연휴를 맞아 여러가지 주제를 공부했는데요. 그중 하나가 에너지와 수소입니다.
에너지 공부하는걸 텔레그램에 공유하자 한 친구가 '왜 갑자기 수소를 공부해?'라는 질문을 던졌습니다. 처음에는 투자 관점에서 기회가 많을 것 같아서 시작했는데 공부하다보니 기후변화라는 당위성이 확실하게 느껴졌고, 더 나아가 석유와 전기 등 에너지로 인해 변화한 세상을 생각해보면 수소도 반드시 미리 알아두어야겠단 결론으로 이어졌습니다.
하루 이틀 본게 전부라서 기초적인 수준만 공부한게 전부지만, 그래도 대략적인 큰 틀은 잡은 것 같습니다. 오늘은 제가 공부한 내용을 간략하게 정리했습니다. 에너지, 수소 외 다른 것들은 이번주 일요일에 보내드릴께요 :D
그 전에 좋은 이벤트가 있어 공유하겠습니다. 제가 종종 언급하고 애용하는 투자 앱 '도미노'에서 친구 초대 이벤트를 하고 있습니다. 제 링크를 통해 가입하면 초대자와 가입자 모두 룰렛 돌릴 기회가 생기고, 높은 확률로 주식 상품권을 받을 수 있습니다. 저는 지금까지 스타벅스 4,100원치 교환권 2개를 받았어요! 이벤트가 내일까지(23일 목요일)인데, 다들 빨리 참여하셔서 스타벅스 하나씩 받아가세요~~
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우선 에너지에 대한 전반적인 틀을 잡기 위해 빌게이츠의 기후재앙을 피하는 법 이라는 책을 읽어보았다. 아래는 책에서 기억할만한 내용들을 정리.
"우리는 매년 510억 톤의 온실가스를 대기권에 배출한다" → 우리가 달성해야할 목표는 탄소 제로다
탄소를 제거하지 않고 단순히 배출량을 줄이는 것만으로는 충분하지 않다. 우리가 추구해야 할 유일한 목표는 제로를 달성하는 것이다.
코로나때 온실가스 배출량은 지난해(2019년)보다 약 5퍼센트 줄었다. 이정도의 대가를 치르고 줄어든게 단지 5퍼센트밖에 되지 않는다.
(탄소 제로는) 어려울 것이다
석유는 탄산음료보다 싸다.
삶의 질이 개선되면서 이들이 작동시키는 에너지의 수요도 증가한다. 그 결과 1인당 사용하는 에너지양은 증가할 것이고, 1인당 배출하는 온실가스 양 역시 증가할 것이다. 게다가 세계 인구 또한 늘어나고 있다.
새로운 에너지원을 도입하기까지는 굉장히 오랜 시간이 걸린다: 석탄이 세계 에너지원의 5퍼센트에서 50퍼센트로 증가하는데 60년이 걸렸고, 천연가스는 같은 기간에 20퍼센트밖에 증가하지 못했다.
이유는 1) 석탄발전소는 컴퓨터 칩과 다르다(효율 올리기 어렵고, 대규모 자본이 필요) 2) 법과 규제가 지나치게 시대에 뒤떨어져 있고 3) 기후변화에 대한 대중의 합이가 생각보다 부족해서
우리가 물어야 할 다섯 가지 질문
내가 기후변화를 공부할 때 이해하기 어려웠던 점이 한두개가 아니었다. 결국 나는 '사고의 틀'을 만들었다. 이 사고의 틀 덕분에 어느 정도가 많고 적은 건지 파악할 수 있게 되었고, 어떤 것이 얼마나 비싼지도 알 수 있게 되었다. 이처럼 사고의 틀은 '무엇이 중요한지'를 파악해 새로운 주제를 배우는 데 도움이 된다. 무언가를 배울때는 항상 큰 그림을 먼저 이해하려고 노력해야 한다. 그래야 새로운 정보를 습득할 때 전체적인 맥락에서 그 정보를 이해할 수 있기 때문이다. 물론 기억하기도 더 쉽다. 나는 사고의 틀을 유지하기 위해 '다섯 가지 질문'을 만들었다.
510억 톤 중 얼마일까?: '몇 톤의 온실가스'라는 글을 볼 때마다 그 숫자가 세계 연간 총 이산화탄소 배출량(이산화탄소 환산톤)인 510억톤의 몇 퍼센트인지를 계산하라.
시멘트에 대한 계획은 무엇인가?: 기후변화에 대한 종합적인 계획에는 전력 생산과 자동차 외에도 고려해야 할 것이 많다는 점을 압축적으로 보여주는 질문 - 다섯 항목(제조, 전기생산, 사육과 재배, 교통과 운송, 냉방과 난방)모두에서 온실가스가 배출되고, 각 항목별로 기후변화에 대처할 수 있는 해결책이 필요하다는 것을 기억하라
얼마나 많은 전력을 말하는 걸까?: 킬로와트라는 말을 들으면 가정을 떠올리면 되고, 기가와트는 도시, 그리고 수백 기가와트나 그 이상은 나라라고 생각하면 된다.
얼마나 큰 땅(공간)이 필요할까?: 필요한 양의 에너지를 생산하기 위해 얼마나 큰 장소가 필요할지를 계산해야 한다. 여기서 '전력밀도'는 중요한 개념이다. (화석연료 500~10000 / 원자력 500~1000 / 태양열 5~20 / 수력 5~50 / 풍력 1~2 / 나무와 기타 바이오매스 1미만 *제곱미터당 와트)
돈이 얼마나 들어갈까?: 언제나 그린 프리미엄*을 염두에 두고 중간소득 국가들도 기꺼이 지불할 수 있을 만큼 저렴한지 물어봐라 (*깨끗한 그린에너지 기술에 붙는 가격 프리미엄)
온실가스 배출량은 단지 우리가 제로로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 보여줄 뿐, 제로를 달성하는 것이 얼마나 어려울지는 보여주지 못한다. 하지만 그린 프리미엄이라는 렌즈는 온실가스 배출량을 통해 볼 수 있는 것과는 다른 시각을 제시한다. 현재 사용 가능한 제로 탄소 기술을 사용하면 비용이 얼마나 들까? 어떤 혁신이 온실가스 배출량에 가장 큰 영향력을 미칠까? 그린 프리미엄은 각 부문별로 제로를 달성하는 데 필요한 비용을 계산하고 우리가 혁신해야 할 곳을 명확하게 보여주면서 이런 질문에 답을 제시한다.
27%: 전기 생산
미국 전체 전기 시스템을 제로 탄소화한다면 평균 전기료는 1킬로와트시당 1.3~1.7센트 증가. 이는 전기료가 15%정도 증가한 정도. 따라서 평균적인 가정의 그린 프리미엄은 할달에 약 18달러로, 대다수의 사람들이 충분히 감당할 수 있는 수준. 유럽의 상황도 비슷. 하지만 아프리카와 아시아는 불리하다.
전기의 그린 프리미엄이 높은 이유는 저렴한 석유와 비싼 송전선 때문도 있지만, 가장 큰 이뉴는 안정성에 대한 요구와 간헐성의 저주다(햇빛과 바람은 불규칙적이고, 여름과 겨울의 차이도 있다).
무탄소 전기 만들기: 핵분열(원자력발전소): 빌게이츠는 원자력 발전소를 민다, 핵융합, 해상풍력, 지열
저장하기: 배터리, 양수발전, 축열, 저렴한 수소(연료전지)
다른 혁신들: 탄소포집, 더 적게 사용하기
내가 확실하게 말할 수 있는 것은 우리가 필요할 때마다 합리적인 가격의 제로 탄소 전기를 안정적으로 제공하는 새로운 전력망을 개발할 구체적인 계획이 필요하다는 것이다. 만약 누군가 나에게 요술지팡이를 주면서 이것을 흔들면 기후변화의 요인들 가운데 하나를 획기적으로 개선할 수 있다고 한다면, 나는 전기 생산이라고 말할 것이다. 깨끗하게 전기를 만들 수만 있다면, 우리 경제의 많은 부분을 탈탄소화 할 수 있기 때문이다.
전기 생산은 어떤 에너지원을 통해 진행되고 있을까 - 석탄 36% / 천연가스 23% / 수력전기 16% / 원자력 10% / 재생에너지 11% / 석유 3%
31%: 제조
콘크리트를 만드는 '시멘트'에서 이산화탄소가 나온다 (석회암에 열을 가하면 산화칼슘과 이산화탄소가 만들어진다): 1톤의 시멘트를 만들면 1톤의 이산화탄소 배출 -> 이건 화학적으로 어떻게 할 수 없어서 줄일 수가 없다.
강철: 1톤의 강철이 만들어질 때마다 1.8톤의 이산화탄소가 배출
플라스틱: 플라스틱은 만들 때 탄소의 절반 정도는 플라스틱에 남는다. 그래서 순전히 이산화탄소 배출이라는 관점에서 보면 플라스틱의 탄소는 그리 나쁜 소식은 아니다.
각 소재별 그린 프리미엄은 시멘트 80% / 강철 25% / 플라스틱 15%
= 1) 가능한 모든 과정을 전기화하고 2) 이미 탈탄소화한 전력망으로부터 전기를 얻고 3) 배출되는 이산화탄소를 흡수하기 위해 탄소포집 기술을 활용하고 4) 더 효율적으로 자재들을 사용하라
19%: 사육과 재배
메탄 분자를 이탄화탄소의 28배, 아산화질소는 무려 265배나 더 심한 온난화를 일으킨다
사람들은 부유해질수록 더 많은 칼로리를 섭취하는데, 특히 고기와 유제품을 더 먹는다. 그리고 고기와 유제품을 생산하려면 더 많은 식량이 필요하다. 1칼로리의 닭고기를 위해선 닭에게 두 배 많은 칼로리를 줘야하고 ,돼지의 경우에는 세 배, 소의 경우에는 6배의 칼로리를 줘야한다.
문제는 우리는 지금 생산하는 식량보다 더 많은 양을 생산해야 하는데, 우리가 현재 사용하는 방법으로 하면 기후변화에는 재앙이 될 것이라는 점이다. 더 많은 식량을 생산할 혁신이 일어나지 않는다면, 100억명이 먹을 수 있는 충분한 양의 식량을 얻을 경우 식품 관련 온실가스 배출량은 2/3 정도 증가할 것이다.
전 세계적으로 우리는 식용으로 약 10억 마리의 소를 키우고 있다, 이들이 트림과 방귀로 내뿜는 메탄은 이산화탄소 20억 톤과 동일한 온난화 효과를 일으킨다. 이는 전 세계 온실가스 배출량의 약4퍼센트다.
식물성 고기와 배양육이 성장하고 있다. (빌게이츠는 비욘드미트와 임파서블푸드 투자자)
새로운 비료를 줘야하고, 가축을 기르는 방식을 바꾸고, 음식 낭비를 줄여야 하고, 식습관에 변화를 줘야한다.
산림벌채X (나무를 태우는데도 이산화탄소가 나온다).
16%: 교통과 운송
세계적으로 운송과 교통은 온실가스 배출의 가장 큰 요인이 아니지만, 미국에서는 가장 큰 요인이다. 심지어 전기 생산보다도 더 크다.
"할 수 있는 한 모든 자동차를 전기화하라. 그리고 나머지 교통 및 운송 수단에 대해서는 저렴한 대체 연료를 마련하라"
7%: 냉방과 난방
에어컨을 쓸수록 온난화가 가속화되는건 아이러니
할 수 있는 만큼 전기화하고 2) 전력망을 탈탄소화하고 3) 전기를 보다 효율적으로 사용하자
정부 정책은 얼마나 중요할까?
정책이라는 단어처럼 모호하면서도 매력 없는 단어도 드물 것이다. 새로운 배터리 개발을 이끈 정부 정책보다는 새롭게 개발된 최신 배터리가 섹시하게 인식된다. 하지만 정부가 세금을 투입해 배터리 연구를 지원하지 않았더라면, 연구실에서 나온 연구 결과를 시장화할 수 있게 도와준 정책이 없었다면, 그리고 새로운 시장을 만들고 새로운 제품을 대규모로 팔 수 있게 도와준 규제가 없었더라면 새로운 배터리는 존재하지 못했을 것이다.
에너지 정책 예시 1) 전기 보급 2) 에너지 안보 3) 경제 회복
정부가 추구해야 할 높은 수준의 일곱 가지 목표 1) 투자 갭을 메꿔라 2) 온실가스 배출을 비싸게 만들어라 3) 불필요한 장벽을 허물어라 4) 뒤처지지 마라 5) 공정한 경제구조의 전환을 계획하라 6) 쉬운 일만 하지 마라 7) 기술 정책 시장을 모두 잡는 일석삼조를 노려라 (*시장이란 투자자들과 금융기관 등을 말함)
제로로 가는 길
2030 온실가스 감축은 2050 제로 달성의 중간 단계의 목표가 아니다.
에너지와 소프트웨어를 비롯해 모든 산업에서 혁신을 오로지 기술의 관점으로만 바라보면 안 된다. 혁신은 단순히 새로운 기계나 새로운 절차를 만드는 것만이 아니다. 새로운 비즈니스 모델, 공급망, 마케팅, 그리고 새로운 제품이 시장에 출시되고 세계 소비자들이 소비할 수 있게 도와주는 정책도 혁신이 될 수 있기 떄문이다. 이처럼 혁신은 새로운 물건일 수도 있고 새로운 '일하는 방식'이 될 수도 있다.
(여기서부터는 수소에 관해서만 다룹니다)
수소 관련 정부 정책
*에너지의 경우 정부의 정책이 산업의 방향성을 결정하기 때문에 국가에서 나온 자료를 잘 살펴보아야 한다.
정부의 수소 관련 정책은 위 자료에 아주 잘 정리되어있음 (사실상 이거 하나만 제대로 보면 됨)
수소를 안정적으로 생산- 저장- 운송
수소의 장점: 이산화탄소 배출이 전혀 없고 부산물이 물만 나온다 → 장기적으로 수소로 갈 확률이 높음
우리나라가 수소에 집중하는 이유: 친환경 에너지화, 에너지 자립, 미래 유망품목 육성과 일자리 창출
수소경제의 효과: 현재까지 누적 1조원, 2022년 16조원, 2030년 25조원
수소차: 세계 최초로 수소차 양산에 성공, 핵심부품 99%의 국산화
연료전지: 울산을 비롯한 대규모 석유화학 단지에서 수소차 확산에 필요한 부생수소를 충분히 생산할 수 있는 능력 (*부생수소는 석유화학 공정에서 나오는 수소를 활용하는 것)
천연가스 배관: 전국적인 총연장 5천여㎞의 천연가스 배급망을 활용하면 천연가스에서 경제적으로 수소를 추출해 각지에 공급할 수 있음
[정책브리핑] 세계 최고수준의 수소경제 선도국가로 도약
정부에서 나온 '수소경제 활성화 로드맵'
‘수소차’와 ‘연료전지’를 양대 축으로 수소경제를 선도할 수 있는 산업생태계 구축
수소차 국내 보급 : ’17년 국내 177대(신규 51대) → ’18년 누적 889대(신규 712대) → ’19년 4,000대 이상 신규 보급
수소충전소 확충:(’18)14개 → (’22)310개 → (’40)1,200개소
수소 대중교통 확대 : ’40년 수소택시 8만대, 수소버스 4만대, 수소트럭 3만대 보급
발전용 연료전지를 재생에너지 활용 수소 생산과 연계하여 ’40년까지 15GW(수출 7GW 포함) 이상으로 확대
가정․건물용 연료전지도 ‘40년까지 2.1GW(약 94만가구) 보급
수소 활용을 수소차 외에 수소선박, 수소열차, 수소건설기계 등으로 확대
수소 공급은 수전해 및 해외생산․수입 등 그린 수소 비중을 확대하여 ’18년 13만톤 수준에서 ’40년 526만톤 이상으로 확대
수소 저장방식을 현재의 저용량․기체에서 고효율․액체 등으로 다양화하고, 전국적인 파이프라인 공급망도 구축
2040년까지 공급량 526만 톤/연간, 가격 3,000원/kg 달성 목표
수소 생태계
수소 자체보다 생태계를 이해해야 한다: 1) 수소차와 연료전지 같은 활용수단 2) 친환경적이고 효율적인 방법으로 수소를 생산 3) 안정적인 저장 및 운송 필요 → 생산, 저장, 운송, 활용으로 구성된 생태계
수소 생산
수소생산단가: 그레이수소 $1.2~2.2/kg, 블루수소 $1.6~2.9, 그린수소 $2.5~4.5
현재는 블루수소 관련 기업이 우선 순위, 그 안에 핵심은 CCUS(탄소포집). 그린수소는 수전해수소 중 PEMEC에 주목
국내 대부분의 수소 생산은 정유공장에서 나오는 부생수소(75%)
글로벌리로는 천연가스 개질법 중 수증기 메탄 게질(Hydrocarbon Reforming)이 가장 보편화 (미국의 경우 95% 차지) → 하지만 수소 생산 과정에서 가솔린 자동차의 60%정도의 이산화탄소가 필요한 생산법 → 결국 그린 수소를 생산하는 수전해수소로 나아갈 것
수소 저장, 운송
운송횟수 감소를 위해 많은 수소를 넣고 운반해야 하고, 이에 장거리 운송 시에 액화수소운송이 각광받고 있음
하지만 운송수단은 수소를 기체로 주입해야 하기 때문에 액화된 수소를 다시 기체로 바꿔 저장해야함
수소 기체 고압 압력용기에는 탄소섬유가 필요하고(효성첨단소재), 액화수소 저장탱크는 소재보다는 저장용기 제조 기업을 주목해야함(일진하이솔루스, 한화솔루션의 시마론 등)
수소충전소: 수소저장용기, 압축기, 냉각기, 디스펜서 등으로 구성
Off site: 수소를 외부에서 튜브트레일러 또는 파이프라인을 통해 공급 / On site: 수소충전소에서 직접 수로를 생산하는 방식(개질형, 수전해형으로 나뉨)
수소를 충전소로 운반하는 튜브트레일러: Type4용기 기준 약 450bar 수준으로 확대
수소 활용
국내 주요 수소 플레이어들
이산화탄소를 많이 배출하는 대기업들로 구성되어 있음.
아래 사진은 최근 킨텍스에서 열린 수소 모빌리티쇼의 전시장 구성도. 전시장의 크기 순서대로 수소에 신경쓰고 있다고 봐도 될 것 같다.
Hydrogen Wave | Hydrogen for everyone, everything, everywhere | 하이드로젠 웨이브
현대차의 '하이드로젠 웨이브' 선포
트램, 기차, 배 등 어디에서나 수소가 사용될 수 있도록
2028까지 모든 상용차에 수소연료전지를 적용
비전 FK: 수소를 활용한 고성능 자동차, 리막과 협업
태양광, 풍력의 잉여 전력을 수소로 전환하면 장거리 운송에 적합
연료전지는 발전기다 (베터리는 단지 전기를 저장만 하지), 물의 전기분해 역반응
연료전지 구성: 전기를 생산하는 연료전지 스택,수소공급 시스템, 공기 공급 시스템, 열 관리
연료전지의 경쟁성: 비용과 내구성 → 비용은 스택이 중요, 스택은 400개의 셀로 구성, MEA도 중요
원재료를 흑연에서 스테인리스로 변경해서 비용을 낮춤
백금(플래티늄)은 더이상 원가의 주요 요소가 아님, 백금 비중을 계속 줄이고 있음
20년간 가격은 98%가 낮아졌다
2030까지 전기차과 대등한 경제성을 가지는 것
차세대 연료전지 시스템 (3세대) 개발중. 볼륭 30% 감소, 이걸 여러개 합쳐서 사용 가능
현대로템에서도 수소 사업 진행 중
애코플랜트 사업, 수소 추출기, 수소 충전기, 부생수소 출하설비 구축 사업 등 영위
지방자치단체 수소추출설비, 당진 현대제철 부생수소 포집 설비 등 구축
수소트램 시운전 성공
[두산퓨얼셀] 수소사회의 도래와 두산퓨얼셀 Vision
두산퓨얼셀은 대표적인 연료전지 기업
발전용 PAFC(인산염 연료전지) 전문 기업. 우리나라에 적합한 On site 형태의 수소 생산 가능함
PEM 수전해 설비, 선박용 SOFC등으로 포트폴리오 다변화 추진
참고)
효성첨단소재의 탄소섬유는 글로벌에서 시장점유율 3%를 차지 (참고로 도레이가 40%로 압도적)
기체 압력용기 탄소섬유 시장에서는 글로벌 2위 기업
현재 탄소섬유 캐파 연4천톤, 내년까지 6500톤, 28년까지 2만4천톤 증설 계획
넥쏘에 들어가는 고압 수소용기를 독점공급. 20년 기준 연산 용기 47,652 EA 생산능력의 공장을 확보하여 생산중
국내 수소차 양산업체는 현대차가 유일, 글로벌 시장 내 69% 점유율 확보. 일진하이솔루스가 수소용기 독점 공급 중이므로 수소용기 시장 내 동일한 수준의 점유율을 확보하는 것으로 판단 됨.
도요타는 자체적으로 수소용기 공급, 혼다는 Luxfer사(캐나다)의 TYPE3 용기를 사용
해외 사례들
참고자료
이베스트 투자증권 '수소경제 중 FCEV'_이안나
이베스트 투자증권 '수소생산 및 저장'_이안나
SK증권 '수소 시대를 준비하며'_이효석
IBK투자증권 '수소 벨류체인, 생산 단계는 처음이지?'_이상현, 김태현
메리츠증권 '수소경제 플러그인'_문경원, 노우호, 이상현