[월간수소경제 박상우 기자] ‘궁극의 친환경 수소’라 불리는 그린수소를 생산하는 방식 중 대표적인 방식이 바로 수전해다. 수전해는 물을 전기분해해 분리막으로 이온을 이동시킴으로써 수소와 산소를 생성하는 전기화학적 기술을 말한다.
수전해는 1800년 영국에서 처음 개발돼 1902년 상용화에 성공했으며 크게 염기성 액체 전해질을 사용하는 알칼라인(AEC), 양성자 교환막을 사용하는 고분자전해질(PEM), 알칼라인과 PEM 수전해시스템의 장점을 결합한 음이온교환막(AEM)으로 나뉜다.
AEC는 전기 전도도를 높이기 위해 전해질로 알칼리성 물질인 수산화칼륨(KOH)이나 염화나트륨(NaCl)을 사용하고 분리막을 통해 음이온을 이동시키는 기술로, 여러 수전해 기술 중 가장 일찍 상용화됐다. 설비 투자비가 낮으나 다른 기술 대비 수소생산성이 낮고 설비 자체 크기가 크기 때문에 상대적으로 넓은 부지를 필요로 하고, 그린수소 생산을 위해 재생에너지와 연계했을 때 전력생산 변동성에 대응하기 어렵다는 단점이 있다.
PEM은 전해질 없이 순수한 물을 전기분해해 분리막을 통해 양이온을 이동시키는 기술로 최근 재생에너지와 연계한 수소생산 기술로 주목받고 있다. AEC 기술 대비 수소 생산성이 높고 재생에너지와 연계했을 때 변동성에 대응이 쉬우며 설비 설치에 필요한 부지 면적이 작으나 설비 투자비가 많이 든다.
AEM은 AEC와 마찬가지로 알칼리성 물질인 KOH를 전해질로 사용하고 분리막을 통해 음이온을 이동시키는 기술로, AEC와 PEM의 장점을 두루 갖추고 있다. 또 수소 생산성과 전력 변동성에 대한 대응, 설비 투자비 측면에 장점이 있고 설비 설치에 필요한 부지 면적도 작아 현재 차세대 기술로 주목받고 있다.
국제에너지기구(IEA)에 따르면 2021년까지 세계 곳곳에 구축된 수전해 설비용량은 513MW이며 올해 5,517MW까지 급증할 것으로 본다. 지금까지 발표된 프로젝트가 모두 실현되면 2030년에는 최대 240GW에 이를 것으로 전망된다. 또 2021년 기준 연간 세계 수전해 생산능력은 약 8GW이며 각 업체가 설정한 생산능력을 확보하면 2030년 65GW까지 증가할 것으로 예상된다.
현재 세계 수전해시스템 시장은 노르웨이의 넬(Nel), 벨기에의 존코커릴(John Cockerill), 프랑스의 맥피(McPhy), 독일의 선파이어(Sunfire), 미국의 텔레다인, 캐나다 하이드로제닉스 등 유럽과 미국이 선도하고 있다.
독일 국제안보문제연구소에 따르면 현재 글로벌 수전해 생산용량의 60%, 세계 곳곳에 구축된 수전해 설비용량의 40%, 수전해 관련 특허의 약 40%를 유럽이 확보했다.
그런데 최근 중국업체들이 중국 정부의 전폭적인 지원을 받으며 수전해 시장 판도를 흔들고 있다.
중국 수전해 업체의 약진
2022년 11월 에너지 전문 리서치 업체 블룸버그NEF(이하 BNEF)는 글로벌 수전해 생산능력을 분석한 보고서를 내놓았다.
BNEF는 현재 2GW에 불과한 글로벌 수전해 생산능력이 8년 뒤에는 242GW까지 급증할 것으로 내다봤다. 이를 주도할 업체로 론지(LONGi Green Energy Technology), 존코커릴, 플러그파워, ITM파워, 티센크루프를 뽑았다.
이 중 주목되는 곳이 바로 중국의 론지다. 이 업체는 세계 최대 태양광 모듈업체다. 실례로 론지는 지난 2020년 6월 새로운 태양광 모듈인 ‘하이모(Hi-MO) 5’를 출시, 2년 만인 2022년 12월 글로벌 누적 공급용량 50GW, 누적 공급패널개수 1억 개를 돌파했다. 이를 통해 세계 182mm 태양광 모듈 시장점유율을 2020년 2%에서 2022년 60%로 확대했다.
태양광 모듈 시장에서 큰 성과를 낸 론지가 수전해 시장에서도 두각을 보일 것으로 BNEF는 전망했다.
론지는 지난 2021년 3월 중국 장쑤성 우시에 수소생산장비 전문 자회사인 론지 하이드로젠(LONGi Hydrogen)을 설립하고 첫 번째 수소생산장비 제조공장을 세웠다. 그해 10월에는 1,000Nm3/h급 알칼라인 수전해시스템도 출시했다.
우시 공장의 연간 생산능력은 2022년 기준 1.5GW로, 2022년 세계 수전해 생산능력 15.2GW의 9.8%에 달한다.
이는 세계 1위다. 론지는 올해 생산능력을 2.5GW까지 끌어올릴 예정이다. 이는 2023년 세계 수전해 생산능력 예상치인 31.1GW의 약 8%에 해당하는 것으로 플러그파워, ITM 파워, 존코커릴과 비슷할 것으로 예상된다. 이르면 2025년에는 최대 10GW까지 늘어날 것으로 전망된다.
이런 가운데 론지 하이드로젠은 지난 2월 14일 중국 상하이에서 차세대 알칼라인 수전해시스템인 ‘ALK Hi1’을 공식 출시했다. BNEF는 이 시스템이 경쟁업체가 내놓은 제품보다 가격이 최대 75% 저렴하면서도 효율과 성능은 비슷한 수준이라고 분석했다.
ALK Hi1의 전부하(Full-load) DC 전력 소비량은 4.3kWh/Nm3이다. ALK Hi1 플러스의 경우 더 긴 활용 시간을 요구하는 수소생산 시나리오에 대응하기 위해 4.1kWh/Nm3까지 전력 소비량을 낮췄으며, 전류 밀도가 2,500A/m2인 경우에도 수소생산 효율이 4.0kWh/Nm3에 달한다. 현재 모든 수전해 설비의 전부하 DC 전력 소비량이 4.5~4.6kWh/Nm3인 것을 감안하면 에너지 효율이 높다고 볼 수 있다.
무엇보다 유럽산 수전해 설비와 비슷하거나 높다. 넬 A3880의 전부하 DC 전력 소비량은 3.8~4.4kWh/Nm3, 존코커릴의 DQ1000는 4.16~4.66kWh/Nm3, 선파이어의 하이링크는 4.7kWh/Nm3이다.
PEM, AEM 등 다른 유형의 수전해와 비교하면 월등하다고 볼 수 있다. 플러그파워의 GenFuel 4MW PEM은 5.2kWh/Nm3, 넬의 M5000 PEM은 4.53kWh/Nm3, 인앱터의 AEM EL 2.1은 4.8kWh/Nm3이다.
DC 전력 소비량이 0.1kWh/Nm3만 줄어도 시스템 가동 시간에 따라 균등화 수소원가(LCOH)를 1.8~2.2% 절감할 수 있다. 이는 수소생산장비 초기 투자비용을 10~25% 절감한 것과 같다. 예를 들어 ALK Hi1의 연간 가동 시간이 약 4,300시간이라고 가정하면 LCOH가 2.7% 감소해 연간 전기료가 6.4달러 절감되는데, 이는 초기 투자비용을 25% 절감한 것과 맞먹는다.
ALK Hi1 플러스는 이같이 높은 전력 효율을 바탕으로 수소 1kg 생산에 44.5~45.6kWh의 전기가 든다. 효율성은 수소고위발열량(HHV) 대비 최대 88.5%다. 이는 유럽산 수전해 설비와 비슷하거나 뛰어넘는 것이다.
넬 A3880은 수소 1kg 생산 시 42.3~49.0kWh의 전기를 쓴다. 효율성은 HHV 대비 최대 93.2%다. 존코커릴 DQ1000는 수소 1kg 생산 시 46.3~51.8kWh의 전기를 사용해 효율성은 HHV 대비 최대 85.1%다. 선파이어 하이링크는 수소 1kg 생산 시 52.3kWh의 전기를 사용하며 효율성은 HHV 대비 최대 75.3%다.
BNEF는 이를 통해 론지의 ALK Hi1 플러스가 선파이어 하이링크보다 1kWh당 15% 더 많은 수소를 생산할 수 있다고 분석했다.
여기에 가격이 유럽산보다 저렴하다. BNEF에 따르면 1kW당 중국 알칼라인 수전해 생산비용은 343달러로 유럽과 미국에서 생산된 수전해 시스템 생산비용인 1,200달러의 약 4분의 1수준이다. 저렴한 노동력과 발달된 부품·원자재 공급망이 중국산 수전해의 가격경쟁력을 높였다고 BNEF는 설명했다.
이같이 론지를 포함한 중국 수전해 제조업체들은 유럽산 수전해와 비슷하거나 우수한 성능, 높은 원가경쟁력, 정부의 전폭적인 지원을 바탕으로 세계 수전해 시장에서 맹위를 떨치고 있다.
론지와 함께 세계 공동 1위를 차지한 곳은 1.5GW를 확보한 중국의 페릭(Peric)이었다. 페릭은 중국조선산업공사(CSIC)의 정제장비연구소가 전액 출자한 회사로 지금까지 1,000세트 이상의 수전해 시스템과 400세트 이상의 수소정제시스템 등을 생산·판매해 누적 생산량이 30억 위안에 달한다.
3위는 1.1GW를 확보한 중국의 태양광 모듈 생산업체인 선그로우(Sungrow)였다. 이밖에도 아우얀(Auyan)이 1GW로 존코커릴, 티센크루프, 플러그파워 등 5곳과 공동 4위, 시노하이(SinoHy)와 고우푸(Guofu)가 각각 0.5GW로 공동 12위를 차지하는 등 중국업체들의 선전이 눈에 띈다.
다만 올해는 플러그파워, 존코커릴, ITM파워, 오미움(Ohmium), 티센크루프 등 유럽과 미국 업체들의 공세로 중국업체들이 주춤하나 기세는 여전할 것으로 BNEF는 전망했다.
태양광발전 시장의 교훈
이에 대해 유럽업체들은 태양광 시장처럼 수전해 시장도 중국업체들이 독식할까 우려하고 있다.
국제에너지기구(IEA)에 따르면 2021년 세계 태양광 셀 생산량의 85.1%를 중국이 차지한 것으로 나타났다. 57.9%를 기록한 2010년보다 약 26%p 증가한 것이다. 반면 유럽은 2010년 7.3%에서 2021년 0.6%로 급격히 감소했다. 또 중국의 웨이퍼 점유율은 2010년 78.3%에서 2021년 96.8%로, 모듈은 55.7%에서 74.7%로, 폴리실리콘은 28.6%에서 79.4%로 급증했다.
이는 중국 정부가 2010년부터 태양광 산업에 유럽보다 10배 더 많은 500억 달러 이상을 투자한 결과다. 이를 통해 중국 태양광 산업은 2011년부터 10년 동안 30만 개 이상의 일자리를 창출했으며 태양광발전 시스템 가격을 80% 이상 절감했다.
이를 바탕으로 중국이 세계 태양광 시장 주도권을 거머쥐자 EU는 2013년 보조금을 받은 중국산 태양광 패널이 유럽에서 원가 이하로 판매되고 있다고 판결하고 중국산 모듈에 최소 수입 가격을 정하는 반덤핑 조치를 도입했다. 이에 중국업체들은 동남아에 공장을 세워 이 조치를 회피했다.
중국업체에 타격을 주지 못한 반덤핑 조치는 2018년 EU 집행위원회가 EU와 유럽인들이 저렴한 태양광 패널을 구입할 수 있는 기후변화와의 싸움에 최선의 이익이라고 선언한 후 폐기됐다. 이후 중국업체들은 생산능력을 확대해 폴리실리콘, 잉곳, 웨이퍼, 셀, 모듈 등 모든 태양광 핵심소재 시장에서 80% 이상의 점유율을 확보했다.
이에 미국의 퍼스트솔라, 독일의 바이어알이와 마이어버거 등 유럽과 미국의 태양광 기업 최고경영자들은 2022년 10월 유럽연합 집행위원회에 태양광 설비 개발을 위한 긴급 지원조치를 촉구하는 서한을 보냈다.
이들은 “유럽 내에서 더 강력한 태양광 발전 밸류체인을 개발하고 폴리실리콘, 잉곳, 웨이퍼 등의 수입 의존도를 낮춰야 집행위원회의 에너지 안보 걱정이 크게 줄어들 것”이라며 “글로벌 경쟁력을 강화하기 위해서는 유럽이 더 강력하게 행동해야 한다. EU반도체법과 비슷한 태양광발전 지원법을 만들어달라”고 촉구했다.
유럽 수전해 제조업체들은 이같은 상황이 반복되지 않도록 보호장치를 마련해야 한다고 촉구하고 있다.
호콘 볼달 넬 CEO는 2022년 11월 영국의 수소전문매체인 하이드로젠 인사이트(Hydrogen Insight)와의 인터뷰에서 “중국업체들은 중국 정부로부터 보조금과 자금을 지원받아 거의 따라올 수 없는 가격에 제품을 판매할 수 있다”라며 “반면 유럽업체들은 투명성, 분류법, 평등, 인권에 대한 보고와 함께 적절한 급여와 연금제도를 가진 노동자들을 고용해야 해서 중국업체와 가격 경쟁을 벌이기가 어렵다”고 밝혔다.
이어 “수소생산자들만 지원한다면 EU의 자금은 유럽 밖에서 생산되고 만들어진 값싼 기술을 수입하는 데 쓰일 것”이라며 “특정비율의 장비와 원자재를 EU 내에서 조달하거나 생산 또는 조립이 유럽 안에서 이루어지도록 요구할 수 있는 규정을 도입해야 한다”라고 촉구했다.
일부에서는 두려워할 필요가 없다고 주장하기도 한다. 라파엘 틸롯(Raphael Tilot) 존코커릴 CEO는 2022년 12월 하이드로젠 인사이트와의 인터뷰에서 “태양광처럼 값싼 중국 수전해가 서구 시장에 범람하고 유럽 제조업체의 몰락을 초래할 것이라는 두려움은 근거가 없다”고 밝혔다.
그는 “중국에서 생산된 수전해 설비는 유럽에서 판매되는 제품과 매우 다른 제품”이라며 “중국의 초점은 자본비용에 맞춰져 있으며 에너지 효율성에 대해서는 유럽보다 약간 덜 맞춰져 있다. 이는 중국을 저렴한 자본비용 제품으로 몰아가고 있다”라고 덧붙였다.
이어 “하나가 다른 것보다 낫다고 말할 수 없다. 그저 다를 뿐”이라며 “강철의 등급이 같지 않으면 장비를 설계하는 방식도 같지 않을 것이다. 중국과 유럽은 기술규범과 표준이 달라 특정 재료와 품질에 대한 새 기준이 필요하다”라고 설명했다.
이같이 의견이 엇갈리나 지원책을 요구하는 목소리는 같다. 지난 1월에는 티센크루프, 넬, 맥파이, 톱소(Topsoe) 등 11개 수전해 제조업체를 포함해 총 21개 수소기업과 유럽 수소산업협의체 하이드로젠 유럽(Hydrogen Europe)은 우르줄라 폰데어라이엔 EU 집행위원장에게 서한을 보냈다.
이들은 “IRA은 세계 무역과 수소생산의 패러다임 전환을 예고한다. IRA의 ‘바이 아메리칸(Buy American)’에 대한 규정과 중국의 국가 정책이 유럽 제조업체들을 양쪽에서 압박하고 있다”라며 “그러나 대조적으로 유럽의 자금은 비유럽 기반 경쟁자들의 손에 들어가고 있다. 이미 중국에서 생산한 스택으로 첫 번째 수전해 현장이 유럽에 설치됐다”라고 밝혔다.
이어 “EU 주권 기금, 수소은행과 같은 미래의 자금 조달 메커니즘이 유럽의 수전해 제조산업 발전을 지원하도록 보장해야 한다. EU 납세자들의 돈은 유럽인들의 이익을 위해 유럽에 재투자되어야 한다”라며 “지금은 그 어느 때보다 에너지 안보와 산업 경쟁력을 보장하기 위해 수전해에서 유럽의 기술 리더십을 유지해야 한다. 우리는 태양광 산업의 사례와 같은 이전 교훈에서 배워야 한다”라고 덧붙였다.
그러면서 △청정수소 1kg 생산 시 최대 3달러 세액공제를 제공하는 IRA 내 섹션 45V와 같은 지원책 도입 △‘메이드 인 유럽(Made in Europe)’ 수소밸류체인을 지원하기 위한 자금 조달 메커니즘 △유럽우수센터(European Center of Excellence)의 청정기술 분야 연구개발 지원 및 일자리 창출 △리사이클 의무 및 수전해 장비의 탄소발자국과 같은 특정 지속가능성 요구사항 보장 등을 요구했다.
따로 또 같이
유럽 업체들은 이런 촉구와는 별개로 역량 확보에 적극적으로 나서고 있다. 대표적인 것이 지난해 6월에 결성된 ‘유럽 수전해 파트너십(European Electrolyser Partnership)’이다.
이 파트너십은 지난해 5월 티에리 브르타뉴 유럽 내부시장 집행위원이 20명의 수전해기업 CEO와 REPowerEU 목표를 달성하기 위한 공동선언에 서명한 일의 연장선이다.
EU는 러시아산 화석연료 의존도 감소를 통한 에너지 안보 확대와 친환경에너지 전환 속도를 높이기 위해 세운 행동계획인 ‘REPowerEU’에 따라 2030년까지 EU 역내 1천만 톤의 수소생산 역량과 추가 1천만 톤의 수소 수입원을 확보할 계획이다.
이를 달성하기 위해선 최소 120GW의 수전해시스템이 구축돼야 한다. EU는 2030년까지 118GW 구축할 계획이나 2022년까지 구축된 용량은 1.75GW에 불과하다. 공동선언에 참여한 기업들은 2025년까지 현재보다 10배 많은 17.5GW로 확대하고 2030년까지 그린수소 예상 수요에 따라 규모를 늘려가기로 약속했다.
이와 함께 주요 업체들은 생산능력 확대에 총력을 기울이고 있다.
대표적으로 노르웨이의 넬은 지난해 11월 미국의 3대 자동차 회사 중 하나인 제너럴모터스(GM)와 PEM 수전해시스템 대량생산 체계를 구축하기 위한 공동개발 계약을 체결했다.
넬은 세계 최초로 완전 자동화 알칼라인 수전해시스템 생산라인을 구축한 기술력과 GM이 제공하는 에너지 플랫폼 관련 개발 작업 및 지적재산(IP)을 활용해 PEM 수전해시스템 대량생산 체계를 구축한다. 상용화에 성공하면 GM의 기술을 기반으로 하는 최종 제품의 양에 따라 라이선스를 지급할 예정이다.
또한 넬은 2억6,000만 크로네(약 324억 원)를 투입해 미국 코네티컷주 월링포드에 있는 PEM 생산시설을 확장, 2025년까지 연간 생산능력을 500MW로 끌어올릴 계획이다. 이를 통해 확보된 완전 자동화 생산라인 구축 기술을 바탕으로 미국에 최대 4GW의 생산능력을 갖춘 기가팩토리를 구축할 예정이다. 이곳에서 PEM과 알칼라인 수전해시스템을 생산한다.
이와 함께 최근 노르웨이 헤뢰야에 있는 공장에 제2생산라인을 구축하는 작업을 시작했으며 이르면 2024년 4월 해당 공장의 생산능력은 1GW까지 증가할 것으로 예상된다.
프랑스의 맥피는 프랑스 정부로부터 1억1,400만 유로를 지원받아 프랑스 북동부에 있는 벨포트(Belfort)에 1GW급 알칼라인 수전해 생산공장을 구축해 2024년 상반기부터 가동할 예정이다. 프랑스 정부는 맥피뿐만 아니라 젠비아(Genvia), 엘로젠(Elogen), 존코커릴 등 총 4개 수전해 제조업체에 21억 유로를 지원할 계획이다.
덴마크의 톱소는 덴마크 중부 헤르닝에 500MW급 고체산화물(SOE) 수전해 제조공장을 구축해 2025년부터 가동할 예정이며, 향후 수요에 따라 생산능력을 최대 5GW까지 확대할 계획이다.
이런 가운데 EU 집행위원회가 미국과 중국의 보호주의 무역 움직임에 대응하고자 역내 녹색산업을 육성하기 위한 ‘그린딜 산업계획’을 마련함에 따라 수전해 시장 주도권을 거머쥐기 위한 유럽과 중국의 경쟁이 더욱 치열해질 전망이다.
