수소충전소

수소충전소의 건설 제원은 충전소의 규모와 성능을 결정짓는 핵심적인 설계 기준이다. 주요 제원으로는 일일 수소 공급 용량, 충전 속도, 설치 면적, 그리고 이를 통해 충전 가능한 차량 대수가 있다.

예를 들어, 현대자동차의 'H 스테이션'은 시간당 25kg의 수소를 공급할 수 있는 용량을 지닌다. 이는 14시간 운영 시 약 70대의 넥쏘를, 24시간 연속 운영 시 약 120대를 충전할 수 있는 규모에 해당한다. 한편, E1의 'Orange Plus'와 같은 일부 충전소는 수소자동차 충전 기능과 함께 LPG 충전소 및 전기차 충전소의 기능을 복합적으로 갖춘 형태로 건설되기도 한다.

충전소의 규모는 충전 대상 차량의 연료 탱크 용량에 따라 필요한 수소 공급량이 결정된다. 주요 수소연료전지차의 수소 저장 용량은 현대 투싼 ix35 FCEV가 약 5.64kg, 현대 넥쏘가 약 6.33kg, 토요타 미라이 2세대가 약 5.6kg, BMW iX5 Hydrogen이 약 6.23kg이다. 일반적으로 한 번의 충전 시 약 4~5kg 정도의 수소가 공급되며, 충전소는 이러한 차량들의 수요를 안정적으로 처리할 수 있는 용량과 속도를 갖추어야 한다.

수소충전소의 건설 가격은 다른 연료 공급 시설에 비해 매우 높은 편이다. 2020년대 기준으로 1기의 수소충전소를 건설하는 데 약 30억 원의 비용이 소요된다. 이는 전기차 충전소나 일반 주유소에 비해 상당히 고가이다. 높은 건설 비용의 주요 원인은 초고압의 수소를 안전하게 저장하고 공급하기 위한 특수 설비와 재료, 그리고 엄격한 안전 기준을 충족시키기 위한 추가 비용 때문이다.

특히, 고압가스안전관리법에 따른 까다로운 안전 규정으로 인해 안전거리 확보, 자동 감시장치 설치 등이 필수적이며, 이는 부지 선정과 건설 비용을 증가시키는 요인이다. 이러한 안전 기준과 주변 주민들의 반대는 기존 LPG 충전소나 CNG 충전소에서 수소 충전 기능을 추가하는 복합 충전소 방식으로의 전환을 촉진하고 있다.

초기 투자 비용과 관련하여, 국내 최초의 수소충전소인 2006년 한국에너지기술연구원 충전소의 경우 약 19억 4천만 원이 투입되었다. 이후 기술 발전과 규모 확대에도 불구하고, 고압 저장 탱크, 압축기, 냉각 시스템 등 핵심 장비의 비용이 여전히 높아 전체 건설 가격을 끌어올리고 있다. 이는 수소차 보급 확대의 주요 장애물 중 하나로 지목된다.

수소충전소의 충전 시간은 수소자동차의 가장 큰 장점 중 하나로 꼽힌다. 2018년 현대자동차에서 공개한 넥쏘와 같은 수소연료전지차의 완전 충전 시간은 약 5분 내외이다. 실제 주행 중 연료를 보충할 때는 완전히 비워진 상태에서 충전하는 경우가 드물기 때문에, 실질적인 충전 시간은 4분 내외로 볼 수 있다. 이는 LPG 자동차나 천연가스버스의 충전 시간과 비교해도 아주 약간 느릴 뿐이며, 전기자동차의 완속 충전에 수 시간이 소요되는 것과는 현격한 차이를 보인다.

그러나 이론적인 충전 시간은 실제 운용 상황에 따라 달라질 수 있다. 충전 그 자체는 빠르게 이루어지지만, 수소를 차량 연료탱크의 고압(700~850 bar)에 맞게 압축하여 저장해 놓은 양이 부족할 경우, 압축 과정에 추가 시간이 소요될 수 있다. 또한 초기에 설치된 일부 수소충전소에서는 고압 충전 후 충전건이 얼어붙는 현상이 발생해 해동 시간이 필요할 수 있으며, 이로 인해 전체 대기 시간이 길어질 수 있다. 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 액화수소 저장 방식이나 암모니아, 유기화합물(LOHC) 형태로 보관 후 변환하는 방식 등이 연구되고 있다.

수소충전소의 충전 가격은 수소 연료의 판매 단가를 의미한다. 타 연료 충전소와 마찬가지로 충전소마다 가격이 다르며, 2022년 기준으로 1kg당 7,000원에서 9,000원 사이였으나, 이후 점진적으로 인상되어 1만원대의 가격을 형성하는 충전소가 늘고 있다. 이는 수소의 생산 비용뿐만 아니라 높은 운송 비용이 주요 원인으로 작용한다.

충전 가격에 영향을 미치는 가장 큰 요인은 수소의 운송 방식이다. 국내 수소충전소의 대부분은 오프사이트(off-site) 방식으로, 울산이나 여수 같은 생산지에서 트럭으로 운반된다. 튜브트레일러로 운송할 경우 1대당 약 300kg 내외의 수소만을 실을 수 있어, 이는 승용차 약 80대 분량에 불과해 운송 효율이 매우 낮다. 이에 반해 액화석유가스나 액화천연가스는 동일한 크기의 차량으로 훨씬 많은 양을 수송할 수 있어, 단위당 운송비가 저렴하다.

이러한 높은 물류 비용 문제를 해결하기 위해 파이프라인을 통한 수소 공급 방식이 주목받고 있다. 안산이나 서산과 같이 수소 생산 시설이 가까운 지역에서는 배관을 통해 직접 수소를 공급하여 운송비를 크게 절감할 수 있다. 또한, 저장 및 운송 효율이 기체 수소보다 약 4.5배 높은 액체 수소 충전소의 도입도 장기적으로 충전 가격 안정화에 기여할 것으로 전망된다.

수소충전소의 안전성은 설계, 운영, 규제 전반에 걸쳐 철저히 관리된다. 주요 설비에는 수소 가스 검지기, 화염 검지기, 온도 센서, 압력 센서 및 인터록 안전장치가 적용되어 이상 상황을 감지하고 차단한다. 국내 설치 기준은 고압가스안전관리법에 따라 한국가스안전공사의 안전검사와 관할 행정관청의 승인을 필수로 하며, 그 수준은 일본과 유사하게 까다롭다. 해외에서 과거 발생한 사고는 부적절한 부품 사용이 주원인이었으나, 국내에서는 국내외 인증 부품만을 사용하므로 유사 사고 가능성은 매우 낮다.

수소의 물리적 특성도 안전성 평가에서 고려된다. 수소는 공기보다 가벼워 개방된 공간에서 유출될 경우 빠르게 상승하여 흩어지므로, LPG나 휘발유처럼 지면에 머무르거나 유증기를 형성할 위험이 적다. 이는 천장이 없는 충전소 환경에서 상대적인 안전 장점으로 작용한다. 그러나 수소는 폭발 범위가 넓고 점화 에너지가 낮아 폭발 가능성 자체는 다른 연료에 비해 높을 수 있으므로, 안전 장치와 엄격한 유지보수를 통한 위험 관리가 필수적이다.

실제 운영 측면에서 프랑스 에펠탑 인근이나 일본 도쿄타워 주변과 같은 도심 밀집 지역에 수소충전소가 안정적으로 가동 중인 것은 안전성에 대한 신뢰를 반영한다. 국내에서도 인천국제공항과 대구신서혁신도시 등에서 셀프충전 시범 운영이 규제 샌드박스를 통해 진행된 바 있다. 이는 안전 관리 시스템이 충분히 확립되었다는 판단 아래 이루어진 조치이다.

사고 사례를 분석하면 대부분 부품 결함이나 운용상의 실수가 원인이었다. 예를 들어, 2021년 서산시에서 발생한 압축 수소 운반 트레일러 화재 사고는 트럭의 브레이크 과열로 인한 타이어 화재였으며, 수소탱크는 안전하게 작동하여 가스를 위쪽으로 배출했고 큰 인명 피해는 발생하지 않았다. 이러한 사례는 올바르게 설계되고 관리될 때 수소 시스템의 안전성을 입증한다. 따라서 수소충전소는 엄격한 규제와 기술적 안전 장치, 그리고 체계적인 관리를 통해 다른 연료 충전소와 비교해도 안전한 시설로 운영될 수 있다.

액체 수소 충전 방식은 기체 수소 충전 방식에 비해 저장 및 수송 효율이 매우 높다는 장점을 가진다. 오프사이트 방식으로 운영되는 충전소의 경우, 액체 수소는 동일 부피당 훨씬 많은 양을 저장하고 운반할 수 있어 효율적이다. 예를 들어, 기체 수소를 운반하는 튜브트레일러 1대가 약 300kg을 수송하는 데 반해, 액체 수소 탱크로리 1대는 약 3,300kg을 수송할 수 있다. 이로 인해 액체 수소의 단위 운송 비용은 기체 수소에 비해 현저히 낮아진다.

액체 수소 충전소는 설치에 필요한 부지 면적도 기체 수소 충전소보다 훨씬 작다. 기체 수소 충전소가 약 420㎡(28m x 15m)의 면적이 필요한 반면, 액체 수소 충전소는 약 20.4㎡(6m x 3.4m)로, 부지 활용도가 매우 높다. 이는 도심과 같이 공간이 협소한 지역에 충전소를 설치하는 데 유리한 조건이 된다. 그러나 초기 건설 비용은 기체 수소 충전소(약 30억 원)보다 액체 수소 충전소(약 60억 원)가 더 높은 편이다.

국제적으로는 미국과 일본에서 액체 수소 충전소의 비중이 상대적으로 높은 편이다. 반면, 대한민국의 수소충전소는 2023년 기준 대부분이 고압 기체 수소 방식으로 운영되고 있다. 전문가에 따르면, 수소차 보급 대수가 특정 수준(예: 60만 대)을 넘어서면 규모의 경제로 인해 액체 수소 충전소의 수소 공급 단가가 기체 수소 방식보다 더 저렴해질 수 있다고 분석된다. 이에 따라 대용량 충전이 필요한 상용차나 수소 열차 등의 보급이 확대되면 액체 수소 충전 인프라의 필요성도 함께 증가할 것으로 전망된다.

수소충전소의 건설, 운영 및 기술 개발에 참여하는 주요 법인은 다양하다. 대한민국에서는 한국가스공사와 현대자동차를 중심으로 한 합작법인들이 주도적으로 사업을 추진하고 있다. 대표적으로 하이넷(수소에너지네트워크)는 한국가스공사가 1주주, 현대자동차가 2주주로 참여하여 승용차 중심의 충전 인프라를 구축하고 있다. 코하이젠은 현대자동차와 한국지역난방공사 등이 주축이 되어 상용차, 열차, 선박 등 대형 수소모빌리티용 충전소 확대에 주력한다. 하이스테이션은 한국가스공사와 삼성물산이 협력한 법인이다.

민간 기업들도 독자적 또는 합작을 통해 시장에 참여한다. 주요 정유 회사인 SK에너지, GS칼텍스, 현대오일뱅크는 기존 주유소 네트워크를 활용한 수소충전소 보급을 모색한다. 가스 회사로는 SK가스, E1, 효성중공업 등이 있으며, 현대로템은 철도 차량용 수소충전 기술을 개발한다. 현대자동차는 자체 브랜드인 'H 스테이션'을 운영하며, 린데코리아와 같은 글로벌 기체 전문 기업도 관련 설비 공급에 참여한다.

해외에서는 BMW와 토탈이 유럽에서 협력했으며, 미국의 니콜라나 프랑스의 NamX와 같은 스타트업도 이동형 충전소나 탱크 교체 방식 등 혁신적인 비즈니스 모델을 제시했다. 이처럼 수소충전소 생태계는 에너지, 자동차, 화학, 건설 등 다양한 산업의 법인들이 유기적으로 협력하며 성장하고 있다.