수소산업

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수소경제의 새벽

2020. 03. 10

“여보게들, 물은 전기에 의해 기본 원소들로 분해된다는 걸 아나?

분해된 원소들은 앞으로 강한 동력원으로 작용될 걸세. 그래서 말인데 수소와 산소로 이뤄진 물은 석탄에 비할 수 없을 만큼 강력하고 고갈되지 않는 에너지원이 될 거야. 물은 미래의 석탄인 셈이지.”

쥘 베른『신비의 섬(1875)』 중에서

탄화수소경제에서 수소경제로

수소경제의 새벽. 친환경성과 어디에든 존재하는 보편적 자원이라는 점 주목

수소경제는 1970년대부터

주목 받아 왔음

수소경제는 1970년대부터 주목 받아왔다. 1970년 GM 기술센터 강연에서 전기화학자인 존 보 크리스 교수에 의해 최초로 사용되었다고 알려져 있다. 공식적으로는 1975년 출간된 그의 저서

“Energy: The Solar Hydrogen Alternative”에 언급되었다. 그리고 2002년 미국의 미래학자 제레미 리프킨이 “The Hydrogen Economy”를 통해 무공해 무한 에너지인 수소를 중심으로 한 경제체제 로 전환된 미래사회라는 의미에서 “수소경제”를 주창하였으며, 미국 조지 W.부시 행정부의 수소 경제 이니셔티브를 통해 대중에 확산되었다.

어디에든 존재하고 완벽하게 친환경적

수소를 주목해야 하는 가장 큰 이유는 1)지역적 편중이 없는 보편적인 자원이며, 2)화학적으로 는 탄화수소 연소과정에서 발생하는 온실가스 배출 문제로부터 자유롭다는 점이다. 수소는 어디에 나 존재하는 공기 중 산소와 단순한 (촉매)화학반응을 통해 최종에너지인 전기와 열을 생산하고, 부산물은 단지 물(H₂O)만을 만들기 때문에 활용에 기술적 난이도는 높지만, 지정학적 Risk로부터 상대적으로 자유롭게, 그리고 친환경적으로 거의 영구적으로 쓸 수 있는 자원이다.

시장에서는 수소의 친환경성을 주목하고 있지만, 이를 넘어서 지역적 편중이 적은 에너지 체계 라는데 주목 할 경우 수소의 파급력이 상당히 확대될 수 있다. 이 때문에 우리나라, 일본과 같은 에너지 자급률이 낮은 국가뿐 아니라, 중동, 호주와 같이 기존 전통적인 탄화수소 자원이 풍부한 국가 역시 수소 사업을 육성하고자 하는 것이다. 다음 장에 설명할 내용인 “Energy Carrier”로서의 특성과 “어디에든 존재”한다는 점에 주목할 필요가 있다. 현재 탄화수소 경제는 일부 지역에 편중 된 자원에 의존하기 때문에 에너지 안보와 지정학적 갈등의 원인이 된다. “어디에는 존재”한다는 점은 이러한 이해관계를 완전히 재편할 수 있는 수소의 특성이다.

<그림1> 탄소경제에서 수소경제로 전환 동인

자료: 산업통상자원부, 현대차증권

탄소경제 수소경제

[Driving Force]

1. 에너지 안보 확보(에너지원 다변화) 2. 미래산업 육성(기술 선점)

3. 온실가스 감축(지구 온난화 저감)

수소는 에너지 저장 또는 에너지 운반체, “Energy Carrier”라는 점에 주목

수소경제의 개념은

재생에너지를 활용하여 수소를 생산하고, 에너지 수요와 공급 사슬 전체 영역에서 수소를

에너지 운반체(Energy Carrier)로 사용하는

경제체제로 인식

최근 ‘수소경제’의 개념은 재생에너지를 활용하여 수소를 생산하고, 에너지 수요와 공급 사슬 전 체 영역에서 수소를 에너지 운반체(Energy Carrier)로 사용하는 경제체제로 인식되고 있다. 수소는 에너지원(源: Source)이 아닌 에너지 운반체(Energy Carrier)라는 점을 주목해야 한다. 수소경제 초 기에는 천연가스를 개질해 수소를 생산하지만, 장기적으로 수소는 재생에너지에서 생산된 잉여전 기를 저장/운반하는 P2G 형태의 수소 활용이 핵심이 될 전망이다(탄소포집장치(CCS: Carbon dioxide Capture & Storage)를 활용한 메탄(CH4)화 활용 포함). 일종의 대형 배터리 역할을 하는 것인데, 이를 통해 재생에너지 보급률이 높아지면서 발생하는 송전제약 및 계통 효율성 저하 문제 를 해결하여 재생에너지 보급을 더욱 활성화 시킬 수 있어 시너지가 기대된다.

에너지는 1차 에너지와 최종 에너지로 분류할 수 있다. 1차 에너지는 자연계에서 경제계로 투입 된 자연 상태의 가공 되지 않은 에너지(원)를, 최종에너지는 직접 소비 가능한 형태로 가공(또는 전환)된 에너지를 의미한다. 대표적인 1차에너지는 석유, 천연가스 등이다.

김재경(2019)에 따르면, 원소기호 1번인 수소는 우주 물질의 75%를 차지할 정도로 풍부하나, 지구상에는 물이나 탄화수소 등 상대적으로 무거운 산소나 탄소 등과 화합물 형태로만 존재한다.

따라서, 수소를 생산하기 위해서는 이러한 화합물에서 수소만을 분리해야 하며, 이때 다른 에너지 를 원료내지 연료로서 투입해 가공(또는 전환)하여 생산하기 대문에 자연 상태의 1차 에너지가 아 니다.

수소를 활용하는 연료전지에서 수소는 공기중의 산소와 반응하여 전기화학적인 반응을 통해 전 기를 생산한다. 연소반응을 통해(또는 핵분열 반응을 통해) 생산된 열로 물을 끓여서 증기를 발생 시켜 터빈을 돌려 전기를 생산하는 전통적인 발전과는 근본적인 차이가 있다.

<그림2> 수소는 에너지 운반체

자료: Air liquide, 현대차증권

수소는 구리전선이나 배터리와 유사한 기능

이러한 특성 때문에 수소는 그 자체로 에너지(원)이라기 보다는 수소를 생산하기 위해 투입된 다른 에너지(예: 재생에너지로 생산된 전기)를 수소형태로 변화하여 저장하였다 전달하는 에너지 전환 매개체로서, 구리전선, 배터리 등과 유사한 기능을 한다.

특히, 수소는 전기나 열 등 최종에너지를 대규모로 저장해 장거리로 운송할 수 있다. 따라서, 수 소경제가 발전하게 되면 에너지 교역 구조 자체가 달라질 것이다. 예를 들어 신재생 에너지 잠재 력이 높은 호주 등지에서 태양광과 풍력 등을 활용해 CO2-free 수소를 대규모로 생산해 액화시킨 후 선박으로 해외에 수출하는 경우를 가정해 보자. 이 경우, 수입국은 수소를 다시 전기에너지로 전환시켜 활용하게 되는데, 결과적으로 수출국인 호주는 풍부한 재생에너지를 활용해 생산한 전기 에너지를 수소 형태로 전환하여 수출하는 것이다. 호주 정부에서 이를 “햇빛 수출”이라고 표현하 는 이유다.

수소 경제 활성화로 에너지 교역구조 및 안보영역까지 영향 받게 됨

수소 경제가 활성화 될 경우 전기를 생산하거나 동력기관을 기동하는데 필요한 석유 또는 가스 생산지인 중동 중심 에너지 구조에서 재생에너지 잠재력이 높은 지역을 중심으로 전환 될 것이다.

에너지 빈국이 상황에 따라 에너지 수출국이 될 수도 있고, 궁극적으로는 우리나라와 같은 에너지 빈국도 에너지 자급이 가능해 질 수 있다. 현재 수소경제를 강하게 추진하고 있는 일본, 독일, 한국 등이 모두 에너지 자급률이 낮은 국가이다. 중국의 에너지 자급률은 높은 편이나, 지속적으로 낮아 지고 있으며, 향후 석탄화력 발전에 제약이 심해 질 경우 자급률은 더 낮아질 수 있다. 이러한 에 너지 교역구조의 변화는 필연적으로 국제 관계와 심지어 안보의 영역까지 영향을 미치게 된다. 따 라서, 친환경성에만 집중하여 수소경제를 이해 할 경우 그 파급력을 과소평가 할 수 있다.

<그림3> P2G 개념도

자료: Infinity, 현대차증권

<그림4> 수소경제를 적극 추진중인 국가들은 에너지 자급률이 낮음. 중국은 에너지 자급 률이 높은 편이나, 지속적으로 낮아지는 상황

자료: www.energy.gov, 현대차증권

<표1> 탄소경제와 수소경제의 비교

탄소경제 수소경제

에너지 패러다임

탄소자원(석유, 석탄, 가스) 중심 수입 의존도(99%)

탈탄소화 수소 중심 국내 생산으로 에너지 자립 기여

에너지 공급

대규모 투자 필요한 중앙집중형 에너지 수급

소규모 투자로 가능한 분산형 에너지 수급

입지적 제약이 크고 주민 수용성이 낮음

입지적 제약이 적고 주민 수용성이 높음

경쟁 양상

자원개발 및 에너지 확보 경쟁

기술경쟁력 확보 및 규모의 경제 경쟁

환경성 온실가스, 대기오염물질 배출

*CO2, NOx, SOx

온실가스 배출이 적어 친환경적

*부산물 = 물(H2O) 자료: 산업통상자원부, 현대차증권

<표2> 국가별 수소에너지 정책

미국 유럽

독일 프랑스 일본

추진 배경

- 천연가스 가격 하락

- 풍력 잉여전력 발생 - 재생에너지 잉여전력 활용방안 모색 - 에너지자급률 악화 - 연료전지 기술 선도

주요 특징

- 천연가스 개질 및

풍력단지에서 생산 - 천연가스 그리드 활용, 열병합발전소 연계 - 해외수소 대량수입 자료: 한전경제연구원, 현대차증권

0 20 40 60 80 100 120

98.1 00.1 02.1 04.1 06.1 08.1 10.1 12.1 14.1 16.1

중국 미국 독일 한국 일본

(%)

더욱 강화되는 환경규제. 기업 및 국가 경쟁력과 직결

더욱 강화되는 환경규제

2020년대 들어

더욱 강해지는 환경규제

환경규제는 더 강해지고 있다. 특히, 2020년은 큰 의미를 갖는 해이다. 2021년부터는 기존 도쿄 의정서 체제가 막을 내리고 파리기후협정(Paris Agreement) 체제가 시작된다. 파리 협정은 지구 평 균기온 상승을 산업화 이전 대비 2℃보다 상당히 낮은 수준으로 유지하고, 1.5℃로 제한하기 위해 노력한다는 장기적인 목표를 포함한다.

마지막 0.5℃를 사수하기 위한 노력이 진행 될 것

약 1,000년 전~400년 전 시기 소빙기간 낮아졌던 지구 온도는 최근 100년 사이 1℃ 이상 상승 하였으며, 이미 산업화 이전 시기 대비 1℃가량 온도가 승상 한 것으로 추정된다. 이에 따라, 향후 온난화 대응과 관련해서는 2100년까지 추가적인 0.5℃ 상승을 막기 위한 더욱 강력한 기후 대응 이 예상된다.

<그림5> 지난 2,000년 중 최근 100년 지구 온도 급등

자료: Climate Lab Book, 현대차증권

신기후체제(파리협정)는 교토의정서의 한계를 극복하기 위해 출범되었다. 교토의정서는 주로 선 진국을 중심으로 참여했으나 신기후체제에서는 개발도상국을 포함한 196개국이 참여하여 범위가 훨씬 넓어졌다. 또한, 교토의정서에서는 감축 의무를 하향식(top-down)으로 결정하였으나, 신기 후체제에서는 당사국이 스스로의 상황을 고려하여 자발적으로 목표를 정하도록 하였다(국가결정기 여(NDC: Nationally Determined Contribution)). 또한, 5년마다 상향된 감축목표를 제출하고 탄소 감축 약속 이행을 점검하기로 하였다. 교토의정서 제 1차 공약기간 동안 감축 의무를 부담하는 국 가들의 수는 40개 정도였고, 이들 국가들의 온실가스 배출량은 세계 배출량 대비 22%에 불과하였 다. 하지만, 2016년 4월 기준 NDC 제출국은 전세계 배출량의 95.7%, 세계 GDP 비중은 99.7%, 인구 비중 98.7%(2010년 기준)으로 사실상 전세계 국가로 확대되었다.

<그림6> 현 추이대로라면 2040년경 지구 온도는 산업화 이전 대비 1.5℃ 이상

상승하게 될 것

자료: Kawasaki heavy Industries, Nippon.com, 현대차증권

<표3> 교토의정서와 파리협정 비교

목표 교토의정서

목표 온실가스 배출량 감축

(1 차: 5.2%, 2 차: 18%)

2℃ 목표 1.5℃ 목표 달성 노력

범위 주로 온실가스 감축 초점

온실가스 감축만 아니라 적용, 재원, 기술이전 역량배양, 투명성 등 포괄

감축 의무국사 주로 선진국 모든 당사자국

목표설정방식 하향식 상향식

징별 여부

징벌적

(미달성량 1.3 배를 다음 공양기간에 추가)

비징벌적

목표 성정기준 특별한 언급 없음 진전원칙

지속가능성 공약기간에 종료 시점이

있어 지속가능성 의문

종료 시점 규정하지 않아 지속가능한 대응 가능

행위자 국가 중심 다양한 행위자 참여 독려

자료: 산업자료, 현대차증권

환경이슈 대응은 국가 및 기업 경쟁력과 직결될 것

유럽 중심의

환경 규제 강화 지속 기후변화 대응 정도가 기업 및 국가 경쟁력과 직결될 것

법적 구속력이 없다는 한계가 지적되고 있다. 하지만, 최근 EU가 ‘European Green Deal’을 구체 화 하면서 탄소 국경세 부가를 검토하고 있다. 이는 비관세 장벽으로 작용할 가능성이 높아 법적 구속력이 없더라도 기업 또는 국가 차원에서 대비 정도에 따라 실질적인 경쟁력 요인으로 작용할 가능성이 높다. 또한, 유럽은 강화된 배기가스 측정법(WLTP) 적용을 시행하고 이산화탄소 규제 강화를 시행하는 등 기업들이 체감하는 규제 강도는 더욱 강해 질 전망이다.

친환경성을 활용해 Tesla는 새로운 방식으로 자금 조달

뿐만 아니라, 기후변화 대응 정도에 따른 기업간 경쟁력 격차는 더욱 확대 될 가능성이 높다. 최 근 Fiat Chrysler Automobiles(FCA)는 유럽의 강화된 CO₂ 배출 규정을 맞추기 위해 Tesla 차량 판매량을 자사의 차량 판매량과 합산하는 계약을 체결한 것으로 알려지고 있다. EU는 완성차 OEM들이 CO₂ 목표를 맞추기 위해 차량 판매를 합산하는 Open pool 옵션을 허용하고 있다. 일 각에서는 FAC가 Tesla에 매 분기 $150M ~ $250M 수준을 지급할 것으로 알려지고 있으며, 2023년까지 $1.8bn을 수취할 수 있을 것으로 전망하고 있으며 이는 Tesla가 독일 Gigafactory를 건설하는데 사용될 전망이다. Nevada 공장 투자 금액이 $5bn 수준인 것을 감안하면 상당한 규모 이다. Tesla는 대단히 효율적인 투자로 신규 공장을 지을 수 있을 것이다.

LG화학, 그린본드로 대규모 자금 낮은 금리로 조달

LG화학은 2019년 세계 화학기업 최초로 그린본드 발행에 성공했다. 그린본드는 발행대금 용도 가 친환경 투자로 한정된 채권이다. 1.8조원 규모의 채권을 발행했고, 유로로 발행한 5억유로 4년 만기 채권은 금리가 0.6%로 대단히 낮다. 발행규모는 15억달러였으나, 105억 달러 규모의 주문이 몰린 것으로 알려져 예상보다 낮은 금리에 자금을 조달하였다. 채권시장 역시 ESG 투자에 주목하 면서 환경변화에 적극적으로 대응하거나, 관련 Value Chain에 사업을 영위하는 기업들의 조달 비 용이 낮아지면서, 그렇지 못한 기업들과의 격차는 더욱 커질 가능성이 높다.

2020년 11월 공식적으로 미국이 파리협정을 탈퇴하는 것 역시 불확실성 요인이다. 하지만, 미국 캘리포니아, 워싱턴, 뉴욕 주 등은 기후변화 대처에 협력하기 위해 ‘미국 기후 조직(United States Climate Alliance)’을 조직하여 주 단위로 대응하고 있으며, 이들 주가 미국 전체 GDP에서 차지하 는 비중은 30% 이상이다. 또한, 미국 내에서 재생에너지는 이미 그리드 패리티에 도달하여 전성기 를 구가하고 있으며 Tesla 전기차는 상품성으로 소비자의 선택을 받고 있다. 따라서, 미국이 파리 협정을 탈퇴함에 따른 부정적 영향은 제한적일 것으로 전망된다.

이러한 강해진 규제로 수소 경제는 예상보다 빠르게 구체화 될 전망이다. 에너지 부문에서는 재 생에너지와의 시너지가 부각될 전망이다. 또한, 분산형 전원의 핵심으로 수소가 부각될 가능성이 크다. 모빌리티 분야에서 역시 FCEV는 현재 고성장하고 있는 BEV와 역할을 분담하며 공존할 것 이다.

<그림7> FCA와의 거래를 통해 Tesla는 독일 Gigafactory 건설 자금을 조달

자료: Automotive news 현대차증권

<표4> LG화학 2019년 그린본드 발행

종류 발행금액 발행금리

달러 5.5 년 만기 5 억 달러 3.28%

달러 10 년만기 5 억 달러 3.70%

유로 4 년만기 5 억 유로 0.60%

자료: LG화학 현대차증권

녹색수소가 핵심. 재생에너지와 강력한 시너지

재생에너지와 연계된 녹색수소 생산으로 친환경성과 경제성 동시 향상

회색수소

청색수소 녹색수소

수소 경제에 활용되는 수소는 생산 방식에 따라, 회색수소(Grey Hydrogen), 청색수소(Blue Hydrogen), 녹색수소(Green Hydrogen)로 나눈다. 현재 전세계 수소생산량의 48~50%는 천연가 스 수증기 개질, 30%는 정유 및 화학 부문의 부생수소, 18%는 석탄가스화(주로 중국) 등 화석연료 에서 생산된다. 나머지 2~4% 정도는 염소 생산의 부산물로 물의 전기분해(수전해) 방법이 차지하 고 있어 아직은 회색수소 비중이 크다.

당분간 회색수소와 청색수 소로 수소 수요 감당

장기적으로 녹색수요로 전환

당분간은 회색수소나 청색수소가 수소 수요를 충당하겠지만, 궁극적으로는 녹색수소로의 전환이 이루어질 전망이다. 무엇보다, 완벽하게 CO₂ free이기 때문이다. 기존의 메탄(천연가스)를 고온의 수증기와 촉매분해하여 수소를 생산하는 방법은 수소 4개 분자 당 1개의 CO2를 생산하게 된다.

수소 1개 분자 질량대비 이산화탄소 질량이 22배 무겁다는 것을 감안하면, 수소 1kg 생산과정에 서 이론적으로 CO₂ 5.5kg을 발생하게 된다. 다만, 효율이 100%가 아니기 때문에, 최근의 높아진 발생효율 75%를 가정한다고 하더라도 8.6kg의 이산화탄소를 발생시켜 친환경성에서 수소가 갖는 의미는 상당히 퇴색되게 된다. 향후 재생에너지를 이용한 수소 확보가 중요한 이유이다.

재생에너지 활용한 녹색수소 가격 크게 하락 할 것

재생에너지 발전단가가 지속적으로 하락하고 있고, 여유전력으로 물을 전기분해하여 수소를 생 산 할 경우 실질적으로 수소 생산을 위한 변동비가 “0”이 된다는 점에서 태양광과 풍력을 활용한 재생에너지 인프라가 확대될수록 수소 생산 단가를 크게 낮출 수 있게 된다. 게다가 완벽한 친환 경이다. 따라서, 궁극적으로는 재생에너지를 활용한 수소생산이 경제성을 갖추면서 적극 추진될 전망이다.

<표5> 수소 생산 방식

정의 수소 생산 방법 장점 단점

회색수소

(Grey Hydrogen) 화석연료에서 추출한 수소

천연가스 수증기개질(SMR)

석탄가스화

이미 사용되는 기술로

낮은 생산 단가 고탄소 수소

청색수소 (Blue Hydrogen) (저탄소 소수라 불리기도 함)

회색수소 기반 추출하되 CCS 를 통해 CO2 포집/제거

천연가스 수증기개질(SMR)

석탄가스화

CCS 사용시 CO2 생산 중립

화석연료에 의존

CCS 비용 및 제약

녹색수소 (Green Hydrogen)

CO2 발생이 없는 수소

재생에너지(태양광, 풍력 등) 이용 물 전기 분해

암모니아(NH3) 분해

생물학적 수소 등

CO2 Free

재생에너지 충분히 갖출 경우 전력생산비용 “0”

재생에너지 인프라 필요

자료: 언론, 에너지경제연구원, 현대차증권

초기는 과도기적 회색수소 활용. 천연가스 추출 수소가 활용될 전망

초기 수소는 주로

천연가스를 활용한 추출수소

재생에너지 가격이 크게 하락하기 전까지 상당부분의 수소는 추출수소로 공급될 전망이다. 특히, LNG 및 LPG가 핵심 원재료가 될 전망이다. 생산방식으로는 현재까지 가장 보편적으로 ‘수증기 메탄 추출방식(SMR: Steam Methane Reforming)’이 활용된다. 이는 다음과 같은 화학식을 통해 확인 할 수 있다. 화학식에서 알 수 있듯이 이 방법은 CO₂를 생산한다는 점에서 과도기적 방식일 수 밖에 없다. 이 방식은 메탄과 물을 연료로 700℃ 이상의 고온에서 촉매 반응시켜 수소를 추출 하는 방식으로 흡열반응으로 외부에서 열 공급이 필요하며, 정제 장치와 연계하여 고순소 수소를 제조한다.

수소 수요가 충분치 않은 초기에는 단기적으로 수소 대량공급 기반으로써 추출수소, 특히, 배관 을 이용하기 용이한 메탄(LNG) 및 프로판(LPG)을 이용하는 수소경제 이행의 핵심 공급원으로 활 용될 전망이다. 우리나라에서는 전국 LNG 공급망에 추출기를 설치하여 추가적인 인프라투자 없 이도 안정적인 수소를 공급하려는 계획이다. 전국 4개 인수기지(인천, 평택, 삼척, 통영)에서 공급 받은 천연가스를 적정 압력으로 조정하는 한국가스공사의 정압관리소(142개소) 등이 수소 생산기 지 후보지가 될 것이다. 또한, 분산형 소규모 수소생산기지로 수요처 인근 도심지 LPG 및 CNG 충전소 또는 CNG 버스 차고지 등에 중형급 수소추출기를 설치 운영할 예정이다. 또한, 최근 두산 퓨얼셀은 수요지역에서 LNG를 통해 수소, 전기, 가스를 모두 생산할 수 있는 Tri-gen 모델을 국 책과제로 개발 중이다(~’20.12월).

<그림8> 추출수소 반응식

자료: 업계자료, 현대차증권

<그림9> 수소추출과정

자료: 산업통상자원부, 현대차증권

CH ₄ + 2H ₂ O  4H ₂ + CO ₂

재생에너지 연계 수전해 공급 시스템 발전으로. 녹색수소 확보

장기적으로 수소 확보는 재생에너지 잉여의 전력을 수전해(물 전기분해) 하여 수소를 생산하는 녹색수소 방식이 대세가 될 전망이다. 이미 재생에너지 투자가 많이 이루어진 지역에서는 이러한 방식의 수소 생산 상업화가 타진되고 있다. 또한, 재생에너지가 부족한 일본은 재생에너지 잠재력 이 풍부한 지역에서 잉여전력으로 물을 전기분해하여 생산한 수소를 국내로 도입하는 방법을 시험 중이다. 반면, 호주는 장기적으로 대량의 녹색수소 수소 수출을 계획하고 있다. 재생에너지 발전 잠재력이 높기 때문이다.

알칼리 수전해 방식은 알칼리 수용액을 전해질로 사용하여 물을 전기분해하는 수전해 기술 중 가장 상업화가 많이 진척되었다. 고분자 전해질(PEM) 수전해 방식은 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC)용 전해질막을 전해질로 이용하여 물을 전기분해하는 방식으로 본격 상업화는 되지 않았 으나 실용화에 근접하고 있다.

국내에서는 2022년까지 MW급 재생에너지 연계 수전해 기술을 개발하고, 100MW급 재생에너 지 발전과 연계하여 그린수소를 대향 생산하는 실증사업을 시행 중이다.

<표6> 수전해 방식별 특성 비교

구분 알카라인 수전해 고분자 전해질(PEM)

수전해

고체 산화물 수전해(SOEC) 수전해

개념

효율 ~ 80% ~ 80% ~ 95%

작동

온도 20~100℃ 20~100℃ 700~1000℃

특징

저가 소재 (가격 경쟁력 높음) 대면적&대형화 가능 변동성 흡수능력 중간

귀금속 소재 (가격 경쟁력 낮음) 대면적&대형화 가능 변동성 흡수능력 높음

세라믹 소재 (가격경쟁력 중)

낮은 수명 (연구 초기) 변동성 흡수능력 낮은

자료: 산업통상자원부, 현대차증권

주: 변동성 흡수능력이 높을수록 재생에너지 등 변동성이 큰 전력공급 환경에서 안정적으로 수전해 가능

<표7> 국내외 수전해 기술 현황

국외

국내

독일 미국 일본

기술 및 시장 상황

EU 프로젝트 (HORIZON2020)

- 독일과 북유럽 중심 컨소시엄구성

- 재생전력과 가스망을 통합운용 실증 사업 중

DOE : NREL 수요기업 중심 개발 및 실증

- 재생에너지 연계 수소생산실증 운전 데이터 확보(10 년)

- PEM 수전해 집중

NEDO 의 R&D 지원과 수요 기업 중심

- 대용량 알칼라인 수전해 집중 (후쿠시마 단지조성)

- 재난대비 비상전력 (72h)용 PEM 수전해 기술확보

- 중소기업 위주 소형 수소발생기 중심

- 선진국 대비

핵심기술수준(약 70%)

- 2016 년부터 재생 에너지 연계 수전해 연구과제 지원

기술 수준

효율: 70~80%

용량: 4~10 MW

효율: 50~60%

용량: 0.25 MW

대표 기업

알카라인 수전해 기업 NEL Hydrogen

(노르웨이) Asahi Kasei(일)

Hitachi Zosen(일)

수소에너젠 EM 솔루션 PEM 수전해 기술

Siemens(독) ITM Power(영)

Giner ELX(미)

Hydrogen(캐) Toshiba(일) 엘켐텍

자료: 산업통상자원부, 현대차증권

장기 / 다용량 / 고밀도 에너지 저장에 경쟁력이 높은 수소

P2G 기술을 활용한

장기/다용량/고밀도 에너지 저장이 가능한 수소

P2G 기술은 장기/다용량/고밀도 에너지 저장이 가능해 계절에 따라 출력 변동이 높은 재생에너 지와 결합에 적합한 것으로 평가되고 있다. 전력 저장이라는 면에서 LiB 2차전지를 활용한 ESS와 유사한 기능을 한다. 다만, 수소를 활용하는 방법이 대용량 장기 저장에 좀 더 용이하다. 10시간 이 내, 10MWh 이하 소규모 저장에는 ESS, 1GWh ~ 1TWh 대용량 저장과 장기간(1~1,000시간) 저 장에는 수소를 활용하는 것이 효율적인 것으로 평가된다. 예를 들어 오후에 충전하여 저녁에 전력 을 사용하는데는 ESS가 효율적이나, 일주일 전 맑은 날에 태양광으로 발전한 전력을 저장하여 흐 린 날 사용 하기에는 수소를 활용하는 것이 효율적이라는 것이다. 이를 넘어 여름에 충전한 전력 을 겨울에 사용하는 것도 수소를 활용한다면 충분히 가능하다.

<그림10> 저장기간 / 용량별 에너지 저장장치

자료: 산업은행, IDTS, 현대차증권

<표8> P2G와 ESS 비교

구분 P2G ESS 특징

저장형태 전력 → 연료 전력 ↔ 연료 P2G 는 CO2 재사용 가능

기능/역할 신재생출력 안정화

(송전제약 해소)

신재생출력 안정화 (주파수, 예비력)

P2G: 단방향 ESS: 양방향 (충방전)

설비용량(MW) 0.01~1,000 0.1~20 P2G: 대용량 가능

ESS: 소용량 한정

효율 60~70% 85~95% P2G 효율은 CH4 생산 기준

자료: 전기, 에너지 기술, 현대차증권

재생에너지 잉여전력을 사용. 수소 가격 하락으로 이어질 전망. 또한, 재생에너지 단점 을 보완하여 재생에너지 확대에도 기여하는 상호 시너지 기대

재생에너지 성장으로 전력계통 불안정 수소를 활용한 에너지 저장 기술은 이러한 단점을 극복가능하도록 하여 재생에너지와 강력한 시너지

재생에너지 비중이 2018년 기준 30% 수준까지 확대된 캘리포니아의 사례를 살펴보면, 재생에너 지 비중이 높아지면서 출력제한이 급증하고, Duck Curve 현상이 심해지는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 심지어 전력시장 가격이 마이너스를 기록하기도 하는 상황이다. 독일 등 재생에너지 비중이 높아지는 지역들에서 이러한 현상이 두드러진다. 향후 이러한 잉여 전력을 이용하여 수전해를 통해 수소를 생산한다면, 수소 가격은 대단히 크게 낮아질 것이다. 또한, 재생에너지 입장에서는 출력제 한 이슈를 해결 할 수 있기 때문에, 부작용을 해소하면서 성장 할 수 있을 것이다. 이러한 재생에너 지와 수소간의 시너지는 향후 재생에너지 비중이 높아지면서 더욱 커질 전망이다.

<그림11> 캘리포니아 지역 태양광/풍력 출력 제한 급증

자료: caiso, 현대차증권

<그림12> 마이너스 전기요금 발생

자료: 산업자료, 현대차증권 0

50 100 150 200 250

15.1 15.7 16.1 16.7 17.1 17.7 18.1 18.7 19.1 19.7 20.1

(GWh)

신재생에너지 P2G 연계사업 독일의 사례

유럽, 일본 등 이미

P2G 적극 추진 중

수소경제를 적극적으로 추진하고 있는 유럽, 일본 등은 이미 재생에너지를 이용한 P2G를 적극 추진 중이다. P2G기술은 잉여 전력을 활용하여 물을 전기분해한 수소 및 이를 이산화탄소와 반응 시킨 메탄 등 전력을 가스 형태의 에너지로 변환하여 저장•이용하는 기술이다. 이때 이산화탄소 는 공기중에서 포집하거나 CCS에서 포집한 이산화탄소를 사용한다. 재생에너지 확대에 따른 전력 계통 유연성 확보와 유휴전력 문제 해결을 위해 수소 활용에 주목하고 있으며, 수소 활용으로 에 너지 전환의 완성도를 높일 수 있을 것으로 전망된다.

2050년까지 신재생에너지 발전량 80%를 목표로 하고 있는 독일은 2022년까지 P2G 설비 용량 을 1GW 확대 할 전망이며 최근 2025년까지 5GW, 2050년까지 40GW 수준의 P2G 생산능력 갖 출 계획이다. 독일 E.ON은 이미 퓽력 연계 2MW급 수소 생산 플랜트를 상업 운전 중이다. 다음 그림은 독일 니더작센주 Emden 항구에서 추진하고 있는 P2G 프로젝트(“WASh2Emden”)의 서플 라이 체인이다. 니더작센주는 북해를 해안으로 끼고 있어, 해상풍력 발전에 큰 강점을 가지고 있 다. 특히, 니더작센은 독일 전체 풍력발전설비의 약 30%가 설치되어 있을 정도로 풍력설비가 집중 된 곳이다. Emden 항구에서는 남는 풍력으로 수소를 생산하여 저장하고, 연료전지로 전기 및 열을 생산하여 배의 동력으로 사용하거나 항구 지역에서 사용하는 옵션을 고려하고 있다. 동 프로젝트 는 2019년 2월 공식 출범했다.

<그림13> WASh2Emden 프로젝트에서 고려중인 수소 서플라이 체인

자료: Sustainableworldports.org, 현대차증권

일본의 P2G 사업 진행 사례

일본, 세계 최대

태양광 연계 수소생산시설 준공

일본은 신에너지개발기구(NEDO)를 중심으로 적극적인 수소경제를 추진하고 있으며, P2G 사업 에 적극 임해 상당한 진전을 이루고 있는 것으로 파악되다. 최근 일본은 후쿠시마지역에 세계 최 대 규모의 태양광 연계 수소생산시설을 준공했다. 도시바, 도호쿠전력, 이와타니(천연가스 공급자) 등이 참여한 프로젝트이다. 아와타니의 대표이사는 향후 재생에너지 가격이 낮은 해외에서 생산해 수입할 수 있다고 밝혔다. 동 설비에는 20MW의 태양광 패널을 통해 생산된 전력으로 물을 전기 분해하여 연간 900톤의 수소를 생산할 예정이다. 이는 하루 560대의 수소차를 충전할 수 있는 용 량이다. 일본은 올림픽 기간 중 이용되는 차량을 도요타 수소차 Mirai로 운용하면서 수소경제를 선도해 나가고 있으며, 원전사고의 여파를 극복해 내고 있음을 국제사회에 알릴 계획이다.

Inpex는 CO₂와 수소를 반응시켜 메탄을 생산하여 가스관을 통해 수송하는 P2G 사업을 진행하 고 있다. 니가타현 미나미나가오카 가스전의 천연가스 생산과정에서 함께 배출된 CO2와 수전해를 이용해 분리한 수소를 반응하는 방식이다. 이를 통해 2019년 8월부터 메탄 50만톤을 생산한 이후 2021년부터 생산된 메탄을 도시가스에 혼합시켜 기존 가스관을 통해 공급한다는 계획이다. Inpex 는 초기 비용은 높지만, 양산효과와 관련 장치 가격인하를 통해 2030년 이후 현재 수준으로 낮추 는 것을 목표로 하고 있다.

이 밖에도 도요타, 쇼와덴코, 등 일본 유수의 기업들이 적극 P2G 사업 실증을 진행 중이다. 이 를 통해 2030년 이후 본격적인 그린수소를 생산하기 위한 기반을 마련하고 있다. 이 또한, 해외에 서 생산한 수소를 도입하는 프로젝트 역시 적극 추진중이다. 이에 대해서는 본 보고서 수소 운반 부문에서 좀 더 자세히 알아보겠다.

<그림14> 후쿠시마 태양광 연계 수소생산시설 준공

자료: Nikkei, 현대차증권

<표9> 주요국 P2G 프로젝트 현황

주요국 P2G 프로젝트 현황

독일

 2022 년까지 P2G 설비를 1,000MW 까지 확대하는 것을 목표로 17 억유로를 들여 P2G 전략 플랫폼 사업 추진.

 P2G 생산능력 2025 년 5GW, 2050 년 40GW 갖출 계획

 풍력 발전 에너지로 수소를 제조하여 활용하는 20 개 이상의 프로젝트 진행 중

 가스 망 이용 수소 및 메탄(CH4) 공급, 수송 연료화, 수소저장 등의 프로젝트가 자동차업체 및 에너지 기업 등이 참여해 진행(Greenpeace Energy 의 Wind-gas 프로젝트, Audi 의 e-gas 프로젝트, Total/NENETRAG 등의 베를린 브란덴부르크 국제공항 프로젝트 등)

프랑스 ^ 1MW 급 재생에너지 수전해 연계 장치로 수소를 생산해 배관으로 운송하는 ‘Jupiter 1000’

프로젝트 시행 중

덴마크 ^ 풍력 발전 에너지로 수소를 생산(수전해)하여 에너지 시스템(계통안정화, 수송 및 발전에너 지)에 적용하는 ‘HyBalance’ 프로젝트 진행 중

네덜란드 ^ 화학회사 AkzoNobel 과 가스회사 Gasunie 의 공동 프로젝트로 20MW 규모 재생에너지-수 전해 연계 프로젝트 진행 중

미국

 DOE(에너지부) 주관 풍력 발전 에너지로 수소를 생산해 천연가스 망을 통해 공급하는

‘Wind2H2’ 프로젝트 진행 중

 NREL(신재생에너지연구소)은 태양광 발전 에너지로 수소를 생산하는 ‘STH(Sloar To Hydrogen)’ 연구 개발 지속적으로 추진 중

 캘리포니아 등 10 개 주 수소차 세제 혜택 지원

일본

 후쿠시마 지역에 세계 최대 규모 태양광 연계 수소 생산시설 준공(Fukushima Hydrogen Energy Research Field)

- 10MW 급 수소제종장기, 20MW 규모 태양광 패널 설치하여 연간 900 톤 수소 생산

 Inpex, 니기타현 미나미 나가오카 가스전 천연가스와 함께 배출된 CO2 수전해를 이용해 분리한 수소를 반응하여 메탄을 생산. 가스관을 통해 수송하는 사업

- ‘19 년 8 월 메탄 50 만톤 생산. 2021 년부터 생산된 메탄을도시가스에 혼합시켜 가스관 통해 공급 계획 - 2030 년 이후 현재 수준으로 가격을 하락시키는 것이 목표

 도요타, 1,980kW 급 풍력발전 이용해 생산한 그린 수소를 요코하마 시 시장 및 물류창고에 공급해 수소전기지게차 충전

우리나라

 2020.1 P2G 기반 한전 Microgrid 실증사업 착수

 사업규모 수전해 1.0MW, PV 1MW, 연료전지 200kW(기존), ESS 0.5MWh

 2020 년 5 월 상세설계 완료. 2021 년 1 월 실증 계획

 2022 년까지 MW 급 재생에너지 연계 수전해 기술(P2G)를 개발하고 100MW 규모로 실증 추진 예정 자료: 산업은행, 언론, 산업자료, 현대차증권

우리나라 에너지3020 계획과 맥을 같이 하는 수소경제 로드맵

우리나라 수소경제 로드맵

재생에너지3020 계획과 맥을 같이함

정부는 2019년 발표한 수소경제 로드맵에서 장기적으로 녹색수소 비중을 확대 할 계획을 밝혔 다. 정부 초기에 발표한 재생에너지 3020 계획과 맥을 같이하고 있다. 정부는 2018년 13만톤/년 인 수소 공급을 2040년까지 526만톤/년 이상으로 40배 이상 확대한다는 계획을 내놓았다. 현재는 추출 수소 방식이 대부분이나, 수전해와 해외 생산비중을 2030년 50%, 2040년 70% 수준으로 확 대할 계획이다.

부생수소에서 생산하는 방식이 있지만, 현실적으로 부생수소를 활용하는데는 한계가 있기 때문 에, 현재 1% 수준인 부생수소 비중이 더욱 확대되기는 쉽지 않을 전망이다. 우리나라는 재생에너 지 자원 및 인프라가 부족하여 향후 해외 도입이 공급량을 확대하는데 중요한 역할을 할 전망이 다.

장기적으로 녹색수소 생산을 장려하는 정책 기대

국내 재생에너지 인프라는 정부가 2017년 말 발표한 재생에너지 3020 정책에 따라 확대되고 있 다. 이는 향후 녹색수소 생산을 위한 기반이 될 전망이다. 향후 재생에너지 연계 수전해 프로젝트 에 대에서 REC 가중치를 차등적으로 적용하거나, REC 고정 계약을 확대하는 등 그린수소를 생산 을 장려하게 될 것으로 전망된다. 이에 따라, 국내 관련 산업은 지속적으로 성장할 전망이다.

<표10> 수소 및 가격 공급로드맵

2018 2022 2030 2040

공급량

(=수요량) 13 만톤/년 47 만톤/년 194 만톤/년 526 만톤/년

공급방식 ① 부생수소 (1%)

② 추출수소 (99%)

① 부생수소

② 추출수소

③ 수전해

① 부생수소

② 추출수소

③ 수전해

④ 해외생산

※ ②: 50%

(나머지 50%)

① 부생수소

② 추출수소

③ 수전해

④ 해외생산

※ ②: 30%

(나머지 70%)

수소가격 -

(정책가격)

6,000 원/kg

(시장화 초기) 4,000 원/kg 3,000 원/kg 자료: 한업통상자원부 현대차증권

향후 수소 가격 $3/kg 수준이 글로벌 목표. 재생에너지 확대가 수소가격 하락의 Key

향후 수소 가격은

재생에너지 원가 하락으로 크게 하락하게 될 것

$3/kg이 목표

향후 수소 가격 $3/kg 수준이 될 경우 수소 시스템의 경제성이 확보될 수 있을 것으로 추정된 다. 수소 경제 로드맵에서는 2040년 수소 공급 가격 3,000원/kg을 화석연료 수준의 가격으로 전 망하고 있다. 뿐만 아니라, 일본 역시 글로벌 수소 공급망을 갖춰 2030년까지 현재 1,100엔/kg인 수소 가격을 300엔/kg으로 낮추는 것을 목표로 하고 있고, 향후 2040년까지 200엔/kg으로 추가 적으로 하락시키는 것을 목표로 하고 있다. Mackenzie는 최근 리포트를 통해 2030년 수소 생산 가격 $2.2/kg, 공급가격 $4.3/kg~$4.5/kg(차액은 수송/저장 비용)을 제시하고 있다. 특히, Mackenzie의 전망은 수소 가격 하락에 전해조 대형화를 통한 가격 하락과 풍력 발전 LCOE 하락 이 가장 크게 기여 할 것으로 전망하고 있다. 최근 빠르게 재생에너지 LCOE가 하락하면서, 전해 수소 생산 단가가 예상보다 빠르게 하락할 것으로 전망되고 있다.

다만, 재생에너지 한계 생산 비용이 “0”

잉여 전력 활용시 수소 가격 하락폭은 기대를 상회 할 것

다만, 우리는 풍력발전 비용을 과연 수소생산 비용에 포함시켜야 할 것인가에 대한 판단이 필요 하다고 생각한다. 풍력발전으로 수소를 만들기 위한 목적설비라기 보다는 잉여 전력을 활용한다고 할 경우 풍력발전 비용이 수소 생산비용으로 포함될 필요는 없다. 태양광 역시 마찬가지이다.

Mackenzie의 전망은 풍력 설비가 수소생산을 위한 목적설비로 활용된다는 가정을 바탕으로 하였 다. 또한, 잉여전력으로 열까지 생산한다면 통합적인 에너지 원가는 더욱 크게 하락한다고 볼 수 있다.

<그림15> 재생에너지 전기분해를 통한 수소 생산 가격 예상보다 빠르게 하락

자료: Mackenzie, 현대차증권

미드스트림, 일본은 해외 생산과 연결된 대규모 시험 진행 중

대규모 인프라 투자가 필요한 미드스트림 분야

중요한 Bottleneck은

미드스트림 분야가 될 것 일본은 대규모 수송/저장 시험 중

수소 생산도 중요하지만, 향후 가장 중요한 Bottleneck은 수송/저장 부분이 될 전망이다. 시간과 규모의 경제 확보가 필요한 인프라의 영역이기 때문이다. 특히, 우리나라와 같이 재생에너지 잠재 력이 높지 않은 국가는 향후 해외 수소 수입 역시 중요한 이슈가 될 전망이다. 수소경제 활성화 로 드맵에서는 2040년 국내 충전소 기준 수소 가격을 3,000원까지 하락시키는 것을 목표로 하고 있 다. 평균 운송/저장비는 500원/kg 수준으로 전체 원가에서 운송비가 차지하는 비중은 2030년 12.5%, 2040년 16.7%로 상승 할 것으로 전망하고 있다. 생산비용 하락은 이어질 전망이나, 운송 비 하락에는 한계가 있을 것을 보는 것이다. Mackenzie는 2030년까지 운송비가 $2.1/kg ~

$2.3/kg 수준이 될 것으로 전망하고 있다.

<그림16> 수소 운송비용은 장기적으로도 500원/kg 수준일 될 것

자료: 산업통상자원부, 현대차증권

<그림17> 수소단가 $4.3/ kg ~$4.5/ kg 까지 하락 기대

자료: Mackenzie, 현대차증권

수소 수송은 기체운송과 액체운송으로 나눌 수 있으며 다양한 방식이 시험 중

수소 운송은

기체 운송과 액체 운송으로 나뉨

수소 운송은 크게 기체 운송과 액체 운송으로 나눌 수 있으며, 액체 운송은 다시 액화와 액상 운 송으로 나누어진다. 기체 운송은 튜브 트레일러로 운송하는 방법과 배관을 통해 운송하는 방법으 로 나누어 진다.

현재는 대규모 수소가 필요하지 않아 근거리 저압 배관 방식과 중장거리의 경우 튜브 트레일러 로 기체 수소를 운송하는 방법이 주가 되고 있다. 다만, 장기적으로 수소 수송량이 대규모로 증가 할 경우 장거리 수송에 있어 파이프라인이 가장 경제성 있는 대안이 될 것이다. 다만, 배관 공급 압력을 100bar 이상으로 증가시키면서 수명을 높이기 위한 기술개발이 필요할 것이며 기존 인프 라 활용이 관건이 될 전망이다.

액체 수소 수송방식 중에서 액화 방식은 수소를 대기압 기준 영하 253℃까지 냉각하여 액체 상 태로 탱크로리를 통해 운송하는 방식이다. 이미 해외에서는 1~2bar 압력 이하로 대량 운송이 가 능하다는 장점과 고압 관련 규제회피가 가능하며 대도시 내 수소공급에 적합한 방식으로 알려져 이다. 다만, 액화시 많은 전력이 소비된다는 점이 단점이다.

이러한 단점을 극복한 방법이 액상 화합물 형태로 수소를 운송하는 방법이다. 아직 상업화 전이 지만, 상온·상압과 유사한 온도 및 압력 조건에서 유·무기 화학물을 이용하여 액상형태로 저장된 수소를 운송하는 기술이다. 수소저장 소재가 액상 유기화학물인 경우 통상 LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)라고 불린다. 대표적인 LOHC의 예가 일본에서 추진중인 Toluene- MCH(Methylcyclohexane) 사이클을 이용한 방법이다. 일본은 2020년까지 기술개발 완료를 목표 로 하고 있다. 독일 또한 Dibenzyltoluene 기반의 열매체유를 이용하여 수소를 저장하고 재방출하 는 기술을 확보한 상태이다.

또 다른 방법은 암모니아(NH3)를 이용하는 방법이다. 암모니아는 상온∙상압과 유사한 온도 및 압력 조건에서 액상 암모니아를 운송하고 저장하여 필요시 암모니아를 분해하여 수소를 생산할 수 있다. 암모니아는 부피대비 수소저장용량이 액화 수소의 저장밀도 대비 2배 높은 수치이며, 끓는점 이 약 -33℃로 액화에 필요한 에너지가 낮고, LPG와 유사한 상변화 특성이 있어 현재의 암모니아 저장 및 이송 인프라를 사용할 수 있어 잠재적으로 경제성을 확보할 수 있는 장점을 가지고 있다.

특히, 수소를 공기중의 질소와 반응시켜 암모니아를 생산하는 공정은 이미 상업화된 하버-보쉬 공 정이 있고, 암모니아 분해를 통해 수소를 생산하는 공정에 대한 기술 개발이 진행되고 있다. 국내 에서는 KIST와 원익머티리얼스가 기초연구로 암모니아 개질 및 연료전지 연계 통합 시스템에 대 한 1kW급 실증을 2017년에 완료한 바 있다. 이러한 기초연구를 바탕으로 2021년까지 CES엔지 니어링-현대차-젠스엔지니어링-한국에너지기술연구원-한국과학기술연구원 등이 공동으로 20Nm3/hrmq 암모니아 개질 수소제조 시스템 개발을 진행하고 있다.

우리나라는 2030년 해외 생산 수소를 액화 또는 액상 형태로 수입하기 위한 계획이다. 이에 맞 춰 조선업체 및 한국가스공사 등과 연구 및 기자재 국산화를 진행중이며, LNG 인수기지 건설 기 술 및 경험을 바탕으로 액화수소를 우선 추진 할 계획이며, 2025년 실증선박 건조, 2030년 시험운 항 및 상용화를 목표로 개발을 진행 중이다. 액화수소의 경우 극저온(-253℃) 저장을 위한 단열기 술이 핵심이다. 암모니아 등 액상은 현재 기존선박(LPG선)으로도 가능하다. 일본은 이미 호주로부 터 액상 수소를 도입하기 위한 첫번째 선박이 올해 중 출항 할 예정이다.

<표11> 수소 운송 방식 분류 수소 운송

상태

운송

방식 적합한 운송 조건

기체 운송

배관 ∙ 소규모, 단거리, 연속공급

∙ 대규모, 장거리, 연속공급

튜브

트레일러 ∙ 중소규모, 중장거리 간헐적 공급

액체 운송

액화 탱크로리

∙ 액화 제조 및 저장 시설과 연계될 경우

∙ 중·대규모, 중·장거리에 공급할 경우

∙ 액화 시 소요되는 전력에 의한 온실가스 배출량 증가에 대한 고려가 필요

액상 탱크로리

∙ 액상 유기 화합 물질(LOHC)(암모니아, MCH 등) 제조

∙ 시설과 연계될 경우

∙ 중·대규모, 중·장거리에 공급할 경우

자료: 산업통상자원부, 현대차증권

중장기 수소 저장에 있어 액체 수소 중요성 높아질 것

수소 저장은 고체, 기체 및 액체 저장으로 나눌 수 있으며, 운송 방법과 밀접하게 연계되어 있다.

기체 저장일 경우 기체 운송, 액체 저장일 경우 액체 운송으로 연계되는 것이 일반적이다. 기체 저 장이 가장 보편적인데, 고압하에 안전하게 저장하는 것이 핵심이다 용기는 금속재질을 사용하다 향후 탄소섬유 복합재와 같은 비금속 재질을 통해 강도를 높이게 될 전망이다. 특히, 탄소섬유의 경우 일본이 독점 중이지만, 향후 효성첨단소재를 통해 국산화가 가능 할 전망이다. 효성첨단소재 는 현재 CNG용 탱크를 제작중이지만, 향후 수소차용 저장용기, 나아가 대용량 저장용기까지 국 산화를 기대한다.

장기적으로 액체수소 방식의 수송/저장이 중요해 질 것

액체 수소는 동일 압력에서 기체수소 대비 800배의 체적에너지 밀도를 갖게 되기 때문에 단위 부피, 단위무게당 저장밀도가 가장 높다. 기체 수소 대비 부피 1/800, 운송비용 1/10으로 평가된 다. 또한, 대기압에서 저장이 가능하고, 저장용기의 안전성 부분에서 장점이 있으며, 낮은 온도로 기존 고압 기체수소에 비해 폭발 위험성이 낮다. 사용시에도 단순기화만으로 즉시 활용이 가능하 다. 따라서, 중장기적으로 액체 수소 중요성이 높아질 전망이다. 우리나라에서는 하이리움산업에서 기술을 확보하고 있다.

<표12> 액체 수소 장단점

액체 수소

장점

1. 부피 1/800 로 감소. 동일 압력에서 기체수소대비 800 배 체적 에너지 밀도 2. 낮은 온도로 고압기체수소 대비 폭발 위험 낮음

3. 단위 부피당 에너지 저장밀도 가장 높음

4. 활용을 위해 다른 공정 필요 없음. 단순 기화만으로 즉시 활용 가능

5. 추가 비용이 발생하나, 기체 대비 부피 1/800, 운송비 1/10 으로 경제성 높음 6. 충전용량 클수록 액체수소가 기체수소 대비 경제성 높음

단점 1. 액화공정을 위한 대규모 시설 투자 필요 2. 단순 압축 저장 방식에 비해 많은 에너지가 필요

자료: 산업자료, 현대차증권

일본 HySTAR 프로젝트: 갈탄에서 생산한 수소를 액화하여 수입

우리나라와 유사하게 재생에너지 자원이 충분치 않은 일본은 해외에서 수소 생산하여 수입하기 위해 생산과 수송부문에 많은 투자를 진행하고 있는데, 지금까지 알려진 대부분의 수송부분 기술 을 시험 중이다.

일본은 호주 빅토리아에 매장된 갈탄에서 수소를 생산하여 수송하는 프로젝트를 2030년 상용화 를 목표로 계획 중이다. J파워(호주 현지 갈탄에서 수소추출, 가스화 플랜트), 이와타니산업(수소 액화 및 택크저장, 유통), 가와사키중공업(액화 수소 수송선 개발), 쉘 재팬(해상운송 담당) 등 4개 사 공동으로 2016년 설립한 HySTRA(CO2-free Hydrogen Energy Supply-Chain Technology Research Association)가 2019년 7월 파일롯 프로젝트를 시작했다. CO2 발생 지역이 바뀐 것뿐이 며, 비록 탄소 포집 장치(Carbon Capture Storage)를 사용하더라도 다양한 환경 문제를 낳을 수 있다는 비판을 받고 있다. 이러한 비판에도 최근 일본은 세계 최초로 액화 수소를 수송할 수 있는 선박을 진수하였다. 이름은 “Hydrogen Frontier”이며, 가와사키 중공업이 고베 조선소에서 제작하 였으며, 용량은 1,250m³이다. 향후 일본의 에너지 목표를 달성하기 위해 160,000m³ 사이즈의 액 화 수소 수송선이 필요할 것으로 전망된다. 이 배는 2020년 하반기 호주로부터 첫 수소를 수송할 계획이다. 향후 충분한 인프라가 갖추어질 경우 녹색 수소를 수입할 수 있게 될 것이다.

<그림18> HySTRA 프로젝트 개념도

자료: HySTRA, 현대차증권

일본 SPERA 프로젝트: 액상 유기 화학물질인 MCH 구현

일본 치요다, 니폰유센, 미쓰비시, 미쓰이등 4사는 NEDO의 펀딩을 받아 AHEAD(Advanced hydrogen Energy Chain Association for Technology Development)라는 수소에너지 체인 기술 연 구조합을 결성하였다. 이를 통해 브루나이에서 생산한 천연가스의 LNG 액화기지에 치요다 화공 건설이 수소화 플랜트시설 건설, 천연가스에서 수소분리, 니폰유센이 선박을 이용하여 일본으로 2020년부터 수소 수송을 개시할 계획으로 진행 중이며, 실증단계에서는 4만대 분(210톤/년)의 수 소가 공급될 예정이다. 특히, 치요다 화공건설이 현지에 건설한 수소화 플랜트에서는 천연가스 추 출수에 톨루엔을 첨가, 액상 MCH로 변환하여 일본으로 수송하고, 일본에서 하역 후 가와사키 탈 수소 플랜트에서 다시 수소로 전환하여 가스터빈 발전의 연료로 사용할 예정이다. AHEAD는 이 데모 프로젝트를 통해 이미 세계 최초로 해외에서 생산한 수소를 국내로 들여오는데 성공했다.

<그림19> AHEAD의 톨로엔을 첨가한 MCH 제조 및 수송

자료: AHZA, 현대차증권

<그림20> Brunei 로부터 MCH 형태로 수소 수입하는 일본

자료: 언론, 현대차증권

일본, 호주로부터 수소의 액상(암모니아) 방식 운송 프로젝트 진행

호주는 태양광 발전의 전력을 활용하여 수전해 방식으로 수소를 생산함과 동시에 공기로부터 질 소를 분리하여, 수소와 질소를 결합, Haber-Bosch 공정을 통해 암모니아를 합성하는 프로젝트를 추진중이다. 호주의 암모니아 제조사 Yara가 태양광 발전 연계 암모니아 파일럿 플랜트를 2019년 부터 운영하고 있다.

일본은 호주가 생산한 대규모 액상 암모니아를 LPG 선박을 활용하여 저장 후 일본으로 운송하 는 프로젝트를 함께 추진 중이다.

<그림21> 액상 암모니아 활용 일본-호주간 대규모 수소이송 프로젝트 개념도

자료: 산업통상자원부, 현대차증권

재생에너지와 수소 기반 섹터커플링으로 에너지 효율 극대화 가능

P2G를 넘어 P2X로 활용되는 수소

재생에너지와 수소를

활용하여 에너지 시스템 통합 에너지 효율 극대화 P2G를 넘어 P2X로 활용되

는 수소

유럽은 신재생에너지로 에너지시스템을 전환하면서 섹터 커플링(Sector Coupling)의 일환으로 수소를 활용하고 있다. 섹터커플링은 인프라와 저장 가능한 에너지(전력, 열 등)을 통해 발전, 난방 및 수송 부문을 연결하는 통합 시스템을 말한다. 기후변화 대응과 온실가스 감축을 위해 직접 또 는 간접적으로 에너지 공급의 여러 분야에서 재생에너지를 사용하여 에너지 시스템 최적화와 탈탄 소화를 추구하는 것이다. 섹터커플링은 재생발전의 잉여전력을 다른 부문에서 활용하기 때문에 P2G를 넘어 P2X(Power to X) 기술이 기반이 된다. X는 가스, 연료/화학물질, 열 등이 될 수 있 다. 지금까지 논의한 수소전환이 대표적인 P2G이다. 저장된 가스는 다시 전력으로 변환할 수 있 다. 열이나 수송부문에서 활용할 수도 있다. 또는, 잉여 전력을 열 형태로 저장했다가 냉난방, 온수 수요, 산업 공정 등으로 활용되는 방식이 P2H(Power to Heat)이다. 전력을 전기차와 연계하여 재 생에너지 변동성 문제에 대응하는 방식인 P2M(Power to Mobility)도 있다.

재생에너지가 확대되면서 이러한 섹터커플링 개념이 더욱 중요해 진다. 풍력과 태양광의 잉여전 력을 버리거나 출력제약(Curtailment) 없이 수소로 저장하여 필요할 때 전기로 사용하거나, 냉난방 용으로 사용하는 것이다. 또한, 이는 재생에너지 변동성 대응 측면과 전력계통 유연성 확보 측면에 서도 도움이 된다.

<그림22> 섹터 커플링 개념도

자료: 윤성권, 임현지, 현대차증권

<그림23> P2X의 생산•전환•활용 과정

자료: 에너지경제연구원, WEC(2019), 현대차증권

수소와 재생에너지 잉여전력을 활용한 섹터 커플링 개념 도입으로 에너지 활용 효율성 대폭 높아질 전망

섹터 커플링 개념 도입시 개별 전력 시스템 원가 큰 의미 없음

이러한 섹터 커플링 개념을 도입하게 되면, 개별 에너지 시스템별 원가라는 것은 크게 의미가 없다. 앞서 설명한 Mackenzie의 예에서 보면, 풍력발전기가 온전히 수소 생산을 위해 사용되었을 때(Dedicated)를 감안한 경우지만, 남는 전력이라면 사실 원가가 “0”인 것이다. 신재생에너지의 한 계 생산비용은 “0”이다.

열을 함께 생산하는 연료전지의 높은 에너지 효율성이 부각될 것

또한, 전기와 함께 열을 생산하는 연료전지의 높은 효율성 역시 고려사항이 된다. 부산그린에너 지의 2018년 재무재표를 토대로 두산퓨얼셀 연료전지의 원가를 추정해 보았다. 정확한 발전량 정 보가 없기 때문에, 발전기 이용률 93%를 기준으로 계산한 원가이다. 이는 동 발전기 운영사인 부 산그린에너지 홈페이지 스펙을 기준으로 계산하였다.

2018년 동사의 총 원가는 511억원이었다. 이중 연료비가 312억원으로 61% 비중을 차지하였다.

2018년 25만MWh의 전기를 생산하였다면, 전기 생산 원가는 205원/kWh이다. 다만, 당사 계산 에서는 동사가 생산한 열 24만Gcal에 대한 계산이 들어있지 않다. 전기만을 가지고 발전단가를 구 했기 때문이다. 열수익을 비용 차감 요인으로 반영할 경우 발전원가는 166원/kWh로 크게 하락하 게 된다(수열 단가 40,000원/Gcal 가정). 사실 열병합발전소(CHP)에서 전력을 생산할 때 열이 발 생하고, 그것을 산업 및 가정에 공급하는 것도 광의의 섹터커플링이고 우리는 이미 그것을 경험하 고 있다. 게다가 가정용 연료전지를 통해서 전기를 생산하고 그것을 차량 충전에까지 쓸 수 있다 면 전체 시스템 원가는 크게 하락한다고 볼 수 있을 것이다.

재생에너지 잉여전력 활용시, 전체 원가 60%

원재료비 지속 하락

전체 원가의 60%를 차지하는 원재료비가 지속 낮아진다면 어떻게 될까? 현재는 LNG를 파이 프라인으로 가져와서 개질을 통해 수소를 생산하여 발전을 하고 있다. 따라서, LNG 가격 하락이 중요하다. 하지만, 재생에너지 잉여전력을 활용한 수전해 전력을 이용한다면 원재료비는 더 낮아 질 것이다. 재생에너지의 한계비용은 “0”이기 때문이다. 장기적으로 수소가격은 전해조 설비와 수 송비 수준에 수렴할 가능성이 높으며, 이는 규모의 경제를 통해서 크게 하락할 수 있는 비용이다.

가스터빈 대비 연료전지 활용시 에너지 효율성 극대화 및 친환경성 모두 충족 가능

현재 기술이 많이 발달한 가스터빈을 활용한 복합화력 발전도 있지만, 굳이 수소 연료전지를 활 용하는 이유는 여기서 찾을 수 있다. 전세계는 재생에너지 인프라가 지속적으로 확충 될 수 밖에 없는 환경에 처해 있다. 이 과정에서 나타날 수 있는 간헐성 및 계통 불안정성을 해소하는 것이 반드시 필요하며, 에너지 저장 기술이 가장 중요한 솔루션이 된다. 수소와 연료전지를 활용한 에너 지 저장과 활용을 통해 이러한 문제는 해결할 수 있다. 재생에너지로 생산하여 저장된 전력을 전 력, 열 등 다양한 에너지로 사용할 수 있는 사회에서는 CO₂를 획기적으로 줄이면서도 전체 에너 지 효율성을 높이고, 비용은 낮출 수 있게 되는 것이다. 가스발전으로는 절대 도달하지 못하는 미 래이다.

<그림24> 부산그린에너지에 설치된 두산퓨얼셀 연료전지

자료: 부산그린에너지, 현대차증권

<표13> 부산그린에너지 약식 손익계산서 <그림25> 발전원가 계산

2018

매출 77.0

비용 51.1

연료비 31.2

기타 19.9

영업이익 25.9

OPM 33.6%

금융비 5.2

세전이익 20.7

법인세 3.4

법인세율 16.2%

순이익 17.4

자료: 부산그린에너지, 현대차증권 자료: 부산그린에너지, 현대차증권

<그림26> 에너지 효율과 대체 에너지

자료: 윤성권, 임현지(2019), BMWi, 현대차증권

204.5

166.1

0 50 100 150 200 250

전기만 계산 열판매 비용 차감시

(원/kWh)

재생에너지의 빠른 성장 및 기술 발전. 수소경제 발전으로 이어질 것

재생에너지 비중 확대

재생에너지는 빠르게 증가하고 있다. IEA에 따르면, 전력내에서 비중은 2017년 24%에서 2023 년 29%로 확대될 것으로 전망된다. 전체 최종에너지 기준으로는 2017년 10.4%에서 2023년 12.5%로 확대될 전망이다. 재생에너지 투자가 적극적인 유럽에서는 2018년기준 이미 최종에너지 에서 재생에너지 비중이 18.9%까지 증가하여 2020년 목표인 20%를 달성 할 수 있을 것으로 전 망된다.

재생에너지 가격 하락 및 기술 발전 지속

풍력, 태양광의 LCOE는 지속 하락하고 있다. 특히, 태양광은 다결정에서 단결정 셀로 전환이 이루어지면서 효율성이 크게 향상되었다. 최근에는 단결정셀 생산시 폴리실리콘 사용량이 지속적 으로 하락하면서 원가가 개선되고 있다. 향후 태양광 모듈은 페로브스카이셀 중심으로 발전할 것 으로 전망된다. 일부 실리콘이 사용되는 탠덤셀이 먼저 상용화 될 전망이다. 업계에서는 3~4년내 상용화를 준비 중이다. 페로브스카이트는 3세대 박막형 전지의 일종으로 폴리실리콘을 사용하지 않기 때문에(탠덤에서는 일부 사용), 효율을 높이면서 제조 원가도 크게 낮아진다. NREL의 태양 광 효율 리포트를 보면, 이미 결정질 태양광 모듈의 경우 추가적인 리서치가 이루어지지 않고 있 다. 어느 정도 효율에 한계에 도달한 것으로 추정된다.

이처럼 재생에너지가 급격하는 확대되고 기술이 발전하는 상황에서 수소와 배터리를 통한 에너 지 저장개념이 도입되고 섹터 커플링 효과가 확대된다면, 에너지 효율이 높아지고 CO₂ 감축 효과 가 극대화 된다. 또한, 시너지를 통해 통합적인 에너지 원가가 낮아질 수 있다. 수소는 이처럼 한계 에너지 생산비용인 “0”인 재생에너지 비중이 확대되는 시점에서 더욱 중요한 Energy Carrier로서 각광받게 될 것이다.

<그림27> 전세계 전력부문 재생에너지 비중 <그림28> 최종에너지 중 재생에너지 비중

자료: IEA, 현대차증권 자료: IEA, 현대차증권

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

11 12 13 14 15 16 17 18F 19F 20F 21F 22F 23F

10%

13%

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

2017 2023

<그림29> 전세계 해상풍력 평균 LCOE 추이 및 전망 <그림30> 태양광 설치 단가 10년간 70% 이상 하락

자료: 한전경제연구원, 현대차증권 자료: BNEF, 현대차증권

<그림31> 태양광, 차세대 전지 상용화 시점 다가오고 있음

자료: NREL, 현대차증권 0.14

0.09

0.06

0.00 0.05 0.10 0.15

2018 2030 2040

($/kWh)

3.53

1.45 0.77

0.62 0.53 0.45 0.39 0.36 0.33 0.00

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

기타원가 모듈단가

(만원/kW)