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[프리즘] 수소 에너지의 주요 기술과 비즈니스 동향 (1)

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작성자 작성일 24-02-26 10:14 조회 1,562 댓글 0

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수소 에너지가 만들어지고 활용되는 전체 과정은 크게 생산, 저장 및 운송, 활용의 3단계로 나눌 수 있다. 국내의 경우, 정책 기조가 수소 활용 단계에 초점을 두고 있어, 활용 기술의 연구 개발에 자원과 역량이 집중되어 있다. 실제로 연료 전지, 수소 모빌리티 등의 분야는 국내 기업의 기술력과 비즈니스가 세계를 선도하고 있다. 그러나 수소 경제의 전체 과정 안에는 훨씬 다양한 기술과 비즈니스 기회가 포진해 있다.

3단계 중 먼저 생산, 저장 및 운송 단계에서 어떤 핵심 기술이 있는지 살펴보고, 각 기술의 현재 비즈니스 현황을 알아보자.

수소 에너지의 가치사슬 (Source: CBInsights, IGM 재구성)

생산

1) 수전해

수전해는 물(H2O)에 전기를 가해 수소(H)와 산소(O) 원자를 분리하여 수소를 얻는 기술이다. 태양광, 풍력등 재생에너지로 만들어진 전기를 사용하면 고순도의 그린 수소를 얻을 수 있다. 수전해는 설비 종류에 따라 알칼라인(AEC), 고분자 전해질(PEM), 고체산화물(SOECs) 등 다양한 방식으로 나뉘어진다.

각 수전해 방식별로 글로벌 핵심 기업이 주축이 되어 꾸준한 개발과 발전이 이루어지고 있다. 알칼라인 수전해(AEC)의 경우, 노르웨이의 넬 하이드로젠(Nel Hydrogen), 독일의 티센크루프(Thyssenkrupp)가 원천 기술과 제조 시설을 보유하고 있으며, 고분자 전해질막 수전해(PEM)의 경우, 독일의 지멘스 에너지(Siemens Energy)가 기술을 선도하고 있다.

고체산화물 수전해(SOECs)는 미국의 블룸 에너지(Bloom Energy)가 기술을 보유한 대표 기업이다. 국내 기업들도 수전해 원천 기술 획득에 박차를 가하고 있다. SK에코플랜트는 2018년부터 블룸 에너지와 전략적 협력관계를 맺고, 고체산화물 수전해 기반 국내 그린 수소 생산 실증을 이어가고 있다.

2) 암모니아 크래킹

암모니아 크래킹은 암모니아(NH3)를 수소(H)와 질소(N)로 분리하여 수소를 얻는 기술이다. 암모니아는 탄소 원자(C)가 없어 분리 과정에서 탄소가 발생하지 않으므로, 청정 수소를 생산할 수 있다.

해외에서는 암모니아 기반 수소 생산 기술 상용화가 속속 이루어지고 있다. 호주 연방과학원(CSIRO)에서는 2018년 세계 최초로 암모니아에서 분리한 수소를 수소전기차 연료로 주입하는데 성공했으며, 암모니아 분해 기술을 기반으로 한 이동식 수소 충전소 실증도 마쳤다.

국내에서는 원익머트리얼즈가 최초로 암모니아 수소 추출 자체 기술 확보에 성공했으며, 사업화 추진 중이다. 국내 암모니아 연료전지 시스템 스타트업 아모지는 세계 최초로 암모니아 크래킹 설비를 1/100로 소형화 하는데 성공해 올해 6개국의 투자를 받았다.

저장 및 운송

수소의 저장과 운송 단계는 수소를 저장하는 형태에 따라 크게 4가지로 나눌 수 있으며, 운송 방법은 저장 형태에 따라 달라진다. 이 중 최근 가장 주목받는 영역은 액화 수소와 암모니아 관련 기술이다.

수소의 저장 형태별 특징 (Source: 한국석유공사 석유정보센터(PISC), 국민일보)

1) 액화 수소 저장 기술

수소를 극저온(-253°C)에서 액체 상태로 변환하는 방법으로, 수소 경제 활성화를 위한 핵심 기술로 꼽히고 있다. 액화 수소는 기체에 비해 좁은 면적에 많은 양을 저장할 수 있으며, 고압 용기를 사용할 필요가 없어 더 안전하다. 그러나 보관과 운반 과정에서 극저온 상태를 유지해야 하므로 높은 기술력이 필요하다.

많은 국내 대기업이 액화 수소 시장을 조기 선점하기 위한 사업을 추진 중이다. 국내 액화 수소 생산 기업으로는 SK E&S, 두산에너빌리티, 효성 중공업 등이 있다. 특히, SK E&S는 인천에 연 3만톤 규모의 액화 수소를 생산할 수 있는 초대형 플랜트를 완성해, 작년 말 본격 가동했다.

대규모 액화 수소 변환과 더불어 뜨고 있는 것은 대륙간 대용량 운송이 가능한 액화 수소 운반선이다. 해외의 저렴한 청정 수소를 액화 수소 형태로 수입하기 위해서 꼭 필요하다. 우리나라와 마찬가지로 신재생에너지 발전단가가 높은 일본은 2015년부터 호주, 브루나이로부터 그린 수소를 수입하기 위한 실증 사업을 진행하고 있다. 2022년에는 가와사키 중공업에서 진수한 세계 최초 8,000톤급 액화수소 운반선 ‘스이소 프론티어(Suiso Frontier)’를 출항하였다.

국내에서는 현대 글로비스가 한국조선해양, 현대미포조선과 협력하여 액화수소 운반선을 개발 중이며, 2020년 선박 건조를 위한 첫 단계인 ‘기본승인 인증(AIP)’을 마쳤다.

2) 암모니아 저장 기술

액화 수소와 함께 수소의 저장 및 운반 문제의 돌파구로 떠오르고 있는 매체는 암모니아다. 암모니아는 액화점이 수소보다 높아(-33°C), 극저온을 유지해야 하는 액화 수소에 비해 기술적 난이도가 낮다. 따라서 파이프라인이나 선박, 트럭 등 일반적인 방식으로도 저장 및 운송이 용이하다. 또한 부피에너지밀도가 액화수소의 거의 2배에 가까워서 같은 양의 수소를 운반하는데 드는 운송비가 절반 수준이다. 그러나 보관과 운반 과정에서 악취와 독성 문제를 극복해야 한다는 과제가 있다.

암모니아 형태로 수소를 해외 수입하는 방법은 기존 LPG 운송선 등 운송 인프라가 이미 갖추어져 있어 추가 투자가 필요 없다. 대신 현재 각광받는 분야는 암모니아로 수소를 저장, 운반하는 것을 넘어서, 차세대 연료 자체로 사용하는 기술이다.

특히, 선박 분야에서 암모니아 추진 기술이 빠르게 상용화되고 있어, 국제에너지기구(IEA)에 따르면 암모니아가 2050년 선박 연료 수요의 45%를 차지할 것으로 보인다. 국내에서는 삼성중공업이 2019년부터 암모니아 추진 선박 기술을 개발하고 있으며, 최근 거제 조선소 내에 암모니아 실증 설비를 조성하는 등 실선화에 박차를 가하고 있다.

· “Global Hydrogen Review 2023”, 2023.06, IEA

· “Hydrogen: the next big bet on the path to new energy”, 2022.11.22, Kearney

· “Five charts on hydrogen’s role in a net-zero future”, 2022.10, McKinsey Insights

· “Hydrogen Forecast to 2050”, 2022, DNV

· “수소 산업의 현재와 미래”, 2023.5.25, Kearney Insight Seminar

· “에너지 대전환 시대, 수소경제 관련 변화와 대응전략”, 2019.10.29, Kearney Insight Seminar

· “그린수소: 넷제로 실현 가속화 동인”. 2023.6, Deloitte Insights

· “기후 기술과 수소 경제의 부상”, 2022 No.24, Deloitte Insights

· “2022 녹색산업 인사이트, 수전해 기술”, 2022.12, 서울시녹색산업지원센터

· “연료전지 시장 및 산업 동향과 시사점”, 2022, GTC녹색기술센터

· “수소생산에서 활용까지, 수소경제에서 찾는 기회”, 2021, 삼정KPMG경제연구원

· “에너지백과, 수전해”, 2023.5.15, SK E&S 미디어룸

· “2030년 세계 수소생산량 1100만톤..그린수소가 70% 차지”, 2022.2.15, 가스신문

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