한화솔루션

한화솔루션은 케미칼 사업부문에서 수전해설비 기술개발을 진행하고 있다. 수전해설비는 기존 태양광발전 사업을 활용하여 그린수소를 생산하는 메인 기술이라고 할 수 있다 현재 상업화된 기술은 알카라인과 고분자전해질 PEM 방식인데 동사는 이두가지 방식의 장 점 을 접목한 음이온교환막 AEM) 기술을 개발하고 있다 기존 기술개발보다 전력 소모가 적고 전력 변화에 대한 대응이 빨라 재생에너지로 생산된 전력을 활용하기 용이한 것으로 알려지고 있다 2023년 기술개발을 완료하고 2024년 상업화를 목표하고 있다.

이외에도 첨단소재 사업부문은 2020년 12월 미국 고압탱크 제작업체인 시마론 Cimarron 을 인수하여 한화시마론을 설립하였다 기존 CNG 탱크 사업 외에도 수소탱크사업을 통해 수소 저장사업으로 확대할 계획 이다 또한 계열사 한화파워시스템은 압축기와 충전소 사업을 추진하고 있 으며 한화임팩트는 수소 혼소 가스터빈 개조사업을 추진하고 있어 생산부터 저장 유통 활용까지 수소사업 밸류체인을 완성할 것으로 기대된다 수소기술 관련회사인 미국 PSM 과 네덜란드 ATH 를 인수하며 가스터빈 기술 을 개발 중에 있다.

한화솔루션은 태양광발전을 위한 셀 모듈을 생산과 태양광 발전사업도 영위하고 있으며 PVC 생산공정 중 하나인 CA( Chlor Alkali) 공정을 통해 부생수소를 생산하고 있기 때문에 중장 기 에너지 전략인 수소사업 과의 시너지 효과가 클 것으로 예상된다 향후 수전해기술 개발과 저장 및 유통사업을 본격화하여 2025 년 수소사업 관련 매출은 1.8조원을 목표하고 있으며 투자금액은 5천억원으로 계획하고 있다

향후 한화큐셀의 차세대 고효율 태양광셀인 페로브스카이트를 기술을 통한 텐덤셀의 양산화를 통해 기존 태양광셀의 이론 한계 효율을 29% 에서 44% 까지 달성하게 된다면 더욱 저렴한 전기료 생산이 가능할 것이다. 또한 최근 프랑스 재생에너지 기업 REC 프랑스 지분 인수와 REC 실리콘 지분 인수를 통한 미국산 저탄소 폴리실리콘 확보를 통해 태양광을 이용한 그린수소 생산에 있어 선도기업이 될 가능성이 높다고 판단된다.

롯데케미칼 

롯데케미칼은 2030년에 청정수소 120만톤 생산을 목표하고 있다 국내에 부생수소로 15만톤을 생산하며 해외에서 청정수소를 105만톤 생산할 계획이다 이는 지난해 7월에 발표한 2030년 청정수소 60 만톤 대비 약 두 배 늘어난 계획이다 국내 정부의 2030년 청정수소 생산량 목표도 늘어나면서 사업 목표도 시장점유율 30% 에 맞춰 확대한 상황이다.

비싼 전기료로 인해 해외에서 청정수소를 주로 생산할 계획이다 지난 해 11월에 기 발표한 말레이시아 프로젝트를 보면 탄소포집기술을 활용하여 천연가스를 원료로 블루 암모니아를 생산하며 수력을 이용하여 수전해 그린수소를 생산한 후 암모니아로 전환하여 국내로 운송 될 예정이다 참여사는 SEDC(사라왁주 공기업), 포스코, 삼성엔지니어링이다 이외에도 암모니아 사업 경험이 있는 자회사 롯데정밀화학과의 시너지가 더해질 것으로 예상된다 수입된 암모니아는 암모니아 혼소 발전에 직접투입하거나 수소로 재 전환 되어 수소 혼소발전과 수소 모빌리티에 공급 될 계획이다

이외에도 수소연료탱크 Type4 기술을 보유하고 있어 롯데알미늄의 인천공장 부지를 활용해 파일럿 설비를 짓고 있다 과거 수소탱크를 2022 년 5 천개 2025년 10만개 , 2030년 50만개로 확대한다고 밝힌 바 있다 활용 측면에서도 Air Liquide 와 SK가스와 JV 를 통해 2023 년 기체수소충전소를 시작으로 2025년 액체수소충전소를 구축할 예정이다 SK 가스는 기존 490 여개의 LPG 충전소를 보유하고 있어 부지 활용이 가능할 것으로 기대된다 또한 SK 가스와 JV 를 통해 연료전지 발전 및 수소터빈발전 사업을 확대할 것으로 예상된다

SK

SK는 2025년 세계 1 위 수소기업 달성을 목표로 수소 생태계 조성에 18.5 조원을 투입할 계획이다 이를 위해 수소 대량 생산체제 구축과 밸류체인 구축 글로벌 기업과의 파트너쉽을 통해 수소사업을 확장하고 있다 특히 수소생산은 2023년 3만톤을 시작으로 2025년까지 28만톤의 수소 생산능력을 갖출 계획 이다. 

계열사 SK에코플랜트는 2020년 1월 미국 블룸에너지와 합작사 블룸 SK 퓨얼셀(블룸에너지 지분 51%) 을 설립하여 2020년 10월부터 고체산화물(SOFC) 연료전지를 경북 구미에서 생산하고 있다 연료전지 외에도 130 kw 규모의 고체산화물수전해기(SOEC) 를 활용한 수소 생산 실증에 성공한 상황이다

SK 와 SK E&S 는 2021년 1월 1.85조원을 투자해 미국 PlugPower 지분 10% 를 확보해 최대주 주에 올랐 다 플러 그 파워는 수소 밸류체인 내 수직계열화된 선도업체이다

이후 2022 년 1 월 에는 PlugPower 와 아시아 합작법인(Halo) 설립 하며 공동투자를통해 인천 청라 첨단산업단지 에 연료전지와 수전해설비 기가팩토리 생산공장을 건설 중이다. 2024 년부터 제품 양산과 국내 판매를 시작으로 향후 아시아 시장으로 진출을 확대할 계획이다

SK는 2021년 3월, 세 계 최초 청록수소 생산기업인 모놀리스(Monolith) 를 투자해 다양한 청정수소 생산능력을 늘려가고 있다 청록수소는 메탄과 천연가스를 고온의 반응기에 주입해 수소와 고체탄소로 분해하는 방식으로 생산되는 수소이다 참고로 모노리스는 2021년 6월 미국 네브라스카주에 세계 최초 청록수소 상업화 생산시설을 완공해 운영 중이며, 연간 5천톤의 수소와 1.5만톤의 고체탄소를 생산하고 있다향후 연간 수소 6만톤 고체탄소 18만톤까지 확대할 계획을 밝힌 바 있다. 결론적으로 SK는 합작사와의 전략적 제휴를 통해 수전해설비와 연료전지를 생산 하며 SK E&S의 기존 LNG 사업에 탄소포집저장기술을 활용한 블루수소 , 고체탄소를 생산하는 청록수소까지 청정수소 사업 영역이 확대될 것으로 기대된다 또한 합작사와의 전략적 제휴를 통해 사업 속도가 가장 빠를 것으로 예상된다 .

1) 알카라인 Alkaline Electrolysis)

알카라인 방식은 가장 빠르게 상업화된 기술로 저렴한 설치비용으로 가장 많이 설치되고 있다 다공성 분리막을 산화전극 anode) 과 환원전극 cathode) 사이에 설치하고 알칼리 용액 KOH, NaOH) 을 주입하여 전압과 전류를 가하면 산화반응이 발생하면서 산화 및 환원전극에서 각각 산소와 수소가 발생하는 원리다. 장점은 비교적 단순한 구조로 안정적이며 저가의 비귀금속계 촉매 니켈 철 코발트 몰리브덴 등 가 사용되어 경제성이 높고 수명이 길다는 점이다 반면 단점으로는 전류밀도가 낮아 응답성이 느려 시동 소요시간이 길고 , 전해액 보충이 필요하기 때문에 수소 순도가 낮다 또한 다공성 분리막의 구조적 한계로 고압 및 차압 운전 시 기공을 통한 가스 크로스오버 현상이 발생하며 수소 생산 효율이 낮다는 점이다.

2) 고분자전해질막 PEM, Polymer Electrolyte membrane Electrolysis

고분자전해질막 방식은 고압상태에서 구동이 가능하고 양성자 H 를 이동시켜 수전해 반응을 유도하는 방식이다 산화전극에 물이 공급되어 수소이온 산소기체 ,전자로 분리되고 , 수소이온은 전해질막을 통과하여 환원전극으로 이동한다 이 과정에서 전자와 반응이 일어나 수소가 생산된다. 장점은 전류밀도가 높아 10 초 이내의 짧은 시동 소요시간이 걸리며 , 전해액을 사용하지 않아 수소의 순도가 높다 또한 알카라인 대비 소형화가 가능하여 수소차에 주로 쓰이고 있다. 단점은 고압 구동조건으로 높은 내구성과 내열성이 요구되기 때문에 단가가 비싸다. 전해질막인 Nafion 막은 이온전도도가 높고 기계적 화학적 안정성이 입증되었으나 80 도 이상의 고온 운전시 기계 적 강도가 낮아지며 , 이온전도도가 급격하게 낮아지는 문제점이 있다. 또한 기체 크로스오버가 발생하는데 음극의 백금 촉매에서 수소와 산소의 직접적인 반응이 일어나게 되며 이때 반응열로 분리막의 고분자 주쇄와 전극 촉매층의 파괴가 일어난다 따라서 PEM 수전해

의 안전한 고압운전 50~100bar) 을 위해선 분리막의 적절한 두께가 요구된다.

3) 고체산화물 SO, Solid Oxide Electrolysis)

고체산화물 방식은 700 도 이상의 고온에서 운전 가능하며 고체산화물을 전해질로 사용하여 수증기를 분해하는 기술로 대형 수전해 시스템에 적용 가능하다 세라믹 등 이온전도성 고체산화물을 이용 기체 상태의 수증기를 분해하는 방식이다. 장점은 고온을 이용하기 때문에 에너지효율과 전류밀도가 높다 즉 기체상태의 수증기를 분해하는 방식으로 상변화 고체→액체 또는 액체→기체 로 인한 잠열이 없다 또한 고체산화물의 전해질을 사용하기 때문에 부식에 대한 내구성이 뛰어나고 전해액을 보충할 필요가 없어 유지보수가 용이하다. 단점은 상대적으로 시동 소요시간이 길며 , 수증기를 고온으로 가열하는데 추가 열원이 필요하고 고온에 따른 고체전해질에 대한 열적안정성이 요구된다 소규모 시스템의 실증단계를 진행하고 있으며 상용화되지 않은 상황이다

4) 음이온교환막 AEM, Anion Exchange Membrane Electrolysis

음이온교환막을 전해질로 이용하는 수전해방식이다 앞서 설명한 PEM 방식과 유사하게 기공이 없는 조밀한 형 태의 분리막을 이용하여 산화 및 환원 전극을 물리적으로 분리시키지만 이온 전달 매개체로서 양이온이 아닌 음이온을 이용한다는 점에서 차이 점이 있다 또한 알칼리 환경에서 운전이 되기 때 문에 적용 가능한 촉매 범위와 분리막의 내구성이 중요 하다. 기존 PEM 수전해 는 산성 조건에서 구동되기 때문에 부 식성이 매우 커 전극 선택이 제한적이며 이로 인해 값비싼 백금계 촉매가 사용 된다 그러나 음이온교환막 수전해는 부식 성이 약한 알칼리 환경에서 구동되기 때문에 기존 고분자전해질막 수전해의 장점을 가지면서도 동시에 비싼 백금계 촉매가 아닌 니켈과 같은 비 귀금속계 촉매를 사용할 수 있다는 점에서 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 결론적으로 저가 촉매를 사용함으로써 원가를 낮출 수 있고 저전력에서도 잘 작동하며 압축기 없이도 고압에서 작동이 가능해 효율 및 순도가 높다 이로 인해 소형화가 가능하다 그러나 촉매와 음이온교환막의 성능이나 신뢰도가 아직은 부족한 상황으로 상용화를 위한 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있다

국내 수소 생산은 2018 년 기준 171만톤으로 전세계 비중 1.5% 에 불과하다. 정유공정 75%, 납사분해공정 13%, 천연가스 개질 6%, CA( Chlor Alkali, 클로르 알칼리 공정 3% 순으로 생산된다 대부분 정유공정 원료로 재투입되며 전체 생산량의 14% 인 24 만톤만 외부 판매되고 있다 외부로 유통된 수소는 석유화학 전자재료 반도체 , 금속공업에 사용 되고 있다

국제에너지기구(IEA)에 따르면 2018년 기준 수소 생산은 약 1.17억톤이며 이중 계획 생산되는 수소는 0.69억톤으로 약 60%의 비중이며, 부산물로 생산되는 수소는 0.48억톤으로 나머지 40%를 차지한다. 원료별로는 천연가스 개질방식 비중이 41%로 가장 높은데 이는 경제성이 가장 높기 때문이다. 다음으로 석탄가스화 방식이 15%이다.

먼저, 천연가스 개질방식은 SMR(Steam Methane Reforming)설비를 통해 천연가스(CH4)에서 H2와 CO 또는 CO2를 분리하는 방식이다. 참고로 개질은 열이나 촉매반응을 통해 성질이나 구조를 변화시키는 것을 의미한다. 세계 천연가스 소비의 약 6%를 차지하며, 주로 천연가스 공급 여건이 유리한 국가에서 높은 생산능력을 보이고 있다.

석탄 가스화 방식은 석탄에서 합성가스를 추출하고 고순도 수소를 전환하는 방식이다. 세계 석탄 소비의 약 2%를 차지하며, 갈탄의 가스화를 통해 생산되며 석탄가스 복합화력발전(IGCC) 기술이 활용되고 있다.

부생수소는 산업공정에서 발생하는 혼합가스에서 분리, 추출되는데 주로 정제/화학,철강 공정에서 발생하는 합성가스(synthesis gas)에서 탈수(dehydration) 및 고순도 공정을 거쳐 수소를 추출하는 방식이다. 수요처가 대부분 정해져 있기 때문에 신규 소비처에 공급되기에는 물량이 제한적이다.