수소차의 진짜 탄소 배출량 논쟁: WtW 분석과 수소의 색깔

수소연료전지차(FCEV)는 주행 시 오직 물만을 배출하는 혁신적인 '제로 에미션' 모빌리티로 각광받지만, 이는 차량 운행 단계(TTW)에 한정된 평가입니다. 수소는 95% 이상이 화석연료에서 비롯되기에, 연료 생산부터 소비까지의 전 과정(Well-to-Wheel, WtW)을 보면 수소차의 실제 탄소 배출량은 내연기관차와 크게 다르지 않다는 논쟁이 존재합니다. 진정한 친환경성을 위해선 수소 생산 방식(그레이/블루/그린 수소)에 대한 냉철한 분석이 필수적입니다.

TTW vs. WtW: 배기관 배출 제로의 함정

수소차는 탑재된 연료전지(Fuel Cell) 시스템을 통해 수소와 공기 중의 산소 간의 전기화학 반응으로 동력을 얻으며, 주행 과정(TTW)의 유일한 부산물은 순수한 물입니다. 이는 배기관에서 발생하는 탄소 배출이 완벽하게 '0'이라는 의미이며, TTW(Tank-to-Wheel) 관점에서 내연기관은 물론, 전력 생산 과정이 존재하는 전기차(BEV)와 비교해도 독보적인 청정성을 자랑합니다.

[Image of hydrogen fuel cell process diagram]

수소의 '색깔'과 WtW 탄소 발자국

그러나 진정한 환경 성능은 WtW(Well-to-Wheel), 즉 '우물에서 바퀴까지' 연료의 전 주기적 탄소 배출량을 포괄적으로 계산하여 평가되어야 합니다. 수소차 탄소 배출량 논의의 핵심 쟁점은 바로 이 생산 단계에 있습니다. 현재 전 세계 수소 공급의 대다수는 여전히 천연가스 개질(SMR)을 통한 '그레이 수소(Gray Hydrogen)'이며, 이 고온 공정에서 대규모의 이산화탄소가 대기 중으로 필연적으로 방출됩니다.

그레이 수소는 1kg 생산 시 약 9 \sim 11kg의 \text{CO}_2를 배출하는 것으로 알려져 있습니다. 이는 수소차의 '배기관 제로'라는 장점이 생산 단계의 막대한 환경 부하로 상쇄되면서, WtW 관점에서는 주행 중 배출이 있는 내연기관차 대비 친환경성 우위를 점하지 못할 수도 있다는 것을 의미합니다. 수소차의 진정한 가치는 사용하는 수소의 생산 방식에 전적으로 달려 있습니다.

따라서 수소차가 '궁극의 친환경차'라는 명칭을 확립하고 WtW 배출량을 최소화하기 위해서는, 탄소 포집 기술이 적용된 블루 수소(Blue Hydrogen) 단계를 넘어, 재생 에너지 기반의 그린 수소(Green Hydrogen)로의 생산 전환이 최우선 과제인 것입니다. 이 '수소의 색깔 전환'만이 수소차의 탈탄소 목표를 완성할 수 있습니다.

수소의 '색깔'과 최종 WtW 탄소 발자국의 결정

수소는 생산 방식에 따라 그 탄소 집약도가 극적으로 달라지기 때문에 관행적으로 '색깔'로 분류됩니다. 이 색깔은 수소차의 '유정에서 바퀴까지(Well-to-Wheel, WtW)' 탄소 발자국을 결정하는 핵심 변수입니다. 단순히 운행 시 배출가스가 없는(Zero Emission) 것만으로는 수소차의 궁극적인 친환경성을 완전히 담보할 수 없습니다. 따라서 WtW 관점에서 생산 단계의 오염도를 파악하는 것이 중요합니다.

• 회색 수소 (Gray Hydrogen)

  천연가스 개질(SMR)을 통해 생산되며, 현재 가장 보편적이고 저렴합니다. 생산 시 발생하는 이산화탄소가 대기 중으로 전량 배출되어 WtW 관점에서 탄소 배출량이 가장 높아 내연기관차 대비 우위가 적습니다.

• 청색 수소 (Blue Hydrogen)

  회색 수소와 동일하게 SMR로 생산하지만, 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술을 적용하여 \text{CO}_2 배출량을 획기적으로 줄인 수소입니다. 포집 효율에 따라 60~90% 저감이 가능하며, 대규모 생산을 위한 과도기적 핵심 대안으로 주목받고 있습니다.

• 녹색 수소 (Green Hydrogen)

  태양광, 풍력 등 100% 재생에너지 기반의 전기로 물을 전기 분해(수전해)하여 생산합니다. 생산 과정에서 온실가스 배출이 거의 없어 진정한 의미의 청정 수소로 평가되며, 수소차의 친환경 잠재력을 극대화할 궁극적인 목표입니다.

수소 공급원별 WtW 배출량의 현실적인 경쟁력

이 외에도 원자력 전력을 사용하는 분홍 수소(Pink Hydrogen)나, 국가 전력 계통(Grid Electricity)을 사용하는 노랑 수소(Yellow Hydrogen) 등 다양한 분류가 존재합니다. 이는 곧 수소차의 실제 환경 점수가 각국의 에너지 믹스와 청정 수소 생산 기술 개발 수준에 따라 시시각각 변동됨을 의미합니다.

연구기관의 다수 분석 결과에 따르면, 회색 수소를 연료로 사용하는 수소차는 여전히 내연기관차보다는 탄소 배출량이 낮지만, 재생 전력으로 충전된 전기차(BEV)보다는 높게 나타납니다. 수소차가 BEV 대비 경쟁 우위를 점하고 가장 낮은 WtW 배출량을 달성하기 위해서는, 전체 수소 공급망에서 녹색 수소와 청색 수소의 비율이 최소한 50% 이상이 되어야 합니다. 이는 수소 인프라 구축과 동시에 청정 수소 생산 기술에 대한 투자가 병행되어야 함을 강력히 시사합니다.

경쟁 차량과의 WtW 비교: EV와 ICEV 사이의 위치

내연기관차(ICEV) 대비: 확립된 친환경성 우위

수소차의 WtW 탄소 배출량 분석은 기존 내연기관차(ICEV)와의 비교를 통해 그 가치가 명확히 드러납니다. 수소차는 주행 단계에서 제로 에미션을 실현할 뿐만 아니라, 연료 생산 단계(Well-to-Tank)를 포함한 전 과정에서 ICEV 대비 압도적인 우위를 점합니다. Argonne National Laboratory 등의 연구에 따르면, 현재 상용화된 수소차는 화석 연료 기반의 수소(회색 수소 또는 청색 수소)를 사용하더라도 일반 휘발유 내연기관차(ICEV) 대비 WtW 온실가스 배출량을 최소 15%에서 최대 45%까지 효과적으로 감축할 수 있습니다. 이는 수소차 탄소 배출량이 화석 연료 차량 대비 환경적 이점을 명확히 제공하는 핵심적인 근거입니다.

전기차(EV) 대비: 수소 생산 경로와 전력 믹스 의존성

전기차(EV)와의 WtW 비교는 수소 생산 방식과 전력망의 탄소 집약도라는 두 가지 핵심 변수에 의해 결정되는 복잡한 문제입니다. 수소차의 잠재력을 극대화하고 진정한 친환경성을 입증하기 위해서는 수소의 '컬러(Color)' 전략을 통한 생산 과정의 탈탄소화가 필수적입니다.

• 화석 연료 중심 전력망: 전력 생산 시 탄소 배출이 높은 환경에서는 EV의 WtW 배출량이 증가합니다. 이 경우, 이산화탄소 포집 기술(CCS)이 적용된 청색 수소를 사용하는 수소차가 EV와 대등하거나 우위를 가질 수 있습니다.
• 재생에너지 중심 전력망: 전력망의 탈탄소화가 진전될수록 EV의 WtW 배출량은 극적으로 낮아집니다. 이에 대응하여 수소차 역시 재생에너지로 생산된 녹색 수소를 사용할 때에만 EV와 동등하거나 더 우수한 궁극의 청정 모빌리티 지위를 확보하게 됩니다.

WtW 탄소 배출량 비교 (상대적 지표)

차량 유형	주요 에너지원 경로	WtW 배출 수준
내연기관차 (ICEV)	화석 연료 (휘발유/경유)	최고 수준 (기준)
전기차 (화석 전력)	화석 연료 기반 전력	ICEV 대비 중간~상위
수소차 (청색 수소)	CCS 적용 천연가스 기반	ICEV 대비 중간~하위
수소차/전기차 (녹색/재생)	재생에너지 기반	최저 수준

결론적으로, 수소차가 내연기관차 대비 우위에 있는 것은 분명하나, '수소차 탄소 배출량' 논쟁의 종결은 차량 자체의 효율성보다 수소 생산 과정의 탈탄소화에 전적으로 달려 있습니다. 이는 전기차의 전력망 청정화 노력과 함께 미래 친환경 모빌리티가 해결해야 할 공통의 과제이며, 궁극적으로 에너지 인프라의 혁신이 수소차의 잠재력을 완성시킬 것입니다.

수소 경제로의 전환: 청정 수소 인프라가 미래를 결정한다

수소차는 운행 단계에서 완벽한 제로 에미션을 달성하나, 진정한 친환경 가치는 수소 생산의 WtW 탄소 배출량 최소화에 달려있습니다. 고가인 녹색 수소의 생산 비용 절감과 대규모 공급 인프라 구축이 핵심 과제입니다. 수소차는 장거리 및 상용차 부문에서 전기차의 한계를 보완하는 미래 모빌리티의 전략적 필수 대안으로 자리매김할 것입니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1. 수소차와 전기차의 탄소 배출량, WtW 관점에서 어떻게 비교되나요?

A. 에너지 생산부터 차량 운행까지를 포괄하는 WtW(Well-to-Wheel) 분석은 수소차의 실질적인 친환경성을 판단하는 핵심 지표입니다. 현재 한국의 전력 믹스 기준으로는 전기차가 수소차 대비 유리할 수 있으나, 이는 수소의 생산 방식에 따라 그 결과가 완전히 뒤바뀝니다.

WtW 분석의 핵심

차량 운행 중 배출가스 유무를 넘어, 연료(전기, 수소)를 생산하는 과정에서 발생하는 탄소 발자국이 전체 친환경성을 결정하는 가장 중요한 요소입니다.

결국 수소차의 청정 우위는 '녹색 수소'의 보급률 확대에 달려 있으며, 이를 통해 전기차와 동등하거나 더 우수한 '제로 에미션(Zero-Emission)' 이동 수단으로 자리매김할 수 있습니다.

Q2. 수소 생산 방식별 탄소 배출 수준과 '청정 수소'의 정의는 무엇인가요?

A. 수소차의 잠재적 탄소 배출량 중 90% 이상이 수소 생산 단계, 즉 '수소의 색깔'에 따라 결정됩니다.

수소 분류와 탄소 배출량

• 회색 수소 (Grey): 천연가스 개질 시 탄소 전량 배출 (가장 높음).
• 청색 수소 (Blue): 생산 중 탄소를 포집/저장(CCS)하여 배출량을 현저히 낮춤.
• 녹색 수소 (Green): 재생에너지 기반 수전해로 탄소 배출이 거의 제로인 궁극적인 청정 수소.

현재는 비용 문제로 회색 수소의 비중이 높지만, 미래에는 청색 및 녹색 수소로의 전환을 가속화하여 수소차의 WtW 탄소 발자국을 최소화하는 것이 에너지 정책의 핵심 목표입니다.

Q3. 차량 제조 및 폐기 단계(LCA)의 탄소 배출량은 수소차에 어떻게 적용되나요?

A. LCA(Life Cycle Assessment)는 WtW 분석에서 제외된 차량의 제조, 유지보수, 폐기 과정을 포함하여 전 생애 주기의 환경 영향을 측정합니다. 수소차는 특유의 핵심 부품 때문에 제조 단계에서 내연기관차나 일부 전기차보다 높은 초기 탄소 배출(Embedded Carbon)이 발생할 수 있습니다.

수소차 제조 단계 고탄소 부품

• 고압 수소 저장 탱크 (탄소섬유 보강재 제조 과정)
• 고도화된 연료전지 스택 및 제어 시스템

따라서 수소차의 궁극적인 친환경 이점은 차량의 긴 수명주기 동안 녹색 수소를 사용하여 얻는 WtW 청정성 이득이 초기 제조 단계의 탄소 배출량을 충분히 상쇄할 수 있는지에 달려 있습니다.