전기차와 수소차 차이는 전기에너지 저장 방식이다.

BGM : Fairy Tail OST - Saigo no mahou
https://www.youtube.com/watch?v=FgNU-tqk9cs

수많은 사람들이 전기차와 수소차에 대한 논쟁을 벌인다. 전기차와 수소차의 대결은 2020년 중반, 니콜라의 나스닥 상장과 더불어 더욱 가속화되었는데 기존 전기차 기업인 테슬라와 함께 기업의 이름이 천재 과학자로 알려진 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)의 이름에서 유래하였기 때문이다. 필자는 두 차량의 차이점을 전기에너지 저장 방식의 관점으로 서술하고자 한다.

에너지 저장 방식의 차이

전기차는 배터리에 전기에너지를 저장하고 구동된다. 현재 주로 쓰이는 배터리는 리튬-이온(Li-ion) 배터리이다. 아래의 그림은 리튬-이온 배터리의 작동 원리이다. 리튬-이온 배터리는 리튬 이온 양극재와 음극재 사이를 이동하면서 발생되는 "화학적 반응"을 통하여 전기를 만들어 내는 것이다. 리튬 이온 배터리에 전기를 충전하게 되면 양극에 있던 리튬 이온이 음극으로 이동하는 화학적 반응을 통하여 전기를 저장하고 배터리에서 전기를 사용하면 음극에 있던 리튬 이온이 양극으로 이동하면서 전기를 방출한다. 방출된 전기는 모터를 구동하는 데 사용된다.
<출처 : LG에너지솔루션, https://inside.lgensol.com/2021/11/%EB%A6%AC%ED%8A%AC%EC%9D%B4%EC%98%A8%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EC%9D%98-%EA%B5%AC%EC%A1%B0%EC%99%80-%EC%9E%91%EB%8F%99-%EC%9B%90%EB%A6%AC/ >

수소차의 경우, 수소를 저장하는 방법은 다양하지만 현재 가장 많이 사용되는 방식은 바로 수소를 고온 고압으로 압축하여 액화시킨 후 수소 탱크에 저장하는 방식이다.
<출처 : YTN 사이언스, https://m.science.ytn.co.kr/program/view_hotclip.php?mcd=1394&key=202111041552114577 >

리튬은 가장 가벼운 금속이다 vs 수소는 모든 원소 중 가장 가볍다

리튬은 가장 가벼운 금속이다. 그러나 수소는 모든 원소 중 가장 가볍다. 이를 어떻게 알 수 있을까? 간단하다. 검색창에서 "주기율표"를 검색한다. 그리고 원소 번호를 찾는다. 원소 번호가 낮을수록 가장 가볍다는 뜻이다. 수소는 1번이고 리튬은 3번이다.

전기에너지 저장 방식에서 중요한 고려 요소는 바로 에너지 밀도이다.

에너지 밀도란, 부피가 같은 상황에서 얼마나 많은 에너지가 저장되는 가를 수치화 한 물리량이다. 에너지 밀도가 크면 클수록 더 많은 전기에너지를 저장할 수 있다는 뜻이다. 즉, 리튬-이온 배터리와 액화 수소 탱크를 같은 부피 대비 전기가 저장되는 양을 비교해 보면 액화 수소 탱크가 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 또한, 이를 중량으로도 비교해 보았을 때 액화 수소 탱크가 리튬-이온 배터리보다 더욱 가볍다. 따라서, 수소연료전지 자동차를 개발하려고 하는 것이다.

전기에너지 저장 방식이 왜 중요한가?

발전을 통하여 전기를 생산하고 공급할 때 가장 중요한 사항은 생산량이 일정하여야 한다는 것이다. 기존 방식인 원자력 발전, 화력 발전 등은 일정하게 전기를 생산할 수 있다. 그러나 태양광, 풍력 등 신재생 에너지의 경우 기후변화 등 다양한 변수로 인하여 생산량이 일정하지 않게 된다. 전기가 과도하게 생산되면 전기를 그냥 버려야 한다. 전기 생산량이 부족하면 정전이 발생할 수 있다. 전기가 과도하게 생산되면 원자력이나 화력발전을 멈추면 되지 않냐고? 쉽게 멈출 수도 없을 뿐만 아니라 발전 정지 상태에서 재가동에 걸리는 시간은 대략 반나절이 걸린다. 또한, 재가동 초기부터 안정화까지 투입되는 연료량이 더 많아진다. 따라서, 전기가 버려지는 상황이 오지 않도록 저장을 오랫동안 안전하게 할 수 있는 시스템 개발이 필요한 것이다.

액화 수소 저장 방식 문제점은 무엇인가?

그러나 수소연료전지 자동차에 적용되는 액화 수소 탱크에 액화 수소를 저장하는 방식에 무슨 문제점이 있는가? 수소를 액화하기 위해서 고압력을 가하여야 하는데 이 압력이 70MPa이다. 70MPa가 감이 오지 않는가? 그렇다면 이를 대기압(1 atm)으로 환산해 보겠다. 70MPa라는 고압력은 대기압의 약 690.8배이다. 이러한 고압력을 가하는 장비와 시설이 필요하다. 액화 수소 탱크가 파손되어 수소가 누기 되면 그에 따른 2차 사고가 발생하게 되므로 강력한 안전관리 체계가 필요하다.

전고체 배터리는 게임체인저가 될 수 있을까?

리튬-이온 배터리의 단점인 화재의 위험을 보완하고 같은 부피와 중량 대비 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 전고체 배터리 기술 개발이 진행되고 있다. 전고체 배터리는 리튬-이온 배터리와 비교하였을 때 다음의 장점을 갖는다.
1) 우수한 안전성, 2) 높은 에너지 밀도, 3) 고출력, 4) 넓은 사용온도, 5) 단순한 구조
따라서, 전고체 배터리가 상용화 된다면 전기차뿐만 아니라 배터리의 소형화도 성공적으로 이룰 수 있게 된다. 배터리의 소형화는 사물인터넷(IoT) 시대를 구현할 수 있는 핵심이다. 그러나 전고체 배터리의 상용화가 되기 위해서는 아직 많은 기술이 연구되고 개발되어야 한다. 그러나 꼭 이를 이루어야 한다. 전고체 배터리의 개발은 게임체인저가 될 것이기 때문이다.

<출처 : 포스코 뉴스룸, https://newsroom.posco.com/kr/%EA%B6%81%EA%B8%88%ED%95%9C-the-%EC%9D%B4%EC%95%BC%EA%B8%B0-%E2%91%A4-%ED%95%9C%EA%B3%84%EB%A5%BC-%EB%9B%B0%EC%96%B4%EB%84%98%EB%8A%94-%EC%B0%A8%EC%84%B8%EB%8C%80-%ED%98%81%EC%8B%A0/ >

전기차와 수소차는 서로 죽고 죽이는 경쟁관계가 아니다. 특정 산업 분야에 각자의 역할을 수행하는 상호 보완적인 관계이다. 또한, 두 차량의 차이는 전기에너지 저장 방식의 차이만 존재할 뿐 전기로 모터를 구동하여 주행하는 기본 메커니즘은 동일하다. 전기를 안전하게 저장하는 기술 개발은 잉여 전기를 버리거나 낭비하지 않도록 만드는 것으로 귀결되기 때문이다.