일본 수소산업 인프라 및 서플라이체인 구축 전략

일본 수소산업 인프라 및 서플라이체인 구축 전략

2021-07-06 일본 오사카무역관 안재현

- 수소산업 인프라 구축사업 본격화할 전망 -

- 수소산업 전 범위에서 기술 개발과 제도 정비, 주목 필요 -

 

 

 

현재 일본 내에서는 수소산업에 대한 기대감이 큰 상황이다. 2010년대부터 미래 산업의 중추 역할로 수소산업을 정의한 이후 꾸준히 산업에 대한 개발 및 지원을 체계적으로 진행하고 있었던 만큼 세계 시장에서 일본 수소산업의 경쟁력이 높은 것으로 알려졌다. 특히 스가 총리가 2030년의 탄소배출량의 감소 목표를 기존의 감축 목표였던 25%에서 46%까지 상향하겠다는 야심찬 목표를 발표함에 따라 수소산업의 중요성이 매우 중요해졌다. 특히 수소산업은 재생에너지 분야에서부터 모빌리티 산업 분야까지 전 분야에서의 영향력을 미칠 것으로 보이기 때문에 그 중요성이 매우 크다. 일본에서는 새로운 산업 성장동력으로 수소산업에 거는 기대가 매우 크다.

 

수소산업의 현황

 

일본의 수소산업의 기본은 2017년 12월 <수소기본전략>에서 출발한다. 2050년까지의 장기 비전을 바탕으로 2030년 도달 목표를 세운 기본 틀에서 2019년 3월 <수소·연료전지전략 로드맵>, 2019년 9월 <수소·연료전지기술개발전략을 통해 중전적 기술 개발 목표들을 구체화했으며 2020년 12월 <탄소 중립을 위한 그린성장전략>을 통해 탈탄소 사회를 위한 수소의 대량 공급을 목표로 전 분야에서의 혁신을 추진하고 있다.

 

수소산업은 기존의 화석 연료가 차지하고 있던 에너지원을 대체하기 위한 차세대 기술인만큼 자원 확보(수소 채집 및 저장), 동력 기술(수소연료전지), 활용(수소차, 수소 발전소 등) 등 다양한 분야에서 새로운 기술의 발전이 종합적으로 이루어져야 하는 산업이다. 그리고 이를 위해서는 산업 전반에 있어서의 유기적인 협력이 필수적이며 사회의 기본 인프라에도 영향을 미치는 근본적인 변화를 촉구한다.

 

수소산업의 기술 활용

자료: NEDO

 

이러한 상황에 대해 경제산업성은 현재 수소산업에 대한 현 상황을 점검하는 회의를 통해 각 분야의 발전 상황을 확인하고 향후 발전 과제에 대해 수립하는 점검 회의를 지속적으로 개최하고 있다. 해당 회의의 자료를 살펴보면 지금까지의 일본의 수소산업의 현황에 대한 큰 그림을 확인할 수 있다. 수소산업을 ‘발전, 산업, 운송 및 교통 등 광범위하게 활용될 수 있는 탄소중립시대의 키 테크놀로지’로 정의하며 ‘일본이 기술적으로 선행하고 있으나 유럽, 한국 등이 전략을 책정해 따라오고 있는 상황임’으로 현 상황 인식을 드러내고 있다.

 

이에 수소를 자동차 산업뿐만 아닌 광범위한 중요 자원으로의 위치를 인식하고 현재 화력발전의 단가 이하로 수소 발전의 단가(20엔/Nm3 이하)로 목표를 설정하여 2050년에는 화석연료에 비해 경쟁력이 뒤지지 않는 수준까지 발전하는 것을 목표로 하고 있다. 이에 수소의 도입량을 2030년 최대 300만 톤, 2050년에는 2000만 톤으로 목표를 설정하고 있다. 그리고 기간별로 분야별 수소 활용 계획을 세우며 수소산업의 발전을 추진해 나가고 있다.

 

수소산업의 발전 방향

	단기(~2025년)	중기(~2030년)	장기(~2050년)
부문/목표량	약 200만 톤	약 300만 톤	약 2000만 톤
운송부문	FCV, FV버스에 FC트럭 등 확대	수소연료선박 등 시장 투입	항공기 등의 수소(합성연료 등) 이용
발전부문	설치용 연료전지, 소형 터빈 중심으로 지역별 확대	대규모 수소발전 터빈의 상용화(SC와 일체)	전력의 탈탄소화를 지지하기 위한 조정력 담당
공업용 원료	원료의 탈황 공정에 이용되는 수소의 그린화, 제철 및 화학분야의 제조프로세스 실증실험 등 실시		수소환원제철, 그린 케미컬(MTO 등)
수요부분(산업, 업무, 가정)	수전해장치나 수소연료전지의 도입, 기존 가스관을 포함한 공급 인프라의 탈탄소화 등 화석연료 대체		인프라 정비 및 수소 비용 저감을 통한 공급확대

자료: 경제산업성

 

로드맵을 기본으로 경제산업성은 구체적인 발전 과제를 확인하고 있다. 해당 과제를 살펴보면 현재 일본 정부는 수소의 활용과 공급망 구축을 중시해 실제 수소 경제가 사회 전반에 안착할 수 있는 기반 마련에 총력을 기울이기 시작했다는 것을 볼 수 있다. 향후 일본의 기술 발전도 공급망 구축 및 상용화를 위한 비용 현실화를 위한 기술 개발에 초점이 맞춰질 것으로 예측된다.

 

경제산업성의 수소산업 향후 발전과제

1. 수소 활용처의 다양화, 그린화(수요 부분)   - 탈탄소화를 위한 각 산업분야(제철, 화학 등) 일부 운송부분(상용차, 선박, 항공기)의 수소 이용 촉진   - 석유 정제 등의 기존 분야에서의 그린화 정책 지속 2. 국제 수소 서플라이체인의 구축의 가속화(제조·운송)   - 2030년까지 해외로부터 수소를 대량 수입하는 구제 수소 서플라이체인 구축 3. 수전해 장치의 비용 저감 및 전력 시스템의 통합, 수소제조 기술의 투자(제조, 공급)   - 수전해 장치의 대형화를 통한 비용절감 노력, 기존의 전력공급시장에 통합하기 위한 환경 정비 등 국내 도입 위한 제반 마련   - 저비용으로 수소를 안정적으로 대량 공급할 수 있는 잠재력을 가진 혁신적 기술에 계속적 투자 4. 자원외교, 인프라 수출 등의 종합 추진(분야 횡단)   - 국제적으로 수소의 중요성이 높아짐에 따라 수소 자원국과의 관계 강화 필요   - 선진 기술, 제품을 해외에 수출하면서 안정·유연·투명한 수소국제시장의 형성에 기여   - 해외에 수소인프라 수출 지원

자료: 경제산업성

 

수소의 제조기술 현황

 

이러한 수소산업과 관련한 전방위적인 노력이 진행되는 가운데 현재 일본에서 중점적으로 진행하는 상항은 수소와 관련한 대규모 공급 시스템의 구축이다. 수소를 활용한 다양한 분야의 기술이 증가함에 따라 수소를 안정적으로 공급할 수 있는 국내외의 공급망이 필수적이고 수소 공급망이 확대됨에 따라 수소 제조 비용도 점점 감소해나갈 것으로 예상된다.

 

수소의 제조와 관련하여 수소 제조공정을 3가지로 나누게 된다. <그레이 수소>, <블루 수소>, <그린 수소>로 구분을 지을 수 있는데, 이는 각 연료의 유래와 생산 시 CO2가 발생하는지 여부에 따라 그 등급을 나누게 된다.

 

환경 영향에 따른 수소 분류

분류	내용
그레이 수소	화석연로로부터 채취한 수소. 저비용으로 대량의 제조가 가능하나 이산화탄소가 대기중으로 방출됨.
블루 수소	제조과정에 발생하는 이산화탄소를 회수, 저장함으로써 탄소 중립적인 수소
그린 수소	재생에너지 전력을 사용하여 물을 전기분해해 채취한 수소. 현재로서는 제조비용이 매우 높음.

자료: 닛케이

 

최종적으로는 재생 에너지를 활용한 그린 수소 생산을 위해 다양한 플랜트 사업들이 진행되고 있으나 대부분의 시설들이 2020년대 후반부터 가동되기 시작할 것을 고려하면 실질적으로 그레이 수소나 블루 수소를 통한 수소 생산이 한동안은 중심으로 진행될 것으로 예상된다.

 

일본에서는 수소 생산을 위해 신에너지산업기술 종합 개발기구(NEDO)와 도시바 에너지 시스템, 이와타니 산업 등이 협력하여 그린 수소의 상용화를 위한 연구를 후쿠시마현에서 진행하고 있다. 2020년 2월에는 재생 에너지를 활용해 10메가와트의 수전해장치*를 보유한 <후쿠시마 수소에너지분야 연구 필드(FH2R)>이 설립돼 가동을 시작했다. 해당 기관에서는 시간당 13.4톤의 수소를 생산하는 능력을 보유하고 있어 청정 수소 제조 기술의 비용 절감 등을 연구하며 청정 수소 기술을 개발하고 있다.

 

· 수전해 장치: 수전해장치는 신재생에너지에 의해 만들어진 전력 잉여분을 활용해 물을 분해, 수소를 생산하고 에너지를 저장하는 장치를 일컫는 말이다. 그린 수소를 제조하는 시장에서 수전해장치가 얼마나 고효율로 수소를 제조할 수 있는지가 매우 중요하다. 현재 실용 기술로는 (1) 알칼리 수전해법 (2) 고체고분자형(PEM) 두 가지가 대표적이다. 알칼리 수전해법은 대형 장치를 만들어 낼 수 있어 대규모 플랜트에서 저비용화가 가능할 것으로 기대된다. 반면 고체 고분자형(PEM)형은 소형화가 가능하지만 부자재가 비싸 비용이 높다. 다만 현재 기술 발전으로 비용의 격차는 줄어들고 있다.

 

해당 시설이 위치한 후쿠시마현 나미에 마치는 수소 활용을 위해 마루베니, 히타치, 파나소닉, 먀이기생활협동조합과 협정을 맺어 수소 공급망 만들기에 공동으로 대처하기로 했다(2021.7.2.). 전력을 모두 재생에너지로 충당하는 <RE100산업단지>의 조성과도 연계한다. 마루베니와 미야기 생협은 2020년 나미에마치 내 가정 등의 수소공급의 사업성을 조사했고 그 결과를 바탕으로 수소수요의 확대 및 설비 도입 비용의 절감 등을 검증했다.

 

후쿠시마 수소에너지 분야 연구 필드(FH2R)

자료: 경제산업성

 

향후 그린 수소의 제조를 위해서는 해양 풍력을 활용한 수소 제조방식 도입 및 수전해장치의 효율화가 진행될 것으로 보인다. 독일에서는 이미 해상풍력을 통한 재생에너지를 활용해 수소를 제조하는 AquaVentus 프로젝트가 진행되고 있다. 일본에서도 해상 풍력에 대한 지원이 증가함에 따라 발전량이 증가할 것이므로 이를 활용한 수소 제조에도 긍정적인 영향이 예상된다.

 

일본의 해상풍력 발전량 예상도

 

자료: 경제산업성

 

또한 수전해 장치의 효율화도 진행 과제로 꼽히고 있다. 이를 위해 ① 수전해 장치의 대형화 및 모듈화를 통한 생산비용 절감, ② 중요 기술의 개발 및 실용화 ③ 유연한 운영 방안 마련 ④ 낮은 비용의 전력 확보를 중점적으로 다루고 있다.

 

수소의 공급 인프라 구축

 

수소의 공급 인프라를 위해서는 우선 수소의 운반과 저장 기술의 확립이 중요하다. 현재 수소의 운반과 관련해서 ‘부피가 크고, 한 번에 운반되는 양이 적고 가연성 폭발의 위험이 있다’는 문제를 해결하기 위해 다양한 방식의 사업들이 진행되고 있다.

 

기술명	내용	장점	단점	일본 기업
압축 수소	압력을 가해 고밀도의 상태를 만들어 저장	운반이 쉬움.	운송비 비쌈	도요타 자동차 카지 테크
액화 수소	수소를 영하 253도로 냉각해 부피를 1/800까지 압축	대량운송이 가능	운반 도중 기화해 수소 손실 발생 가능성 높음.(1개월 이상 저장이 어려움.)	가와사키 중공업 이와타니 산업 이토추상사
MCH	수소와 톨루엔을 결합하여 MCH 상태로 저장, 운반. 부피의 1/500까지 압축이 가능하고 상운 운반이 가능함	① 석유의 유통 설비 이용 가능 ② 장기 보존이 가능	MCH로 운반하고 수소로 전환 시 약간의 불순물이 발생하여 초 고순도의 수소가 필요한 FCV에 부적합	<AHEAD> 치요다 화공건설 미츠비시 상사 미쓰이 물산 일본 유센
암모니아	수소와 질소를 결합한 암모니아로 운반	① 운송방법 중 가장 부피가 작고 휴대가 쉬움. ② 직접 연소도 가능해 화력발전에 활용 가능	인체에 유독성, 악취가 발생	IHI, 우부흥산 도쿄 가스
수소 흡장 합금	냉각/가압 시 수소를 흡수하고 가열/감압 시 수소를 방출하는 합금 활용	수소의 손실이 적음.	합금이 무거움. 장거리 운반에 부적합	시미즈 건설 히타치 제작소 마루베니

자료: 닛케이

 

다양한 방식 중에서 현재 <액화 수소>와 <MCH> 기술이 현재 상용화에 더 가까운 상황으로 보인다. 액화 수소의 경우 구성기기의 대형화 및 고효율화를 통한 비용 절감을 목표로 2030년에는 30엔/Nm3, 2050년에는 약 20엔/Nm3의 비용 감소를 목표로 기술 발전을 진행하고 있다. 이를 위해 로딩 암, 육상 저장용 탱크 등의 다양한 상용 기술 개발에 박차를 가하고 있다

 

일본 기업들의 액화수소 비용절감계획

자료: 경제산업성

 

MCN의 경우 치요다화공건설이 중심이 되어 집중적으로 투자를 진행하고 있다. 현재 치요다 화공건설은 MCH에서 효율적으로 수소를 추출하는 기술을 개발했고 브루나이에서 수소를 만들어 MCH 형태로 일본에 옮겨와 수소와 툴루엔으로 분해해 수소는 일본에서 활용하고 툴루엔은 다시 브루나이로 운반해 재사용하는 실증 사업에 성공했다.

 

치요다 화공건설과 미츠비시 상사, 미쓰이 물산, 일본 유센으로 구성된 <차세대 수소 에너지 체인 기술 연구 조합(AHEAD)>는 싱가포르 대형 가스 회사 5개사 등과 협력을 체결하고 2030년 본격적인 사업화를 시작하는 것을 목표로 하고 있다. 그리고 향후 수소 스테이션 및 화학제품 원료 등으로 시장을 개척해 나갈 것으로 알려졌다.

 

치요다 화공건설의 MCH 사용화 로드맵

구분	준상용(2020년 중반)	상용화(2030년 경)		최종 목적지
수소원	동남아, 호주, 중동 등	동남아, 호주, 중동 등	···	동남아, 호주, 중동 등
공급처	GT개발, 산업용, 모빌리티용 등	GT개발, 산업용, 모빌리티용 등		GT개발, 산업용, 모빌리티용, 제철용 등
수소 타깃 가격	50~60엔/Nm3	30~45엔/Nm3		18~25엔/Nm3(목표)
수소공급량	3~5만 톤/년(5~7만Nm3/h)	10-30톤/년(15~50만Nm3/h)		수소의 수용 공급에 대응 가능

자료: 경제산업성, 치요다 화공

 

수소 스테이션의 확장과 FCV의 상용화

 

수소의 활용과 공급에 있어서는 현재 수소 연료를 공급하는 수소 스테이션의 확장에 주목하고 있다. 현재 수소차(FCV)의 확대에 큰 걸림돌이라고 지적되고 있는 수소 스테이션의 부족을 해결하기 위해 새로 수정된 성장전략에서는 2030년까지 수소 스테이션의 건립을 1000개까지 늘리는 것으로 결정했다. 2021년 2월 기준 일본 전역에 162개의 수소 스테이션이 설치돼 있고 137개소가 운영 중인 상황이다. 수소 스테이션의 보급계획은 원래 2030년까지 900개 수준으로 확장하는 것이 목표였으나 이번 성장전략을 통해 더욱 적극적으로 수소 인프라의 확충과 FCV의 보급을 확장하려는 일본 정부의 의도를 엿볼 수 있다.

 

참고자료: (해외시장뉴스) ‘수소사회’를 향해 가는 일본

  

수소 스테이션 일본 내 현황

 

자료: 경제산업성

 

수소 스테이션의 적극적인 도입을 위해서 현재 인프라 사업자와 자동자 사업자들이 연계해 <일본 수소 스테이션 네트워크 합동회사 (JhyM,제이하임)>을 설립하여 각 지방자치단체들과의 협의를 통한 전략적인 수소 스테이션 도입을 추진하고 있다. 제이하임에는 현재 토요타, 혼다, 닛산 등 자동차회사 외의 에노스, 이와타니 등 인프라 기업들 등 총 25개사가 참여해 수소 스테이션의 보급을 위해 노력하고 있다.

 

현재 해당 기업은 수소 스테이션의 도입을 위해 주력으로 삼고 있는 화제는 고객의 이용 편의성을 향상시키기 위한 스테이션 배치 및 운영, 운영 비용 절감을 위한 방안 및 규제 개혁 방안 마련 등의 노력을 기울이고 있는 것으로 알려졌다.

 

FCV, 수소 스테이션 사업의 자립화 계획

자료: 경제 산업성

 

수소 스테이션의 확충과 더불어 인프라를 활용한 운송 방안에도 변화가 이뤄질 것으로 보인다. 특히 FC트럭을 통한 운송 시스템 구축에 많은 관심과 투자가 진행되고 있는 상황이다. 현재 FC 트럭의 세계시장 규모는 2050년 시점에서 최대 1,500대(약 300조 엔)의 시장이 형성될 것으로 예상되고 있어 FC트럭에 대한 실증 실험을 통한 상용화를 가속화하고 도입 지원책을 마련해 시장을 육성해나갈 예정이다. 향후 수소 스테이션이 더욱 확충된다면 해당 시장의 성장에도 가속도가 붙을 전망이다.

 

FC트럭의 경우, ① 긴 주행 가능 시간 ② 짧은 충전시간이란 특성으로 장거리 운송용도로 적합한 것으로 평가받고 있다. 더욱이 거점 형태의 수소 스테이션이 확충됨에 따라 물류 분야에서 큰 시너지를 낼 것으로 기대돼 수소 스테이션에 대한 보급 지원이 더욱 필요할 것으로 보인다. 현재 일본 국내외로 FC트럭과 관련한 실증 실험이 진행되고 있고 대표적으로 2022년부터 일본 최대의 물류 터미널 ‘하네다 크로노게이트’와 군마현 간 택배 화물을 중심으로 한 거점 간 수송이 계획돼 있다. 해당 실증 실험에는 야마토 운송, 도요타자동차, 아사히 홀딩스 등 주요 물류사업자들이 참여해 실제 사업화가 가능한지 점검할 계획이다.

 

FC 트럭의 물류 유통 활용 실증 실험

자료: 경제산업성

 

또한 경제산업성은 민간사업자와 협력해 FC 트럭 등 대형 모빌리티용 수소 스테이션의 개발을 추진할 것으로 알려졌다. 구체적으로 FC트럭용 충전 스탠드의 사양 검토, 충전 프로토콜, 계량 시스템 검토, 대용량 수소탱크의 단시간 충전기술 등을 목표로 하고 있다. 해당 내용을 위해 2021년 실증 실험을 위한 설비 건설에 착수할 계획이다.

 

참고 자료: (해외시장뉴스) 일본 혼다-이스즈, 수소트럭 공동개발 착수

 

시사점

 

일본은 2010년 중반부터 수소산업에 대한 준비를 지속적으로 꾸준히 해오고 있어 수소산업의 발전도가 놆은 상황이다. 산업 전반에 있어서 기술의 발전뿐만 아니라 향후 상용화 및 인프라 확보 단계에 진입하고 있는 것을 체감할 수 있다. 일본은 수소산업을 미래의 일본의 중심이 되는 근간 산업으로 바라보고 해당 산업을 철저하게 진행하고 있는 인상이다.

 

한 동안 일본 내에서 수소산업을 위한 인프라 설치 및 기반 마련은 지속될 전망이다. 그리고 이를 바탕으로 해외 시장에서의 주도권 경쟁에서 우위를 점하고자 하는 것이 일본의 기본 전략이다. 발전된 수소 인프라를 해외에 수출함으로써 자연스럽게 수소 관련 산업의 진출을 노리는 일본발 국제 수소 서프라이 체인 구축은 머나먼 미래가 아닌 멀지 않은 시기에 일어날 수 있는 가능성이 높다.

 

우리 기업의 경우 기술 경쟁과 더불어 국제 표준과 상품화에 더욱 민감히 대응하는 전략을 통해 수소 경쟁에 대비할 필요가 있다. 일본의 입장에서는 디스플레이나 반도체 등 다양한 분야에서 선진 기술을 가지고 있었으나 상품화 및 국제 상품화에서 밀린 경험이 있기 때문에 이에 대한 대비도 진행되고 있는 만큼 해당 부분에 주의를 기울일 필요가 있다.

 

이와 더불어 에너지 근간이 화석연료에서 수소 연료로의 변환이 이루어지는 시점에 새롭게 구성되는 공급망에 우리 기업들이 안착될 수 있도록 세심한 지원도 필요할 것으로 보인다. 지금은 비용 절감을 위한 기술 발전이 이뤄지고 있는 만큼 주의를 기울이며 새로운 사업기회를 모색할 필요가 있을 것으로 예상된다.

 

 

자료: 경제산업성, 닛케이, 도요타 자동차 등 KOTRA 오사카 무역관 자료 종합

 

일본 수소산업 인프라 및 서플라이체인 구축 전략 - 트렌드 - KOTRA 해외시장뉴스