이 기사는 현대자동차그룹의 제작 지원을 받았습니다.
번잡한 도심을 벗어난 저녁, 수소전기차로 발전한 은은한 불빛 아래에서 온전한 휴식이 시작된다면 어떨까? 미래 기술로만 여겨졌던 수소는 이미 일상으로 녹아들고 있다. 거리를 달리는 수소전기버스는 물론, 다양한 수소 모빌리티부터 난방과 발전 같은 생활 전반, 나아가 대규모 공장에서 진행되는 복잡한 공정까지. 수소에너지는 단순히 화석 연료를 대체하는 개념에서 벗어나, 사회 전반에서 에너지 대전환을 그리는 중이다.
11월 2일, ‘수소의 날’을 맞아 과학동아는 전국의 수소도시를 찾아 수소가 바꾼 일상, 그리고 수소가 바꿀 미래의 모습을 먼저 만나고 왔다.
사람 또는 물건을 한 장소에서 다른 장소로 이동하거나 운송하는 수단, 모빌리티. 20세기를 지배한 내연기관부터 2010년대 떠오른 전기차를 지나, 이제 모빌리티는 수소로 또 한 차례 변화를 꾀하고 있다. 익숙한 수소전기차를 넘어 선박과 항공 분야까지 다채로운 모습으로 진화 중인 수소 모빌리티. 그 최전선을 만나기 위해 현대자동차의 수소전기차 넥쏘를 타고 한국 수소 모빌리티의 선도 지역인 인천과 울산으로 향했다.
조용히 뻗어가는 ‘시민의 발’ , 수소 모빌리티
“현재 약 500대의 수소전기버스가 인천을 운행 중입니다. 이 중 저희가 운영하는 건 54대고요. 타본 버스가 있나요?”
9월 2일 이른 아침, 인천 신흥교통 수소전기버스 차고지. 익숙한 파란색 시내버스부터 은색 공항리무진까지 다양한 버스들의 공통점은 옆면에 쓰인 ‘수소’라는 글씨다. “인천 시내버스 중 가장 먼저 수소전기버스를 도입했어요. 2021년 13·46·82번 세 개 노선에 버스 5대를 투입하며 첫발을 뗐죠.” 신흥교통의 계열사인 인천그린에너지 김균태 프로가 기자에게 설명했다.
인천은 국내에서 수소전기버스가 가장 많이 운영되는 지방자치단체다. 그중 신흥교통을 찾은 이유는 이곳이 수소전기버스의 선구자이기 때문이다. 5대로 시작한 수소전기버스는 지금은 517·519번, 광역 급행 M6751번, 공항리무진 6777번, 한정면허 4402·4403번까지 다양한 노선에서 인천 시민들의 발이 되고 있다.
이 많은 버스가 드나드는 차고지라면 소란스럽고 북적이는 게 마땅할 텐데, 차고지는 예상과 달리 조용했다. 이 정숙성은 수소 모빌리티가 지닌 여러 매력 중 일부다. 가솔린과 디젤 등 화석 연료를 태워 동력을 만드는 내연기관 엔진 대신, 수소 모빌리티는 수소 저장 탱크와 연료전지 스택, 전기모터를 사용하는 덕이다.
수소 모빌리티가 동력을 생산하는 핵심 장치는 연료전지다. 연료전지가 에너지를 만드는 원리는 2H2 + O2 → 2H2O라는 간단한 화학 반응으로 설명된다. 차량의 수소 저장 탱크에서 나온 수소(H2)는 연료전지의 음극에서 전자(e-)를 내놓으며 수소 이온(H+)으로 쪼개지고, 이 전자가 외부 회로를 타고 흐르며 전류가 된다. 전자가 양극에서 다시 산소(O2)와 수소 이온과 만나 결합하면 순수한 물(H2O)이 만들어진다. 버스 뒤로 매연 대신 물이 배출되는 이유다.
매연 대신 물. 탄소중립 정책에 따라 운송 부문에서 기존 화석연료 차량을 전기 또는 수소 기반 차량으로 전환할 필요성이 커지자, 신흥교통은 수소의 생산과 충전으로 사업 영역을 확장할 수 있는 수소를 택했다. 그래서 인천그린에너지 수소충전소에는 충전설비와 더불어 수소 생산설비까지 함께 있다. 도시가스 배관으로 공급받은 천연가스를 개질해 현장에서 수소를 생산하고 곧바로 버스에 충전한다. 한 장소에서 수소의 생산과 충전, 활용이 이뤄지는 셈이다.
물류망으로 뻗는 수소 모빌리티
연료전지를 이용하는 구동 방식은 배터리 전기차와는 근본적으로 다르다. 전기차의 배터리는 미리 채워 둔 전기를 조금씩 꺼내 쓴다. 잔량이 줄수록 꺼낼 수 있는 전류의 양도 함께 줄어든다. 반면 연료전지는 수소가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어 안정적 출력 상태를 유지할 수 있다. 이러한 수소 모빌리티의 장점이 빛을 발하는 또 다른 곳은 물류 산업이다.
9월 8일, 인천을 뒤로하고 넥쏘를 타고 달려 도착한 곳은 국토교통부 지정 공식 ‘수소도시’ 울산. 먼저 울주군의 CJ 대한통운(더 운반) 울산지점으로 향했다. 현장에 도착하자마자 이른 아침부터 물류 배송을 위해 몸을 풀고 있던 수소전기트랙터(수소전기트럭)에 잠시 몸을 실었다. 아파트 2층 높이만 한 트럭에 뛰어올라 타자 운전석에 앉아 있던 김정호 CJ 대한통운 운송기사가 말을 건넸다. “생각보다 탈 만하죠?”
시동이 걸리고 출발까지, 모든 과정은 컴퓨터 전원을 누르듯 간결하고 조용했다. “전에 타던 디젤차랑 비교하면, 소음이랑 진동이 비교할 수 없을 정도로 훨씬 낮죠.”
특히 수소전기트럭의 진가는 무거운 짐을 싣고 오르막을 오를 때 나온다. “장거리는 확실히 (수소전기트럭이) 낫다고들 얘기해요. 경사가 높은 구간에서도 출력이 일정하게 유지되니까요.” 현장에서 만난 김형성 CJ 대한통운(더 운반) 울산지점 책임이 말했다. 여기에 디젤이 함께 챙겨야 했던 요소수 문제도 사라진다.
요소수는 디젤 엔진이 내뿜는 질소산화물(NOx·연소 과정에서 질소와 산소가 결합해 생기는 대기오염 물질)을 줄이기 위해서 채워 넣어야 했던 소모품이다. 수소전기트럭은 구동 과정에서 질소산화물이 발생하지 않아 요소수도 필요 없다. “요소수 같은 소모품 비용까지 감안하면 유지비가 10%는 절감되지 않을까 예상해요.” 김 책임이 덧붙였다. 환경 오염 방지는 덤이다. 그는 “디젤 기반 트럭을 수소전기트럭으로 전환하면 트럭 1대당 연간 70t(톤)의 온실가스 감축이 기대된다”고 전했다.
수소전기차의 자가 발전 시스템
수소전기차는 외부에서 공급받은 수소와 차량 내부의 연료전지 시스템을 통해 전기를 자체적으로 만든다. 생성된 전기는 전기모터를 돌리며 차량을 움직이는데, 최종적으로는 전기화학 반응의 유일한 부산물인 물만을 차량 외부로 배출한다.
수소전기차의 ‘심장’ 수소연료전지
수소연료전지가 수소와 산소의 화학 반응으로 전기를 만드는 순서는 다음과 같다.❶ 수소연료전지에 공급된 수소(H2)는 음극에서 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분리된다.
❷ 분리된 전자는 음극에서 양극으로 흐르며 전기를 생산한다.
❸ 전해질을 통과한 수소 이온은 산소(O2)와 만나 물(H2O)이 되며 외부로 배출된다.
궤도 위로 올라선 수소, 바닷길도 함께 연다
수소 모빌리티의 첫 번째 이점은 유해 물질을 배출하지 않는 청정성이다. 이 청정성이 전기 모빌리티도 공유하는 이점이라면, 수소 모빌리티만의 또 다른 이점은 높은 에너지 밀도다.
수소 1kg에는 약 33.3kWh(킬로와트시)의 에너지를 담을 수 있다. 같은 양의 에너지를 전기 배터리에 담으려면 130kg에 달하는 배터리가 필요하다. 이 높은 중량 기준 에너지 밀도는 수소가 장거리 운송수단용 에너지로 주목받는 이유 중 하나다. 넥쏘의 경우 1회 충전으로 720km 이상을 달린다. 조건에 따라 다르지만, 대략 인천에서 울산을 왕복할 수 있는 수준이다.
에너지 밀도는 모빌리티의 확장성에도 영향을 미친다. 배터리는 무게 대비 저장할 수 있는 에너지가 상대적으로 적다. 무게를 줄이면서도 높은 출력을 내야 하는 철도차량, 선박, 항공기 등 대형 교통수단에 적용하기엔 한계가 있다.
반대로 수소 모빌리티는 바다와 하늘까지도 향할 잠재력을 지녔다. 수소를 사용한 여러 대형 교통수단은 곳곳에서 실증 연구 중이다. 대표격이 도로를 따라 운행하는 철도차량인 트램이다. 수소전기트램은 1회 충전으로 200km를 달릴 수 있으며, 전력 공급선을 별도 설치할 필요가 없는 무가선 건설도 가능하다. 실제 울산시는 울산항역에서 태화강역 폐선 구간을 오가며 수소전기트램 주행을 이미 실증한 바 있다.
나아가, 수소 모빌리티의 이점은 바다에서도 이어지고 있다. 다만, 선박은 자동차와 다른 관점에서 수소에너지에 접근한다. “대형 선박의 경우 배터리만으로 장거리를 운항하는 데 필요한 항속거리와 에너지 확보가 어렵습니다.” 한국에서 수소선박을 연구하는 최주형 한국조선해양기자재연구원 친환경추진본부장의 설명이다. 연안을 오가는 소형 선박에는 수소연료전지와 배터리를 조합한 전기 추진 방식이 유력한 대안으로 검토되고 있다. 컨테이너선 등 대형 선박의 경우, 고출력·장시간 운항과 기존 엔진 기술 및 정비 기반 활용 등을 고려해 ‘수소 전소엔진’도 유력한 기술 경로 중 하나로 개발되고 있다. 기존 엔진의 틀을 크게 바꾸지 않은 채, 수소를 연료로 연소해 활용하는 방식이다.
“수소 엔진의 강점은 기존 선박용 엔진에서 축적해온 설계와 생산, 정비 기술을 활용할 수 있다는 것입니다.” 2025년에는 수소 전소엔진에 수소를 점화하는 데 처음 성공하며 기술적 가능성을 확인했다. “단기통 시험엔진을 거쳐 다기통 엔진으로 확대하고, 최종적으로 실제 선박에 적용할 수 있는 수준까지 성능과 내구성을 검증할 예정입니다.” 최 본부장의 설명이다.
수소 전환을 향한 노력에는 수소가 지닌 장점뿐 아니라, 국제해사기구(IMO)의 온실가스 감축 정책이라는 현실적인 배경도 있다. IMO는 앞으로 국제 해운 부문의 온실가스 총배출량에서 넷제로를 달성할 계획이다. 2008년 배출 수준과 비교해 2030년 20~30%, 2040년 70~80% 감축을 거쳐 2050년까지 국제해운 온실가스 순배출량 0을 목표한다.
이 흐름에 따라, 선박 업계에서는 청정수소와 청정암모니아 등 탄소 배출이 적은 연료에 관심이 모이고 있다. 특히 해운과 조선이 국가 산업에서 큰 비중을 차지하는 한국 입장에서 수소 전환은 산업 경쟁력과 직결되는 문제다.
수륙부터 하늘까지, 장소 불문 뻗어가는 수소 모빌리티
수소 모빌리티는 흔히 접하는 수소전기차뿐만 아니라, 특수차량과 물 위를 가르는 선박, 상공을 비행하는 항공기까지 다방면으로 진화하고 있다.
수소 전환, 탄소 배출 저감을 위한 확실한 선택
물론 수소로의 전환이 쉽지만은 않다. 수소를 원활하게 공급할 인프라 확보는 여전히 숙제다. 전국에는 수소충전소가 260여 곳 마련돼 있지만, 현장에서는 여전히 충전 인프라가 더 확충돼야 한다.
이 해법을 엿보기 위해 9월 8일 울산 태화강역 수소충전소를 찾았다. ‘다차종 수소충전소’로 불리는 이곳에서는 승용차부터 트랙터, 지게차 등 여러 차종을 충전할 수 있다. 울산 관내에서 가장 충전량이 많은 거점이기도 하다.
태화강역 수소충전소는 지난 25년간 압축천연가스(CNG) 충전 사업을 운영해 온 경동도시가스가 맡아 운영하고 있다. 유서 깊은 도시가스 기업에서 어쩌다 수소충전소를 개설했을까.
“탄소중립 정책 기조에 맞춰 수소 전환을 시작했습니다.”
손갑룡 경동도시가스 공급안전실 HCNG 팀장은 그 물음에 현실을 이유로 들었다. “탄소중립 정책에 따라 CNG 버스에 대한 보조금이 줄거나 없어졌거든요. 이에 버스 회사들이 전기나 수소를 택하기 시작했어요. 우리도 전환해야 했고, 전기보다 이점이 큰 수소로 가게 된 거죠.”
손 팀장의 말은 며칠 전 인천에서 들은 이야기와도 닮아 있었다. 탄소중립이라는 기조에 발맞추기 위해 운수회사는 차량과 충전 방식을 바꾸고, 에너지 기업은 가스 공급과 충전 인프라 등 기존에 축적한 역량을 수소 분야로 확장하고 있었다.
전체 자동차 시장에서 수소전기차가 차지하는 비중은 아직 적지만, 손 팀장은 이미 수소 모빌리티의 전환이 피부로 느껴진다고 전했다. “작년에는 하루에 충전소로 채 50대도 안 왔는데, 올해만 2배 넘게 성장했어요. 하루에만 100대가 넘는 수소전기차들이 들락날락거립니다. 주말이면 판매량이 600kg을 훌쩍 넘기죠.”
수소 모빌리티의 기반 될 인프라 확장을 향해
2026년 8월 기준 한국에 등록된 수소전기차는 4만 9220대. 전체 자동차 등록 대수에 비하면 적어 보이지만, 변화의 속도는 다르다. 2020년에 비해서 그 수가 4.5배 증가했다. 같은 시기 일본이나 미국, 독일 같은 선진국보다도 2배 이상 많은 수치다.
손 팀장은 이 전환을 연탄에서 도시가스로 넘어간 과거에 비유했다. “개인적으론 20년, 30년 후에 가정의 난방과 전기까지 수소로 바뀔 거라고 기대합니다. 지역 에너지 기업으로서 초석을 준비해야죠.” 말 그대로, 수소는 미래 먹거리가 되고 있다. 그리고 현장 관계자들은 이러한 변화에 발 빠르게 대비하고 있다.
물론 본격 확산을 위한 과제도 남아 있다. 차량뿐 아니라 생산, 저장, 운송에 이르는 전 주기 인프라를 구축하는 일이다. 사용자가 늘어날수록 인프라 이용률이 높아지고 수익성이 개선돼 다시 보급이 확대되는 선순환을 만드는 것이 주요 과업으로 꼽힌다. 이에 정부와 지자체, 완성차 업체, 에너지 기업들은 차량 보급과 충전 인프라 확충을 동시에 추진하며 수소 생태계 조성에 나서고 있다.
결국 수소 모빌리티의 장점을 제대로 활용하기 위해선 수소 생산·공급·활용을 아우르는 인프라가 함께해야 한다는 게 전문가들의 설명이다. 모빌리티를 넘어, 수소가 일상에 들어온다면 어떤 일이 일어날까. 이어지는 파트에선 ‘수소도시’의 모습을 보며 그 변화를 살펴본다.
