커넥티드카 동력원으로서 수소 연료전지와 배터리의 장단점 비교
미래 자동차 시대를 이끌어나갈 재생 가능 동력원은?
글 : 아담 킴멜
출처: Fokussiert – stock.adobe.com
인터넷이 보급된 이래 엔지니어들은 ‘커넥티드 카(connected car)’ 개발을 위해 꾸준히 노력해왔다. 1995년에 개발하기 시작해 1996년에 출시된 GM의 온스타(OnStar)는 사고 대응 시간 단축을 위해 응급 대원에게 알림을 전송하는 제품이었다. 온스타는 차량 진단이나 고장 지원과 같은 새로운 안전 지원 기능을 지속적으로 추가해 OEM 간의 경쟁을 부추길 만큼 당시로서는 기능이 매우 뛰어난 제품이었다. 온스타는 1세대 제품 출시 후 20년이 지난 2015년까지 10억 대의 차량에 서비스를 제공하는 등 해당 기술의 광범위한 상용화에 크게 기여했다.
최근에는 사물 인터넷(IoT)이나 5G가 널리 보급됨에 따라 커넥티드 카 관련 기술과 애플리케이션이 지속적으로 발전하고 있다. 커넥티드 카와 관련한 주요 기술로는 차량 간(V2V) 통신, 자율주행 같은 비승객 서비스, 클라우드 등이 있다. 최근에는 자율주행차와 전기차가 시장에서 입지를 넓혀감에 따라 주변 환경과 상호작용할 수 있도록 연결점을 늘리는 것이 매우 중요해졌다.
결국, 자율주행차는 주변 환경과 연결되어 얼마나 상호 작용할 수 있는지가 시장을 선도하기 위한 열쇠가 될 것이다. 커넥티드 카 기술은 배터리 전기차(BEV)나 수소 연료전지차(FCEV)의 엔진 모두에 접목될 수 있기 때문에, 자동차 제조사들은 모두 각자가 갖춘 기술을 십분 활용하여 시장 점유율을 확보하려고 할 것이다.
배터리 전기차(BEV)
향후 전기 드라이브트레인(drivetrain)은 연결성(connectivity)을 앞세워 교통 시스템의 디지털 혁명을 이끌게 될 것이다. 과거에는 연결성이라 하면 주로 내비게이션이나 계기판 표시등과 같이 사용자 중심적이거나 유지관리 중심적인 측면이 있었다. 하지만 이제 BEV는 연결성을 활용하여 자동차 자체의 성능과 수명을 향상시키기도 한다.
인공지능(AI)을 활용하면, 자동차가 배터리와 차량의 성능을 지속적으로 평가하여 엔진 데이터를 프로세싱 허브로 보내 이를 분석할 수 있다. 그러면 프로세서가 변경된 데이터를 다시 엔진으로 보내 배터리의 전력 소모와 자동차 작동 방식을 최적화해 배터리 전력 효율성을 극대화한다. 커넥티드 카는 또 주변 지형으로부터 데이터를 수신하기 때문에 자동차가 충전소에 도착할 때까지 전력 소모량을 알맞게 조절할 수 있다.
무엇보다 BEV의 가장 큰 장점은 차량의 프로세서가 운전 중 연결된 모든 기능을 최적화한다는 것이다. 배터리의 전력 소모를 줄일 수 있다는 점 외에도, 부하 관리나 자율 기능 개선 등 부가적인 애플리케이션의 성능을 향상할 수 있다는 점 또한 BEV 기술이 갖춘 커다란 장점이다.
FCEV와 비교할 때, BEV가 가진 커다란 이점은 비용이다. 현재 FCEV의 연료전지 가격은 마일당 약 0.21달러(USD)에 달하지만, BEV의 충전비용은 마일당 약 0.04달러(USD)에 불과하다.
수소 연료전지차(FCEV)
연결성을 광범위하게 활용한다는 점은, FCEV나 BEV가 별반 다르지 않다. 하지만 연료전지의 보급 문제는 배터리 관리 문제와는 약간 다르다. 또한 인구 밀도가 높은 지역의 경우, 대개는 전기차 배터리 충전소의 설치 수에 비해 수소 연료전지 충전소의 설치 수가 적은 편이다.
향후 FCEV와 BEV의 용도는 중장비 애플리케이션에서 갈릴 확률이 크다. 부피가 큰 차량의 배터리는 에너지 밀도(단위 질량 당 생성되는 에너지)가 상대적으로 낮기 때문에, 동력 공급에 많은 에너지가 필요한 중장비를 위해 충분한 수의 배터리를 사용하기에는 상당한 무리가 따른다. 배터리의 수가 너무 많아지면 그만큼 차량의 무게가 증가하여 기동성을 줄이기 때문이다. 이와 달리 수소 연료전지는 에너지 밀도가 높기 때문에 대형 커넥티드 카에 사용하기에 좋은 동력원이다.
또 하나 고려해야 할 점은 수소의 경우 주변의 산소 포화도에 따라 폭발 범위가 4~94%까지 매우 넓어질 수 있다는 것이다. 가연성 유체는 항상 안전성 문제가 따르지만, 커넥티드 카는 주변 수소(H2) 농도를 모니터링하는 기능을 갖고 있어, 표준 기능 외에 추가적인 안전 기능을 지원한다.
현 시점을 기준으로 수소 연료전지의 가격은 배터리 충전가격보다 더 높지만, BEV와 비교할 때 FCEV가 가진 커다란 이점은 바로 충전 시간이다. 수소 연료전지의 충전 시간은 불과 5분밖에 걸리지 않는다. 이와는 달리 BEV는 80% 충전하는 데 약 60분이 걸린다. 또한 실내 온도 조절 시트, 인포테인먼트, 자율성 등 승객 편의 관련 기능을 점점 더 많이 탑재하게 되면 커넥티드 카의 전력 요구 사항은 계속 높아질 것이다. 따라서 충전 시간은 향후 점점 더 자동차 제조사들이 자사 제품들을 홍보할 수 있는 중요한 포인트이자 지역이나 국가에 따라서는 다양한 혜택을 제공받을 수 있는 항목이지만, 자동차 시장의 요구 사항에 맞게 EV 충전소 범위를 확장하기 위해서는 충분한 시간과 전략이 필요할 것이다.
맺음말
배터리와 수소 연료전지 둘 중 어느 한 쪽이 완벽한 차세대 동력원이라고 말할 순 없지만, 이 두 가지 재생 가능 동력원은 더욱 다양한 커넥티드 카의 기능을 구현하면서 EV의 세계화를 앞당길 것이다. 오늘날 소비자들은 자동차가 인터넷과 상시 연결되고 효율성이 점점 더 개선되기를 기대한다. 또한, OEM과 소비자들은 모두 자율성 확대와 더불어 보다 안전성이 향상되고 교통 혼잡 문제를 겪을 필요가 없는 시대가 오기를 기다리는 중이다. 그렇기에 향후 교통망이 원활히 작동하기 위해서는 자동차들이 긴밀히 연결되어 상호 작용할 수 있어야 한다. 따라서 향후에는 EV 제조사들이 저마다 내세운 드라이브트레인에 대한 연결성 문제를 어떻게 해결하고 구현하는지가 시장을 선도할 수 있는 경쟁력이 될 것이다.
◈ 저자 소개
아담 킴멜(Adam Kimmel)은 실무 엔지니어, R&D 관리자 및 엔지니어링 콘텐츠 작가로 약 20년 근무했다. 자동차, 산업, 제조, 기술 및 전자 제품 등의 수직 시장에서 백서, 웹사이트, 사례 연구 및 블로그를 위한 게시글을 기고한다. 엔지니어링 및 기술 콘텐츠 작성 전문 회사인 ASK Consulting Solutions, LLC의 설립자이자 대표이다.