해수 전기분해를 통한 수소생산 

- 연구에 따르면 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 촉매를 사용하여 천연 해수를 거의 100% 효율로 산소와 수소로 분리하여 상용 전해조에서 전기분해를 통해 녹색 수소를 생산하였고, 이러한 기술을 해안 지역에 더 저렴한 녹색에너지 생산을 가능하게 할 것으로 전망됨

- 연구팀은 촉매로 표면에 산화크롬이 있는 코발트 산화물을 사용한 결과가 백금 및 이리듐 촉매를 고순도 및 탈이온수에 적용하는 표준 공정과 유사한 성능을 보였다고 밝혔음

- 해수는 일반적으로 전기분해로 수소와 산소로 분리되기 전에 정화되어야 하며, 담수에 비해 해수는 풍부한 자원이며 전처리 없이 해수에서 수소 연료를 추출할 수 있어 비용을 절감할 수 있음

수소충전소 배치현황 

- 2022년 말 전세계적으로 배치된 수소충전소의 수가 1,000개를 넘어섰음

- 중국은 전 세계 배치의 약 1/3을 차지하지만, 미국은 100개 미만의 수소충전소로 훨씬 뒤처진 상황임

- 미국은 미래의 연료를 채택하는 데 아직 고려 중이지만 나머지 세계는 향후 에너지 수요를 위해 수소를 빠르게 수용하고 있음

- 중국 다음으로 수소충전소를 가장 많이 배치한 국가는 일본과 한국임

- 수소 스테이션 배치에 대한 공격적인 계획을 가진 다른 아시아 태평양 국가에는 호주, 뉴질랜드 및 인도가 포함되며, 또 다른 아시아 태평양 국가 4개국도 수소충전소를 배치했음

- 지금까지 독일은 100개 이상의 수소충전소를 배치한 유일한 유럽 국가임

- 수소충전소를 적극적으로 배치하는 다른 유럽 국가로는 프랑스, 영국, 슬로베니아, 네덜란드, 스위스, 스페인이 있음

- 지금까지 배치된 대부분의 수소충전소는 수소 연료전지 승용차용으로 설계되었지만, 상업용 차량, 기관차 및 선박용 수소충전소 배치가 가속화되고 있는 상황임

- 대부분의 리튬 배터리 공급망을 통제하는 국가는 조용히 수소에 대해 가장 빠르게 움직이고있는 추세임

수소차

- 현재 토요타, 현대, 혼다, BMW 같은 대형 자동차 회사들은 수소 동력 자동차 기술에 막대한 투자를 하고 있음

- 전기 자동차와 수소 자동차를 비교한다면, 에너지원은 태양광 및 풍력과 같은 재생가능 에너지로 둘 다 동일하다고 볼 수 있음

- 그러나, 수소차는 전기자동차와 마찬가지로 전기 모터와 배터리가 필요할 뿐만 아니라 수소를 저장하기 위한 수소 탱크와 수소를 전기로 변환하기 위한 연료전지가 필요함

- 두 자동차 디자인을 비교하면 수소 자동차가 훨씬 더 복잡할 뿐만 아니라 에너지 손실 측면에서 비효율적이라고 볼 수 있음

- 열역학 측면에서 보면 수소 동력 자동차를 움직이기 위해 동일한 사용 가능한 에너지 출력을 얻으려면 배터리 전기 자동차에 비해 3~5배 더 많은 재생가능 에너지 입력이 필요하고, 이는 수소 자동차의 연료 비용이 EV보다 최소 3~5배 높다는 것을 의미함

- 전기차의 경우 분산형 에너지 시스템인 반면, 수소차는 중앙 집중식 에너지 시스템으로 볼 수 있음

- 수소는 중대형 트럭과 관련된 배출량을 줄이는 데 도움이 될 수 있으며, 이러한 차량의 경우 정차와 재충전 없이는 장거리를 보장할 수 없는 전기 배터리에 비해 연료전지가 더 매력적인 것으로 간주됨

수소비행기

- 현재의 자동차 배터리 기술은 아직 장거리 상업 노선이나 더 큰 비행기를 비행하는 데 필요한 만큼 에너지 밀도가 높지 않음

- 수소 저장 또한 항공기에 필요한 에너지 밀도를 활용하기 위해서는 새로운 종류의 솔루션이 필요함

- 현재로서는 전기 및 순수 H2 항공기는 특히 단거리 노선에서 하늘 탈탄소화의 중요한 견인차가 될 수 있음

- 수소 연료 사용에는 세 가지 옵션이 있는데, 첫 번째는 수정된 가스 터빈 엔진에서 수소를 사용하거나, 두 번째, 수소 연료전지를 사용하여 전력을 생성할 수 있고, 세 번째로는 이 두 가지를 조합하여 사용할 수 있음

- 700bar와 같은 높은 압력에서 수소를 저장하는 것은 쉽지는 않지만, 극저온 (영하 253도미만)으로 수소를 저장하게 되면 에너지 밀도가 높은 액체가 될 수 있음

- 다만 현재 기술로서는 4리터의 액체 수소는 표준 제트 연료 1리터밖에 되지 않으므로 아직 표준 제트 연료와 동일하게 사용하기에는 제약이 있음

- 또한, 상업용 항공기는 20,000번의 이착륙을 견뎌야 할 뿐만 아니라 액체 수소를 더 오래 유지해야 하기 때문에 안전 및 내구성 요구 사항은 우주 발사기보다 더 엄격할 수 있음

- 그 해결책으로서는 복합재료 개발 및 적용에 있음

수소생산에 사용되는 재료 

- 수소생산에 필요한 부품 재료 수요에 있어 가장 큰 분야는 재생 가능한 수소 배치에 필요한 재생 가능한 전기 생성 분야임

- 대부분 알루미늄, 구리, 니켈 및 아연이 포함되지만, 실제 규모와 구성은 전해조에 전력을 공급하는 데 사용되는 재생 전기의 유형에 따라 크게 달라짐

- 태양광 발전(PV)을 더 많이 사용하면 알루미늄 수요가 증가할 수 있고, 풍력을 더 많이 사용하면 아연 수요가 증가할 수 있으며, 영구 자석이 있는 풍력터빈을 사용하는 경우 디스프로슘과 네오디뮴까지도 필요함

- 이러한 물질 외에도 백금과 이리듐에서 세륨과 코발트에 이르기까지 다양한 유형의 수소 관련 기술에 걸쳐 더 작은 절대 부피가 필요하지만 광범위한 다른 물질 그룹이 있음

- 저탄소 수소생산에 사용되는 알카라인 전해조 및 코발트에 필요한 흑연과 같이 다양한 수소생산 경로에 필요한 광물은 전체적으로 저탄소 전환으로 인해 수요가 크게 증가할 가능성이 높음

지멘스 에너지 IR Meeting 주요 질의 응답 

Q1. 지멘스 에너지에 대해 간단히 소개해 달라.

☞ 우리는 산업용 터빈, 컴프레서, 공정 자동화 등을 주력으로 하는 기업이다. 2020년 Siemens 그룹으로부터 분할되었다. 친환경 영역에서는 전해조와 수소 관련 솔루션을 제공하고 있다. 아울러 최근 Siemens Gamesa하는 신재생 기업을 합병하였는데 육해상 풍력을 전문으로 하는 기업이다.

Q2. 지멘스 에너지는 어떠한 수소 사업을 전개하는가?

☞ 우선 수소의 생산과 관련해서 PEM 방식의 전해조를 공급하는 것으로 많이 알려져 있다. 활용과 관련해서는 기존 가스터빈 기술을 활용하여 수소혼소 혹은 수소전소가 가능한 터빈을 제작하고 기업에게 Power-to-X 솔루션을 제공한다. 또한 수소 플랜트에 사용되는 컴프레서 및 저장 관련 설비 역시 담당한다.

Q3-1. 지멘스 에너지에게 수소는 어떤 의미인가?

☞ 그린수소는 독일 정부 및 각국 정부가 추진 중인 Net Zero 달성을 위해 필수적이다. 장기적인 성장 요소로 지멘스 에너지가 주목하고 있는 사업분야이다. 우리의 네가지 핵심 사업부 중 하나에 속하지만 단기적인 기대가 아니라 장기적인 관점에서 접근하고 있다는 것을 강조하고 싶다. 현재 우리 매출에서 수소산업이 차지하는 비중은 미약하다. 전해조를 포함한 Sustainable Energy Systems 사업부의 매출이 전체 매출에서 차지하는 비중은 1%가 되지 않는다. 나머지 사업에서 돈을 잘 벌고 있기 때문에 지나치게 서두를 필요가 없다.

2025년부터는 수소비즈니스에서 돈을 버는게 목표이다. 돈을 벌지 못하면서 성장하는 것은 오래 지속될 수 없다. 이 산업은 이제 막 상업적으로 대형화 되려는 국면에 접어들었다. 언제가 폭발적으로 성장하겠지만 지금은 그 기반이 마련되어야 한다. 그러기 위해서는 프로젝트의 전체 관점에서 효율이 높아져야 한다. 우리는 고객에게 수소와 관련한 의미 있는 솔루션을 제공할 수 있는 기업이 되고자 한다.

Q3-2. 좀 더 구체적으로 설명해 달라.

☞ 수소 생태계에서 지멘스 에너지는 PEM 전해조를 공급하는 업체로 알려져 있다. 그러나 우리는 전해조만 공급해서는 적정한 매출과 이익을 얻기 쉽지 않다고 생각한다. 너무 일차원적인 접근이다. 우리는 수많은 프로젝트에 터빈과 컴프레서 등을 공급하면서 전체적인 프로젝트의 EAD (Electrification, Automation and Digitalization) 서비스를 동시에 제공해 왔다. 수소에 대한 접근도 동일하다. 단순히 전해조를 공급하는 것뿐만 아니라 전체적인 플랜트의 효율을 높이는 솔루션, 수소를 활용하는 솔루션을 같이 제공할 것이다. 이를 통해서 더 많은 매출, 더 많은 이익을 확보할 수 있을 것이다. 발주처 입장에서도 중요한 이슈다. 앞서 말했듯 이 산업은 이제 막 상업적으로 대형화 되려는 국면에 접어들었다. 하지만 산업이 더 빨리 성장하기 위해서는 현재 단계 기술수준에서 더 높은 최고의 효율이 나와야 한다. 그린 수소 생산의 프로세스에서 효율을 더 높이고 규격화해야하는 상황이다. 이 역할을 해줄 기업이 필요하다.

Q4. 지멘스 에너지가 어떻게 수소 생산의 효율을 높일 수 있는가?

☞ 예를 들어 폐열의 활용도를 높이는 것이다. 전해조에서 수소를 생산할 때 공급되는 전기 중 70~80%만이 사용되고 나머지 20~30%는 폐열로 전환된다. 우리는 전해조와 히트펌프를 결합하는 솔루션을 제공할 수 있는 기업이다. 전해조에서 발생하는 폐열을 히트펌프를 통해 지역난방 등으로 활용할 수 있다. 폐열이 히트펌프를 통해 회수되므로 전해조에 더 적은 냉각시스템이 장착되어도 무방하다. 이 과정을 통해 에너지 효율을 75%에서부터 95% 이상으로 올릴 수 있다

Q5. 수소 분야에서 정량적인 목표가 있는가?

☞ 현재 750MW 정도의 수전해 용량을 2023년까지 1GW, 2025년까지 3GW로 확대하는 것이다.

Q6. 지멘스 에너지는 진행 중인 대표적인 수소 프로젝트를 소개해 달라.

☞ 칠레에서 진행 중인 Haru Oni 프로젝트를 예로 들어보겠다. Haru Oni는 자동차 업체인 포르쉐와 HIF 등이 풍력에너지를 기반으로 그린수소를 생산하고 다시 그린수소를 활용하여 e-fuel을 생산하는 프로젝트이다. 현재 1MW 규모의 전해조가 포함된 시범단계가 운영 중이고 250MW 전해조가 포함되는 1단계 프로젝트가 FEED 진행 중이다. 최종적으로 수전해 규모 2GW, 금액 20억 유로 수준의 프로젝트로 개발될 예정이다. 이 프로젝트에서 우리가 담당하는 것은 단지 PEM 방식의 전해조뿐만이 아니다. 전체 프로젝트의 프로세스 통합을 관장하는데 구체적으로 전해조, 풍력터빈, 플랜트 기타 설비 (Balance of Plant)와 컨트롤 시스템 등을 설계하고 공급한다.

수소라는 연료는 태양광, 풍력과 같은 재생에너지의 단점인 간헐성, 불확실성으로 인한 저장 및 운송이 어렵다는 점을 보안할 수 있다. 수소는 기체, 액체 등 다양한 형태로 저장할 수 있어 에너지 저장수단으로 장점을 가지고 있으며 대용량 저장 시 타 재생에너지 대비 비용이 상대적으로 낮고, 보관 중 에너지 손실이 거의 없다.

결과적으로, 탄소 배출이 없는 완벽한 수소 경제를 달성하기 위해서는 신재생에너지로부터 수소 연료를 확보하고, 파이프라인, 탱크를 통해 저장 및 운송을 하여 수송, 건물 발전 등 다양한 곳에 필요한 전기 에너지를 공급하여야 한다.

현재 그린수소가 수소 연료 생산 비중에서 차지하는 비중은 매우 미미하다. 그레이수소 비중이 90%에 육박하지만, IEA 시나리오 상에서 2050 탄소 중립을 위해서는 그린수소 비중이 60%,블루수소 40% 수준으로 전환되어야만 한다.

2021년 기준 전세계 수소 수요는 전년대비 5% 정도 증가하여 94백만 톤 수준이다. 대부분 전력생산이 아닌 전통적인 용도로 수소를 사용하고 있다(정유/화학 분야). 나아가, 화석연료로 부터 얻은 수소가 대부분이며, 탄소 포집 없이 천연가스를 통한 수소 생산이 전체 생산량에서 62%를 차지하고 있다. 따라서 그린수소를 활용한 전기 에너지 생산 시장은 아직 초기 단계라고 판단된다.

다만, 현재까지 발표된 각국 정부의 수소 관련 정책을 고려하면, 수전해를 통한 수소 생산과 수소연료전지에 대한 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. Fortune Business Insights에 따르면 글로벌 수소연료전지 시장은 2021년 45.8억달러 수준이며, 타 조사기관은 2022년 글로벌 수소연료전지 시장을 59억달러 수준으로 추정했다. 나아가, 향후 2029년까지 수소연료전지 시장은 연평균 29.7% 성장할 것으로 전망을 하고 있다

경제성이 낮은 현재의 그린수소

– 수소 , 생산방식에 따라 그레이 가스 , 석유 등을 분해 ), 블루 (CCUS 로 탄소 포집 생산 ), 그린 신재생기반 전력으로 수전해 ), 핑크 원자력 기반 전력으로 수전해 ) 등으로 분류

– 현재 수전해 방식 수소생산 비용은 현실적인 경제성을 획득하기 어려운 수준

– 수전해 방식을 양분하고 있는 알카라인 , PEM(고분자전해질막) 채택시 kg 당 3 달러 ~5 달러 대의 비용 발생

– 경제성 있는 수소 생산 비는 kg 당 2 달러 미만

발전비용 비교 , 균등화 발전비용 (LCOE) 기준

– 수소 생산 비용을 여타 발전설비와 비교를 위해 전환 수소 1kg 당 33.3kWh 적용

– LCOE 는 생산설비 도입부터 운영비까지 모두 감안한 비용 , 최초 설비투자 금액 높은 원자력 등 높게 계산

– 현재 수소의 생산비는 신재생에너지는 물론 전통 석탄 , 가스에 비해 경제성 떨어짐

수소생산비용의 가파른 하락 기대

– 비용문제로 수전해 방식의 수소 생산은 제한적인 규모로만 이루어지고 있음

– 그러나 2030 년까지 수전해 방식 수소 생산비용은 절만 이하로 하락할 것이 기대되고 있음

– 태양광 , 풍력에 기초한 수전해 수소 생산비용은 2030 년 이전 모두 kg 당 2 달러 아래로 하락할 것으로 기대되고 있음

수소 운반체별 장단점

– 수소의 장거리 운송을 위해서는 암모니아를 운반체로 선택하는 것이 가장 유리한 것으로 분석됨

수소 운송비 절감 시나리오

– 암모니아 , 액화 수소를 기준으로 2050년 운송비 하락은 암모니아 kg당 8달러에서 1/10 이하 예상, 액화수소 kg 당 17 달러에서 0.9 달러 예상

수소 운송을 위한 파이프라인 , 선박 본격 투자 개시

– 스페인 바르셀로나 프랑스 마르세이유를 연결하는 수소 전용 파이프라인 투자 합의 , 스페인 프랑스와 포르투갈 , 독일 참여

– 일본 , 세계 최초 수소 전용선 (액화수소 운반선 ) 2022년 첫 출항 .

– 일본 호주간 호주 석탄 수소 프로젝트와 연계, 액화 수소 호주 생산, 일본 도입 사업 시작

한국의 수소 협력 파트너로 부상하는 호주

– 높은 신재생에너지 잠재력에도 불구 2010 년대까지 신재생에너지에 소극적이었던 호주 , 풍부한 석탄 기반 에너지 산업 영향

– 2019년 국가수소전략 통해 기술 중심 투자 확대로 2030 년까지 A$2/kgH 2 달성을 목표로 A$200 억 투자 계획

– 호주는 한국 뿐 아니라 일본과도 핵심 수소 협력국 . 일본은 석탄기반 부생수소 (w. CCUS)와 액화수소선박을 통한 협력 추진 중

– 호주 중앙 지방정부와 협력을 통한 다양한 수소 프로젝트 가동 . 그린수소의 대규모 조달 , 그린암모니아를 활용한 수동

국내 친환경차 누적 등록 수는 2022년 9월 기준 약 147만대이며, 하이브리드 차량은 약 110만대, 전기차는 약 35만대, 그리고 수소차는 2만 7천대다. 2022년 9월 기준 국내 전체 자동차 중 친환경차가 차지하는 비중은 5.8%로 2016년 1.1% 대비 지속적으로 증가하고 있다.

국내 수소 충전소 수는 2022년 9월 기준 198기로 2019년부터 연간 증가하고 있다. 또한, 환경부에서 제시한 국내 수소 충전소 목표 설치 수와 실제 설치 수와 비교했을 때, 2019년 약 41.9%에서 2022년 9월 약 62.9%로 개선되는 추세를 보이고 있다

수소산업의 벨류체인은 생산, 저장·운반, 충전, 그리고 활용 시장으로 구분된다. 수소생산은 앞서 언급했 듯 그레이 수소, 블루 수소, 그리고 그린 수소로 구분된다. 수소 운반은 수소를 저장하는 방식에 따라 달라진다. 수소를 저장하는 방법은 2가지로 구분된다. 압력과 온도의 따라서 기체 또는 액체 등 수소의 물리적 형태를 바꾸어 저장하는 방식이 있으며, 다른 물질을 첨가해 액상 유기화합물(Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC)로 변환해 정장하는 방식이 있다. 운송 방법 또한 두가지 방법이 있다. 한 가지는 기체상태의 수소는 튜브 트레일러 또는 파이프라인을 통해 운송한다. 다만 파이프라인을 통해 수소를 운송하는 방식은 주로 단거리 또는 특정 지역 내 운송할 때 이용한다. 다른 한 가지는 액화수소 또는 액상 유기화합물인 암모니아(질소와 수소의 화합물)의 경우, 탱크로리를 이용한다. 탱크로리는 다양한 액체 물질을 운반하기 위해 제작된 트럭이다.

수소충전은 온/오프 사이트, 두 가지로 구분된다. 오프사이트는 파이프 라인을 통해 수소 생사지로부터 직접 공급을 받거나 튜브트레일러를 통해 수소를 공급받는 방식이다. 반대로 온사이트는 해당 장소에서 수소를 직접 생산하여 충전이 가능한 방식이다. 기존 천연가스 공급 파이프라인을 사용하여 수소를 생산하거나 심야 잉여 전력을 사용하여 생산한다. 마지막으로 수소 활용은 건물, 발전, 운송 등의 다양한 산업에서 사용되고 있다. 다만 아직까지 수소가 사용되는 산업 범위는 크지 않지만, 향후 미래 주요 에너지원으로 사용 될 가능성이 높다.

전 세계 그린수소 생산은 2020년 기준 약 7만톤에서 2026년까지 172만톤으로 큰 폭으로 증가할 것으로 예상된다. 또한 2020년 시장규모는 3억만 달러에서 2026년에는 44억만 달러로 성장할 것으로 기대된다. 향후 수소 에너지는 전 세계적으로 주요 에너지원으로 자리매김하게 하게 될 가능성이 상당히 높다. 또한 수소 벨류체인 내의 시장 경쟁 구도 또한 심화될 것으로 예상한다

재생에너지와 연계하여 그린수소를 생산, 질소와 합성시키면 그린 수소 저장 매체로서 활용 가능한 암모니아는 부피당 수소 밀도, 주요 공정 기술 성숙도, 비용 측면에서 대안 대비 효율적. 단, 비용은 운송거리 조건 등에 따라 상이하나 암모니아는 암모니아 자체로도 활용할 수 있다는 점이 장점으로 작용 

수소경제 밸류체인

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수소경제 밸류체인은 크게 수소 생산, 저장, 운송, 충전, 활용으로 구성. 단, End-user가 수소를 에너지 원으로 이용 시, 수소 충전소를 거쳐 활용하는 경우뿐 아니라 충전소를 거치지 않고 바로 최종 활용처로 운송하기도 하므로 충전단계는 선별적으로 포함.

수소사업의 핵심이라고 할 수 있는 액화수소 생산과 공급은 동사와 독일 화학기업 린데가 설립한 합작법인(JV) 린데수소에너지와 효성하이드로젠에서 맡게 된다. 린데가 51%의 지분율을 보유한 린데수소에너지의 경우 현재 액화수소플랜트를 건립중에 있다. 내년 5 월부터 연산 13,000 톤 규모의 액화수소 생산 등이 가능할 것으로 예상되며, 중장기적으로는 오는 2027 년까지 액화수소 생산능력을 39,000 톤으로 확대할 예정이다.

또한 효성중공업이 지분 51%를 확보한 효성하이드로젠의 경우 내년 울산에 1호 액화수소 충전소 구축을 완료할 예정으로 향후 액화수소 충전소를 30 곳까지 늘리겠다는 목표를 가지고 있다. 이와 같이 내년부터 동사의 자회사에서 액화수소 생산 및 유통 등 수소사업이 본격화 될 것으로 예상됨에 따라 성장성 등이 가시화 될 수 있을 것이다.

수소 모빌리티는 상용차 시장을 집중 공략, 버스와 청소차는 보급사업을 통한 가격경쟁력을 확보하고, 트럭은 해외 프로젝트에 참여, 트램과 선박은 실증을 거쳐 수출상품화를 적극 추진키로 했다.

발전용 연료전지는 고효율·고내구성 모델 개발로 미국·유럽 등 수출을 확대하고, 완제품과 연계하여, 중소·중견 기업의 소재·부품 해외 진출을 추진한다.

수전해 시스템은 그린수소 실증사업(~2026, 제주), 수전해 수소생산기지 구축 시범사업(4개소, ~2023) 등을 통해 국내 생산·운영 기술을 확보한다. 또한 단일 시스템 10MW급 양산 기술을 개발(~2028)하고, 해외 그린수소 도입 프로젝트에 국산 설비를 적용하는 등 국내 생산역량 확충을 통한 해외 틈새시장을 공략한다.

액화수소수송선은 2029년 시범선 건조‧운영을 통해 수출기반을 마련하고, 수소충전소는 2023년 한국형 표준모델을 개발, 수소차와 동반 수출한다는 계획이다.