발전용 수소연료전지 시장에 대한 '장미빛 '전망

1. Intro

제목부터 애기했다.

'장미빛'전망이라고,,,

수소관련 전문가도 아니고, 증권사 리포터랑 구글링을 통해서 익힌 야매성 지식이라 자체 검증은 신뢰성이 별로 없어서, 

이 글을 읽는 여러분들이 따끔한 검증을 해줬으면 한다. 

당연히, 혼자서 망상하면서 쓴 소설같은 애기는 아니고, 팩트들을 기반으로 논리를 확대시킨 것이다.

부분부분에서 틀린 부분은 많을거라 생각하지만, 전체적인 방향만은 맞기를 희망하고 그럴것이라 생각한다.

 

미국의 IRA을 봐도 PTC, ITC를 통해 그린수소 생산에 대해서 현금박치기 지원까지 하고 있다. 2025년이면 그레이수소 페러티를 달성할 것으로 예상한다.

중국은 세계최대 신재생 에너지 생산국이며 수전해설비 생산기지국으로 그린수소 생산을 통한 수소경제 굴기를 하고 있다.

유럽은 친환경, 신재생을 가장 먼저 외친 국가로서, 특히 우크라이나-러시아 전쟁으로 인한 천연가스 가격의 폭등으로 작년부터 그린수소 생산이 그레이수소 페러티를 달성했다.

 

미래에 실행여부나 진행정도의 차이는 있겠지만 미국, 중국, 유럽은 수전해설비를 통한 그린수소 생산에 대한 짱짱한 계획을 수립해오고 있다.

 

2. 미국, 중국, 유럽 그리고 중동(사우디아라비아)의 수소 부흥 정책 및 계획

1) 미국 

2022년 8월16일 바이든 대통령이 IRA(Inflation Reduction Act)에 서명을 했다. 구체적인 시행령은 수정 보완되겠지만 상위 법안은 통과했다. 

IRA 법안은 2023~2032년 10년간 새로운 청정수소 생산시설에 대해 PTC(Production Tax Credit), ITC(Investment Tax Credit)에 대한 내용을 포함하고 있다. 생산할때와 투자할때 세액공제를 해주나보다...

세액공제의 핵심은 아래와 같다.

청정수소 생산의 기준을 CO2 배출량으로 구분하였다.

PTC, ITC 혜택을 받기 위해서는 H2 1kg 생산시 CO2 배출량이 4kg이하가 되어야 하고, 혜택을 최대로 받기위해서는 0.45kg 이하로 배출해야 한다.

여기서 꿀인 것은 수소생산에 있어서는 다른 신재생에너지의 세액공제 PTC 혜택과 달리 첫 5년은 크레딧을 직접 페이백 받게 된다. 즉, 그린수소 생산의 경우 근로자들에 대한 특정 임금수준을 맞춰준다고 할때, 앞으로 5년간은 H2 1kg 생산시 3＄를 현금으로 보조받게 된다. 이것으로 인해 그린수소의 그레이수소와 페러티를 2025년이면 달성하리라 예측한다.

내가 이해하기로는 미국의 수소지원은 수소생산에 대한 것만 포함되고, 수소를 이용한 전력생산은 포함되지 않는것 같다.

맞는 것인가?...?

2) 중국

글로벌 최대규모의 풍력/태양광 재생에너지 설비를 바탕으로 수소굴기를 하려고 한다.

작년 재생에너지 신규 설치량이 120GW를 상회하고 있으며, 수소 생산도 연간 3,300만톤으로 글로벌 최대 수소 생산국이다. 대부분이 부생수소 혹은 천연가스나 석탄을 개질(reforming)하여 생산하고, 그린수소는 약 2.7만톤에 불과하다.

 

그런데, 그린수소 생산 확대를 주요 골자로 하는 수소관련 계획을 중앙정부와 지방정부에서 각각 발표하고 실행에 옮기기 시작하였다.

 

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[ 물의 전기분해를 통한 그린수소 생산  '수전해'(Water Electrolysis)란 무엇인가?]

기술적인 내용은 길게 설명하지 않겠다.

간단히 수전해 기술별로 아래 표와 같이 분류된다.

 

 

진짜 궁금한 것은 수전해 기기의 CAPA가 몇 kW일때 수소 몇 kg을 생산하는지를 알고 있으면 그린수소의 경제적 효과를 이해할때 도움이 될것 같다.

2025년 기준으로 수전해법 평균 전력소모량 53kWh/kg이다. 

 

수소의 질량당 화학에너지는 39.4kWh/kg이다. (석유 1kg 에너지의 3배정도이다.)

 

효율은 입력(투입된) 전력 대비 생산된 수소의 전력으로 환산한 에너지의 비이다.

 

입력전력(53kWh) 수전해기기에 투입 -> 수전해 효율은 ( 39.4/53 ) x 100 = 74.3%  ->HHV(Higher Heating Value)

 

예를 들어 연간 1만톤의 수소를 생산하기 위해서 필요한 수전해기 정격용량을 구해보면,

10,000,000 kg ÷ 365 ÷ 24 = 1,141kg 

1,141kg ×53kW/kg = 60,473kW

 

기사에 보면 2025년까지 수전해기기 6GW를 구축해서 100만톤의 그린수소를 생산할 것이다... 이런 내용이 있다. 여기서 6GW가 의미하는 것은 수소 100만톤을 생성하기 위해서 입력되는 소비전력량이다.

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중앙정부와 지방정부의 계획은 아래와 같다.

중국은 특히 그냥 수소 생산이 아닌 그린수소 생산에 방점을 찍고 있다.

 

 ◆ 중앙정부

중국 국가발전개혁위원회(NDRC)와 국가에너지국(NEA)에서 '수소에너지산업 중장기' 발전계획(2021~2035) 발표

 

중앙정부 계획 - 2025년까지 그린수소 연간 생산량 10~20만톤

수전해법 평균 소모전력량 53kWh/kg을 대입하면 600MW~1.2GW 수전해 설비 필요.

(100,000÷365÷24 x 53 = 600MW)

 

 ◆ 지방정부

지방정부에서 계획하고 있는 목표치는 중앙정부를 뛰어넘고 있다. 중앙정부와 별개로 진행하는 것이다.

○ 내몽골

-2025년 48만톤의 그린수소 생산계획 ( 480,000 ÷ 365 ÷ 24 × 53 = 2.9GW 수전해 설비 필요)

-이에따라 현재 465MW 수전해설비 설치중

-2023년 부터 연간 약 6.7만톤 그린수소 생산계획

-이를 위해 1,850MW 태양광, 370MW 풍력발전 단지 함께 건설중

○ Ningxia 

-2025년까지 태양광 연계 수전해 프로젝트 착수 예정

-총 4.2GW 태양광 발전소 , 1.5GW 수전해 설비 설치

 

 

3) 유럽

-기존의 계획 : 2020년 7월 수소전략 발표 후 ,유럽 연합은 2022~2024년 내 6GW 규모의 수전해 설비 설치하여 연간 100만톤 그린 수소 생산 (계산식 : 6,000,000 × (1÷53) × 365 × 24),  2030년까지 40GW로 500만톤 그린수소 생산 계획

-러시아 우크라이나 전쟁으로 유럽은 REPower EU 프로그램을  발표 : 그린수소 계획은 신재생에너지의 증가와 더불어 급물살을 타고 있다. 2030년 그린수소를 2배 증가한 1,000만톤으로 확대 계획, 거기다가 추가로 1,000만톤 수입 계획.  영국도 2030년까지 10GW로 기존계획 대비 2배 늘리고, 이 중 절반을 그린수소로 생산할 계획.

 

 

4) 중동(사우디아라비아)

사우디아라비아는 경제구조의 탈석유화를 위해 Vision 2030과 함께 수소 생산계획에도 박차를 가하고 있다.

- 2030년까지 400만톤의 수소 생산을 목표(그린수소만을 의미하지는 않음), 세계 최대 수소 수출국을 포부로 함

- 관련되어서, 자프라 가스전을 활용해 '블루수소' 생산 계획, 현재 1100억 달러 대규모 투자 진행중

- 사우디아라비아는 세계최대 그린수소 생산공장 건설 'Helios Green Fuels' 프로젝트. 2025년 완공목표.

하루 650톤 그린수소 생산. 이를위해서는 수전해설비 1.5GW 필요.

 

전 세계는 그린수소를 엄청나게 만드는 계획이다. 미국은 수전해설비 계획을 모르겠지만 IRA로 엄청난 혜택을 주고 있고, 중국만 약 5GW,  유럽 6GW, 사우디아라비아 1.5GW로 전세계적으로 최소한 약 12.5GW가 2025년까지 설치될 수전해설비이다. 수전해설비 시스템 구축 비용은 20년 감가상각을 기준으로 10억원/MW으로 보고 있다.  12조 5천억원의 시장이다.

* 비용산출은  KHNES에 실린 '태양광 발전 연계 수전해 시스템의 경제성 분석'(황순철,박진남)을 참고하였으며, 실제 시장에서의 현재 구축비용은 10억원/MW보다 훨씬 비쌀 것으로 예상한다. 왜냐하면 발전용 연료전지 주기기가 40~50억원/MW이다. 발전용 연료전지보다 수전해기가 저렴한가? 물론 시간이 지날수록 비용은 다운될 것이지만, 저 논문에서 산출된 가격은 현재의 가격은 아닐것으로 추정된다. 추가적으로 알아봐야하겠다. 우선, 모르니깐 보수적으로 논문 참조!!

 

(예시 : AEC는 500~1000＄/KW, PEM은 700~1400＄/KW, SOEC는 2800~5600＄/KW)

 

미래에셋의 '글로벌 수소 경제' 리포터를 참고해 보자. 내가 제시한 규모는 보수적으로 보인다. 아래의 2030년까지 100GW 수소시장 전망도 최근 확장 시나리오로는 270GW로 훌쩍 뛰어 올랐다. 해봐야 아는 시장이다. 다만, 메가트랜드는 수소가 맞다.

 

그렇다면 첫번째로 수전해기기 잘만드는 회사를 찾아보면 된다. 실제로도 2050년 수소시장은 12조달러로 예측되고 있고 그린수소 생산기술이 핵심이 될것이다.

이부분은 난중에 다시 애기하기로 하고,,, 왜냐하면 아직 그린수소 생산 기술은 우리나라가 취약하기 때문이다.

그렇다면 그린수소로 혜택을 보는 분야를 찾아보자. 그쪽에서 우리나라가 잘하는 분야가 있을수 있으니깐,

이렇게 많이 만들어진 그린수소를 이용하는 활용처를 찾아보자. 산업용, 운송용, 발전용 등등 공부할 분야가 너무 많다... 이 많은 그린수소를 어디에 쓸 것이고, 그러기 위해서는 무엇이 필요한가?

 

그린수소를 생산해서 어디에 쓸것인가?  

크게 분류하여 모빌리티, 발전소 전력생산, 가정 빌딩용 발전기 (ex)데이터 센터 등)에서 사용되는 걸로 나온다.

사실은, 이것외에도 화학공정, 철제조 공정 등등 산업용으로 많이 쓰인다.

단기, 중장기에 따라 수소에너지의 수요처 비율은 변화가 있다.

중장기로 보면 수요의 반은 산업용과 운송용에 쓰인다.

산업용은 수소 물질 자체로 쓰일 것이고, 운송용은 모빌리티용 연료전지로 전기로 변환하여 쓰일 것이다. 

 

우선, 2025년까지 단기적 타임라인에서 보자.

 

-모빌리티

선박과 열차는 가까운 미래인 2025년까지는 수요가 작을 것으로 보인다.

한국의 경우만 봐도 두산퓨얼셀에서 선박용 SOFC를 2025년 부터 상업화 할려는 로드맵을 가지고 있기 때문이다.

따라서, 2025년 까지는 모빌리티 중 수요의 대부분은 수소차로 간주해도 될것같다.

 

수소차 연비 = 약 100km/kg 

수소차 년간 1만5000km를 운행한다고 가정

위의 계획에서 수소차 5만대 보급한다고 하였으니,,, 5만대 x 1만5000km/대 = 750,000,000 km

따라서, 필요 수소량 = 750,000,000/100 = 7,500,000kg = 7,500 ton

 

기사 2022.03.16 '중국, 수소차 보급대수 2025년까지 10만대로 확대'

-https://www.h2news.kr/mobile/article.html?no=9772

중국정부 애초 발표한 계획과 달리 수소차 10만대까지 확대한다고 함.

따라서, 필요수소량 = 15,000 ton

 

- 산업용

산업용이라고 하면, 우선 제철산업인데 산화철에서 탄소를 발생시키지 않고 산소를 제거시켜주는 수소 환원 제철이 있다.

다음으로 시멘트산업에서도 석회석 원료에 2000도씨 온도로 소성을 시켜서 클링커 ->석고 분쇄 투입 -> 시멘트가 되는데 소성할때 수소를 사용하는 것이다. 그리고, 정유화학 분야이다. 수소화탈황 과정이다. 원유에서 황을 제거하기 위해서 수소가 사용된다. 아직은 수소공정을 위한 CAPA가 구축되지 않았기 때문에 2025년 단기적으로는 의미있는 수소사용이 나오지는 않을거 같다. 그 이후에 폭발적인 성장을 할 것이라 보인다.

 

-발전소용 , 가정/빌딩용 발전기

산업통산자원부 자료로, 한국의 발전소 발전용과 가정/건물용 발전기의 수소 에너지 보급 추이를 보여주고 있다.

2040년으로 갈 수록 가정/건물용 수소에너지 보급율도 늘어나지만, 가까운 미래는 발전소용 에너지로 수소가 대부분 쓰이는 걸 알 수 있다. 중국도 이와 비슷한 추세를 보일 것으로 추정된다.

 

위의 그래프로 추정컨데 수소 에너지의 수요처는 모빌리티, 발전소용, 가정/빌딩용 발전기 중에서 가까운 미래인 2025년까지는 약 90%가 발전소용으로 쓰인다. 현재 그린수소로 당장 사용할 수 있는 어플리케이션은 수소연료전지가 가장 떠오른다.  즉 수전해 설비로 만든 수소를 결국은 발전소에서 수소연료전지로 전기를 생산한다는데 대부분이 쓰이는 걸로 추정된다. 산업용, 모빌리티용을 제외하고 그린수소의 80%를 발전소용 연료로 사용된다고 추정해보자. 

 

->현재 수소 관련주로 기관들이 Buy Call을 외치는  종목은 '효성첨단소재', '상아프론테크','코오롱인더','일진하이솔루스'등일 것이다. 이것은 우리나라가 다운스트림의 강자이고, 당장은 수소를 많이 사용한다기 보다는 그를 위한 인프라를 구축하고 수소차가 이슈가 된다는 점에서 주목하는 것 같다. 하지만, 내생각은 조금 다른게 현재 전세계적으로 그린수소 생산기지 구축에 열을 올리고 있다. 생각보다 수소 사회가 빨리 도래할 것 같고, 그 원년을 2025년 정도로 보고 있다. 그렇다면 근본은 '그린수소'이고, 그 다음이 그린수소를 위한 인프라와 어플리케이션등이 될 것이다. 

이 논리는 방향은 맞지만 수치나 정도에 있어서는 개인적인 생각이다.  IR담당자나 수소관련 담당자들과 애기를 해봐도 생산된 그린수소에 대한 수요처가 어떻게 될것인지에 대한 전망을 힘들어 했다. 다만, 목표 수치를 이루기 위해서, 그리고 정부의 방향성을 보면 '그린수소' 및 수소 생산은 폭발적으로 증가할 것이고 다운스트림에서 그 활용도 따라오게 된다. 그리고, 현재 전세계적인 에너지 문제를 봐도 그렇고, 우리나라가 수소연료전지발전소 구축에 있어서 세계 1등인 것들이 수소연료전지발전에 대한 관심을 가지게 한다. 수소연료전지발전은 수소만 있으면 당장 잘 할 수 있을 정도로 연구 개발이 되어 있기 때문이다.

 

3. 수소연료전지 & 수전해설비

앞에서 계속 고민하고 애기햇는데, 수소경제가 붐업되는 앞으로 5년안에는 생성된 그린수소가 가장 많이 쓰일 곳은 발전용 수소연료전지라고 생각한다. 물론, 어플리케이션의 수요처는 시간이 지날수록 산업용, 모빌리티용으로 점점 확대되어질 것이다.

현재, 발전용 수소연료전지의 최강자 2곳은 두산퓨얼셀과, SK에코플랜트이다.

수소경제에서 수소연료전지와 수전해설비를 단기적으로 수혜를 받는 섹터로 생각한다고 하였다.

다음에는 수소연료전지와 수전해설비에 대해서 스터디 해보겠다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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