머~언 이야기인줄 알았던 수소 경제가 성큼 성큼 다가오고 있습니다. 매일 수소 관련 뉴스가 쏟아지고, 한국 증시에서 수소 관련주들은 돌아가면서 시세를 뿜고 있죠. 유튜브에 ‘수소’를 검색하면 여러 좋은 자료들이 이미 쏟아지고 있습니다. 지금 수소주를 사기엔 다소 늦은 것이 아닌가, 나만 놓쳤나 라는 생각에 배가 살짝 쓰리기도 한데요..그.래.도 수소 공부, 아직 늦지 않았습니다. 시장의 돈은 돌고 돌고, 수소 경제 현실화까진 많은 시간이 필요합니다. 수소 경제가 다가올수록 시장의 관심 역시 수소 섹터로 갔다가 떠났다 다시 갔다가를 반복할 테니, 열심히 공부해두어 수소주의 파도를 잘 타봅시다.
한국정부는 2019년 1월 수소경제로드맵을 발표했습니다. 2040년까지 전국에 수소충전소 1,200개소를 구축하고 수소차 290만대를 보급하는 것을 목표로 합니다. 유럽 주요국들과 미국, 일본 역시 미래 에너지원으로 수소를 점찍고 투자를 본격화하고 있습니다. 우선은 수소 산업은 어떻게 이루어져 있는지부터 이해해야 정부 정책이나 수소 산업을 잘 따라갈 수 있을테니 수소 산업의 구조부터 살펴보겠습니다.
수소 경제를 이해하려면 먼저 ‘수소’라는 존재가 어떻게, 왜 에너지원으로 쓰일 수 있는지부터 알아야 합니다.
두 개의 수소원자가 이온화된 수소분자가 산소와 결합될 때 전기가 발생하게 되는데, 이 전기를 에너지로 사용할 수 있습니다. 다만, 수소분자는 자연상태에서 직접 얻을 수 없는 전환된 에너지 형태이자 에너지운반체임으로 다른 에너지원을 사용하여 회득해야 합니다. 따라서 수소경제는 수소의 생산부터 시작되며, 이를 저장하고 운송하여 활용에 이르는 순으로 밸류체인이 형성된다고 볼 수 있습니다.
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수소가 어떻게(how) 얻어지느냐에 따라 우리는 수소에 색(color)을 부여할 수 있습니다. 크게 그레이, 블루, 그린을 붙여줄 수 있는데요, 각각의 색깔 별로 생산 방식이 다릅니다. 먼저 그레이 수소는 현존하는 수소 중 대부분을 차지하며 정유/화학 및 제철 공정에서 부산물로 만들어지는 부생수소 또는 천연가스에서 수소를 분리해 생산하는 개질수소 등을 일컬습니다. 현재는 가장 효과적인 수소 생산 방식이나 수소의 ‘생산’ 과정에서 Co2가 발생하므로 진정한 의미의 친환경이라고는 볼 수 없습니다.
이 그레이 수소에서 한단계 발전한 것이 블루수소입니다. 그레이수소의 생산과정에서 만들어지는 Co2를 분리해 포집하여 저장한 것으로 그레이수소 대비 탄소 배출량이 적어 조금 더 친환경적이라고 할 수 있습니다.
하지만, 전세계가 추구하는 진정한 의미의 친환경 수소는 바로 ‘그린 수소’입니다. 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 1도 내뿜지 않는 수소가 바로 그린 수소입니다. 그린수소는 태양광 발전이나 풍력 발전 등 신재생에너지에서 생산된 전기 중, 잉여 전기로 물을 수전해하여 수소와 산소로 분해하여 얻을 수 있습니다. 수소의 생산과정에 있어 온실가스가 단 1도 발생하지 않으니 진정한 친환경 에너지라고 할 수 있겠습니다. 그러나 아직은 생산단가가 높고 에너지 효율이 낮아 많은 연구개발이 필요한 단계입니다.
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우리가 가야할 길은 그린 수소이지만, 현존하는 수소 경제의 대부분은 그레이수소를 기반으로 합니다. 수소 밸류체인에 있는 많은 기업들도 그레이수소와 엮여 있기 때문에 그레이수소에 대해서도 잘 알아둘 필요가 있습니다.
그레이수소는 크게 부생수소와 추출수소로 구분할 수 있습니다. 부생수소는 정유/화학 공정이나 제철소에서 발생하는 부산물 중 수소가 혼합되어 있는 가스를 정제하여 수소를 생산방식입니다. 생산단가가 가장 저렴하며 국내 울산, 대산, 여수의 석유화학 산단에서 연간 240만톤 이상의 수소가 생산됩니다. 다만, 자체 소비로 대부분 사용되기 때문에 실제 외부에서 활용 가능한 수소는 23만톤에 불과합니다.
추출수소는 천연가스, LPG, 갈탄 등을 고온 고압에서 분해하여 수소를 얻는 방식입니다. 개질수소라고도 불리며, 전세계 수소 생산의 절반 이상을 차지하는 가장 일반적인 방법입니다. 그러나 생산과정에서 수소1, 이산화탄소 10의 비율로 수소보다 훨씬 많은 이산화탄소가 발생하기 때문에 친환경에너지라고 불리기에는 한계가 있습니다. 한국의 경우 전국 도시가스 배관망을 활용할 수 있어 인프라 측면에서는 유리하지만 수소추출기를 상용화하여 판매할 수 있는 국내 기업이 제이엔케이히터 한 곳뿐입니다. 대부분은 일본 업체가 주류이며, 최근 한국가스공사가 수소 사회 구축을 위해 천연가스 배관망과 공급관리소를 활용해 2030년까지 수소생산시설 25곳을 건설한다는 계획을 밝히기도 했습니다.
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그렇다면 이제 우리가 가야 할 ‘그린수소’에 대해서도 좀 더 자세히 알아보겠습니다. 그린수소는 신재생에너지와 수전해 기술이 만나 탄생합니다. 신재생에너지는 풍량, 일조량 등에 따라 생산되는 에너지의 양이 일정하지 않다는 특징이 있습니다. 따라서 에너지가 필요량 보다 많이 생산될 때, 그 남은 전기로 물을 전기분해하여 산소와 수소를 분리함으로써 수소를 얻을 수 있습니다. 이때 얻어진 수소를 저장하여 신재생에너지의 발전량이 적을 때, 저장된 수소를 통해 수소연료전지를 가동시켜 신재생에너지의 발전량을 일정하게 유지시킬 수 있습니다. 변동성이 큰 신재생에너지를 보완할 수도 있고, 새로운 에너지원인 수소도 환경 오염없이 얻을 수 있는 것입니다.
또한 수소를 이동시켜 수소충전소로 보낼 수도 있고, 수소전기차나 발전용으로도 활용할 수 있으며 멀리 해외로 수출할 수도 있습니다. 이때 필요한 것이 바로 수소의 운송 기술입니다. 그린수소는 부피 대비 낮은 저장밀도로 인해 기체 형태로 대용량을 저장하거나 장거리를 운송할 때는 많은 문제를 야기할 수 있습니다. 따라서 대용량의 수소를 안전하고 경제적인 방법으로 운송하기 위해서는 단위 부피당 높은 에너지 저장밀도를 갖는 액상 형태의 수소운반체(수소 캐리어)가 반드시 필요합니다. 그리고 그 역할을 하는 것이 수소를 -253도에서 액화하거나, 톨루엔과 결합시켜 메틸시클로헥산(MCH)이라는 화합물로 만들거나, 암모니아 형태의 화합물로 저장하여 이동하는 것입니다. 아직은 다양한 연구개발이 이루어지고 있고 에너지 손실이나 이동 거리, 인프라 등을 고려하여 상황에 맞는 방식을 활용하고 있습니다. 수소의 대용량, 장거리 이동은 수소라는 에너지원을 활용함에 있어 매우 중요한 포인트이기 때문에 앞으로도 활발한 연구개발이 진행될 것입니다.
이렇게 열심히 수소 산업을 공부했는데, 문득 떠오른 의문이 있었습니다.
| 비싼 신재생에너지에서 굳이 수소를 뽑아야 하나? |
여전히 많은 나라에서 신재생에너지의 발전비율을 높이고 발전단가를 낮춰 화석연료 대비 경제성을 확보하기 위해 노력하고 있는데, 대체 남는 전기를 굳이 왜 수소 생산에 활용해야 하는지입니다. 남는 전기는 그냥 에너지로 쓰면 안된는걸까요?
이에 대한 답 역시 신재생에너지의 특성에서 찾을 수 있습니다. 대표적인 재생에너지인 풍력과 태양광 발전은 날씨나 시간에 따라 출력변동이 심하여 에너지 생산 시점과 수요 시점에 시간차가 발생합니다. 변동성이 높아 에너지가 남거나 부족해지며 때로는 버려지기까지 합니다. 실제 신재생에너지 발전 비율이 높은 독일의 경우 2013년기준 월간 전력 도매 가격이 마이너스로 떨어지기도 했습니다. 또한 전력이 과잉 공급되면 주파수와 전압이 급변동해 자칫 전력망이 붕괴되는 사고로 이어질 수도 있습니다. 우리나라의 경우 풍력 에너지를 많이 생산하는 제주도에서는 2020년 상반기에만 44회 풍력발전기 가동을 중단시켰습니다. 전력이 과잉 공급되었기 때문입니다. 따라서 전력수요보다 초과 생산된 전력을 저장하였다가 수요가 급증하는 시점에 전력을 공급할 수 있는 대용량 에너지 저장기술이 반드시 필요하며, 그 중 하나가 바로 잉여전력을 수소로 전환하여 저장하는 것입니다. 이 기술이 P2G, Power to Gas 입니다.
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이미 보편화된 ESS가 있는데 P2G라는 기술은 왜 또 필요한 것일까요? ESS와 P2G는 모두 에너지를 저장하는 하나의 방식이지만 서로 다른 특성을 갖고 있습니다. P2G는 전력을 연료로 전환하는 방식이며 ESS 전력을 전력으로, 즉 리튬이온배터리에 저장하는 것입니다. 저장되는 형태부터 다릅니다. 기능과 역할은 신재생에너지의 출력을 안정화시키는 것으로 동일하지만 설비 용량은 P2G가 ESS대비 훨씬 고용량입니다. 따라서 상황에 따라 ESS로는 저장이 어려운 경우도 있기 때문에 P2G 기술도 필요하게 됩니다. 하지만, 전환 효율 측면에서는 ESS가 훨씬 우세합니다. 낭비되는 비중이 5~15%에 불과한 ESS와 달리 P2G는 30~40% 정도는 에너지가 쓰이지 못하게 됩니다. 효율이 60~70% 수준에 불과한 것이죠. 하지만 P2G의 효율을 높이기 위한 연구개발 역시 활발이 이루어지고 있고 개발단에서는 효율을 90% 이상까지 끌어올리는 것이 되었다고도 하니 머지 않아 P2G 기술의 완성도도 더 높아지지 않을까 기대됩니다.
한국중부발전에 따르면 전체 재생에너지 발전량 중 잉여전력의 비중은 2022년 1.1%, 2025년 5.4%, 2030년에는 10.4%에 이를 것으로 전망되고 있습니다. 재생에너지의 비율이 올라갈수록 잉여전력의 비중도 같이 올라가는 것이죠. 따라서 전세계적인 에너지 패러다임의 변화에 있어서 에너지 저장기술에 대한 중요도는 올라갈 것이며, 에너지의 수출과 수입에 있어서 리튬이온배터리로 에너지를 나르는 비효율성을 줄이기 위해서라도 P2G 기술은 하나의 중요한 축으로 발전할 것으로 예상됩니다.
수소 산업 전반의 구조와 방향을 살펴보았으니 이제는 좀더 세분화하여 국내 수소 산업의 로드맵과 기업별 밸류체인을 알아볼 차례입니다.
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정부는 지난해 2040년까지의 수소경제 로드맵을 발표했고 구체적인 내용은 다음과 같습니다. 먼저 수소 공급 측면에서는 2018년 기준 거의 100% 그레이 수소로 약 13만톤에 불과한 공급량이 2022년 그레이수소와 그린수소를 합쳐 47만톤을 증가합니다. 그리고 2040년까지 그린수소의 비중을 70%까지 올려 526만톤 이상의 공급을 목표하고 있습니다. 수소의 가격도 2040년까지 kg당 3,000원 이하로 하락시키는 것을 유도할 계획입니다.
그린수소의 비중을 70%까지 올리려면 당연히 국내에서 신재생에너지와의 연계가 필요하겠죠? 수소경제 로드맵 내용에는 상세히 포함되지 않았지만, 2018년부터 전북 군산 새만금 지역을 신재생에너지의 메카로 키우고 여기에 수전해 장치를 연계해 대규모 그린수소를 생산하는 프로젝트가 이미 진행 중입니다. 태양광 3GW, 해상풍력 1GW의 총 4GW 규모의 신재생에너지 클러스트를 구축하는데, 해당 규모는 원전 4기 규모에 맞먹습니다. 국비와 지방비, 민간 투자를 합쳐 총 사업비는 10.6조원대이며 사업기간은 2019년부터 2026년까지입니다. 1차적으로 2022년까지 태양광 2.4GW, 해상풍력 0.6GW를 설치하고 이후 단계적으로 추진되는데요, 현대자동차 역시 전주 공장을 중심으로 수소차를 확대한다고 하니 앞으로 전북 지역의 수소 경제가 기대됩니다. (새만금 테마는 언제일까? 페이퍼코리아, 모헨즈, 디젠스, 대주산업 …)
수소 경제 하면, 또 주목되는 도시가 울산입니다. 울산의 석유화학 산업단지는 국내 부생수소의 절반을 담당하고 있어 일찍이 수소도시의 가능성이 높게 점쳐진 곳입니다. 2019년 울산시는 수소 그린모빌리티 국제 자유특구로 지정되었으며 현재 수소 육성 사업 10대 프로젝트를 진행 중에 있습니다. 또한 석유화학 산업단지 내 효성중공업은 글로벌 린데그룹과 함께 울산 용연공장에 액화수소 공장을 건설하는 등 석유화학 산단의 기업들도 수소 경제로의 진입을 준비하고 있습니다.
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이렇게 공급되는 수소가 많아지면 당연히 수소에너지를 활용한 모빌리티나 수소충전소 등도 확산될 수 있습니다. 정부의 로드맵은 2040년까지 수소충전소 1,200개소 이상, 국내 수소 모빌리티 290만대 공급이 목표입니다. 모빌리티의 경우 수출까지 합치면 2040년까지 620만대 생산을 계획하고 있습니다. 2018년 내수+수출 1,800대에 비하면 상당한 성장입니다. 내수 290만대 중 275만대는 승용차이며, 버스가 4만대, 택시 8만대, 트럭이 3만대입니다.
연료전지의 활용도 높아집니다. 2040년 기준 발전용 연료전지의 규모는 15GW이상, 가정과 건물용은 2.1GW 이상까지 확대하는 것으 목표입니다. 발전용 15GW 규모는 원전 15기와 맞먹는 규모입니다.
이렇게 앞으로 20년의 수소산업 로드맵이 쫙 나왔는데요, 그렇다면 각각의 밸류체인별로 국내에서는 어떤 기업이 어떤 사업을 영위하고 있는지 알아보겠습니다.
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크게 수소의 생산 부분과 수소 이용 부분으로 나눠보았습니다. 수소는 생산해서 이를 저장하고 운송하는 과정을 거치게 되는데요, 수소의 생산과 관련해서 대표 기업으로 한국가스공사, 현대제철 등이 있고 관련 기업으로 풍국주정, 동국S&C 등이 있습니다. 한국가스공사는 천연가스 개질수소를, 현대제철은 제철소를 통해 부생수소를 생산합니다. 풍국주정의 자회사 에스디지는 수소가스를 생산하며 신재생에너지 관련 기업들은 그린수소와 연계될 수 있어 함께 관심을 받고 있습니다.
수소 생산 후, 이를 저장할 수 있는 저장탱크나 용기를 만드는 기업으로는 엔케이, 세종공업 등이 있습니다. 수소 운송과 관련해서는 액화수소, LOHC와 관련한 기업들이 있으며 활발한 연구개발과 함께 사업을 개시하는 기업들도 계속 증가하고 있으니 꾸준한 모니터링이 필요합니다.
수소 이용과 관련해서는 수소충전소, 수소차, 연료전지, 부품 및 기타로 나눠볼 수 있습니다.
수소충전소 관련 기업으로는 에코바이오, 이엠코리아, 제이엔케이히터, 디케이락 등이 있습니다.
수소차와 관련해서는 가장 큰형님인 현대차를 필두로 수소차에 들어가는 각종 부품을 생산하는 기업들이 있습니다. 수소차는 수소전기차라고도 하며, 크게 수소탱크, 연료전지, 보조배터리, 모터발전기 등으로 구성됩니다. 전기차의 경우 배터리의 에너지를 바로 모터 발전기로 보내면 자동차가 움직이는데, 수소전기차의 경우 보조배터리는 내연기관차처럼 보조용에 불구하고 수소탱크에 수소를 저장하였다가 이 수소를 연료전지로 보내 에너지를 만들고 그 에너지가 모터발전기를 돌려 차를 구동시키는 방식입니다. 연료전지시스템은 연료전지스택과 주변장치(운전장치) 등으로 구성되기 때문에 관련 기업들은 부품을 생산하거나 부품을 조립하여 모듈로 만들어 현대차로 공급하는 구조라고 이해하면 됩니다.
차량에 들어가는 연료전지 외에 발전용이나 건물용 연료전지를 개발하는 기업으로는 두산퓨얼셀, 에스퓨얼셀 등이 있습니다. 연료전지의 핵심 부품으로는 고분자전해질(PEM), 기체확산층(GDL), 양극, 음극, 가스켓, 분리판 등이 있으며 각각의 구조나 역할에 대해 추가적으로 공부하면 관련 기업들의 사업 내용도 더 잘 이해할 수 있습니다. 또한 어떤 기업이 정말 중요한 사업을 영위하는지 옥석을 가릴 수 있으니 밸류체인을 공부할 때 연료전지의 세부 내용에 대해서도 함께 공부해보면 좋겠습니다.
이 외에도 비상장 기업들 중 수소 관련 사업을 영위하는 기업이 여럿 있고 언제든 IPO를 통해 시장에 공개될 수도 있으니 산업을 보는 시각을 넓혀 놓는 것도 좋을 것 같습니다.
앞서도 말씀드렸듯, 수소주에 투자하기에 나는 이미 늦은 것이 아닌가 하는 아쉬움이 있을 수 있습니다. 하지만, 시장의 돈을 늘 돌고 돌고, 기회는 또 다시 오며, 다시 돌아올 기회를 잡느냐 못잡느냐는 얼마나 준비를 잘 했냐에 달려있다고 생각합니다. 수소 산업은 이제 조금 발자국을 떼었습니다. 기업마다 수소 관련 사업이 어떤 성과를 내는지를 잘 지켜보며 수소 산업의 성장과 함께 나의 계좌도 더 따뜻해지길 바랍니다 😊
* 참고 자료:
수소 경제 악마는 디테일에 있다_KTB투자증권 2020.09.17
수소 경제와 암모니아_메리츠증권 2020.10.07
수소 밸류체인, ‘생산‘ 단계는 처음이지?_IBK투자증권 2020.10.06
수소 연료전지 세미나_대신증권 2020.08
테슬라 클라쓰 2편 니콜라, 제2의 테슬라가 될 수 있을까?_삼성증권 2020.07.21
Power to Gas 기술개요 및 현황_대한전기협회 2014.12
https://www.fnnews.com/news/202010201448375214
https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/10/22/2020102201501.html?utm_source=naver&utm_medium=original&utm_campaign=biz
http://news.kbiz.or.kr/news/articleView.html?idxno=73818
http://www.ekn.kr/news/article.html?no=529535
https://www.wowtv.co.kr/NewsCenter/News/Read?articleId=A202010190091&t=NN
https://www.etnews.com/20201019000248
https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/10/23/2020102300678.html?utm_source=naver&utm_medium=original&utm_campaign=biz
http://blog.naver.com/kogasblog/222090824744
https://www.donga.com/news/article/all/20200725/102152452/1
http://www.kea.kr/elec_journal/2014_12/4.pdf
https://www.h2news.kr/mobile/article.html?no=8020
http://www.usjournal.kr/news/newsview.php?ncode=1065614213401741
https://www.sisaweek.com/news/curationView.html?idxno=132259
https://www.jjan.kr/news/articleView.html?idxno=2083901
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