수소 어디에 투자해야 할까? | SOFC, PEMFC, 수소 가스터빈 관련주

수소산업의 밸류체인과 수소 종류

수소 에너지의 밸류체인은 크게 수소의 공급, 수소의 저장과 운송, 수소를 통한 발전으로 나눌 수 있습니다.

수소의 공급은 수소를 생산하는 방식에 따라 그레이수소, 블루수소, 그린수소 등으로 나누어지며, 저장과 운송에는 기체 상태, 액화, 암모니아를 활용한 방식 등이 있습니다.

그리고, 마지막 다운스트림에 있는 수소발전 단계에는 현재 연료전지 방식과 수소 터빈 방식 등이 있습니다.

미래 도달 시장의 규모와 각각의 영역에서의 경쟁강도와 진입장벽 등을 고려할 때, 전체 수소 산업 밸류체인에서 가장 주목할 부문은 발전부문으로 평가됩니다.

SK에코플랜트의 그린수소 밸류체인 (출처 : SK에코플랜트)

연료전지는 수소와 산소의 결합을 통해 화학적으로 전기를 생산하는 시스템입니다. 온실가스나 대기오염물질을 전혀 배출하지 않는 방식으로, 소음도 없고 전기를 만들 때 함께 발생하는 열에너지까지 포함한다면 매우 높은 에너지 효율을 가지고 있습니다.

수소 연료전지는 이차전지와 비슷하게 양극, 음극, 전해질 등 3가지 주요 부품으로 구성되며 수소를 촉매를 통해 전자와 수소 이온으로 분해하는 것이 가장 중요한 발전 과정입니다. 한 마디로 전기화학 방식으로 전기를 생산한다고 요약할 수 있습니다.

연료전지는 다시 PEMFC(고분자전해질), PAFC(인산형), MCFC(융용탄산염), SOFC(고체산화물) 방식 등으로 구분됩니다.

보통 현대자동차의 넥소와 같은 수소전기차와 주택용은 PEMFC(고분자전해질) 방식이 사용되고, 발전용에는 SOFC(고체산화물) 방식이 최근 주목을 받고 있습니다.

기업으로 보면 한국의 두산퓨얼셀, 에스퓨얼셀은 PEMFC(고분자전해질) 기술에, 미국의 블룸에너지는 SOFC(고체산화물)에 특화되어 있습니다.

국내 기업중에서는 미코파워와 범한퓨얼셀도 SOFC 연료전지를 제조하고 있으며, 두산퓨얼셀도 SOFC 시장에 진출했습니다.

수소터빈발전 방식은 수소를 가스처럼 사용하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 전통적인 방식입니다. LNG화력발전과 동일한 방식으로 기존 발전 인프라의 대부분을 사용할 수 있고 대규모로 에너지를 공급할 수 있다는 장점이 있습니다.

이미 국내 LNG발전소에서도 LNG에 수소를 5~10% 정도 일부 혼소 주입하는 방식으로 에너지 효율을 올리고 탄소 배출을 저감하는 방식을 사용하고 있기도 합니다.

현재 100% 수소 가스터빈은 실험실 단계에서만 개발된 상태로, 빠르면 2030년 이후 발전시장에서 상용화가 시작될 것으로 전망되는 상황입니다.

하지만 전기화학적 반응으로 수소를 만드는 것이 아니라 연소라는 과정을 거치면서 유해 물질인 NOx(질소산화물)가 배출된다는 문제를 안고 있습니다. 따라서 탄소포집처럼 발전과정에서 NOx(질소산화물)를 처리하는 공정이 수반됩니다.

기존 LNG발전에 혼소 주입하는 것이 아니라 수소를 주 원료로 사용하고자 할 때 가장 큰 문제는 터빈 제작의 기술적 난이도입니다. 가스터빈은 항공기 엔진과 함께 기계공학에서 가장 난이도가 높은 분야로 평가됩니다.

GE의 가스터빈 (출처 : GE리포트코리아)

두산중공업이 LNG가스터빈 개발에 성공한 것으로 알려져 있지만, 글로벌 LNG가스터빈은 여전히 미국(GE), 일본(MHPS), 독일(Siemens) 등 소수의 나라에 의해 독점되고 있는 상황입니다.

데이터센터 공급 등으로 미국의 수소 관련 기업들의 실적이 개선되고 있고, 최근 삼성물산과 현대건설이 수소 사업을 신규 사업으로 정관에 반영하는 등 수소 생태계가 재차 성장하는 모습이 감지됩니다.

현재 수소 산업은 자동차보다는 발전 시장을 중심으로 시장의 관심을 받고 있습니다. 전력부족, 노후화된 송배전 시설 등이 이슈가 되면서 이를 해결하는 수단으로 SOFC방식의 수소 연료전지가 주목받는 것입니다.

천연가스를 연료로 사용할 수 있고 즉각적인 시장 대응이 가능한 SOFC 방시의 연료전지가 향후 수소 발전의 메인이 되고, 장기적으로 거대 발전소에서는 수소 터빈이 활용되는 그림을 예상해볼 수 있습니다.

물론 소규모 가정용과 자동차에서는 한국 기업들이 경쟁력을 가지고 있는 PEMFC(고분자전해질) 연료전지가 여전히 주가 될 것으로 전망됩니다.

재생에너지의 확대와 함께 그린수소의 생산단가가 낮아지고 일각의 기대처럼 땅속에서 자연발생 한 수소를 채굴하는 천연수소가 현실화되면 거대한 수소시장이 보다 빨리 현실화될 것입니다.