부족한 그린수소, 해법은 아키텍처

수소의 전통적 수요에 침투할 만큼 그린수소가 공급되지 않는 점은 수소경제 실현을 위해 필수적으로 해결해야 하는 과제입니다. 세계 최대 암모니아 생산 기업 가운데 하나인 미국 CF인더스트리즈社는 2023년 기준 약 900만 톤의 암모니아를 생산했습니다. 암모니아 1톤을 생산하기 위해 약 176kg의 수소가 사용되기 때문에 CF인더스트리즈 단일 기업의 수소 수요만 연간 약 158만 톤이라는 계산이 나옵니다.

반면 IEA가 예상한 2024년 저탄소수소 총 생산량은 약 100만 톤으로 80만 톤은 블루수소, 20만 톤은 그린수소로 추산했습니다. 즉 현 시점에서 저탄소수소 공급을 모두 합쳐도 단일 기업의 수소 수요도 충족할 수 없습니다. 나아가 2024년 예상 수전해장치 총 제조역량인 41GW를 모두 수소 생산량으로 환산해도 약 500-600만 톤에 해당하기 때문에 아직 공급이 많이 부족한 상태입니다.

수전해수소, 나아가 그린수소 생산량이 낮은 이유는 높은 비용에 있습니다. 그러나 앞서 살펴본 바와 같이 규모의 경제 확대, 비즈니스 모델 변화, 기술의 발전 등 여러 신호들이 비용의 변곡점이 임박했음을 보여주고 있습니다. 특정 조건에서 그린수소가 가격 우위를 보임에 따라 전통적 수소 시장에 침투할 수 있는 자리가 나오고 있으며 데이터와 업계 동향도 이를 뒷받침하고 있습니다. 다만 시간이 소요되기 때문에 이제부터 고민해야 하는 지점은 바로 생산량입니다. 그리고 생산량 증대의 실마리는 아키텍처 발전에서 찾을 수 있습니다.

수전해 아키텍처 삼국지: 기둥형, 컨테이너형, 모듈형

수전해 스택 디자인의 발전

수소의 생산량을 결정짓는 변수는 효율, 면적, 수명입니다. 효율은 채택한 수전해 기술이 사실상 유일한 변수이기 때문에 결국 아키텍처가 관여할 수 있는 부분은 면적과 수명입니다. 면적과 수명은 스택을 크게 만들고 설비를 오래 운영한다는 것을 의미합니다. 크게 만드는 것과 오래 운전하는 것, 모두 한계점이 존재하는데 이 부분을 극복할 수 있는 단서가 아키텍처입니다.

수전해장치의 아키텍처 디자인은 크게 ①기둥형, ②컨테이너형, ③모듈형으로 나뉩니다. 최초로 등장한 디자인은 기둥형으로 최초의 수전해 기술인 AWE 수전해설비에 최적화된 형태입니다. 액체전해질 보관을 위해 시스템 크기가 크고 1920년대 농업용 비료 양산 목적으로 개발되어 순도나 효율보다 생산만을 고려했습니다. 때문에 단순히 셀을 기둥처럼 쌓아서 스택을 만든 형태로 단순함이 최우선 가치인 디자인입니다.

수소 수요의 대부분은 정유·화학·철강과 같은 전통적 산업에서 발생합니다. 정유공정에서 수소는 연료의 연소 과정에서 생성되는 유독성 오염 물질인 아황산가스(SO2) 배출을 줄이기 위한 탈황(Desulfurization) 과정의 매개입니다. 화학공정에서 수소는 질소 비료 생산에 필요한 암모니아(NH3)와 메탄올(CH3OH) 합성의 원료로 이용됩니다. 마지막으로 철강 분야에서 수소는 산화철의 환원 및 고로 온도 상승에 사용됩니다.

자료: 미래에셋증권 리서치센터

컨테이너형 디자인은 AWE보다 더 고효율이면서 액체전해질을 사용하지 않아 시스템의 설치면적이 적게 필요한 PEM, SOEC 개발과 함께 등장했습니다. 기본적으로 셀을 쌓아서 스택을 키우는 방식은 기둥형과 유사하나 효율이 높기 때문에 스택 크기가 비교적 작아 스택을 여러 개 병렬하는 방식으로 생산량을 키웁니다. 현재는 대부분의 수전해설비가 컨테이너형 디자인을 채택하고 있습니다.

모듈형 디자인은 최근 주목받고 있는 아키텍처로 소수의 회사가 상용화에 성공했습니다. 모듈형 아키텍처는 기둥형과 컨테이너형 디자인이 가진 수명, 범용성, 확장성, 공정 비효율화 등의 단점을 극복하기 위한 해결책으로 등장했습니다.

스택의 크기, CAPEX 상승의 원인

수소의 생산을 높이기 위해서 가장 첫 번째로 고려되는 부분은 스택을 크게 만드는 것입니다. 스택은 수소 생산을 담당하는 핵심 부품으로 스택의 면적이 증가함에 따라 자연스레 반응 면적도 증가해 수소 생산량이 증가합니다. 스택의 면적을 크게 만드는 방법은 10m2 기준, 10 x 1로 접근하거나, 2 x 5로 접근하거나, 또는 0.1 x 100으로 접근하는 방법이 있습니다. 현재 대부분의 업체들은 기존의 공정라인 부채, 수요 부채 등의 이유로 첫 번째 또는 두 번째 방법을 택하고 있습니다. 그러나 단순하게 스택을 크게 만드는 것은 공정효율을 저하시킵니다.

단순하게 스택을 크게 만드는 것은 전원 장치 및 기타 설비 등 여타 장치의 크기와 용량의 상승을 초래합니다. 이 경우 공급망 및 규모의 경제를 약화시켜 CAPEX 상승을 야기합니다. 특히 전원 장치는 고비용, 고위험 부품이며, 전원 용량 단위의 상승은 생산 유연성과 상충관계에 있어 간헐성 대비가 중요한 재생에너지가 발전원인 경우 또는 생산량의 세밀한 조정이 필요할 수 있는 모빌리티 등의 사용 사례의 경우에는 최선의 선택이 아닙니다.

또한 커짐에 따른 무게 제약도 존재합니다. 액체전해질을 사용하는 AWE수전해는 이미 부피가 큰데 더 무거워져 세우는 것보다 눕히는 방식을 선호하게 돼 설치 면적도 넓어집니다. 대표적인 예시가 노르웨이 넬社의 알칼라인 수전해 플랜트입니다. PEM 수전해의 경우 기술적 특성으로 설치면적은 작으나 면적 외의 모든 문제가 여전히 남아있습니다.

자료: NREL, 미래에셋증권 리서치센터

이븐하게 익지 않은 스택, OPEX 상승의 원인

더 큰 문제는 셀 면적 증가로 인한 열 및 압력 관리 실패입니다. 수전해설비에서 가장 중요하게 관리해야 할 인풋은 전류밀도(Current Density), 열(Heat), 압력(Pressure)입니다. 전류밀도가 높을수록 수전해 반응 속도가 빨라져 생산량이 많아지지만 반대로 기포가 발생해 효율이 저하됩니다. 다만 높은 전류밀도는 열을 발생시켜 일정수준까지는 효율 상승에 기여하나 일정 수준을 넘어가면 소재 열화현상으로 스택 내구성이 감소합니다. 압력은 높을수록 역시 반응 속도가 빨라져 생산량이 증가하지만 효율이 저하하는 문제가 발생하고 온도 상승을 야기하며 수소와 산소의 혼소 문제도 일으킬 수 있습니다.

따라서 적당한 전류밀도를 유지한 채 열과 압력을 관리하는 것이 생산 효율과 수명을 최적화할 수 있는 열쇠입니다. 그러나 단위 셀의 면적이 커지면 온도가 상승하며 압력을 셀 면적에 고르게 작용하도록 조절하는 것이 어려워집니다. 그리고 열화를 제어하지 않으면 소재 내구성 저하로 효율과 내구성이 감소해 셀을 교체해야 합니다. 동일하게 압력을 제어하지 못하면 셀의 변형이 오기 때문에 역시 교체 비용을 야기합니다. 연구에 따르면 스택 내구성을 관리하지 못하면 교체 주기가 약 2년까지 빨라져 LCOH가 약 45% 상승할 수 있는 것으로 나타났습니다.

자료: 미래에셋증권 리서치센터

모듈형 아키텍처: CAPEX & OPEX 일거양득

모듈형 아키텍처의 정의

그린수소 생산량 증대의 난관인 공정효율 저하와 열·압력 관리를 잡을 수 있는 방법은 모듈형 아키텍처를 사용하는 것입니다. 다만 모듈형 아키텍처의 명확한 정의가 없기 때문에 먼저 편의를 위해 용어를 아래의 표와 같이 정리합니다.

위의 표를 통해 정의한 아키텍처 디자인 구분은 이해를 돕기 위한 임의의 방식입니다. 실제로는 다수의 업체들이 모듈형 수전해설비 솔루션을 제공하고 있다고 명시하고 있습니다. 그러나 이는 병렬 연결이 가능하다는 의미이지 제조 및 기술의 혁신을 의미하지 않습니다. 예시로 넬 社의 A485 알칼라인 수전해 설비는 단일 스택 용량 2MW(중간규모 쇼핑몰의 피크 전력수요 수준)에 설치 평방면적 61m², 입방면적 261m³으로 매우 크지만 이와 같은 장치 50여 개를 나열하고 주변장치까지 추가로 설치한 플랜트를 '모듈형' 솔루션으로 명시하고 있습니다.

모듈형 아키텍처의 특징

특징 1 작은 단일 스택 용량과 설치 면적

모듈형 아키텍처의 형태적 특징은 단일 스택 용량과 설치 면적이 작다는 것입니다. 설치 면적이 작다는 특징은 액체전해질을 사용하여 부피가 크고 주변 설비도 많이 필요한 알칼라인 수전해와 상통하지 않기 때문에 모듈형 디자인에서 알칼라인 방식은 드뭅니다. 역시 운전조건이 특수해 제약이 존재하는 모듈형 SOEC 수전해도 소수입니다. 대부분의 모듈형 스택을 채택한 수전해설비는 AEM, PEM 기술을 활용하고 있습니다. 단일 스택 용량의 크기가 작다는 특징은 스택 크기가 커짐에 따라 발생하는 문제를 해결하기 위해 나온 방안이라는 맥락에서 기인합니다. 따라서 모듈형 단일 스택에서 1MW 이상의 용량은 찾아보기 힘듭니다.

크기가 작아질수록 직렬·병렬로 스택 모듈을 연결하기가 쉬우며, 온도와 압력 관리가 쉬워집니다. 한 가지 단점은 연결 파이프가 더 많이 필요해 파이프 비용이 소폭 상승하나 CAPEX 內 비중은 미미한 수준입니다.

소프트웨어 역량도 중요합니다. 모듈로 연결함은 물리적으로 근거리에 설치하는 것을 넘어 소프트웨어를 이용해 개별 모듈을 모니터링 하면서 필요시 모듈 여러 개가 하나의 유닛처럼 작동할 수 있게 해야 합니다. 이 때 필요한 것은 에너지관리시스템(EMS)입니다. EMS는 모듈 간의 유기적인 독립/병합 운전을 가능케하고 열과 압력을 주기적으로 모니터링해 관리해주는 시스템입니다. 이러한 부분 또한 BMS의 중요도가 증가 중인 2차전지 산업과 유사합니다.

특징 2 제조공정의 단일화 및 공급망의 안정화

스택 모듈 소형화의 가장 큰 장점은 제조 공정 단일화를 통한 규모의 경제 극대화입니다. 업체는 소형 단일 스택 모듈 생산을 위한 공정 및 어셈블리 라인만 갖추고 수요에 따라 생산량을 조절할 수 있습니다. 이를 통해 생산 속도를 빠르게 증진할 수 있으며 규모의 경제 효과를 극대화할 수 있습니다. 실례로 울트라모듈형 AEM 수전해 스택을 제조해 판매하는 독일 인앱터(Enapter)社는 2022년 독일 자벡(Saerback)시에 생산시설 완공 이후 매출원가율을 2022년 78.3%에서 2023년 34.4%로 2배 이상 저감하는 데 성공했습니다. 매출총이익률로 환산 시 21.7%에서 65.6%로 3배 이상 상승한 것입니다. 동 기간 총 매출이 2배 상승한 것을 감안하면 규모의 경제 효과가 있었음을 보여줍니다. 이에 힘 입어 2023년 첫 연간 EBITDA 흑자를 기록하기도 했습니다.

나아가 모듈 소형화에 따라 공급망의 안정화도 도모할 수 있습니다. 컨테이너형 수전해 장치도 실질적으로 스택 제작 단일 공정을 갖출 수 있습니다. 그러나 모듈 용량과 수전해 플랜트 규모 상승에 따라 기타 설비의 조달 난이도가 상승합니다. 특히 전력 설비와 관련해 울트라모듈형 수전해장치(100kW 이하)는 단일 스택의 필요 전력밀도가 낮기 때문에 이미 전기차 충전기(급속 50kW, 완속 5kW)나 데이터센터(일반 서버랙 평균 5kW, AI용 서버랙 15kW)에서 사용하고 있는 전력 장비를 그대로 조달하고 추가 설치 없이 연결할 수 있습니다. 이러한 특징은 특히 범용성 확대라는 장점으로 작용하며, 실제로 인앱터社社의 울트라모듈형(2.4kW) 수전해 설비는 데이터센터와 형태적으로도 유사합니다.

특징 3 관리 편의성 향상

모듈형 스택의 또 다른 큰 장점은 관리 편의성에 있습니다. 모듈형 수전해의 특성 상 셀 면적이 크지 않기 때문에 단일 스택 기준 발생하는 열을 컨트롤하는 것이 더 용이합니다. 또한 같은 이유로 압력을 균일하게 유지하는 것도 더 용이합니다. 열과 압력을 잘 제어할 경우 생산량 증가와 수명 연장을 도모할 수 있습니다.

2023년 마크수스(Makhsoos) 박사의 연구진은 태양광으로 발전한 PEM 수전해 장치에 모듈형 디자인을 적용한 시뮬레이션 결과 생산량이 약 33%까지 증가했으며 수명 저하 현상도 약 7.6% 저감할 수 있었다고 보고했습니다. 더불어 효율과 수명 저하 이유로 교체해야 하는 경우에도 크기가 작기 때문에 쉽게 탈착할 수 있습니다.

다만 이와 같은 역량은 단순히 작게 만든다고 생기는 것이 아닙니다. 이를 실행하기 위한 소프트웨어적 역량이 매우 중요합니다. 열과 압력을 관리할 수 있는 수전해 소프트웨어는 에너지관리시스템(EMS)입니다. 배터리의 BMS와 유사한 개념으로 개별 스택을 모니터링 하면서 필요시 하나의 스택처럼 작동할 수 있고 열과 압력을 제어할 수 있는 툴을 제공합니다. 특히 재생에너지 발전원의 간헐성으로 인해 매우 유연한 운전이 필요한 경우 EMS의 역할이 중요합니다. 모듈형 수전해 업체들은 스택의 크기가 작아질수록 고성능 EMS를 갖추는 것이 중요합니다. 따라서 미래에 모듈형 수전해와 소프트웨어적 역량을 두루 갖춘 업체가 두각을 나타낼 것으로 전망합니다.