어제 이야기에 이어서,
수소 밸류체인에 대해 알아보고, 주요 기업에 대해 이야기 해보도록 하겠습니다.
오늘 수소 박람회를 다녀왔는데요,
그 후기는 추후에 정리해서 올려보도록 하겠습니다.
오늘은 수소 벨류체인에 대해 알아보고, 관련 주요 기술과 기업들까지 리뷰해보겠습니다.
렛츠고고
6. 수소 벨류 체인 (생산→저장/운송→활용)
(1) 생산 기술
(2) 저장/운송 기술
(3) 활용 기술
(4) 주요 Supply Chain
7. 현재 한계점과 과제는?
8. 수소 경제의 미래는? 투자 포인트는?
[출처] KIET 산업연구원, 수소융합얼라인언스추진단, 미래에셋, 이베스트 투자증권, SK증권, 조선일보
수소의 벨류체인은 크게 보면, (생산→저장/운송→활용)으로 나눌 수 있습니다.
생산에서도 다시 나누자면, 화석연료(석유,석탄,천연가스), 재생에너지(풍력,태양,수력,바이오), 해외수입 등과 같은 방법이 있습니다.
여기서 그레이수소는 기존 화석연료 사용의 부산물, 블루수소는 그레이수소에 CCS(또는 CCUS)를 결합하여 이산화탄소를 포집하여 탄소 배출을 저감한 것입니다.
그린 수소는 재생에너지로 수소 생산에 있어서도 탄소배출을 최소화하는 수소 생산 방식입니다.
그린 수소를 위해서는 대규모 재생에너지 공급시설이 필요합니다. 하지만, 국내 여건 상 대규모 재생에너지 공급시설을 설치하는 것은 한계가 있어보입니다. (원전을 추가적으로 늘리지 않는 이상)
한국은 화석연료가 나오지 않는 국가로, 에너지를 전량 수입하는 국가지만 앞으로 수소생태계에서는 그 위치가 조금은 달라질 수 있습니다.
그렇게 된다는 의미가 아니라, 현재는 에너지자원의 수출이 불가능하지만 미래에는 에너지자원의 수출도 가능할 수도 있지 않을까 하는 소망이겠죠...?
장기적인 방향으로는 그린수소 생산을 추구해야 하지만, 현재 단계에서는 블루수소 생산이 최선의 방법입니다. 그렇기에 그린수소 분야와 CCS(CCUS)를 관심을 갖고 봐야 합니다.
[출처] 산업통상자원부-수소경제 활성화 로드맵 보도 자료
저장/운송에서는 크게 파이프라인을 통한 공급, 튜브트레일러를 통한 공급, 액화탱크로리와 같은 저장수단이 있습니다. 이분야에서는 탄소섬유와 CFRP가 핵심 소재로 해당 기업들을 주의깊게 봐야 합니다.
활용분야에서는 수송, 가정/건물용, 발전용, 가스터빈등이 있습니다.
수송 분야는 현재 어느정도 상용화가 이루어졌으나, 아직 규모의 경제를 이루지 못한 상태로 아직 갈 길이 멀어보입니다. 특히, 해당 분야는 현대 자동차 그룹이 선두로 앞서나가고 있습니다.
이번 수소박람회에서는 수소자동차의 유효 주행거리를 획기적으로 개선하였다고 밝혔는데요.
앞으로는 기체수소 탱크가 아니라, 추후에는 단열과 고압용기를 사용하여 액체수소 탱크를 넣는다면 더욱 오랫동안 주행할 수 있는 자동차가 나올 수 있어보입니다. (안정성과 비용은 과제일 듯합니다)
[출처] 산업통상자원부-수소경제 활성화 로드맵 보도 자료
가정/건물용으로 전기스택은 이미 어느정도 컨셉은 나왔으며, 상용화 단계에 이르렀습니다.
LNG를 공급받아 수소를 생성하고, 생성된 수소를 통하여 전기를 생산하는 컨셉입니다.
발전용은 포스코와 같은 대규모 제철소나 현재 석탄 발전을 하는 곳에서 탄소배출을 줄이기 위해 결국 수소를 연료로 하는 발전을 할 것으로 보입니다.
국내에서 탄소 배출이 가장 많이 되는 산업은 바로 제철과 발전산업입니다.
현재는 수소의 가격이 너무나 고가인 만큼 당장 실행은 어려워 보이며, 석탄발전의 경우에는 수소를 첨가해서 발전을 할 경우에 이산화탄소의 배출을 줄일 수 있다고 합니다. 포스코와 각 발전회사들이 해당 분야에서 기술 개발을 위해 노력하고 있습니다.
국내 수소 경제 활성화 로드맵은 아래와 같습니다.
6. 수소 벨류 체인 (생산→저장/운송→활용)
(1) 생산 기술
수소는 석유와 같이 채굴 가능한 1차 에너지가 아닌 에너지 캐리어 (energy-carrier)입니다.
갈탄, 석유, 천연가스 등 1차 에너지와 태양광, 풍력 등 재생에너지로부터 생산해야 합니다. 수소 생산방식은 세 가지로 구분할 수 있습니다.
[그레이 수소]
1 추출(개질) : 천연가스(메탄), LPG, 갈탄 등을 고온/고압에서 분해
2 부생수소 : 석유화학이나 제철공장의 공정 중에 부산물로 발생
[블루수소]
그레이수소 + CCS(CCUS )를 통한 탄소 저감
[그린수소]
3 수전해 : 물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생
수소의 생산은 화석연료를 활용하는 기술과 비화석연료 방식 등 다양 한 형태로 이루어지고 있습니다.
[출처] 2020 신재생에너지 백서
화석연료, 바이오매스 등으로부터 메탄가스 등을 추출(reforming)하여 얻거나, 석유화학 및 제철공장 등 공업 프로 세스의 부산물(부생수소)을 활용하여 생산할 수도 있고, 신재생에너지를 이용한 물의 전기분해(수전해) 등 다양한 방식으로 수소를 생산할 수 있습니다.
[출처] 산업연구원 - 한국 수소산업 생태계 분석과 발전과제
[그레이 수소]
1세대 수소 생산 방식으로 일컬어지는 화석연료를 이용한 수소 생산 방식으로는 수증기, 이산화탄소, 부분산화, 자열 개질 및 직접분해의 방법 등이 알려져 있습니다.
[블루수소]
1세대와 2세대를 연결하는 것이 바로 CCS(CCUS)라고 불리우는 이산화탄소 포집 및 처리기술입니다.
* CCS(Carbon dioxide Capture and Sequestration): 일반적으로 CO2를 포집 및 처리기술 의미.
* 국제표준화기구인 ISO 기준으로 CCS (Carbon dioxide Capture, Transportation and Geological Storage) 즉, 이산화탄소 포집, 수송 및 지중 저장으로 한정함
- Green 수소 전 단계인 Blue 수소부터 단계별로 적용되면 이는 곧 CCS 및 CCUS 수요 증가임
* CCS는 다량의 CO2 가 대기로 방출되는 것을 방지하기 위한 배출 감소 프로세스
* CCUS는 Carbon dioxide Capture Utilization and Storage로 CO2 의 활용도 가능하게 하는 것
- CCS가 필요한 이유: : 여러 기후 관련 글로벌 조직은 대규모 CCS 없이 CO2 배출감소 목표 달성 불가능으로 봄
* IEA, IPCC 등 다양한 협의체에서는 2050년까지 탄소 중립을 실현해야 한다고 언급. CCS의 중요성도 높아짐
* CCS가 없을 경우, 지구온난화 완화를 위한 경제적 비용 중앙값 증가는 138%임. 신/재생에너지 기술 제한 시보다 비용 증가 폭 훨씬 높음
[출처] 이베스트 투자증권
[출처] 2020 신재생에너지 백서
2세대 생산 방식으로 알려진 비화석연료를 활용 하는 방법으로는 잉여전력 활용 등의 전기분해와 열화학분해, 생물학적 분해 및 광화학적 분해 방법 등이 있습니다.
2세대 수소 생산 방식 중 현재 상용화 단계에 진입한 것으로 평가되는 기술은 전기분해
* 전기분해를 통한 수소 생산 역시 아직까지 시장성을 확보할 만큼의 단계에는 진입하지 못하고 있는 실정전해 기술은 전기를 이용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이며, 크게 고체전해질막을 이용한 고분자전해질(PEM) 방식과 알칼리 수전해 방식 등 저온 수전해 기술 및 고온 수전해 기술이 알려져 있다.
두 기술의 생산 규모는 MW급이며 비용 측면에서 알칼리 수전해 방식이 조금 유리하다고 합니다.
국내기업이 보유하고 있는 수전해 기술로는 이엠솔루션이 보유한 알칼리 수전해 기술과 엘켐텍이 보유한 PEM 방식의 수전해 기술이 있습니다.
[수소 생산 관련 결론]
1. 탄소 저감을 위해서는 수소 생산은 필수 불가결!
2. 탄소 저감용 수소에너지는 블루수소부터 시작됨
* 핵심은 CCUS! 흡수재 생산 업체 등에 주목하자
3. 그린 수소는 아직 생산 단가는 높지만, 추후 개선
* 수전해수소는 연료전지와 설비가 유사함. 모든 생태계에 적용가능한 PEMEC를 주목!
6. 수소 벨류 체인 (생산→저장/운송→활용)
(1) 생산 기술
(2) 공급 : 저장/운송 기술
(3) 활용 기술
(4) 주요 Supply Chain
7. 현재 한계점과 과제는?
8. 수소 경제의 미래는? 투자 포인트는?
[출처] KIET 산업연구원, 수소융합얼라인언스추진단, 미래에셋, 이베스트 투자증권, SK증권, 조선일보
[수소 저장 방식]
수소는 기체나 액체 형태로 저장할 수 있고, 다른 화합물로도 변환 하여 저장할 수 있습니다.
가장 대표적인 방식은 다음과 같습니다.
[참고] 수소융합얼라이언스 추진단
1. 기체 저장/운송 : 기체 수소를 압축하여 탱그에 저장
2. 액체 저장/운송 : 수소를 영하 온도(-253℃)로 냉각하여 액화·저장
3. 화합물 저장/운송 : 메탄, 암모니아(액상), MCH¹⁾(액상) 등 형태로 변환 또는 금속 등에 저장
[왼쪽] 산업연구원 [오른쪽] (주)원일 고압실린더 설명자료
[기체 저장]
(장점) 빠른 저장/방출 시간
(단점) 낮은 부피저장 밀도, 고압 안정성 여부.
압력 용기가 비쌈
- 기체 상태의 수소에 고압을 가해 저장하는 방식으로 현재 LPG를 운반하는 방식과 유사하며 기술이 이미 정립되었다는 장점이 있다. 대용량 저장에는 한계를 가지며 압력용기가 비싼 단점이 있다.
- 현재 수소자동차에는 기체수소 압력용기가 들어가 있음
[중요 포인트]
- 기체저장은 고압 압력 용기가 필요함, 운송 수단은 기체로 주입해야 하기 때문에, 액체라도 기체로 바꿔 저장해 두어야함
- 액체, 액화수소 상용화 시에도 기체 압력용기는 꼭 필요한 분야로, 핵심은 탄소섬유!
- 고압수소 저장탱크의 기술력은 진입장벽이 낮음. 탄소섬유 자체 기술력이 어려움
[출처] 이베스트 투자증권
[기체 저장]
(장점) 대기압에서 저장이 가능하기 때문에 저장용기의 안전성이 높음
(단점) 기체수소 액화공정이 필요하여 대규모 인프라가 필요하고, 많은 에너지가 소모.
단순 압축 저장 방식에 비해 외부 열 유입시,
손실이 커진다는 단점.
다시 기화 시켜 사용할 경우에도 손실이 발생
액체 저장 :
- -253℃로 수소를 액화 시켜 저장하는 방법(기체 수소대비 800배 체적에너지밀도)
- 액체수소는 고압기체수소(200bar)의 4배 수 준의 저장밀도를 가지며 대용량 저장이 가능
- 단열 설비 및 액화수소 플랜트 등 수소 액화 및 유지를 위한 추가 시설 구축에 대규모 투자가 요구됨
(장점) 대기압에서 저장이 가능하기 때문에 저장용기의 안전성이 높음
(단점) 기체수소 액화공정이 필요하여 대규모 인프라가 필요하고, 많은 에너지가 소모. 단순 압축 저장 방식에 비해 외부 열 유입시, 손실이 커진다는 단점. 다시 기화 시켜 사용할 경우에도 손실이 발생한다는 점.
[포인트]
- 액화 수소를 저장하는 탱크의 경우, SUS316L과 같은 스테인리스강을 사용하므로 소재가 핵심이 아님
- 낮은 온도를 유지할 수 있도록, 탱크의 열손실을 최소화할 수 있는 단열 시스템을 얼마나 효율적으로 구성했는지가 핵심임
* 진공단열, 다층단열제, 증기냉각 복사 차단막 등이 있음
고체 저장 :
- 저장합금 등에 수소를 저장 하는 방식으로 낮은 압력으로 수소를 저장하므로 가장 안전하지만
- 저장량에 한계가 있으며 합금의 비용이 비싸다는 단점을 갖고 있다.
물질 변환 :
- 수소를 액상유기수소 저장(LOHC) 또는 암모니아 등 으로 화학적 변환을 하여 저장하는 기술
* 액상유기수소 저장은 상온ㆍ상압의 조건에서 대규모 이송이 가능하지만 탈수소화 공정을 필요로 하고
* 암모니아 저장 방식은 암모니아를 바로 연료로 사용해야 한다는 단점이 있다.
[수소 운송 방식]
[참고] 수소융합얼라이언스 추진단
[참고] 산업 연구원
대부분 수소는 기체로 존재하기 때문에 기체 상태의 수소를 압축 하여 운송하는 방식이 일반적입니다.
현재의 운송비용을 절감하기 위해서는 400기압 이상 압축을 통한 저장 용량 향상 및 트레일러 경량화 등 운송 방식 효율화가 필요하며, 향후 에는 주요 수요처를 중심으로 파이프라인을 구축하고, 장기적으로는 고밀도/대용량 운송이 가능한 액화 수송이 필요합니다.
기체수소 : 파이프라인과 튜브트레일러방식 운송
- 파이프라인은 공급지와 수요지에 배관을 연결하여 수소를 운반하는 방식
*(장점) 운송비가 저렴한 특징을 가져 대량의 수요와 공급이 발생할 때 경제적이다. (규모의 경제)
*(단점) 건설 비용만 100미터당 1억 원이 소요되는 등 구축비용이 비쌈
- 튜브트레일러 방식은 수소를 대용량 압축 및 저장을 통해 강재로 만들어진 실린더 또는 카트 리지에 담아 운반
* (장점) 시설비가 여타 운송 방식보다 저렴하나
*(단점) 안전성 측면에서 수용성이 낮다는 단점을 가져 소규모 단위의 수소 공급에 적합
액체수소 : 액체/액상 탱크로리를 통한 운송
액체수소는 액화/액상 탱크로리 방식을 주로 활용합니다.
액화 방식 : 액화 수소플랜트를 통해 -253℃까지 수소를 냉각하여 액체 상태를 만든 후 탱크로리로 운송하는 방식
* (장점) 대기압으로 저장되기 때문에 상대적으로 안전하여 대도시에서도 사용 가능하다는 장점
* (단점) 액화 시설에 대한 대규모 투자가 요구되며, 더불어 시설 운영 단계에서 전력 소비로 인한 온실가스 배출
액상 방식 : 액상 화합물을 운송하는 방식
- 톨루엔에 수소를 첨가하여 탱크로리로 운반하는 것은 기술 상용화 가 아직 이루어지지 않았음
- 암모니아 형태로 수소 저장운반 기술은 -33℃에서 액화할 수 있어 요구하는 에너지가 낮고 기존의 암모니아 저 장 및 운송 인프라를 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 암모니아를 다 시 수소로 활용하는 기술은 아직 개발 단계에 머물고 있다.
6. 수소 벨류 체인 (생산→저장/운송→활용)
(1) 생산 기술
(2) 저장/운송 기술
(3) 활용 기술
(4) 주요 Supply Chain
7. 현재 한계점과 과제는?
8. 수소 경제의 미래는? 투자 포인트는?
[출처] KIET 산업연구원, 수소융합얼라인언스추진단, 미래에셋, 이베스트 투자증권, SK증권, 조선일보
[수소 활용 분야]
- 수소 충전 : 수소 공급 방식과 충전방식으로 구분
* 수소 충전소 등
- 수소 연료 전지 : 작동온도와 전해질의 종류에 따라 구분
* 이동용, 발전용 연료 전지 등
[수소 충전소]
공급방식(자체 수소 생산여부)으로 구분
- On-site : 공장 생산 수소를 공급
- Off-Site : 수소를 자체 생산
[출처] 수소 융합 얼라이언스 추진단
[Off-site 공급방식]
[출처] 수소 융합 얼라이언스 추진단
- 수소를 파이프라인 또는 튜브트레일러를 통해 공급받는 방식입니다.
- 현재 가장 많이 구축되어 있는 방식입니다.
- 운송비용이 비교적 많이 발생하므로, 이송거리가 짧을 경우 적합한 방식입니다.
(300Nm³/h급(한시간에 수소차 5대 충전가능)의 Off-Site 충전소 건설 시, 부지비용 제외하고 약 27억원 소요)
[On-Site 공급방식]
수소충전소에서 직접 수소를 생산해 공급하는 방식입니다. 앞전에 이야기 했던 수소 생산 방식과 상당히 유사하죠?
천연가스 개질 수조 제조장치, 이베스트 투자증권
- 개질형 On-Site
* 천연가스 개질 수소제조장치를 수소충전소 내부에 두는 것.
* LPG 활용 시, 도심 내 LPG 충전소를 활용하며,
* CNG는 도시가스 배관을 통해 공급받은 후 CNG 개질 수소제조장치를 통해 수소를 생산하는 구조
- 수전해형 On-Site
* 재생에너지 등 잉여전력을 전력망을 통해 공급받아 충전소 내 수전해수소 장치를 통해 수소를 생산하는 구조
[수소 충전소의 구성]
- 수소를 저장하는 수소저장용기, 수소 압력 높이기 위한 압축기, 발생 열 제거를 위한 냉각기, 수소를 차에 충전하는 디스펜서 등으 로 구성
- 수소저장용기는 400bar 정도의 수소를 저장하고 공급되는 수소의 압력이 낮을 경우에는 압축기를 사용하여 압력을 높임.
- 보통 수소전기차 기준 으로 5~6kg의 수소를 충전하는데, 걸리는 시간은 3~5분 정도(냉각시간은 20분 소요)
고압 수소를 고속으로 주입하면 발열이 일어나고 이 때, 발생하는 열을 제거하기 위해 냉각기가 필요
[연료전지]
- 작동온도와 전해질의 종류로 구분
- 수송용, 건물용, 발전용으로 광범위한 용도
◦(고효율 발전기) 연료전지는 출력 무관 고효율 발전
연료전지 발전 효율은, 운전 장치 사용 전력 또는 열 손실 등을 감안하더라도 35~60%이며, 열병합 발전시 종합 효율은 80~95%
◦(환경친화적 발전기) 발생물이 물과 열 뿐 (저소음)
풍력, 태양광 등의 재생에너지를 사용하여 물을 전기분해하여 생산된 그린수소를 사용하게 되면, 연료전지는 CO2, NOx, SOx 배출이 전혀 없는 무공해 에너지 시스템
* NOx, SOx 배출은 매우 적으며 소음도 절반 수준
◦(확장성) 연료전지는 모듈 형태로 제작이 가능하기 때문에 발전규모 조절이 용이하고, 설치 장소의 제약이 적다
일반적으로 연료전지는 규모에 따른 에너지 전환 효율의 변화가 크지 않음. 연료전지는 소음, 유해가스 배출을 획기적으로 낮출 수 있어 도심 설치에 유리
[출처] KTB 투자증권
[연료전지는 전해질의 종류에 따라 구분]
고분자 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 알칼리 연료전지(AFC)로 구분
이들은 작동온도에 따라 다시 고온형과 저온형으로 구분.
[고온형 연료전지] 저렴, 높은 발전효율, 낮은부하변동성
650℃ 이상의 작동하는 고온형 연료전지 MCFC, SOFC
(장점) 반응성이 우수하기 때문에 전극촉매로 니켈을 비롯한 일반 비귀금속계 촉매를 사용할 수 있고, 높은 발전효율이 장점이다.
(단점) 기동 및 정지 시간이 길며 열충격에 취약한 단점이 있어
(용도) 장기운전에 적합한 발전소, 산업단지, 대형건물에 사용되고 있다.
[저온형 연료전지] 높은 부하변동성, 비쌈, 저발전효율
상온에서 200℃ 이하에서 구동되는 저온형 연료전지인 PAFC와 PEMFC, AFC
(장점) 시동시간이 짧고 부하변동성이 우수
(단점) 고가의 백금 촉매의 사용이 필요하며 낮은 효율
(용도) 기동/정지가 잦고 시동이 빠른 수송용 전원, 이동전원, 백업전원, 가정⋅건물용 열병합발전 시스템으로 사용되고 있다.
내용이 너무 많은 관계로 주요 Supply chain은 다음 장에서 다뤄보도록 하겠습니다.
'01. 돈버는 이야기 > 03. 업종,섹터,기업' 카테고리의 다른 글
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