수소가 주요 청정에너지원으로 처음 떠오른 이후 수십 년이 흘렀다. 다양한 핵심 기술의 발전 덕분에, 이 풍부한 가스가 기후변화와의 싸움에 기여할 수 있는 순간이 마침내 우리에게 다가올 수도 있다. 하지만 아직은 부풀려진 부분이 상당히 있고 수소가 온실가스(GHG; greenhouse gas) 배출 감소를 위한 진정한 비용효과적 역할을 하기에는 여전히 많은 기술적, 경제적, 정책적 과제가 남아 있다. 수소의 잠재력이 완전히 발현되려면, 수소의 생산, 유통, 사용이 더 저렴하고 더 효율적이 되어야 한다. 이에 도달하려면 두 개의 트렌드가 함께 필요하다.
첫째, 정부 정책입안가들과 규제당국은 직접보조금과 정책변경을 통해, 수소가 가장 큰 온실가스 배출저감 잠재력을 보이는 응용분야에 대해 저탄소수소의 생산 및 사용을 계속해서 지원해야 한다¹. 이미 몇몇 정부들은 수소를 온실가스 배출목표 달성을 위한 노력에 포함하고 있다. 일례로 유럽연합은 수소를 2050년까지 온실가스 배출제로에 도달하기 위한 전략의 핵심 요소로 삼았다.
둘째, 수소생태계가 현실이 되어야 한다. 생태계 내부의 모든 이해관계자들이 기여해야 할 것이다. 기계 제조업체(필수적인 기계, 설비, 부품을 개발하고 제조하는 기업)들과 그 투자자들 역시 제 역할을 해야 한다. 수소가치사슬 전체에 대한 적합한 지원과 함께 파리협정(Paris Agreement)의 목표에 따라 온실가스 배출을 줄이려는 전지구적 노력이 증가한다고 가정한다면, 수소관련 기계, 설비, 부품 시장은 2050년까지 연간 2000억 달러 이상의 규모로 성장할 수 있을 것이다².
현재, 초기단계인 저탄소 시장은 매우 복잡하고 고도로 세분화되어 있지만 실질적인 잠재력이 있다. 정부와 민간 투자자들의 자금이 이 부문으로 유입되고 있으며 대기업, 중소기업, 스타트업들이 빠르게 이 분야에 진입중이다. 하지만 여전히 시장, 적절한 비즈니스 모델, 최고의 기술, 지속적인 정부 지원에 대한 불확실성이 높은 상황이다. 수소 시장을 탐색하기 위해서는 많은 전문지식과 일관되고 신중히 설계된 전략이 필요할 것이다.
본 보고서에서 우리는 저탄소 수소시장의 구조와 그 기회, 혜택, 도전과제를 살펴보고 기계 제조업체들이 수소 생태계에 내재된 가치의 정당한 몫을 확보하기 위한 로드맵을 제시한다. 필요한 기술을 연구, 개발, 생산하기 위한 노력은 수소 사용의 비용을 줄이고 효율성을 증대하며, 지구온난화 감소와의 싸움에 실질적인 기여를 할 것이다.
수소 가치사슬
수소가 온실가스 배출을 줄일 수 있는 잠재력은 매우 높다. 기초 화학연료(base chemical) 생산 및 정제 과정에서 청정 H₂를 활용하고, 중량 차량에 연료전지를 사용, 수소를 철강 산업의 환원제로 활용하는 등의 응용을 통해 2050년까지 온실가스 배출량은 연간 5~6기가톤을 줄일 수 있다. 모두 합쳐, 이 변화들은 우리가 녹색기술의 초기 분석에 포함한 총 35기가 톤 중 약 15%를 제거할 것이다³. (보기 1 참조)
수소는 다양한 방법으로 생성될 수 있는데, 어떤 방법은 다른 방법들보다 ‘더 깨끗’하다. (‘저탄소 수소 만들기(Making Low-Carbon Hydrogen)’ 참조) 환경적 이득을 극대화하기 위해, H₂는 온실가스를 배출하지 않고 생산되어야 한다. H₂를 생성하는 가장 깨끗한 방법은 재생 가능 에너지원을 통해 얻은 전기를 이용해 전기분해방법으로 물을 구성요소로 분해하는 것이다. 이는 일명 ‘녹색’ 수소로 본 보고서에서 집중적으로 다룬다.
저탄소 수소 만들기
환경적 혜택을 극대화하기 위해 수소는 ‘녹색’, 즉 완전히 재생 가능한 에너지원으로 만들어져야 한다. 그러나 다른 방법들 역시 계속 사용될 것이며, 방법별로 깨끗한 정도는 다양하다. (보기 참조) 현재, 가장 흔한 방식인 회색 H₂는 화석연료를 통해 물을 가열해 수증기로 만들고, 이 수증기와 메탄을 혼합해 발생하는 H₂를 포집한다. 배출되는 온실가스를 가두기 위해 필터를 첨가하면 소위 ‘청색’ 수소가 만들어진다. 청색 수소는 메탄이 풍부한 곳에서, 특히 탄소포집 기술이 완전히 발전하게 되면, 경제적으로 선호될 것이다.
보기 2는 2050년 연간 자본지출 2,000억 달러 규모의 잠재적 시장을 수소 가치 사슬의 각 링크에 필요한 설비 및 부품 시장으로 세분화한다.
- 주로 전해조 시스템을 통한 H₂ 생성
- 압축, 파이프라인, 보관 등 유통
- 주로 부품 및 자재 취급 설비 등 운송 가능한 형태로 H₂ 전환
- 연료전지, 연소 및 공급원료로 이용 등 운송 및 산업 부문에의 응용
이 시장 세그먼트들이 모두 동시에 성숙하지는 않을 것이다. 생산과 유통은 H₂의 사용장소 및 방법과 상관없이 독립적으로 개발되어야 하지만, H₂를 운송 가능한 형태로 특정 용도에 맞게 전환하는 것은 정부 정책 및 고객 선호도뿐 아니라 기존 기술과 기타 환경적 대안과의 경제적 경쟁력에 따라 결정된다.
BCG 시나리오 분석에 따르면 수소 가격이 1kg당 2달러일 때, 몇몇 응용이 2030년까지 유럽에서 경제적으로 경쟁력이 있을 것으로 보인다. 대형 운송의 경우 단위 경제성이 비교적 조기에 유리하게 될 것이다. 배터리 전기 시스템을 이용한 직접 전기화는 운송 응용의 또 다른 친환경 대안이지만 중량물 세그먼트에서는 연료전지와 수소 기반 연료가 전력 밀도가 더 높고 재충전 시간이 더 빠르므로 배터리 전기 옵션보다 운영상의 우위가 있다. 배터리 전력은 일반적으로 왕복 효율성이 더 높아서 승용차와 경량 상업차 부문을 주도할 것으로 예상된다.
대형운송 부문에서 수소가 경쟁력이 있으려면 단위 경제성뿐 아니라, 취급 및 유통 비용 역시 고려되어야 한다. 이를 위해서는 수소생산 비용을 훨씬 더 낮추거나 분산된 생산 및 유통망을 개발해야 할 것이다. 어떤 방법이든, 기업들은 필요한 인프라 제공을 위한 높은 자본집약도 문제와 산업 규모의 수소 전력 차량과 설비의 가용성과 관련한 장애물을 극복해야 한다. (보기 3 참조)
화학 부문과 철강 산업의 응용 분야도 수소생산 비용이 감소함에 따라 2030년이면 경제적으로 실행 가능할 수 있다. 주요 장벽으로는 저탄소 수소생산으로의 전환에 필요한 높은 투자, 화학물질 및 철강 생산의 운영적 연속성을 유지해야 하는 필요성, 장기적인 투자주기와 계획 기간이 요구된다는 점 등이 있을 것이다.
해결해야 할 과제들이 있기는 하지만, H₂ 응용의 경제적 실행 가능성은 향후 10년 동안 증가할 것이다. 세금이나 온실가스 배출 비용이 더 커질수록, 산업 규모의 인프라 및 설비 가용성에 대한 장벽이 더 빠르게 사라지고, 각 응용 부문의 경제성이 더 빨리 실현될 수 있을 것이다.
수소의 생산, 유통, 용도개발 비용의 절감에 필요한 설비와 프로세스를 개발하고 확장하는 작업은 전 세계의 기계 제조업체가 주로 담당하게 될 것이다. 이제, 수소 시장의 4개 세그먼트인 생산, 유통, 전환, 응용 부문을 분석하고 각 세그먼트가 기계 제조업체에 제시하는 기회를 살펴본다.
수소 생산
앞으로는 생산되는 수소 대부분이 저탄소, 즉 녹색이나 청색일 것이다. 본 보고서에서는 전기분해를 통한 녹색 수소의 생산을 집중적으로 다룬다. 청색 수소 역시 전체 수소공급에서 상당한 비중을 차지할 가능성이 있지만, 청색 수소 생산에 필요한 탄소 포집 멤브레인 기술 시장은 전해조 시장보다 훨씬 작을 것이다.
지속 가능 개발 시나리오(Sustainable Development Scenario)를 바탕으로 한 국제에너지기구(International Energy Agency)의 전망에 따르면 H₂ 생산 전기분해 설비용량이 2030년 130기가와트로 성장할 것으로 보이며 유럽연합은 수입 생산을 포함해 총 80기가와트를 차지할 것으로 예상된다. 이 모든 전해조를 가동해 녹색 수소를 생산하기 위해서는 약 600테라와트시(TWh)의 재생 가능 에너지를 생산해야 하며, 이는 재생 가능 발전 산업이라는 어마어마한 신시장(본 분석에서는 고려하지 않음)을 만들어낼 것이다. 하지만 저탄소 H₂의 예상 수요를 충족하려면 전기분해 비용은 감소하고 효율성은 증대되어야 한다.
현재 몇 가지 형태의 전해조가 사용 중이다. 가장 흔한 형태는 전해조의 양극과 음극 사이에 고체 고분자막 스택을 사용하는 고분자 전해질 또는 양성자 교환막(PEM; polymer electrolyte/proton exchange membrane) 전해조와 액체 알칼리성 용액을 전해질로 사용하는 알카라인 전기 분해(AEC; alkaline electrolysis cells) 방식이다. 고체 산화물 전기분해(SOEC; Solid oxide electrolysis cells)는 고체 전해질을 사용해 증기에서 수소를 생성하며 이 기술은 완전히 성숙하지는 않았지만, 최대 80% 효율의 잠재력이 있다.
전해조를 생산하고 운용하는 비용이 많이 드는 이유는 대부분 기존 전해조 기술과 전해조가 필요로 하는 엔드투엔드 지원시스템의 비효율성 때문이다. (보기 4 참조) 전반적인 효율성을 증가시키는 것은 기계 제조사들에 중요한 기회가 된다. 예를 들어, 주로 스택에 사용되는 자재를 개선함으로써 PEM 전해조의 시스템 효율성을 60%에서 70%로 높일 수 있다.
현재, 필요한 전해조 역량을 구축하는 것은 너무 비용이 많이 들어 실용성이 없다. 이렇게 자본비용이 높은 데에는 몇 가지 이유가 있다. 그중 하나로, 전해조는 귀금속과 같은 값비싼 재료를 많이 필요로 한다. 이는 음극에 백금이 있고 양극에 이리듐 또는 루테늄이 있는 멤브레인을 주로 사용하는 PEM 전해조 스택의 경우 특히 그렇다. 현재 내구성을 해치지 않고 필요한 귀금속의 양을 줄이는 방법을 찾기 위한 연구개발이 진행 중이다.
높은 자본지출을 유발하는 다른 요인들도 있다. 한 요인은 생산되는 전해조의 수가 매우 소량이라는 점이다. 또한, 생산 자동화 미흡으로 인해 제조 비용이 높다. 전해조는 일반적으로 10개의 매우 얇은 레이어에 150개나 되는 셀을 포함하는데, 이를 제조하는 데 필요한 정확도를 고려하면 이 프로세스를 자동화하는 것은 극도로 어렵고 상당한 전문성을 요구하는 일이다. 품질 기준 역시 부족해 운영자가 개별 전해조의 품질을 보장해야 하므로 비용은 더욱 커진다. 마지막으로, 가장 큰 운영 전해조의 용량이 겨우 10메가와트에 불과하다. 이렇듯 현재의 상대적으로 작은 용량에서는 각 전해조의 주변 부품을 설치하는 비용이 매우 높다.
관련 자재의 비용을 줄이고 자동화 및 표준화를 증가시키면 생산이 연간 50대에서 1,000대로 확장된다는 가정 하에, AEC 스택에 필요한 자본비용을 30%에서 40%가량 절감할 수 있다. 이 규모라면 BOP(balance of plant)에 필요한 자본비용이 20%에서 30% 감소할 것이고 전체 시스템 비용을 킬로와트당 약 280달러에서 350달러 정도(마진, 간접비, SG&A 불포함) 줄일 수 있을 것이다. PEM 전해조의 경우, 스택에 필요한 자본비용이 40%에서 50%, BOP에 필요한 자본비용이 20%에서 30% 감소해, 전체 시스템 비용을 킬로와트당 320달러에서 400달러가량 줄일 수 있을 것이다.
H₂ 전해조 생산이 증가하게 되면, 기존 시스템 제조사들은 필요한 품질기준에 맞는 대규모 전해조 공장을 설립하게 될 가능성이 더 커지기 때문에 유리한 점이 있을 것이다. 그러나 시간이 지나면서 점점 전문화되는 역할로 인해 전체 전기 분해 시스템을 위한 압축기, 펌프, 전력 전자 장치 및 가스 분석기술뿐 아니라 전기 분해 스택용 멤브레인 및 양극판과 같은 부품 공급 업체들에 기회가 열리면서 상황은 변화할 것으로 보인다.
종합하면, 수소 가치사슬의 생산 부문은 기계 제조사들에 2050년까지 연간 총 600억에서 650억 달러의 가치가 있는 다양한 기회를 제공한다. 필요한 전해조의 효율성을 키우고 개선하는 것은 이 기회를 실현하기 위한 노력의 일부분에 불과하다. 전해조의 반응과 시동 시간을 개선하고 이를 다양한 조건에서 운영하는 방법을 개선하기 위해 더 많은 연구개발이 필요할 것이다.
수소 유통 및 저장
수소 시장이 잠재력을 완전히 발휘하려면, 기업들이 유통 및 저장과 관련한 몇 가지 중요한 장애물을 극복해야 한다. 기존 석유 및 가스 산업과는 달리, 저탄소 수소 생태계는 재생 가능 에너지의 가용성, 기존 인프라, 수소의 효율적 이용에 적합한 위치 등의 요인에 따라 중앙화 및 분산화된 생산, 유통, 저장을 적절히 혼합해 적용해야 할 것이다.
탄화수소와는 달리, 수소는 휘발성이 높고 공기보다 가벼워서 운송과 저장이 까다롭다. 따라서 단기적으로는 수소 생산시설이 수소가 사용되는 곳 근처에 위치하는 것이 합리적이다. 하지만, 시간이 지남에 따라 저탄소 수소의 수요가 늘어나면 재생에너지, 특히 태양에너지의 대규모 원천에 근접한 남반구에서 많은 물량의 H₂를 생산하는 것의 비용 우위가 H₂ 국제시장의 성장을 이끌 것이다. 장거리 운송 네트워크는 대부분 선박을 이용해 개발되어야 한다. 단거리의 경우, 많은 물량은 파이프라인을 통해 운반 가능하며, 기차와 트럭을 조합해 소량 배송이 가능하다. (보기 5 참조)
둘째, H₂는 가연성과 폭발성이 높고, 쉽게 이탈하며 밀도가 상대적으로 낮다. 고밀도 형태로 수소를 이동시키는 것이 선호되지만 이를 위해서는 압축, 액화 혹은 전환이 필요하다. 또한, 수소는 많은 금속과 반응해 취성을 일으킨다.
이 고려사항들은 제조업체들, 특히 유해물질에 전문화된 기계 제조업체들과 제품을 수소사용에 적합하게 조정할 수 있는 공급업체들에 수많은 잠재적 시장 기회를 열어준다.
낮은 밀도 때문에 H₂는 효율적으로 저장 및 운반되기 위해 고도로 압축되어야 한다. 이를 위해 몇 가지 기술들이 고려되고 있다. H₂는 영하 252°C 에서 액체가 되지만 액체수소를 장거리 운송하는 것의 효율성은 70%에 불과하다. 압력상승 및 관련된 폭발 위험을 막기 위해 극저온 탱크와 능동 지속 냉각이 필요하므로 효율성이 제한되기 때문이다. 그런데도 액체 중 일부는 어쩔 수 없이 기체 상태로 돌아가 증발 가스로 날아가 버린다. 액체 H₂를 장거리 운송하는 것이 경제적으로 경쟁력이 있으려면 더욱 발전된 액화 방법과 단열재가 개발되어야 한다. H₂를 저온 상태로 유지할 수 있는 새로운 선박 역시 설계 및 제조되어야 하며 규제 장벽도 무너져야 한다. 현행법에서는 액체 H₂는 운반이 허용되지 않는다.
장거리 운송을 위한 또 다른 방법은 수소를 다른 형태로 전환하는 것이다. (다음 섹션 참조) 변환된 수소는 가스업계가 기존에 사용 중인 운송 인프라를 통해 취급될 수 있다. 하지만 변환 수소가 목적지에서 재변환되어야 한다면 효율성 손실은 액체 수소보다 훨씬 더 크다.
최대 수천 킬로미터 떨어진 지역 간 H₂를 이동시키는 가장 경제적인 방법은 파이프라인을 이용하는 것으로 파이프라인 건설과 용도변경에 있어 더 큰 기회를 열어 준다. 그 예로 2018년 기준, 유럽의 H₂ 운반용 파이프라인은 2,000킬로미터에 불과하지만, 2040년까지 H₂ 운반에 적합하게 용도 변경될 수 있는 메탄가스 파이프라인은 23,000킬로미터이다. 수소를 위해 설계된 새로운 파이프도 기존 파이프라인 내부에 설치될 수 있으므로 기존 파이프를 재도장하고 재밀봉할 필요가 없다.
어느 방법이든, 수십 년간 H₂ 를 견뎌낼 수 있는 파이프라인 자재와 파이프라인을 통해 이동하는 H₂를 압축된 상태로 유지하는데 필요한 설비에 대한 수요가 높아질 것이다. 누출 방지 씰, 펌프, 가스 유량 관리 시스템, 열 교환기뿐 아니라 밸브와 같은 작은 부품들도 필요할 것이다.
향후 운송 및 사용을 위한 H₂ 저장과 관련한 기회는 저장량에 따라 다르다. 저장 방법은 소량의 경우 압축 수소용 가스 실린더에서 대량의 경우 소금 공동(salt caverns)과 바위 구멍(rock cavities)에 이르기까지 다양할 것이다. 중간 정도의 양은 대형 선박이나 탱크에 압축, 액화, 혹은 전환된 형태로 저장될 가능성이 가장 크다.
기계 제조업체들에 잠재적인 수소유통시장의 기회는 2050년까지 연간 총 250억 달러에서 300억 달러에 달할 것이다.
수소 전환
앞서 언급한 바와 같이, H₂는 일단 생성되면, 암모니아나 합성 탄화수소와 같은 다른 형태로 전환되거나 톨루엔과 같은 액상 유기 운반체(liquid organic carrier)에 결합할 수 있다. 이를 통해 저장 탱크, 선박, 파이프라인 등 기존 원자재 인프라를 통해 저장 및 운반이 가능하다. (보기 6 참조) 예를 들어, 일본은 2030년까지 연간 30만 톤의 H₂를 수입할 것으로 예상한다. 40톤의 액화 H₂를 운송할 수 있는 선박이 개발 중이며, 이는 5,000에서 6,000개의 선박이 필요한 양이다. 하지만 예를 들어, 암모니아로 변환된 H₂를 운반하면 필요한 선박 수를 10배 감소시켜줄 수 있다.
에너지 효율 손실은 H₂를 암모니아로 전환할 때 약 12%에서, 메탄올로 전환하거나 운반체와 결합할 때 20% 이상, 그리고 합성 탄화수소로 전환할 때 약 35%까지 다양하다. 합성 탄화수소의 경우, 필요한 추가 탄소는 직접 공기 포집 프로세스 등과 같은 화석연료 이외의 원천에서 추출되어야 한다.
응용종류에 따라 전환된 H₂가 꼭 순수 H₂로 재전환되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 암모니아는 화학산업에서 원료로 직접 사용되어 비료를 만드는 데 이용될 수 있으며 메탄올은 연소과정을 거쳐 철강 산업에서 전력과 열로 전환될 수 있다. 두 프로세스 모두 녹색 H₂를 생성하는 것이 다른 생산방법만큼 경쟁력 있게 되면 상당한 잠재력이 있을 것이다. 합성 탄화수소와 암모니아는 언젠가는 다른 응용 분야에서 직접 연소에 사용될 수 있겠지만, 이는 전통적인 연소 엔진과 터빈을 얼마나 암모니아나 합성 연료에 적합하게 교체하느냐에 달려 있으며 사실상 2030년까지는 대규모로 이루어질 가능성이 거의 없다.
또 한 가지 가능성 있는 방법은 H₂를 톨루엔처럼 암모니아보다 독성이 덜한 액상 유기 운반체에 연결하고 운반해 목적지에 도착하면 기체 형태로 되돌리는 것이다. 현재 전환과 재전환 혹은 탈수 소화 프로세스를 거치면 H₂ 손실은 50%가 되는데, 다른 전환 프로세스보다 훨씬 효율성이 떨어진다. 또한 탈수 소화된 액상 유기 운반체는 H₂가 원래 전환된 곳으로 다시 운반되어야 재사용될 수 있다. 하지만 전환 및 운송기술이 발전한다면 이 방법의 에너지 효율성은 개선될 수 있을 것이다.
개선된 전환 및 재포집 기술의 발전은 기계 제조업체들에 2050년까지 연간 350억 달러에서 400억 달러에 달하는 상당한 기회를 제공한다.
수소 사용
수소는 매우 다용한 용도로 사용될 수 있다. 기계 제조사들에 가장 큰 기회가 있는 응용 분야는 운송용 연료전지와 철강 산업의 공급원료로 사용되는 것이다. (보기 7 참조) 장기적으로 H₂는 전력과 열을 생산하기 위한 직접 연소에도 사용될 것으로 전망된다. 종합하면, 이는 기계 제조사들에 2050년까지 연간 800억에서 900억 달러의 잠재적 매출 상승효과를 가져다줄 것이다. 하지만 수소의 비용 효과성은 아직 기존 응용 분야에 비할 수준이 아니며, 몇몇 응용 분야에서는 다른 저탄소기술과 경쟁해야 한다.
운송. 트럭, 기차, 선박의 연료로써 수소는 많은 장점이 있다. 수소의 에너지 밀도가 더 높음을 감안할 때, 배터리 전기 시스템을 통한 직접 전기화보다 범위와 재충전 시간에서 상당한 우위를 보인다. 하지만, 운송 형태에 따라 업계의 기존 온실가스 배출량을 대체하는 저감 비용이 높을 수 있다.
전기분해 과정과 연료전지 사용 모두에서 불가피하게 수반되는 상당한 효율 손실 때문에, 직접적인 전기화가 왕복 효율성이 훨씬 더 높다. 배터리 전기 차량은 총소유 비용이 더 낮기는 하지만, 재충전 시간이 길고 배터리가 무거우므로 오히려 연료전지가 중량이 높고, 연료 소비가 많으며, 빠른 재충전을 필요로 하는 중장비 트럭, 광산 트럭, 굴착기와 같은 오프하이웨이(off-highway) 차량 또는 장거리 버스에 운영 우위를 가져다준다. 철도 운송에서, 연료 전지는 전력을 제공하는 가공 전차선을 사용할 수 없는 상황에서 친환경 대안을 제공하며 향후 10년 내에 디젤과 경쟁할 가능성이 크다. 특히, 도로 운송에 비해 인프라 관련 문제가 적기 때문, 즉 충전소가 덜 필요하기 때문이다. 현재 수소로 움직이는 최초의 기차가 이미 유럽에서 승객을 싣고 운영 중이다.
연료전지는 다른 운송 형태에도 사용될 수 있다. 페리와 같은 특정 형태의 선박에서, 일부 해안선 인근의 배출량 제한 가능성을 생각하면 바이오 연료의 친환경 대안이 될 가능성이 있다. 다른 형태의 운송에서도, 녹색 H₂에서 추출한 암모니아와 메탄올이 배터리 전기동력의 친환경 대안으로 선호될 수 있다. 물론 이런 응용이 2030년까지 대규모로 개발될 가능성은 작을 것이다.
운송 응용의 경우, 연료전지 기술은 이미 상당히 발전했고 정책 입안자들과 차량 제조업체들 모두 이를 대대적으로 홍보하기 시작했다. 운송 부문에서 수소의 사용은 향후 10년간, 매우 낮은 지점에서 시작했음에도 불구하고 빠르게 증가할 것으로 예상되며 결국 기계 제조사들에 2050년까지 연간 450억 달러에서 500억 달러가량의 시장 기회가 생겨날 것이다. 이 기회는 세 가지 영역으로 구분할 수 있다.
- 충전소. 대형 차량의 H₂ 수요가 연간 40메가톤에서 45메가톤으로까지 증가하면, 2019년 겨우 450개인 H₂ 충전소가 2050년까지 전 세계에 5만 개 이상 필요하게 될 것이다. 평균적으로, 충전소마다 연간 800에서 900톤의 H₂ 공급이 필요할 것이다. 이는 파이프라인이나 다른 수단을 통해 충전소에 수소를 일정하게 공급하고, 충전소에 H₂를 충분히 저장하고, 아마도 충전소 자체에서 H₂를 생산하는 방법 등을 통해 가능하다. 디젤이나 가솔린의 주유에 비해 충전 시간이 짧아지려면, H₂는 사전냉각 및 압축되어야 한다.
- 연료탱크. H₂로 차량을 구동하는 것은 세 가지 방법으로 실행될 수 있다. 엔진에서 H₂를 직접 연소하는 것, 연료전지에서 H₂를 전환해 전기를 생성함으로써 전기 엔진에 동력을 공급하는 것, 합성 연료나 e-연료로 전환해 연소 엔진을 가동하는 것이다. 처음 두 가지 방식은 H₂를 차량에 컴팩트하고, 안전하고, 저렴하게 보관할 수 있는 능력을 필요로 한다. 탱크는 고압을 견디고 완전히 밀봉될 수 있어야 한다. 기계 업체들의 기회에는 탱크와 탱크를 만드는 데 필요한 탄소섬유의 생산 공정을 개선하고 비용을 감소하는 것도 포함될 것이다.
- 연료전지. 아마 가장 큰 과제는 전기차 동력을 공급하는데 사용되는 고품질의 효율적이고 저렴한 연료전지를 개발하고 생산하는 것이다. 연료전지는 전기를 발생하는 수백 개의 개별 셀 멤브레인으로 만들어진다. 이는 스택에 결합하고 냉각 시스템, 압축기, 펌프, 제어 장치, 가스 유량 관리 시스템을 장착해 완전한 연료 시스템을 형성한다.
모두 합쳐, 연료전지는 기계 제조사에 많은 기회를 제공한다. 전지의 효율성, 내구성, 수명, 비용은 개선되어야 하며 전지를 만드는 데 사용되는 백금과 같은 귀금속의 양은 줄여야 한다. 이 금속이 재사용될 수 있도록 재활용하는 방법도 개발해야 한다.
현재, 연료전지는 대부분 시간이 많이 소요되는 수작업으로 만들어진다. 이 공정은 각각 2초 미만의 빠른 속도로 완전히 자동화되어야 하며, 이를 통해 공장은 높은 공차와 극도의 압력 속에서 연간 100만 개를 생산할 수 있어야 한다. 다양한 종류의 연료전지 스택과 시스템이 특정 응용을 위해 제조되어야 할 것이다. 이는 매우 복잡한 조립라인 설비에 대한 수요와 전체 연료 시스템에 들어가는 많은 부품을 제조하는데 필요한 설비의 수요를 증가시킬 것이다.
산업 공정. H₂는 다양한 산업 응용 부문에 사용될 수 있다. 화학산업에서, H₂는 이미 공급원료 생산에 사용되고 있어 이 산업에서 설비에 대한 시장 잠재력은 낮은 수준이다. 하지만, 녹색이나 청색 H₂를 사용하면 그 공정의 결과로 생성되는 온실가스 배출을 상당히 줄일 수 있다.
청색 H₂가 이 공정에 사용된다면, 깨끗한 청색 H₂를 생산하기 위해 증기 메탄 개질기를 재정비하고 탄소 포집 및 압축설비를 설치해, 현장에서 생산될 수 있다. 배출된 온실가스를 정제하기 위해 탄소 포집 설비와 멤브레인 기술을 제공하는 것은 기계 제조사들에 2050년까지 연간 50억에서 70억 달러에 달하는 비즈니스 기회를 창출해 줄 것이다.
철강 산업은 두 번째로 유망한 산업 응용 분야로 H₂는 직접 환원철을 생산하기 위한 환원제로 메탄가스를 대체할 수 있으며, 그 후 이를 전기 아크로에서 철강 생산에 사용할 수 있다. 전 세계 국가들이 파리협약을 준수한다고 가정한다면, 가습기 및 가스 건조 시스템은 물론이고 냉각, 열회복, 압축에 필요한 기기를 포함하는 이 시장의 가치는 2050년까지 연 160억 달러에서 200억 달러에 달할 것이다. 하지만 이 잠재력에 도달하기 위해서는 극복해야 하는 몇 가지 과제들이 있다. 여기에는 H₂를 사용해 만든 철강 품질의 향상, 현장 전해조를 통한 H₂ 공급의 역동적 관리, H₂ 기반 용광로 설계 및 환원 공정 최적화를 통한 시스템 전반의 효율성 개선 등이 포함된다.
마지막으로, H₂는 다양한 전력 및 열 생성 응용 분야에 사용될 수 있는데, 이 시장은 2050년까지 연간 총 80억에서 100억 달러에 달할 것이다. 예를 들어, 대형 고정형 터빈 엔진 및 발전기의 연소 연료로 사용되어 산업용 열을 생산할 수 있다. H₂ 연료 전지는 또한 분산화된 고정형 전력 응용에도 사용될 수 있는데, 전력을 생산하고 부산물로 생성된 열을 포집해 다른 산업 응용 부문에 사용할 수 있다.
수소 무대 진출
새롭고 급성장하는 부문에 진출하려는 여느 기업들처럼, 수소경제에 참여하고자 하는 제조업체들도 기술 발전과 비용경쟁력을 높이기 위한 노력 외에도 몇 가지 과제와 리스크에 직면한다. 이 장애물을 극복하기 위해서는 신중한 계획수립과 더불어 다른 참여업체들과 협력이 필수적이다.
규제의 불확실성. 수소 기술은 여전히 미숙한 단계이기 때문에, 시장의 지속적인 성장 여부는 강력한 규제 및 정책 지원에 따라 크게 달라질 수 있다. 기업들은 생산 및 시장 개발에 큰 투자를 하고 있으며 대부분 여전히 손실을 보고 있다. 관련된 리스크가 여전히 높은 상황에서 투자를 유지하기 위해서는 체력이 필요할 것이다.
온실가스 배출 세금, 총량 제한 배출권 거래제(cap-and trade), 시장규제, 관련 산업에 대한 직접지원 등을 통해 전 세계 정부들은 수소 가치사슬을 구성하는 데 중요한 역할을 하고 있고 이를 지속 가능하게 만드는 것에 일조하고 있다. 이런 노력은 수소 시장의 상승 잠재력을 상당히 증가시켜주지만, 정부가 수소 관련 지원을 계속할 것인지, 그리고 그 지원이 어느 정도 수준일지는 여전히 불확실하다.
참여기업들은 따라서 불확실한 정부 지원에 대비해 리스크를 경감하기 위한 몇 가지 대책 추진을 고려해야 한다. 지리적 다각화는 단일 시장에 대한 의존도와 개별 규제 및 정책 지원에 대한 노출을 줄여줄 것이다. 라이트하우스(lighthouse) 프로젝트의 공공기금 등을 통해 상대적으로 유리한 현지 정책이나 재정지원을 제안하는 지역들이 있다. 민간 투자자들 역시 이런 노력에 재정적인 지원을 할 수 있지만 그러기 위해서는 더 강력한 규제지원으로 뒷받침되는 더 확실한 사업성이 필요할 것이다.
투자 열풍. 투자자들이 수소 중심 기업들에 자금을 쏟아부으면서 매출은 작지만 강력한 성장 전망이 있는 순수 수소 기업들의 평가가치가 빠르게 상승하고 있다. 어떤 경우에는, 매출 대비 기업가치 배수가 50 이상으로 치솟고 있다. 결과적으로, 비유기적으로 성장하고자 하는 기존 기계업체들에는 거래 비용이 매우 비싸게 다가올 것이다. 이 기업들에 쏟아지는 자금으로 인해 기업의 경영진은 연구개발 및 생산에 막대한 투자가 가능하며 이 자본에 접근성이 없는 민간 기업들이 경쟁하는 것을 훨씬 더 어렵게 만들고 있다.
생태계 복잡성. 이 어려움을 가중하는 것은 수소 투자 구조 자체의 고도의 복잡성이다. 분석기술 제공업체인 델파이(Delphai)에 따르면, 현재 전해조와 이동 및 고정 연료전지 제공업체만 해도 그 수가 약 120개에 달한다. 그리고 이들 중 3분의 2가 지난 20년 동안 이 시장에 진입했다. 보기 8을 보면 알 수 있듯이, 많은 수의 기업들이 PEM에 주력하고 있다. 비록 더 성숙한 알카라인 기술에 비해 자본지출이 더 높기는 하지만, PEM은 모빌리티 응용에 있어 가장 유망한 기술로 여겨진다.
시장의 복잡성을 고려할 떄, 기업들은 우선 진출할 부문을 결정해야 한다. 이 결정은 다음의 몇 가지 고려사항을 기반으로 이루어진다.
- 회사가 제공하는 구체적인 기술 노하우는 무엇인가? 이 기술이 지금 투자를 시작하거나 계속해서 투자할 만큼 중기적으로 성숙할 것으로 예상하는가?
- 가장 큰 가치를 창출하기 위해 회사의 기술을 가장 효과적으로 응용할 수 있는 용도는 무엇인가?
- 기업의 기술 및 시장 니즈를 고려할 때 가장 전망 있는 지역은 어디인가? 지역의 경쟁 구도를 감안할 때 업체가 해당 시장에서 거점을 확보한 것은 얼마나 어려울 것인가?
잠재적인 참여업체가 선호시장을 선택한 후, 어떻게 참여할지에 대한 몇 가지 선택지가 있다. (‘유망 전략 방안’ 참조)
유망 전략 방안
많은 파트너십과 합작투자가 각각 자신만의 파트너 구성, 전문 분야, 전략적 목표로 수소 시장 전반에서 부상했다. 기계 제조업체들에 가용한 협업 옵션은 아래에서 사례와 함께 살펴보듯이 크게 4개 카테고리로 구분된다.
- 확장을 위한 협력. 유사한 응용 부문을 지원하는 보완부품 제조사들은 파트너십을 통해 생산이슈를 해결하고 규모를 확대할 수 있다. EKPO 퓨얼셀 테크놀로지(EKPO Fuel Cell Technologies)는 엘링클링거(ElringKlinger) 와 플라스틱 옴니엄(Plastic Omnium)이라는 두 자동차 부품제조사의 합작사로 연료전지 스택과 시스템뿐 아니라 고압 탱크를 생산한다.
- 역량을 위한 파트너십 체결. 업체들은 역량을 상호보완하기 위해 협력할 수도 있다. 예를 들어 관련 산업의 기존 기업들이 가치사슬 전반의 부품 공급업체와 협력해 고유한 노하우를 확보하고 완전 시스템을 구축할 수 있다. 보쉬(Bosch)는 연료전지 제조사인 파워셀(PowerCell)과의 협력을 통해 생산 전문지식과 기존 고객기반을 파워셀의 스택기술과 결합하고 있다.
- 네트워크 구축. 두세 개의 업체들이 컨소시엄 형태의 파트너십을 형성해 가치사슬을 따라 다양한 연결된 상품을 공급할 수 있다. 예를 들어, 수소 기반 전력 시스템 제조사들은 완전한 수소 기반 생태계를 구성하는 기업들과 합작 투자를 통해 상품을 홍보할 수 있다. 현대 하이드로젠 모빌리티(Hyundai Hydrogen Mobility; 현대 자동차와 H2 에너지(H2 Energy)의 합작사)는 하이드로스파이더(Hydrospider; 알픽(Alpig), H2 에너지, 린데(Linde)와 수력전기, 전해조, 유통을 위한 합작투자사)와 파트너십을 맺고 연료전지 기반 트럭을 제조 및 대여하고 이들에게 필수적인 재충전 인프라를 제공하고 있다.
- 현지 네트워크 구성. 연료전지와 같은 설비 제조업체들은 고객사들과의 협력을 통해 독립적인 현지 고객 중심 네트워크를 형성할 수 있다. 그 예로, 플러그파워(Plug Power)는 H2, 연료전지, 재충전 기술을 다양한 고객기반을 통해 교차 판매하는 것을 목표로 하고 있다.
- 유기적 성장을 목표로 하는 기업들은 구체적인 전문분야에 따라 수소 가치사슬에서 가장 전망 있는 연결고리에 집중해야 한다. 이는 밸브와 같은 특정 부품 공급업체와 전해조, 충전소, 혹은 모빌리티 응용 등 완전 시스템 제공업체 모두에 해당한다. 일례로, 캐나다 연료전지 제조업체인 발라드(Ballard)는 기차는 지멘스(Siemens), 버스는 밴 훌(Van Hool), 상업 차량은 웨이차이(Weichai) 등 몇몇 모빌리티 업체와 파트너십을 맺어 연료전지 전문기술을 특정 교통수단의 노하우와 결합했다.
- 수소 시장에 처음 진출하거나 인수를 통한 성장을 목표로 하는 기업들은 신흥 세그먼트에서 빠르게 움직여야 한다. 또한, 현재의 높은 평가 가치를 감안할 때, 일반적으로 선호되는 M&A 프로필에 일치하지 않는 덜 성숙한 기업에 높은 금액을 지불하거나 조기에 참여할 준비가 돼 있어야 한다. 따라서, 의식적인 트레이드오프가 필요하다.
- 많은 기업이 파트너십 혹은 합작회사를 설립하는 것을 선호할 가능성이 크다. 둘 중 어느 형태의 거래라도 더 신속하고, 더 지속 가능한 성장과 네트워크 효과의 증대를 촉진할 수 있을 것이다.
시장의 현재 역학구조를 감안할 때, 신속히 움직이는 것이 현명할 것이다. 평가 가치는 계속해서 상승해 기업들이 연구개발 및 생산에 대규모 투자를 지속할 수 있게 해 줄 것이며 잠재적 파트너사들을 찾는 것은 더욱 어려워질 것이다. 마지막으로, 코로나19 팬데믹이 잠잠해지면, 경제 활성화를 위한 상당한 양의 공적자금이 친환경 기술에 집중될 것으로 보인다.
기업들은 수소 시장에서 가용한 가치를 최대한 많이 차지하기 위해 두 가지 접근법을 고려해야 한다. 한편으로는, 우수한 기술을 통해 자신을 차별화할 수 있다. 예를 들어, 개별 부품의 비용을 낮추고 효율성을 증대하며 다양한 H₂ 응용에 필요한 시스템을 최적화할 기회가 존재한다. 모든 성능개선은 직접적으로 고객들에게 비용 절감을 의미하며 이는 수소를 대규모로 경제성 있게 만드는 중요한 요인이다.
다른 한편으로, 기업들은 제공하는 서비스와 서비스 제공방식에서 앞서나가기 위해 노력할 수 있다. ‘서비스형 설비(equipment as a service)’와 같은 새로운 비즈니스 모델이 이미 실험 중이다. 한 예로, 니콜라(Nikola)는 수소 동력 트럭을 시간 단위로 대여할 계획이다. 플러그파워는 고객들에게 통합 솔루션을 개발해 전해조와 지게차에 연료전지를 제공하고, 유통센터 운영업체들에 재충전 인프라와 서비스를 제공하고 있다.
노력의 시작
수소 생태계는 아직 걸음마 단계지만, 연간 무려 6기가톤의 온실가스를 급감할 수 있는 잠재력을 가졌으며 2050년까지 전 세계 평균 기온상승을 2°C 이하로 유지하려는 파리협약의 목표에 크게 기여한다. 2050년까지 2,000억 달러 이상의 연간매출 기회를 창출하는 이 목표의 달성 여부는 수소 관련 기계, 설비, 부품 제조업체들에 달려 있다.
수소의 잠재력을 완전히 활용하는 것은 상당한 도전과제와 리스크를 동반한다. 많은 기술적 장벽이 남아있고 시장은 매우 세분되어 있으며 당분간 확실한 승자가 등장할 것 같지는 않다. 더 큰 진전 역시 정부 보조금과 지원정책 및 규제에 따라 상당히 달라질 것이다.
하지만, 기계 제조업체들은 수소의 밝은 미래에 동참으로써 많은 이득을 얻을 수 있을 것이다. 조언하자면, 곧 혁신을 시작하고, 기술적으로 우수하고 비용 효율적인 상품을 만들기 위해 노력하며, 생태계 활동과 규모 효과에서 우위를 찾아야 한다.
참조
¹ 저탄화 수소는 최소량의 온실가스를 배출하는 방식으로 생산되는 수소를 말한다. 자세한 내용은 ‘저탄소 수소 만들기’ 참조.
² IEA Sustainable Development Scenario의 더 빠른 혁신 케이스를 기준으로 계산한 수치이다.
³ 지난 연구조사에서, 대한민국과 멕시코를 제외한 OECD 34개국과 BRIC(브라질, 러시아, 인도, 중국) 4개국을 포함했다. 온실가스 배출량은 모든 온실가스의 지구온난화 가능성을 일관되게 정의하는 이산화탄소 환산량(CO₂-e) 기준으로 표시된다. 예를 들어 메탄은 CO₂ 보다 지구온난화 가능성이 28배 더 크다.
