이산화탄소(CO2) 프리 수소는 거대 시장이 형성될 것으로 예상된다.
2022년 초 러시아-우크라이나 전쟁을 계기로 유럽을 중심으로 세계 각국이 에너지 분야에서 러시아산 의존도 낮추기에 집중하며 수소 제조기반 구축에 대한 관심이 높아지고 있다.
특히, 일본은 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)의 그린이노베이션기금, 관련법률 정비를 통해 정부 차원에서 수소 도입 확대와 공급 코스트 감축을 지원하고 있다.
화학기업들은 수소를 제조하고 운반·사용하는 프로세스별로 석유, 장치, 소재를 활용해 다양한 도전에 나서고 있다.
정유기업 에네오스(Eneos)도 석유정제설비를 수소 서플라이체인 구축에 활용하고 있고, 아사히카세이(Asahi Kasei)는 수전해 장치로 수소를 제조하는 방안을 검토하고 있다.
도레이(Toray) 역시 수소 제조에 필요한 탄화수소계 전해질막 등 각종 소재 개발에 나서는 등 신규 시장 개척에 박차를 가하고 있다.

 

2050년 이산화탄소 프리 수소 2000만톤 체제
일본은 2050년 탄소중립을 위해 이산화탄소 프리 수소 보급을 중요한 과제로 설정하고 있다.
그린성장 전략은 수소(암모니아도 수소로 환산) 도입량을 현재 200만톤에서 2030년 300만톤, 2050년 2000만톤으로 확대하고 공급 코스트는 1노말입방미터(0.0899kg)당 100엔에서 2030년 30엔, 2050년 20엔으로 낮추어 최종적으로 화석연료와 동등한 수준 형성을 목표로 하고 있다.
2021년 10월 결정된 제6차 에너지 기본계획에서는 2030년 전력원 구성비중 1%를 수소‧암모니아로 전환하겠다는 목표를 공개한 바 있다.
관련 법률 정비에도 착수해 JOGMEC(석유천연가스‧금속광물자원기구)법 개정을 통해 JOGMEC 업무 중 국내외 수소‧암모니아 제조 관련 출자와 채무 보증을 추가했으며, 사업자용 플랜트 건설 등 대규모 투자에 대한 리스크를 부담할 수 있도록 했다.
반면, 에너지를 소비하는 수요기업에 대해서는 에너지절감법 개정을 통해 공장, 빌딩 등을 보유한 에너지 다소비 사업장을 대상으로 비화석에너지 전환을 촉진키로 했다.
그린수소는 태양광, 풍력발전 등 재생에너지로 발생한 잉여전력으로 제조하며 수전해 장치가 필수적인 것으로 파악된다.
특히, 최근에는 우크라이나 정세 영향으로 유럽 각국이 에너지 안전보장 차원에서 수전해 보급을 중요한 과제로 다루면서 EU의 2030년 재생에너지 베이스 수소 생산량 목표를 1000만톤으로 확대했고 영국은 저탄소 수소 제조능력을 10GW로 2배 확대하기로 했다. EU는 총 40GW 도입을 목표로 하고 있다.
오스트레일리아, 중동지역은 풍량, 일조량 등 조건이 갖추어져 그린수소 제조 코스트가 낮은 지역으로 주목받고 있으며, 일본은 NEDO 지원 사업을 통해 실증 프로젝트를 다수 진행하고 있으나 지리적 코스트 억제가 어려운 것으로 평가된다.
하지만, 화학기업들은 NEDO의 그린이노베이션기금을 활용해 학술기관, 외부기업 등과 연계하면서 실증 프로젝트를 추진하고 있고, 재생에너지 코스트가 낮은 해외에서 현지기업과 함께 독자적인 제조기술을 개발하는 방안을 적극 검토하고 있다.

 

수전해, 알칼리형 장치 실증 프로젝트 가속화
일본에서는 아사히카세이가 후쿠시마현(Fukushima)의 수소에너지 연구필드(FH2R)를 통해 10MW급 알칼리형 수전해 장치를 실증 가동하고 있으며 현재 존재하는 장치 중 최대급인 것으로 파악된다.
아사히카세이는 2022년 4월 발표한 신규 경영계획에서 수소 관련 사업을 차기 성장동력으로 주목하고 일본에서 수소 제조기반을 확립함으로써 알칼리형 수전해 장치 코스트를 2030년까지 kW당 5만2000엔으로 60% 이상 낮추고 해외 시장점유율을 확대하겠다는 목표를 설정했다.
이를 위해 수전해 장치에서 제조한 수소를 원료로 사용하고 JGC의 암모니아 플랜트를 조합하는 통합 제어 시스템 개발 협력을 준비하고 있으며, 알칼리 수전해 시스템 대형화 및 모듈화를 위한 파일럿 플랜트도 가동해 2027년부터는 모듈을 연결시켜 40MW급 대형장치를 실증할 계획이다.
2025년에는 유럽 사업화를 위해 40MW급의 수전해 장치 실증을 검토하고 있으며 2030년 5000억엔으로 성장할 것으로 기대되는 수전해 장치 시장점유율 20% 확보를 목표로 하고 있다.
도쿠야마(Tokuyama)는 격막법 알칼리 수전해 장치를 개발해 2025년 사업화할 계획이다.
독자기술인 제로갭을 활용해 세계 최고수준의 저전력 소비량을 달성하고 도쿠야마 사업장에 2022년 말까지 실증설비를 도입하며 2023년 중반까지는 전기 관련설비 및 부재, 전해조 제조설비, 장치 조립공장 등 서플라이체인을 완성할 방침이다. 현재 협력기업을 물색하고 있다.

 

도레이, 전해질 막으로 PEM형 공세 강화 
소재 생산기업 진출도 가속화되고 있다.
도레이는 수소 서플라이체인에 필요한 탄화수소 전해질 막, 수소탱크용 탄소섬유, CP(Carbon Paper) 등 기간 소재를 개발하고 있다.
특히, 탄화수소 전해질 막은 프로톤(수소이온) 전도성이 높은 반면 유리투과성이 낮아 수소를 제조하는 수전해, 수송‧저장 과정의 수소 압축 및 발전을 위한 연료전지 분야에서 사용이 가능할 것으로 기대하고 있다.
어떠한 용도에서든 막 폴리머는 공통적으로 사용되기 때문에 코스트 경쟁력 높이기에 주력하고 있다.
수전해 분야에서는 고체 고분자(PEM)형 전해장치 격막으로 실증실험을 진행하고 있다.
수산화칼륨(KOH)수를 사용한 알칼리형 수전해 장치와 달리 PEM형은 순수한 물을 사용하며 일반적으로 알칼리형은 장치 대규모화와 저코스트화에 적합한 반면 PEM형은 설비 컴팩트화와 취급용이성이 우수하다는 평을 받고 있다.
실증 프로젝트에서는 도레이의 탄화수소막이 PEM형 전해장치에서 현재 주류를 이루고 있는 격막용 불소계 막보다 프로톤 전도성이 우수하고 고효율이라는 점, 가스투과성이 낮고 가동 시 안전성이 향상된다는 점을 살려 고전류밀도로 코스트 감축에 기여할 것으로 기대하고 있다.
다양한 우위성을 바탕으로 실용화된다면 현재 PEM형에서 주류인 불소계 막 전량을 탄화수소 막으로 대체하는 것을 목표로 설정하고 있다.
세계 각국의 수전해 장치 도입 목표가 총 130GWh라는 점을 감안하면 PEM형 전해질 막 시장은 2030년 4200억엔에 달할 것으로 예상하고 있다.
글로벌 시장 개척을 위해 수전해 장치 메이저인 독일 지멘스에너지(Simens Energy)와 전략적 업무협약을 체결하고 그린이노베이션기금을 활용해 야마나시현(Yamanashi), 도쿄전력(Tokyo Electric), 히타치조선(Hitachi Zosen) 등과 공동으로 대규모 PEM형 수전해 장치를 개발하고 있으며 요네쿠라야마(Yonekurayama) 전력 저장기술 연구소에서 1.5MW급의 수전해 장치를 통한 실증을 진행하고 있다.
2025년까지 현재의 10배 수준으로 스케일업할 수 있는 16MW급 모듈 연결식 장치의 실증을 추진하고 최종적으로는 100MW급을 실용화할 계획이다.
AGC는 불소계 분리기능제품군인 Forblue 브랜드로 수전해장치용 불소계 설폰산 이온교환막 S 시리즈를 통해 PEM형 수전해장치 공세를 강화하고 있다.
공급 확대를 위해 중간원료 자급화 투자를 계속하고 있으며 치바(Chiba) 공장과 가시마(Kashima) 공장에서 서플라이체인 강화에 주력하고 있다.

 

출력변동 대응과제 해결 급선무
그린수소 제조 투자가 가속화되고 있는 가운데 전력계통 출력변동에 대응하는 문제가 새로운 과제로 떠오르고 있다.
풍력발전이나 태양광발전 베이스 에너지는 기후 상황 혹은 시간대에 따라 수전해장치의 정격 이상 전류를 발생시키거나 최저치조차 충족시키지 못해 산소, 수소 혼합을 야기할 리스크를 안고 있기 때문이다.
장치 가동률은 수소 제조 효율성과 코스트 감축 효과에 영향을 미칠 수 있다.
다만, PEM형은 출력변동에 강하다는 평가를 받고 있으며 요네쿠라야마 전력 저장기술 연구소는 실증에서 장치 정격보다 높은 전류를 흡수하거나 부하 변동에 따라 움직이면서 가동이 가능하다는 점까지 확인한 것으로 알려졌다.
막의 낮은 가스 투과성을 활용한다면 부하 최저치를 낮추는 것도 가능할 것으로 예상된다.
알칼리형은 출력변동에 따른 일시적인 가동중단을 피할 수 없기 때문에 가동 및 중단을 반복하는 과정에서 부품의 견고성이 요구되고 있다.
아사히카세이는 FH2R 실증 경험을 살려 식염전해 분야에서 축적한 기술을 활용하면서 부품 내구성을 높일 수 있는 요소기술을 개발하고 소마(Soma) IHI 그린 에너지 센터에서 실증을 진행하고 있다.
이밖에 어느 정도의 변동이면 알칼리형의 강점을 살릴 수 있을지 데이터를 축적하며 태양광, 풍력발전을 조합함으로써 가동중단을 회피하는 등 다양한 대응책 마련에 주력하고 있다.

 

해외 저가 수소 수송 프로젝트도…
제조한 이산화탄소 프리 수소를 어떻게 효율적으로 수송‧저장할 수 있을지는 수소 캐리어에 달려 있는 것으로 파악된다.
대량수송에 적합한 캐리어로는 액화수소, MCH(Methyl Cyclohexane), 암모니아이며 각각 다른 특성을 가지고 있다.
액화수소는 고순도 수소를 얻을 수 있으나 끓는점이 섭씨 영하 250도 이하로 저온수송이 요구되고 전력 소비량이 큰 것으로 평가된다. 반면, MCH는 액화수소만큼 순도가 높지 않으나 상온수송이 가능하고 기존 석유 인프라를 이용할 수 있다.
암모니아는 이미 세계 각지에 인프라가 정비돼 있으며 직접 연료로 사용할 수 있다는 장점이 있지만 암모니아에서 수소를 추출할 때 많은 에너지가 소모되는 단점이 있다.
에네오스는 해외의 저가 재생에너지 베이스 수소를 일본에 공급하는 수소 서플라이체인 구축에 박차를 가하고 있다.
일본 정부가 설정한 이산화탄소 프리 수소 도입량 가운데 절반 정도를 자사가 공급하는 것을 목표로 오스트레일리아, 중동 등 여러 지역에서 실증실험을 진행하고 있으며 기존 정유공장을 활용하는 효율적인 수소 조달방법을 모색하고 있다.
에네오스는 MCH를 수소 캐리어로 주목하고 있으며 재생가능 에너지와 톨루엔(Toluene)으로 직접 MCH를 생산하는 독자적인 다이렉트 MCH법을 통해 전력으로 수소를 제조하는 공정을 생략할 방침이다. 수소를 저장하는 탱크도 필요 없고 코스트 감축과 공간 절약이 가능한 것이 장점으로 파악된다.
오스트레일리아에서 현지기업과 공동으로 실증을 진행하고 있으며 대형 전해조를 사용한 다이렉트 MCH법의 스케일업이 과제여서 2025년 5MW급 대형 전해조를 개발하고 2030년 사업화할 계획이다.
액화수소는 J-Power와 Shell Japan, 이와타니(Iwatani), 가와사키중공업(Kawasaki Heavy Industries), 가와사키기선(Kawasaki Kisen Kaisha), 마루베니상사(Marubeni), 에네오스 등이 참여하는 기술연구조합 HySTRA(이산화탄소 프리 수소 서플라이체인 기구)가 실증을 진행하고 있다.
갈탄 베이스 수소를 액화수소로 옮기는 실증에 성공했으며 블루수소의 액화수소 서플라이체인 실증을 진행할 계획이다.

 

연료전지 부품‧인프라 주목
수소를 전기로 전환하는 연료전지 부재 개발 역시 본격화되고 있다.
모빌리티 관련 분야에서는 연료전지자동차(FCV) 가동률이 낮고 앞으로도 전기자동차(EV)와의 경쟁이 계속될 것으로 예상되고 있으나 트럭, 버스, 선박, 비행기 등 장거리 수송용 교통수단은 연료전지 활용 가능성이 높기 때문이다.
도레이의 전해질 막은 연료전지용으로 개발된 것으로 내열성이 150도 이상이며 연료전지 내부 온도가 연료전지자동차 이상으로 상승하는 상용차용 대형 연료전지 분야에서 부가가치를 창출할 것으로 기대된다.
수소 스테이션을 갖추고 있는 에네오스는 상용차용 스테이션 개발을 중장기 과제로 설정했으며 운송기업, 지방자치단체 등과 연계하며 유연한 대응에 나설 계획이다.

 

치요다, MCH 수전해‧광촉매법 동시 개발
일본은 수소 공급가격을 낮추기 위한 캐리어 개발에도 박차를 가하고 있다.
치요다(Chiyoda)는 수소 캐리어로 MCH를 사용하는 서플라이체인 구축을 본격화하고 있으며 현재까지 2030년 요구되는 수소 공급가격을 충족시킬 수 있는 수준의 기술을 개발한 것으로 알려졌다.
하지만, 2050년 탄소중립을 실현하기 위해서는 수소 공급가격을 대폭 낮추어야 하기 때문에 MCH를 직접 생산하거나 MCH 직접연료전지를 사용하는 방안을 검토하고 있다.
일본 정부는 그린성장 전략에서 수소 도입량을 현재 200만톤에서 2030년 300만톤, 2050년 2000만톤으로 확대하고 수소 공급가격은 노말입방미터당 100엔에서 30엔, 20엔으로 낮추는 목표를 제시하고 있다.
수소 공급가격이 20엔으로 낮아지면 발전 코스트는 kWh당 12엔으로 석탄화력발전보다 낮은 수준이 될 것으로 기대된다.
치요다는 독자 개발한 탈수소 촉매로 MCH를 수소 캐리어로 사용하는 서플라이체인을 구축하기 위해 일본 뿐만 아니라 싱가폴, 네덜란드 등에서 사업 타당성 조사를 추진하고 있다.
MCH는 기존 정유공장에서 그대로 사용할 수 있어 대규모 설비투자를 요구하지 않는 것이 특징이며, 치요다는 현재까지 수립한 사업모델에서 수소 공급가격을 30엔까지는 낮출 수 있을 것으로 확신하고 있으나 2050년 20엔을 달성하기 위해서는 보다 혁신적인 기술 개발이 필요하다는 판단 아래 MCH 직접 제조 프로세스 및 직접연료전지 조합에 도전하고 있다.

MCH 직접 제조 프로세스는 광촉매로 빛과 톨루엔(Toluene)에서 MCH를 직접 생산하는 방식이며 2022년부터 2030년 실용화를 목표로 도쿄(Tokyo)대학과 공동으로 연구하고 있다. 부생물이 거의 없고 수소를 거치지 않는 프로세스이기 때문에 수소 생산용 플랜트나 수소화 플랜트, 수소탱크 등을 필요로 하지 않으며 에너지 변환효율은 현재 0.2%에서 5.0%로 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
에네오스가 주도하는 MCH 직접 전해 프로세스 프로젝트에도 참여해 물과 톨루엔에서 MCH를 직접 생산하는 프로세스를 개발하고 있다.
풍력발전을 통해 전기요금을 낮출 수 있는 고위도 지역에서 수전해법을, 태양광이 풍부한 지역에서는 광촉매법을 활용해 MCH를 생산할 계획이다.
MCH 직접연료전지는 2018년부터 교토(Kyoto)대학과 기초연구를 진행하고 있다.
MCH는 탈수소 공정에서 섭씨 300-400도의 열을 필요로 하기 때문에 수소 생산 코스트의 상당부분을 차지하고 있으나 교토대학과 함께 개발하고 있는 기술은 고체산화물형 연료전지(SOFC)에 MCH를 직접 공급함으로써 탈수소 반응에 필요한 열을 연료전지발전에 따른 발열반응에서 얻는 프로세스가 될 것으로 예상된다.
기존 SOFC는 700도에서 동작하며, 현재는 작동온도 300-400도의 리튬초이온 전도체를 개발하는 단계까지 진행한 것으로 알려졌다.
NEDO 선도연구를 통해 2년 동안 지원받았으며, 앞으로 리튬초이온 전도체의 안전성을 검증하고 셀을 개발해 10년 안에 수kW급의 중형 SOFC를 상업화하고 중장기적으로는 화력발전을 대체할 수 있도록 2040년까지 대형 SOFC 실증에 착수하는 것을 목표로 하고 있다.

 

수소, 유럽‧일본이 기술특허 장악
수소 관련 기술은 유럽연합과 일본이 장악하고 있다..
유럽특허청(EPO)과 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 2011 - 2020년 2개국 이상에 출원된 수소 관련 특허 수는 EU가 28%, 일본이 24%를 차지했다. 미국은 20%를 기록했으나 예전에 비해 감소했으며 한국과 중국은 비중이 작았으나 최근 증가추세를 나타내고 있다.
수소 특허는 제조 관련 특허가 가장 많은 비중을 차지하고 있다.
수소는 대부분 화석연료로 제조하기 때문에 2020년에는 제조 관련 특허의 80% 가까이가 기후변화 트렌드에 영향을 받아 개발된 것으로 파악되며, 특히 전기분해를 활용한 획기적인 기술들이 눈에 띄고 있다.
전해조 기술은 유럽과 일본이 주도하고 있고 고체분자(PEM)는 상위기업이 모든 특허를 보유하고 있는 가운데 아사히카세이(Asahi Kasei)와 데노라(De Nowa) 등은 알칼리형에도 주력하고 있다.
프랑스 원자력 및 대체에너지 위원회(CEA)는 원자력 에너지를 기반으로 한 전기분해에 관심을 나타내고 있으며 고온수증기전해장치(SOEC) 특허의 19%를 단독으로 출원한 것으로 알려졌다.
응용기술은 자동차 분야가 중심으로 일본이 견인하고 있으나 항공과 발전, 난방 응용은 활발하지 못한 편으로 평가되고 있다.
IEA는 항공, 발전, 난방 분야에서 화석연료 사용을 줄이지 못한다면 국가별 탄소중립 목표는 달성하기 어려울 것으로 판단하고 있다.
반면, 수소를 사용해 철강 생산을 탈탄소화하기 위한 특허가 증가하고 있는 현상은 고무적이며 파리협정 후 국제사회의 공감대에도 부합되는 내용이라고 평가했다.
벤처 캐피탈이 수소 관련기업에 투자한 100억달러 가운데 절반 이상은 특허 취득 신흥기업에게 집중된 것으로 파악된다. 신흥기업의 특허 보유 유무가 자금 조달이 가능한지 여부를 판가름하는 지표로 작용하고 있다.
최근 10년 동안 후기개발단계 투자는 전기분해, 연료전지, 가스 베이스 수소 생산 등 저배출형 방법으로 특허를 신청한 곳이 대부분이다. (강윤화 책임기자: kyh@chemlocus.com)