태양광·배터리 다음은 수전해, 중국의 ‘수소 굴기’

월간수소경제 = 성재경 기자 | 전시회 부스의 규모로 해당 산업의 성장세를 가늠할 수 있다. ‘스마트 에너지 위크’ 기간에 열린 전시회에는 PV EXPO, SMART GRID EXPO, BATTERY JAPAN 등이 들어 있다. 이들 전시장을 돌아보고 느낀 점은 단연 ‘중국의 저력’이다. 

태양광 발전을 위한 PV 패널, 여기서 나온 전기를 저장하는 BESS(배터리저장장치) 시장은 중국 기업이 주도하고 있다. 세계 1위 배터리 회사인 CATL은 말할 것도 없다. 안전성이 높은 LFP(리튬·인산·철)배터리의 강점이 BESS 시장에서 빛을 발하고 있다.

중국의 태양광 업체인 트리나솔라(Trina Sola)는 306Ah LFP 셀을 통합한 4.07MWh Elementa2를 선보였다. 20피트 컨테이너박스 하나로 4MW의 전력에 대응한다. 태양광 발전단지에는 이런 BESS 설비가 함께 들어가게 된다. 

수전해는 그다음 단계의 고려 대상이다. BESS의 처리용량, 전력망 계통연계 여부에 따라 잉여전력을 수소로 저장하는 용도로 수전해 설비가 붙게 된다.

중국의 태양광 업체들이 일찌감치 자회사를 세워 수전해 기술 확보에 나선 이유는 명확하다. 대규모 재생에너지 전력을 저장하기 위해서는 BESS만으로는 한계가 있기 때문이다. 

론지가 세운 론지 하이드로젠(LONGi Hydrogen), 선그로우가 세운 선그로우 하이드로젠(SUNGROW Hydrogen)이 대표적이다. 론지는 PV 패널, 선그로우는 PV 인버터 부문의 업계 1위 회사다.

서구의 전해조 회사들은 중국을 극도로 경계한다. 이는 유럽 태양광 산업의 몰락이라는 트라우마 때문이다. 값싼 중국산 PV 패널과 모듈이 시장에 넘쳐나자 수입 관세를 부과하며 방어에 나섰지만 결국 실패했다. 이 실패의 악몽이 수전해 산업에서 재현될지 모른다는 두려움이 있다. 

상업용 알칼라인 수전해시스템 가격은 유럽과 미국에서 킬로와트(kW)당 2,000~3,000달러 선이지만, 중국에서는 480~720달러에 불과하다. 설비 구축에 드는 비용이 서너 배는 높아 경쟁이 어렵다. 수소 가격을 떨어뜨리는 데도 한계가 있다.

중국 후난성 창사에 본사가 있는 싼이중공업(SANY)이 최근에 구축한 온사이트형 그린수소충전소는 하루 2톤이 넘는 수소를 공급할 수 있다. 허난데일리(Hunan Daily)의 보도에 따르면, 이 충전소는 킬로그램당 35위안(약 6,500원)에 수소를 공급할 수 있다고 한다. 그린수소 공급 가격이 국내 그레이수소 가격보다 저렴한 셈이다.

물론 부정적인 의견도 있다. 중국의 일부 전해조가 리플릿에 나온 사양대로 작동하지 않고, 효율이 크게 떨어지거나 설비에 문제가 있다는 것이다. 하지만 이런 우려는 연구개발에 따른 업의 성숙도에 따라 향후 5년 안에 해결될 가능성이 높다. 

중국은 신장과 내몽골을 중심으로 한 내수시장이 살아 있고, 사우디아라비아 등 중동 기업과 손을 잡고 우즈베키스탄, 오만 등으로 수전해 사업을 확장하고 있다. 수요처 확보는 밸류체인 구축, ‘규모의 경제’를 가능하게 한다. 

중국은 사업 초기의 부족한 기술력을 물량, 가격으로 극복하면서 시장의 존재감을 키워왔다. 하지만 지금은 그 기술력을 얕볼 수 없는 상대가 됐다. 미국이 중국을 경계하기 위해 첨단 반도체 규제에 나선 것만 봐도 알 수 있다.

론지는 알칼라인 수전해에 집중하고 있다. 론지는 지난해 초 차세대 알칼라인 수전해 장비인 ‘ALK Hi1’을 공식 출시했다. ALK Hi1의 전부하 DC전력 소비량은 4.3kWh/Nm³로 낮은 수준이다. ALK Hi1 Plus는 4.1kWh/Nm³까지 전력 소비량을 낮췄으며, 전류 밀도가 2,500A/㎡인 경우에는 4.0kWh/Nm³에 도달한다. 

선그로우는 알칼라인보다는 PEM 수전해에 집중하는 분위기다. 선그로우는 중국에서 새로 출시한 300Nm³/h급 PEM 전해조가 시간당 수소 생산량 기록을 경신했다고 발표했다. 최대 35bar의 압력으로 작동하며, 정격 DC전력 소비 4.15kWh/Nm³ 미만을 달성했다. 

PEM 연료전지에 들어가는 막전극접합체(MEA) 제작사인 홍지촹능(SinoHyKey)도 이번에 PEM 수전해용 MEA를 새롭게 선보였다. 한눈에 봐도 크기가 크다. 어림잡아 도요타 PEM 수전해에 들어가는 MEA의 두 배가 넘는다. 

호라이즌에서 공개한 1MW급 PEM 수전해 스택도 눈길이 간다. 호라이즌은 HET Hydrogen(이하 ‘HET’)이라는 별도의 회사를 설립해 수전해 사업을 벌이고 있다. HET는 지난해 광저우시와 붙어 있는 수소시범도시 포산에서 1MW급 PEM 수전해 실증을 마무리했다. 

하루 최대 430kg의 수소를 생산할 수 있는 1MW PEM 전해조의 스택의 소비전력은 3.6kWh/Nm³~4.3kWh/Nm³다. 스택의 예상 수명은 3만5,000시간으로 10년 단위의 유지보수 서비스 계약을 제공한다. HET는 하루 최대 2톤 이상의 수소를 생산할 수 있는 5MW급 PEM 전해조 사업을 전개하고 있다.

호라이즌은 중국에 생산 거점을 두고 있다. 연료전지뿐 아니라 수전해 스택용 MEA도 칭넝신에너지(Qingneng)에서 공급받는다. 칭넝은 AEM 수전해용 음이온교환막을 새롭게 출시했다. 올해부터 상업 고객에게 메가와트급 AEM 수전해시스템을 제공할 계획이다. 


호라이즌의 1MW급 PEM 수전해 스택.
차세대 AEM 기술 양산화 도전

참새는 방앗간을 그냥 지나치지 않는다. 도요타의 PEM 수전해 시장 진출은 익히 예견된 일이다. 그 시기를 언제로 보느냐의 문제일 뿐, 수소전기차 보급이 더딘 상황에서 수전해 시장은 수요가 살아 있는 ‘마켓’으로 충분한 매력이 있다. 

몇 달 동안 힘들게 수소전기차 400대를 파는 것보다 40MW 수전해 단지 하나를 세우는 게 나을 수 있다. 그동안 갈고 닦은 연료전지 생산 기술과 노하우를 수전해에 적용하면 시간과 비용을 크게 아낄 수 있다. 이는 현대차에도 동일하게 적용된다.

그동안 일본은 알칼라인 수전해에 공을 들여왔다. 아사히카세이(Asahi Kasei)가 이 분야에 뛰어난 기술을 보유하고 있다. 아사히 맥주와는 아무 관련이 없다. 아사히카세이는 화학회사로 출발해 섬유, 주택, 건축재, 전자, 의약품 등 다방면에 사업을 벌여왔다. 이차전지 분리막에도 강점이 있다. 

아사히카세이는 지난 2010년 알칼라인 전해조 개발에 본격 뛰어들었다. NEDO의 대표적인 수전해 사업인 ‘후쿠시마 수소에너지 연구단지(FH2R)’에 10MW 규모의 알칼라인 전해조를 공급하고 2020년부터 운영해왔다. 이 시설은 20MW 태양광 발전단지 전력을 기반으로 그린수소를 생산해 공급한다.

실제로 상업용 수전해 시장은 알칼라인을 중심으로 돌아가고 있다. 이는 운영 안전성과 경제성 때문이다. 국제에너지기구(IEA)가 제시한 알칼라인 전해조의 평균 가격은 MW당 50만~140만 달러(약 6억6,000만~18억6,000만 원) 수준이다. 그에 반해 PEM은 MW당 110~180만 달러(14억6,000만~24억 원)가 든다. 알칼라인 설비가 훨씬 저렴한 걸 알 수 있다.

아사히카세이 또한 PEM과 알칼라인의 장점을 취한 AEM 기술을 유심히 들여다보고 있다. 지난해 캐나다의 AEM 스타트업인 아이노머 이노베이션스(Ionomr Innovations)에 투자를 단행한 것만 봐도 알 수 있다. AEM은 귀금속 촉매를 쓰지 않아 스택 단가를 크게 낮출 수 있다.

다만 분리막의 내구성에 문제가 있다. 아이노머 이노베이션스가 시장의 주목을 받은 것은 이 부분에 대한 해법을 제시할 수 있다는 기대감 때문이다. 앞서 중국의 칭넝에서 새롭게 선보인 음이온교환막에 관심을 두는 것도 이런 배경 때문이다. 

호라이즌(HET)은 조만간 AEM 분리막 납품을 시작해 올해 말 메가와트 규모의 AEM 전해조 구축을 목표로 한다. 호라이즌 측 발표에 따르면, 이온전도도와 촉매 효율이 크게 올라간 것으로 나온다. 실험 결과 수전해 효율은 95%, 전력 소비량은 10~20%가 줄었다고 한다. 

호라이즌이 공개한 칭넝신에너지의 AEM용 음이온교환막

 

국내에선 한화솔루션이 관련 기술을 개발하고 있다. 지난해 9월에 열린 ‘H2 MEET’ 전시회에서 250kW급 AEM 수전해 스택을 공개한 바 있다. 당시 한화솔루션 관계자를 만났지만 개발 일정이나 상용화 시점을 두고 말을 아꼈다. 

그에 반해 중국의 행보는 적극적이다. AEM 기술의 핵심이라 할 수 있는 분리막을 공개하면서 상당한 자신감을 보이고 있다. 알칼라인, PEM에 이어 AEM 수전해 부문에서도 중국이 구체적인 성과물을 내기 시작한다면 단순한 경쟁자를 넘어 시장을 선도할 가능성이 높다.

태양광·배터리 잇는 ‘수소 굴기’

테슬라는 지난해에 이어 올해도 전기차 가격을 내리며 ‘치킨게임’을 벌이고 있다. 하지만 정작 타격을 받은 곳은 미국의 전기차 업체들이다. ‘제2의 테슬라’를 꿈꾸던 전기차 스타트업인 피스커는 상장 폐지됐고, 리비안과 루시드 같은 대표 주자의 주가는 힘을 못 쓰고 있다. GM, 포드 같은 완성차 업체들도 전기차 계획을 축소하거나 신차 출시를 연기했다. 

이는 중국 전기차 업계의 저력 때문이다. 비야디(BYD)가 지난해 4분기 전기차 판매량 순위에서 처음으로 테슬라를 앞지른 여파가 지금도 이어지고 있다. 

비야디는 배터리를 만드는 회사다. LFP배터리의 인기는 여전하고 차량 가격을 낮출 여지는 충분하다. 비야디는 이번 전시회에 본업인 배터리 기업으로 참여했다. 재생에너지 단지가 크게 늘어나면서 그리드에 속속 들어가는 BESS의 수요도 증가하고 있다. 

친환경차 개발 단계는 통상 하이브리드, 전기차, 수소전기차 순이다. 전기차 기술을 마스터해야 수소전기차로 넘어갈 수 있다. 스마트그리드의 우선권도 수소보다는 배터리에 있다고 보는 게 맞다.

BESS라는 하드웨어는 전력 운영을 위한 소프트웨어와 함께 제공된다. 이들 회사는 기본적으로 분산전원, 스마트그리드와 연계한 가상발전소(Virtual Power Plant, VPP) 기술에 해박하다. 

가상발전소는 태양광, 풍력 같은 재생에너지와 에너지저장시스템(ESS), 전기자동차 등 분산전원을 클라우드 기반의 인공지능 소프트웨어를 이용해 하나의 발전소처럼 통합해 운영하고 관리한다. 

여기에 전기를 수소로 저장하기 위한 수전해시스템이 붙게 되는데, 전력수요 피크시간대에 다시 전기를 만들어 공급하는 연료전지의 활용도도 이때 생겨난다.

중국은 이 시장을 미리 내다보고 태양광 업계가 수전해 기술을 확보하도록 독려해왔다. 또 정책적으로 청정수소 시장을 열어 수요를 발굴하고, 이를 기술력과 양산 품질을 높이는 계기로 삼아 산업 전반의 수준을 높여가는 ‘굴기(堀起)’ 전략을 유지하고 있다.

중국의 굴기는 반도체, AI, 자동차, 원전 등을 가리지 않는다. 태양광, 배터리 시장의 기세는 수소산업에도 그대로 이어질 수 있다. 

동력을 잃고 뒤처지는 건 한순간이다. 페이스메이커로 뛰는 게 아니라 완주를 목표로 한다면 분발해야 한다. 선두를 시야에 넣고 달리며 언제든 치고 나갈 수 있는 힘을 길러야 한다. 

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태양광·배터리 다음은 수전해, 중국의 ‘수소 굴기’