 상용차용 수소 엔진 개발 계획과 연구를 시작했다. 

대형 상용차는 전체 수송분야에서 발생하는 온실가스의 90% 가까이를 차지할 정도로 탄소 배출 비중이 높다. 일본 국토교통성의 발표에 따르면, 일본 전체 온실가스 배출량(총 10억4400만 톤) 중 수송 분야에서 발생하는 온실가스는 약 1억8500만 톤으로 전체에 17.7%를 차지하고 있다. 그중에서 여객 및 화물 자동차와 같은 상용 자동차의 비율이 87.6%로 높은 비율을 차지하고 있어 친환경화가 요구되는 상황이다. 

<일본 전체 CO2 배출량 중 상용차가 차지하는 비중>

[자료: 일본 국토교통성]

일본의 수소엔진 개발 현황

일본의 수소엔진 개발은 역사가 길고 축적된 기술도 상당하다. 1970년대 도쿄도시대학(구 무사시공업대학)에서는 수소 엔진의 기초적인 연구를 다양하게 수행하고 자동차 기업 마쯔다(MAZUDA)에서는 로터리 엔진에 수소를 적용한 연구를 진행해왔다.

ㅇ 도쿄도시대학(구 무사시공업대학)

1970년에 일본 최초의 수소 엔진 개발에 성공, 1974년에는 수소 엔진을 탑재한 자동차 「무사시 1호」를 개발해 일반 도로 주행에 성공했다. 1975년에는 「무사시 2호」로 미국 서해양을 5일간 2800km 완주했다. 그 이후에도 연구개발을 지속해 2009년에는 일본에서 최초로 등록차로 차량번호를 등록하고 일반도로 주행에 성공했다.

<무사시 2호> 

[자료: 일본 자동차 박물관]

ㅇ 마쯔다(MAZUDA)

MAZUDA는 1991년 수소 로터리 엔진 1호차인 'HR-X' 개발에 성공한 이후 골프카트 주행실험 등 통해 2001년에는 일본 최초로 일반 도로상에서 주행 실험을 실시했다. 2003년에는 수소 엔진 탑재 차량 'RX-8 Hydrogen RE' 모델을 발표, 2004년에 세계 최초로 수소와 가솔린 두 가지 연료 사용이 가능한 차량 주행에 성공했다.

<마츠다 'RX-8 Hydrogen RE' 모델>

[자료: MAZUDA 홈페이지]

ㅇ 도요타(TOYOTA)
2021년 24시간 슈퍼 내구 레이스 수소 엔진 레이싱카로 참가해 완주에 성공, 2022년에도 24시간 내구 레이스 참가와 세계 라리 선수권 WRC 대회에서 완주해 수소엔진차의 가능성을 입증했다.

<코롤라 스포츠 수소 엔진 레이싱카>

[자료: TOYOTA 홈페이지]

수소엔진 개발 기업 '아이라보(ilabo)' 현장 인터뷰 

이처럼 일본 내에서 기존 엔진 기술을 활용한 수소 엔진 개발이 활발한 가운데 약 50년간 일본 수소 엔진 개발하며, 기존 디젤 엔진을 수소 엔진으로 전환시키는 기술 노하우를 축적해온 아이라보(i Labo)사와 인터뷰를 통해 향후 일본 내 수소화 사업의 비전과 과제, 한국 기업과의 협업 가능성 등에 대해 알아보고자 한다. 아이라보 주식회사(i Labo株式会社)는 기존의 디젤 엔진 트럭을 수소 엔진 트럭으로 전환하는 수소 엔진 기술을 개발하는 기업이다. KOTRA 도쿄 무역관에서는 i Labo사의 오오타 노부히로(太田修裕) 대표 및 오자와 마모루(小澤衛) 전략 기획 본부장과 인터뷰를 가졌다.

  · 참고로 i Labo사의 창업자인 야마네 키미타카 씨는 1969년 무사시 공업대학(현 도쿄도시대학)에 재학 중에 일본 최초 수소 엔진 연구를 시작했다.

<아이라보(i Labo) 주식회사 기업 개요>

[자료: 아이라보(ilabo) 주식회사 홈페이지]

Q1. 최근 수소 엔진시장 동향은?

A1. 세계 각국 동향을 참고하면 일본은 도요타의 수소차 '미라이(MIRAI)'를 필두로 승용차 중심의 수소 파워트레인 개발(연료전지/FC, 수소엔진/H2ICE)에 집중하고 있다. EU의 경우 승용차 시장에서는 BEV*가 높은 시장 점유율을 차지할 것으로 생각되며 트럭, 버스, 철도 등은 수소 파워 트레인으로 전환될 것으로 예상한다. 실제로 EU에서는 연료전지와 병행한 수소 엔진 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

또한 일본에서 일반 승용차와 디젤 엔진이 탑재된 화물, 선박, 발전기, 중장비의 CO2 배출량의 점유율을 비교해보면 디젤 엔진이 일반 승용차의 약 1.5배 이상을 차지한다. 글로벌 표준인 LCA(라이프사이클 평가)**와 대조해도 CO2 배출량이 높다. 화력 발전 의존도가 높은 일본은 1kWh당 CO2 배출량이 주요 선진국으로 비해 높고 BEV의 경우에도 고용량 배터리 제조 시 CO2 배출량이 많아 우위성은 낮은 상황이다. 수소 연료의 경우는 그린 수소***의 사용으로 장래적으로 우위성의 확보가 가능하며 현 단계에서 공장에서 배출되는 부생수소, 이른바 그레이 수소****의 이용을 제1단계로 하고 있다.

  * BEV(Battery Electric Vehicle)의 약자로, 엔진이 없고 가솔린을 사용하지 않고 배터리에 충전한 전력으로 모터를 움직여 주행하는 자동차

  ** LCA(Life Cycle Assessment, 환경전과정평가) : 원재료의 추출에서 제조·유통·사용·리사이클·최종 처분에 이르기까지의 단계별 환경에 주는 영향을 평가하는 방법

  *** 그린 수소: 재생 가능 에너지를 사용하여 수소를 생성함으로써 생성 과정에서의 CO2 배출량이 제로

  **** 그레이 수소: 수소의 생성 과정에서 CO2 배출

Q2. 수소 엔진의 이점은 무엇이라고 생각하는가?

A2. 무게가 무겁고 적재량이 많아 고부하가 걸리기 쉬운 화물 수송차(디젤차 등)에게 가장 유리한 엔진이라고 생각한다. 배터리 전기차(BEV) 및 수소 연료전지차(FCV)와 비교해봤을 때 다음과 같은 이점이 있다.  

[배터리 전기차(BEV)와의 비교]

 1) CO2 배출량: 화석연료로부터 수소를 생산하는 그레이수소 비중이 아직 압도적으로 높은 일본에서는 그린·블루수소 보다 수소엔진이 우위

 2) 초기 비용: 고용량 배터리가 필요한 BEV에 비해, 수소엔진은 고압 탱크를 제외하고는 디젤 차량과 동일한 수준 

 3) 적재 공간/하중: EV의 경우 배터리 중량에 따라 많은 공간을 차지하게 되거나 배터리를 작게 하여 주행 거리를 희생시키지만 수소 엔진은 기존 엔진과 거의 동일한 크기로 적재 중량과 공간에 대한 영향을 최소화할 수 있음. 

 4) 가동/중점 시간: 고용량 배터리 충전 시 급속 충전기 능력에 따라 약 3시간+α 소요되나,  15~30분만에 충전이 가능한 수소 엔진이 우위

 5) 인프라 비용: 수소 충전 인프라 설치 비용이 비싸므로 인프라 설치 비용은 BEV가 우위에 있음. 그러나 BEV도 사용 전력량에 따른 인프라 재구축을 위한 비용 증가가 예상되므로, 경우에 따라 수소 엔진과 비슷한 수준의 비용이 발생할 것으로 보임.

[수소 연료전지차(FCV)와의 비교]

파워 트레인 최대 출력의 약 50% 이상, 고부하 조건 하(빈번한 주정차, 비탈길 주행, 적재 주행 등)에서는 수소 엔진 쪽이 에너지 효율이 좋음.

Q3. 수소에너지 전환 확대를 위해 풀어야 할 과제는 무엇입니까?

A3. 크게 다음 네 가지 과제가 있다. 

1) 수소 공급 가격을 낮춰야 한다.

2) 수소 탱크는 고가이므로 차량 구성비 중 수소 탱크가 많은 부분을 차지하고 있다.

3) 수소 스테이션의 건설 비용이 높고 정비가 지연된다.

4) 그린 수소의 제조 비용이 높다.

아울러 기본적으로 수소 엔진 개발 자체가 난이도가 높으며, 수소의 특성상 연소 속도가 매우 빨라 안정적으로 연소시키는데 어려움이 있다. 주로 백파이어, 노킹, 질소 산화물 등의 문제가 있지만 당사에서는 50년간 축척된 노하우로 안정된 연소를 실현시키고 있다. 수소 에너지 전환은 기존 디젤 엔진을 수소 연료에 적합한 형태로 개조함으로써 연료가 경유에서 수소로 바뀌고 엔진 제어/배관 계통/수소 탱크의 탑재 등의 변경과 더불어 그것을 트럭에 탑재시키는 것을 말한다. 특히, 수소 엔진에 있어서 안정적인 수소 탱크 개발이 매우 중요하며, 수소 탱크는 사고나 충격으로 파손되면 안된다.

Q4. 한국산 부품이 경쟁력이 있다고 생각합니까?

A4. 기술적인 장애물은 높지만 협력관계 구축은 가능하다고 생각한다. 협력 기업이 반드시 일본 기업이나 일본에 있을 필요는 없다는 생각이다.

Q5. 현재 한국 기업과 진행중인 거래 상황과 향후 협력의 가능성은?

A5. 당사에서는 실제로 자본 업무 제휴 등을 통해 일본 국내외 기업과의 협력 관계를 구축해나가고 있다. 아직까지 한국 기업과 거래를 하지는 않지만 해외기업과의 거래 시 공통적으로 전달하고 싶은 말이 있다. 수소 엔진 개발에는 기술의 근간이 되는 중요한 정보 교류가 매우 중요하므로 제대로 정보 교류가 되지 않을 경우 거래가 어려울 것이라 생각된다. 당사는 신속한 의사결정을 가장 중요하게 생각하므로 해외 기업과의  협업 시 기업 대표 간 개발 추진 등 속도감 있는 협력관계 구축을 희망한다.   

Q6. 수소 전환 관련 유망한 제품은 무엇인가요?

A6. 다음과 같은 제품들이 유망하다고 생각한다.

- 수소용 흡기 매니폴드

- 수소용 인젝터(가스용 인젝터) *CNG차량의 인젝터의 경험이 있는 기업일 경우 유력함

- 밸브 시트

- 피스톤/피스톤 링

- 수소 엔진용 윤활유 엔진 오일 (당사의 테스트 벤치를 활용한 공동개발 가능)

Q7. 귀사가 추진하는 수소엔진 변환사업의 장래 계획은?

A7. 당사는 세계 각국의 동향과 50년간 축적한 수소 엔진 개발 노하우를 바탕으로 내연기관 수소화의 실용화, 수소 충전소 보급, CO2 삭감 및 탈탄소 중립 조기 실현을 목표로 하고 있다. 야마나시에 R&D 센터가 있어 수소 엔진에 특화된 테스트 벤치를 보유하고 있어 중량 트럭·중장비·발전기·선박 등 고부하 엔진의 수소화로 CO2 삭감과 수소 사용 촉진에 주력하고 있다. 주력사업의 첫 단계로써 i Labo는 일본의 디젤 트럭(총 중량 대상 8톤까지 경유 연료) 차량을 대상으로 수소화를 진행시켜 나갈 계획이다.

<ilabo 수소화 트럭 이미지>

[자료: i Labo 홈페이지]

현재 작업 중인 프로젝트는 수하물 기계에 사용되는 디젤 엔진, 공항 그랜드 서비스 차량, 중장비(굴삭기), 물류(대형, 중형 디젤 엔진), 산업용 발전기에 대한 수소화를 계획 중에 있다. 또한, 물류 분야에서 BtoB형의 수소 스테이션 모델을 구축해 물류 허브에 수소 스테이션을 배치해 스테이션 가동률을 높이고 저비용으로 수소 공급이 가능하도록 하는 인프라 구축해나갈 예정이다. 트럭의 가동률은 높은 반면 (당사 추청치) 일반 승용차 가동률은 4%에 불과하므로 중형 수소 엔진 트럭 1대당 MIRAI 60대분의 수요 창출이 예상된다. 따라서 수소 스테이션 모델과 수소 엔진 트럭을 활용하여 수소 인프라의 활성화를 도모해 나가고자 한다.

<BtoB형 수소 스테이션 이미지>

[자료: 사업 구상 PROJECT DESIGN ONLINE 홈페이지]

시사점 

탄소 중립 실현을 위한 일본 정부와 기업의 친환경차 전환 움직임이 가속화되면서 내연기관차 투자 감소와 인력 감축 등이 불가피한 상황에 놓이고 있다. 이러한 가운데 일본의 자동차 부품업계는 가솔린 엔진을 개조해 연료만 수소를 사용하는 ‘수소 엔진’ 개발에 박차를 가하고 있다. 일본 자동차 업계가 수소 엔진에 주목하는 이유는 기존 내연기관차 생태계를 유지하면서 전동차 전환 시 발생하는 고용문제도 해결할 수 있을 것으로 기대하기 때문이다. 일본뿐만 아니라 유럽, 중국 등에서도 비슷한 이유로 기술적 난제와 시장 불확실성에도 불구하고 수소 엔진에 대한 기술 개발을 추진하고 있다. 

일본과 마찬가지로 내연기관차 중심의 생태계에 놓여있는 한국의 자동차 부품 제조사도 일본 및 해외 주요 기업과의 수소 엔진 기술 협력을 통해 새로운 수요를 창출할 것으로 예상된다. KOTRA 도쿄 무역관에서는 우리 기업의 일본 수출 지원을 위해 관련 분야의 일본 바이어사와 정기적으로 정보 교류 및 관련 행사를 추진하고 있는바, 수소 엔진 개발에 관심있는 국내기업은 KOTRA 도쿄 무역관으로 연락하시기 바란다.

자료: 일본 환경성, 일본 국토교통성, 자동차 각 사 홈페이지, 한국자동차기자협회, i Labo사 제공 자료, Web 모터매거진, KOTRA 도쿄 무역관 자료 종합