미래기술 - 그린수소의 생산경쟁

[能田]

미래기술

그린수소의 생산경쟁

(해동일본기술연구소 2024.03.02/니케이 일렉트로닉스 2401 日經BP社)

니케이 일렉트로닉스

2024/01(1) 그린 수소의 생산 경쟁

Nikkei Electronics 저자 : 日経BP社

발행일 : 20240101

페이지수/크기 : 98page/28cm

Nikkei Electronics_2023.12 특집 요약 (p36~64)

그린 수소의 생산 경쟁

- 차세대 수전해는 재료 경쟁 -

탄소중립 실현에 세계의 관심이 집중되고 있는 가운데 재생가능 에너지, 축전지 등에 이어 각국의 보조금과 투자자 자금이 몰리기 시작한 것이 그린수소를 만들기 위한 전해장치이다.

대량 생산으로의 투자금액도 크지만, 수소 가격을 낮추기 위해서는 기술적인 브레이크스루(돌파구)가 필요하다. 일본 국내기업으로는 파나소닉과 도레이, 도시바그룹, 다이요유덴(太陽誘電) 등이 지금까지의 일렉트로닉스 기술을 활용해 경쟁에 참여, 존재감을 드러내고 있다.

제 1부: 동향

세계가 그린수소에 진심, 생산 계획은 2년 만에 100배 증가한 규모로

탄소 중립의 실현을 위해 생산 시 이산화탄소(CO2 )를 실질적으로 배출하지 않는 그린수소에 세계가 주목하기 시작했다. 특히 재생 가능 에너지 유래의 그린수소에는 각국 정부 및 투자자들로부터 거액의 보조금과 자금이 몰리면서 대규모 생산계획이 추진되고 있다. 그린수소를 생산하는 수전해 장치 시장도 매우 높은 성장이 전망되고 있다.

지금까지 세계 각국·지역은 재생가능 에너지에 투자해 주로 전력 부문의 탈탄소화를 추진해 왔다. 이것이 성공을 거두면서 유럽 등을 중심으로 2040~2050년에는 전력 부문의 탈탄소화를 달성하는 목표를 세우기 시작했다.

그러나 전력 부문만으로는 탄소 중립 실현은 이룰 수 없다. 전력부문 외의 섹터가 소비하는 화석연료 에너지는 전력량의 약 3배이기 때문이다. CO2 배출량으로 봐도 현시점의 전력부문 배출량의 1.5~4배는 된다.

-- 일본도 조(兆)엔 단위의 투자 –

탄소중립을 실현하기 위해서는 그 핵심이라고도 할 수 있는 비전력 부문 화석연료의 탈탄소화에 진지하게 임할 필요가 있다. 화석연료의 주요 대 체 수단이 될 것으로 여겨지는 것이 재생 가능 에너지로, 물을 전기 분해해 생산한 수소, 즉 그린수소, 혹은 그린수소를 기반으로 만든 그린암모니아 등이다.

실제로 세계 각국은 이 비전력부문 화석연료의 탈탄소화를 추진하기 시작했다. 최근 1~2년 사이에 그린수소를 추진하는 국가 차원의 정책이 나오면서 각지에서 생산계획도 급증하고 있다.

그 투자 금액은 거액으로, 국가 레벨에서는 조 엔 단위의 규모가 되고 있다. 수전해 장치의 도입 규모와 투자액이 가장 큰 것은 역시 유럽연합(EU)으로, 2030년까지 EU 내에 90G~100GW 분의 수전해 장치를 도입할 계획이다.

조성액은 약 12조 엔. 융자까지 포함하면 약 48조 엔 규모다. 러시아의 우크라이나 침공이 시작되기 전에는 40GW를 목표로 하는 계획을 세웠지만, 2022년, '탈러시아' 촉진을 목적으로 도입 목표량을 2배 이상 늘렸다.

그 다음이 인도로, 2030년까지 1,000억 달러(약 15조 엔)를 투자해 60G~100GW 분의 수전해 장치를 도입할 계획이다. 또한 재생가능 에너지의 도입 목표량은 그 4배 이상이다.

현시점에서 수전해 장치 도입 규모 ‘3위’는 의외로 일본이다. 올 6월, 자원에너지청이 발표한 '수소기본전략' 개정판에는 그린트랜스포메이션 (GX)에 대한 대응으로 정부가 선행적으로 20조 엔을 투자한 뒤, 향후 10년간 민관이 총 150조 엔 이상의 투자를 이끌어낼 것이라고 명기되어 있다.

보다 구체적으로는 향후 15년간 민관이 총 15조 엔을 수소 공급망 정비에 투자. 또한, 2030년까지 국내외에 도입되는 일본 관련 기업의 수전해 장치는 15GW 분이라고 한다. 이 때 ‘국외’ 분이란 일본의 에너지계 상사가 오스트레일리아 등 재생가능 에너지의 발전 코스트가 낮은 국가 및 지역에 도입하는 분을 상정하고 있다.

이러한 일본의 새로운 수소기본전략에 대해 다소 싸늘한 시각도 있다. 에너지와 환경분야에서의 산학 연계를 추진하고 있는 X-Scientia의 대표이사이자 수전해 사업 연구자인 후루야마(古山) 씨는 “이번 새로운 수소기본전략은 이전 것과 기본적으로 그다지 바뀌지 않았다”라고 지적한다.

구체적으로는 “금액 측면에서는 늘어났지만, 방향성이 ‘환경 조성’에 머물러 있어, 실제로 수전해 장치 시장을 형성해 나간다는 강한 의지가 보이지 않는다. 이전의 수소기본전략에서 추진하던 연료전지차 도입 계획과 현실의 도입 대수 사이에는 최소 8년의 지연이 있었다.

그러나, 새로운 전략에서 여기에 구체적으로 대처하는 움직임은 나오지 않았다”(후루야마 대표이사). 즉, 환경은 정비하지만, 실제로 도입하는 것은 민간에 전담시키고 결과가 목표에 미치지 못해도 책임은 경제산업성에는 없다는 자세는 이전과 달라지지 않았다고 보는 것이다.

이와 대조적인 곳이 EU로, “현시점으로부터 2030년까지 수전해 장치를 언제 어느 정도 도입해 나갈 것인가 등을 명확히 하고 있다. 이럴 경우, 보조금 베이스라고는 해도 수전해 장치 제조사는 실제 시장 규모가 어느 정도일지 전망을 세우기 쉽다”(후루야마 대표이사).

참고로, 미국은 올 10월에 그린수소 생산 거점인 '수소 허브'로 다수의 후보지 중 7곳을 선정. 여기에 총 70억 달러(약 1조 엔)를 조성할 계획이다. 금액 측면에서는 그리 크지 않지만, 조성할 곳은 명확히 하고 있다.

-- 계획 베이스로는 2년 만에 100배가 넘는 규모로 –

이처럼 각국 정부가 적극적인 자세를 보임에 따라 지자체 및 기업 레벨에서의 수전해 장치 도입 계획도 수 GW 규모 등, 거대 프로젝트가 복수 등장하고 있다. 불과 2년 전에는 20MW가 최대였기 때문에 2년 만에 100배 이상으로 확대된 것이다. 계획의 수 자체도 크게 늘고 있다. 도입 규모가 16MW 미만인 계획도 포함해 수백 건은 있는 것으로 보인다.

특히 주목할 만한 곳은 중국이다. 지린(吉林) 성 등 주정부 단위의 대형 프로젝트들이 속속 등장. 중국 Sinopec(中國石油化工集團)과 중국 싼샤그룹(長江三峽集團) 등 국영 대기업들이 그린수소 생산에 본격적으로 나서기 시작했다. Sinopec은 직접 수전해 장치를 개발해 ‘탈석유’를 추진하기 시작했다.

싼샤그룹은 싼샤댐으로 알려진 중국 최대 댐 등 수력발전을 중심으로 총 100GW 이상의 재생가능 에너지 발전 설비를 이미 보유하고 있다. 이들 기업이 추진하는 수전해 사업은 세계 시장의 향방도 좌우할 수 있다.

-- 2030년에는 약 7조 엔 시장으로 성장 –

시장 규모 전망치도 급격히 확대되고 있다. 캐나다의 Precedence Research가 올 8월에 발표한 전망에 따르면, 2022년에 28억 달러(약 3,600억 엔)였던 시장 규모는 연평균 성장률(CAGR) 32.2%로 성장해 2032년에는 약 20배인 454.8억 달러(약 6.8조 엔)에 이른다고 한다.

이 수치는 더 올라갈 가능성이 높다. 지금까지 계획 확대에 따라 2030년의 수전해 장치 설치 양에 대한 전망치도 급격히 늘고 있기 때문이다. 벨기에의 Hydrogen Council이 올 5월에 발행한 수소 사업 보고서 'Hydrogen Insights 2023'에 따르면, 2019년 12월 시점의 2030년 수전해 장치는 누계 18GW로 전망.

이것이 1년 후인 2020년 12월에는 54GW, 2021년 12월에는 115GW, 2022년 5월에는 175GW, 올 1월에는 232GW로 대폭 상승했다. Hydrogen Council의 또 다른 보고서인 ‘Hydrogen decarbonization pathways’에서는 수전해 장치가 2030년에 최대 600GW, 2050년에는 5,500GW 분 도입될 것으로 예측하고 있다.

-- 수소의 용도에 대한 걱정은 없어 –

이렇게 많은 양의 수전해 장치를 도입해 그린수소를 양산한다고 해도 과연 그 만큼의 용도가 있을까? 적어도 유럽에서는 용도에 대한 걱정은 없을 것 같다. EU의 그린수소 생산을 뒷받침하는 정책 ‘REPowerEU’에서는 2030년에 총 2,000만 톤/년의 수소 용도를 상정하고 있다.

용도는 예를 들어, 일반 기업이나 가정에 공급되는 천연가스 배관에 수소를 섞어 보내는 것 외에도 합성연료의 원료, 제철 시의 코크스를 대체하는 환원제, 화학품으로서의 암모니아 합성, 연료전지 등을 사용하는 운수용, 산업용 보일러, 정유 등이다.

거의 모든 업종에서 탈탄소가 요구되고 있어 수소가 부족할 수 있어도 남는 일은 없을 것으로 보인다. 일본의 6년 전 수소기본전략에서는 사실상 운수 부문밖에 상정하지 않았지만, REPowerEU의 운수 부문에서의 수소 수요는 전체의 10% 정도에 불과하다.

-- 수전해 장치 제조업체의 상당수는 큰 적자 기록 –

하지만 이와 같은 수전해 장치 사업이 앞으로 계획대로 순조롭게 확대될지에 대해서는 회의론도 있다. 한 일본의 수전해 장치 제조업체는 “많은 계획 중 현시점에서 실제로 가동되고 있는 예는 단 몇 군데로, 최대 20MW 규모이다.

수백 MW나 수 GW라고 하는 계획의 대부분은 최종 투자 판단(FID)도 끝나지 않아, 정말 실현될 수 있을지 알 수 없다”라고 한다. 다른 수전해 장치 제조업체도 “유럽의 수전해 장치 제조업체 상당수가 큰 적자를 기록하고 있다. 지금은 아직 보조금이 있지만, 그것이 줄어들면 사업이 이뤄질 수 있겠느냐”라며 회의적이다.

이와 같은 회의론이 나오는 배경에는 수전해 사업에서 생산되는 그린수소 가격에 강한 인하 압력이 작용하고 있기 때문이다. 현재 그린수소 가격은 일본에서는 10달러/kg 전후. 유럽에서조차 4달러/kg 전후로 비싸다.

반면, 천연가스 등 화석연료는 수소 환산으로 2달러/kg로 낮다. 코스트 측면으로만 보면 대부분의 선진국에서는 그린수소는 가격 경쟁력이 없다. 이러한 그린수소에 대한 가격 인하 압력은 수전해 장치의 가격 인하 압력과 직결된다.

또한, 수전해 장치 제조업체들은 이미 중국계 기업과의 격렬한 가격 인하 경쟁에 노출되어 있다. 이러한 가운데 공장 규모 확대에도 투자해야 한다. 이것이 적자가 계속되는 요인이다.

-- 화석연료 시대와는 다른 에너지 지정학 형성 –

하지만 중동이나 호주, 칠레 등 재생가능 에너지 발전 코스트가 매우 낮은 국가 및 지역에서는 가까운 미래에 그린수소의 생산 코스트가 화석연료와 비슷해지거나 더 낮아질 수 있을 것이라는 예측도 나오고 있다. 수전해 장치를 아무리 양산해 코스트를 낮춰도 저렴한 재생가능 에너지를 사용하는 것만큼의 저비용화 효과는 얻을 수 없다.

X-Scientia의 후루야마 대표이사는 “일본은 물론 유럽에서도 지역 내에서의 양산으로는 코스트상의 과제를 해결할 수 없어, 재생가능 에너지가 저렴한 지역에서의 그린 수소 생산과 수입에 의지하게 될 것이다. 중동에 의존하던 화석연료와는 다소 다른 형태의 새로운 에너지 지정학이 형성될 것”이라고 본다.

-- 수소의 차별화가 급속히 진행 –

그린수소의 코스트 경쟁과는 다른 방향성을 추구해 어떻게든 사업을 성사시키려는 움직임도 있다. 그것은 수소를 그 생산 방법으로 차별화해 부가가치를 높여 나간다는 방향성이다. 최근 들어 수소의 ‘색 구분’이 추진되고 있다. 현시점에서는 수소에 10개 이상의 색이 붙여져 ‘수소 무지개’라고도 불리고 있다.

예를 들어, 재생가능 에너지 유래 수소는 일반적으로 그린수소로 불리지만, 최근에는 태양광발전 유래 수소를 '옐로우 수소'로 구별하는 움직임이 있다. 또한 원자력발전 유래 수소는 핑크나 레드 혹은 퍼플 수소라고 불린다. 원료는 천연가스이지만, 기존의 수증기 개질이 아닌 촉매를 통한 열분해에 의해서 추출하는 것을 ‘터키석색 수소라고 부른다’. 탄소는 고체의 형태로 분리되어 적어도 원료에서는 CO2가 배출되지 않는다.

최근에는 고갈된 유정에 박테리아를 주입해 만드는 ‘골드수소’, 더 나아가 천연 수소 광상(鑛床)에서 채굴이 가능한 코스트가 1달러/kg으로 저렴한 ‘화이트수소’도 주목 받고 있다. 화이트수소는 아프리카 말리를 비롯해 미국과 동유럽, 러시아, 호주, 오만, 그리고 프랑스 등에서 발견되고 있다. 특히 올해 발견된 프랑스의 수소 광상의 추정 매장량은 600만~2.5억 톤으로 규모가 크다.

천연수소의 생성 과정으로는 철분이나 마그네슘이 풍부한 암석과 물이 반응해 수소를 생성하는 '사문암화(蛇紋岩化)’, 혹은 방사선에 의해 물이 분해되는 '방사선 분해' 등을 생각할 수 있다. 하지만, 현시점에서는 세계의 그린수소 수요를 어디까지 조달할 수 있을지는 아직 미지수이다. 당분간은 그린수소를 축으로 개발 경쟁 및 투자가 진행될 것으로 보인다.

제2부: 제조업체

수전해 버전의 기가 팩토리 급증, 장치의 가격은 크게 떨어져

그린수소의 대량 생산을 목표로 하는 움직임이 가속화되고 있다. 수전해 장치에 대해서도 거액의 투자가 몰리면서 구미 기업들을 중심으로 이전과는 차원이 다른 규모의 공장이 건설. 신흥 제조업체들도 다수 생겨나고 있다.

제3부: 기술

핵심 부재는 과점 상태, 파나소닉이나 도레이가 패권을 잡을 가능성도

세계에 PC업체는 다수 있지만, 핵심인 마이크로프로세서는 2개 사 정도가 과점하고 있는 상태다. 세계 수전해 장치 시장은 중국 업체까지 포함하면 100개 이상이 치열한 레드오션이지만, 핵심 부재는 소수 업체들이 과점하고 있는 상태이다. -- 끝 -