1) 알카라인 Alkaline Electrolysis)

알카라인 방식은 가장 빠르게 상업화된 기술로 저렴한 설치비용으로 가장 많이 설치되고 있다 다공성 분리막을 산화전극 anode) 과 환원전극 cathode) 사이에 설치하고 알칼리 용액 KOH, NaOH) 을 주입하여 전압과 전류를 가하면 산화반응이 발생하면서 산화 및 환원전극에서 각각 산소와 수소가 발생하는 원리다. 장점은 비교적 단순한 구조로 안정적이며 저가의 비귀금속계 촉매 니켈 철 코발트 몰리브덴 등 가 사용되어 경제성이 높고 수명이 길다는 점이다 반면 단점으로는 전류밀도가 낮아 응답성이 느려 시동 소요시간이 길고 , 전해액 보충이 필요하기 때문에 수소 순도가 낮다 또한 다공성 분리막의 구조적 한계로 고압 및 차압 운전 시 기공을 통한 가스 크로스오버 현상이 발생하며 수소 생산 효율이 낮다는 점이다.

2) 고분자전해질막 PEM, Polymer Electrolyte membrane Electrolysis

고분자전해질막 방식은 고압상태에서 구동이 가능하고 양성자 H 를 이동시켜 수전해 반응을 유도하는 방식이다 산화전극에 물이 공급되어 수소이온 산소기체 ,전자로 분리되고 , 수소이온은 전해질막을 통과하여 환원전극으로 이동한다 이 과정에서 전자와 반응이 일어나 수소가 생산된다. 장점은 전류밀도가 높아 10 초 이내의 짧은 시동 소요시간이 걸리며 , 전해액을 사용하지 않아 수소의 순도가 높다 또한 알카라인 대비 소형화가 가능하여 수소차에 주로 쓰이고 있다. 단점은 고압 구동조건으로 높은 내구성과 내열성이 요구되기 때문에 단가가 비싸다. 전해질막인 Nafion 막은 이온전도도가 높고 기계적 화학적 안정성이 입증되었으나 80 도 이상의 고온 운전시 기계 적 강도가 낮아지며 , 이온전도도가 급격하게 낮아지는 문제점이 있다. 또한 기체 크로스오버가 발생하는데 음극의 백금 촉매에서 수소와 산소의 직접적인 반응이 일어나게 되며 이때 반응열로 분리막의 고분자 주쇄와 전극 촉매층의 파괴가 일어난다 따라서 PEM 수전해

의 안전한 고압운전 50~100bar) 을 위해선 분리막의 적절한 두께가 요구된다.

3) 고체산화물 SO, Solid Oxide Electrolysis)

고체산화물 방식은 700 도 이상의 고온에서 운전 가능하며 고체산화물을 전해질로 사용하여 수증기를 분해하는 기술로 대형 수전해 시스템에 적용 가능하다 세라믹 등 이온전도성 고체산화물을 이용 기체 상태의 수증기를 분해하는 방식이다. 장점은 고온을 이용하기 때문에 에너지효율과 전류밀도가 높다 즉 기체상태의 수증기를 분해하는 방식으로 상변화 고체→액체 또는 액체→기체 로 인한 잠열이 없다 또한 고체산화물의 전해질을 사용하기 때문에 부식에 대한 내구성이 뛰어나고 전해액을 보충할 필요가 없어 유지보수가 용이하다. 단점은 상대적으로 시동 소요시간이 길며 , 수증기를 고온으로 가열하는데 추가 열원이 필요하고 고온에 따른 고체전해질에 대한 열적안정성이 요구된다 소규모 시스템의 실증단계를 진행하고 있으며 상용화되지 않은 상황이다

4) 음이온교환막 AEM, Anion Exchange Membrane Electrolysis

음이온교환막을 전해질로 이용하는 수전해방식이다 앞서 설명한 PEM 방식과 유사하게 기공이 없는 조밀한 형 태의 분리막을 이용하여 산화 및 환원 전극을 물리적으로 분리시키지만 이온 전달 매개체로서 양이온이 아닌 음이온을 이용한다는 점에서 차이 점이 있다 또한 알칼리 환경에서 운전이 되기 때 문에 적용 가능한 촉매 범위와 분리막의 내구성이 중요 하다. 기존 PEM 수전해 는 산성 조건에서 구동되기 때문에 부 식성이 매우 커 전극 선택이 제한적이며 이로 인해 값비싼 백금계 촉매가 사용 된다 그러나 음이온교환막 수전해는 부식 성이 약한 알칼리 환경에서 구동되기 때문에 기존 고분자전해질막 수전해의 장점을 가지면서도 동시에 비싼 백금계 촉매가 아닌 니켈과 같은 비 귀금속계 촉매를 사용할 수 있다는 점에서 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 결론적으로 저가 촉매를 사용함으로써 원가를 낮출 수 있고 저전력에서도 잘 작동하며 압축기 없이도 고압에서 작동이 가능해 효율 및 순도가 높다 이로 인해 소형화가 가능하다 그러나 촉매와 음이온교환막의 성능이나 신뢰도가 아직은 부족한 상황으로 상용화를 위한 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있다

국내 수소 생산은 2018 년 기준 171만톤으로 전세계 비중 1.5% 에 불과하다. 정유공정 75%, 납사분해공정 13%, 천연가스 개질 6%, CA( Chlor Alkali, 클로르 알칼리 공정 3% 순으로 생산된다 대부분 정유공정 원료로 재투입되며 전체 생산량의 14% 인 24 만톤만 외부 판매되고 있다 외부로 유통된 수소는 석유화학 전자재료 반도체 , 금속공업에 사용 되고 있다

국제에너지기구(IEA)에 따르면 2018년 기준 수소 생산은 약 1.17억톤이며 이중 계획 생산되는 수소는 0.69억톤으로 약 60%의 비중이며, 부산물로 생산되는 수소는 0.48억톤으로 나머지 40%를 차지한다. 원료별로는 천연가스 개질방식 비중이 41%로 가장 높은데 이는 경제성이 가장 높기 때문이다. 다음으로 석탄가스화 방식이 15%이다.

먼저, 천연가스 개질방식은 SMR(Steam Methane Reforming)설비를 통해 천연가스(CH4)에서 H2와 CO 또는 CO2를 분리하는 방식이다. 참고로 개질은 열이나 촉매반응을 통해 성질이나 구조를 변화시키는 것을 의미한다. 세계 천연가스 소비의 약 6%를 차지하며, 주로 천연가스 공급 여건이 유리한 국가에서 높은 생산능력을 보이고 있다.

석탄 가스화 방식은 석탄에서 합성가스를 추출하고 고순도 수소를 전환하는 방식이다. 세계 석탄 소비의 약 2%를 차지하며, 갈탄의 가스화를 통해 생산되며 석탄가스 복합화력발전(IGCC) 기술이 활용되고 있다.

부생수소는 산업공정에서 발생하는 혼합가스에서 분리, 추출되는데 주로 정제/화학,철강 공정에서 발생하는 합성가스(synthesis gas)에서 탈수(dehydration) 및 고순도 공정을 거쳐 수소를 추출하는 방식이다. 수요처가 대부분 정해져 있기 때문에 신규 소비처에 공급되기에는 물량이 제한적이다.

티와이홀딩스는 환경 지주사인 에코비트 구 티에스케이코퍼레이션 을 자회사로 두고 폐기물 처리와 수처리 사업을 영위하고 있다 . 에코비트는 20 여개의 자회사를 통해 환경 사업을 영위하는데 이 중 에코비트프리텍은 2004년 설립된 E Waste 재활용 기업으로 2017년 구 티에스케이코퍼레이션에 인수되었다. 프리텍은 폐배터리뿐 아니라 태양광 설비 등 E Waste 전반의 전처리 기술을 보유하고 있다. 

에코비트프리텍은 폐배터리를 파쇄 해 블랙파우더를 생산 하는 전처리 공정에 특화되어 있는데 전처리공정 은 폭발 위험 , 민원 등으로 인허가가 가장 까다로운 분야다 국내 다수의 폐기물 처리시설을 건설해 온 태영건설 과 전처리 공장 인허가를 보유 한 에코비트프리텍은 이 부분에 경쟁우위를 가질 것이다. 이를 기반으로 5 년 전부터 진천에 EV 폐배터리 의 재활용 설비를 갖 추고 전기차 시대에 대비하고 있다.

현재 프리텍은 GS건설 자회사인 에네르마로부터 코나 리콜차량의 EV 폐배터리를 확보해 블랙파우더를 생산 중이다 그러나 계약이 완료될 2022 년 10월 이후부터는 추가적인 feedstock 확보가 불투명한 상황이고 후처리 공정인 부재해 성일하이텍 등 관련 기업에게 블랙파우더를 판매하는 불연속적 밸류체인을 나타내고 있다. 향후 EV 폐배터리 시장 진출을 위해서는 원재료 공급과 후처리 공정의 밸류체인을 채워야 한다.

최근 아이에스동서는 캐나다 배터리 재활용 회사인 리씨온 (Lithion) 에 IMM 인베스트먼트가 조성한 펀드를 통해 5% 의 지분 투자를 완료했다 . 리씨온은 후처리 공정인 습식 제련의 특허기술을 보유하고 있으며 배터리 소재의 95% 를 회수 가능한 기술력을 갖췄다 . 아이에스동서는 리씨온의 전략적 투자자로 참여하며 독점적으로 리씨온의 기술을 한국에 들여올 수 있게 되었다 . 이전에 아이에스동서는 전구체 원료를 만드는 TMC( 타운마이닝컴퍼니) 에 60% 의 지분을 확보한 바 있으며 EV 배터리 산업에 두 번째 투자다.

리씨온은 2019년 파일럿 플랜트를 준공한 뒤 운영 중이며, 이제 기술 단계에서 나아가 상업화 단계에 진입할 계획이다 그 차원에서 이번에 시리즈 A 로 1.25억달러를 조달했으며 이는 퀘벡에 위치할 리시온의 첫 배터리 재활용 공장과 R&D 센터를 짓는데 사용될 계획이다. 이번에 착공하는 상업용 플랜트는 기존의 파일럿 플랜트의 10배인 2천 만톤 규모에 달한다 아이에스동서는 리씨온의 기술을 활용해 국내에 전처리 공장 을 건설하기 위한 부지 모색에 착수했다. 전처리 공장이 건설된 이후 역시 리씨온 기술을 활용해 후처리 공장 건설 역시 추진할 계획이다

아이에스동서 가 2019년 인수한 인선이엔티의 자회사 인선모터스는 중고차 재활용 기업 이다 인선모터스는 향후 전 기차 시대를 대비해 EV 폐배터리 를 수거할 수 있는 밸류체인을 내재화할 계획이다. 인선모터스가 E 폐배터리를 회수 하면 이를 리씨온과 TCM의 기술을 활용한 전 후처리 과정을 거쳐 다시 배터리 제조기업에 원재료를 공급한다는 계획이다. 

즉 건설사인 아이에스동서가 전후처리 공장을 건설하고, feedstock 수거는 인선모터스가, 전, 후처리는 리시온으로부터 확보한 기술을 활용함으로써 아이에스동서는 배터리 재활용의 모든 밸류체인을 완성한다는 계획이다. 그러나 초기 네트워크가 아직 약하다는 점에서 feedstock의 확보에 있어서 시간과 투자가 필요하다고 판단된다

최근 환경사업을 영위하는 SK 에코플랜트가 싱가포르의 E Waste 전문기업인 Tes를 인수하며 E-Waste 시장에 본격 진출할 수 있는 기반을 마련했다 . SK에코플랜트는 Tes를 통해 EV배터리 재활용 시장을 공략 할 계획이다. Tes는 글로벌 21 개국에 43개 처리 시설을 운영하며 글로벌 다국적 기업을 다수 고객으로 확보하고 있다 2021년 매출은 약 3,300억원 을 추정되며 SK에코플랜트는 10억달러에 지분 100% 를 인수했다.

Tes의 주요 사업은 세 가지로 구분된다 

① ITAD: 폐 IT 자산의 데이터 파기와 자산의 처분, 재활용 이다.

② 폐가전 가전제품의 수거와 재활용이다. 

③ 폐배터리 IT EV 배터리의 수거와 재활용이다. 2021년 기준 재활용 매출 비중은 폐가전 33%, ITAD 66%, 폐배터리는 1% 으로 아직 폐배터리 비중은 매우 작지만 성장 잠재력이 높다 E- Waste 회사인 독일의 Alba Group, 호주의 Sims lifecycle 의 EBITDA 마진은 5% 대에 불과한데 Tes 의 E BITDA 마진은 2020년 14%를 기록했고 지난 7년간 10% 이하로 떨어진 적이 없을 정도로 높은 수준이다. Alba 와 Sims의 매출에서 수익성 높은 ITAD 비중은 10% 에 불과한 반면 Tes는 2/3로 가장 큰 기여를 하고 있기 때문이다. 

SK에코플랜트가 Tes 를 인수함으로써 SK그룹 의 EV배터리 산업에 있어 대부분의 밸류체인이 완성되어 가고 있다 배터리 소재는 SK IET 와 SK 넥실리스가 배터리 제조는 SK온이 맡는 가운데 SK 에코플랜트는 Tes를 활용해 해외 EV 폐배터리 시장 공략을 가속화할 것이다. EV 폐배터리 가 대량 방출되기 이전 만약 Tes 가 SK계열사로부터 스크랩 물량까지 확보 하는 시너지를 이룰 수 있다면 초기 시장인 EV 폐배터리 시장에서 가장 앞선 player 가 될 수 있을 것이다. 

나아가 SK그룹은 배터리 생애주기에 걸쳐 모든 서비스를 제공하는 Baas 전기차 배터리의 생산과 판매 뿐 아니라 대여 재사용 재활용 등 배터리 생애주기 전반을 총괄 모 델을 구축하고 있다. 그 예로 SK 이노베이션은 배터리 교체 스테이션 등 도심 인프라 확보를 위한 업무협약을 맺기 시작했으며 SK 리츠가 보유한 SK 에너지 주유소가 활용될 수 있을 것이다. 또한 SK 렌터카와 함께 배터리의 실시간 사용 데이터에 대한 분석 시스템도 확보 할 계획을 수립하는 등 장기적으로 폐배터리를 다수 확보할 수 있는 플랫폼 준비를 하고 있다.