[월간수소경제 성재경 기자] 수소산업에 종사하는 기업들을 한자리에서 볼 기회다. 고양시 킨텍스 제1전시장에서 열린 H2 MEET 전시회(9월 13~15일)를 찾았다. 수소 활용 쪽에 치우쳤던 과거와 달리 수소의 생산, 저장·운송 부문에 힘이 실렸다는 느낌을 강하게 받았다. 

수소 활용 측면에서도 ‘탈 것’ 중심의 모빌리티보다는 탄소 배출을 줄이기 위한 수소, 암모니아 혼소발전 부문이 더 강조됐다.

 
현대차그룹만 해도 폐기물 수거를 위한 ‘수소전기트럭 청소차’와 이동형 수소충전소인 ‘H 무빙 스테이션’ 정도만 전시했다. 오히려 가축분뇨, 음식물쓰레기, 하수찌꺼기 같은 유기성 폐기물에서 바이오가스를 생산하는 현대건설의 ‘폐자원 수소생산 패키지’, 폐플라스틱을 원료로 고순도 청정수소를 생산하는 현대엔지니어링의 P2E(Plastic to Energy) 기술이 더 눈에 들었다.

 

포스코그룹만 해도 ‘오만 그린수소 프로젝트’의 모형을 부스 맨 앞에 배치했다. 포스코그룹은 3개국 6개 회사로 이뤄진 컨소시엄을 이끌고 지난 6월 오만의 두쿰(Duqum) 지역에서 향후 47년간 그린수소 사업을 벌이는 독점권을 확보했다. 사업부지 면적만 서울시의 절반 크기다. 바로 이곳에 5GW 규모의 재생에너지 단지를 조성하고 연 22만 톤의 그린수소를 생산하게 된다. 

 

청정수소를 국내로 들여오려면 운반, 저장성이 좋아야 한다. 발전, 제철 부문 등에 대량의 수소 수요처가 생겨나면서 청정수소 운반체로서 암모니아의 중요성이 부각되고 있다. 해외에서 들여온 암모니아는 그대로 써도 되고, 크래킹(Cracking, 분해) 공정을 거쳐 수소를 만들어 써도 된다.

암모니아는 액화수소 대비 경제성이 좋다. “액화수소를 생산해서 운반하고 보관하는 총비용이 kg당 12달러 이상이라면, 암모니아를 운반해서 다시 수소로 분해해도 kg당 비용은 6달러 미만에 불과하다”는 업계의 분석도 있다. 대기업이 서둘러 나선 이유다.  

 

 

수소 운반체 ‘암모니아’ 활용법

고려아연 / 한화임팩트 / SK가스 / 포스코 etc.

 

고려아연은 국내 기업 중에서는 처음으로 해외 그린수소의 상업 생산에 도전하고 있다. 고려아연은 호주의 자회사인 아크에너지(Ark Energy)를 통해 2024년 상반기 퀸즐랜드주 타운즈빌에서 그린수소 플랜트 상업운전에 나선다. 이를 앞두고 올해 하반기부터 시운전에 들어가 성능과 안전성을 점검하게 된다.

 

그린수소 생산 첫 해 목표 생산량은 연 140톤이다. 124MW 규모의 태양광발전소와 연계해 그린수소를 생산한다. 2030년 고려아연의 호주 그린수소 플랜트 목표 생산량은 28만 톤에 이른다. 고려아연은 호주의 그린수소를 100만 톤 이상의 암모니아로 전환해 국내로 운송할 계획이다. 이를 위해 한화임팩트, SK가스 등과 컨소시엄을 구성했다. 

 

 

한화임팩트는 최근 미 휴스턴의 엔지니어링 회사인 KBR과 손을 잡았다. KBR의 H2ACT 기술이 적용된 세계 최초의 상업용 암모니아 분해장치에 대한 엔지니어링 설계 계약을 맺었다. 암모니아 크래킹 공장의 운영 시점은 2027년으로 잡고 있다.

 

또 SK가스는 해외에서 생산되는 청정수소 도입을 위해 지난해 1월 아랍에미리트 아부다비 국영석유회사, 한국석유공사와 수소·암모니아 생태계 구축을 위한 공동연구 협약을 체결했다. 

 

삼성물산 건설부문도 일본 미쓰비시상사의 글로벌 에너지 전문기업인 DGA(Diamond Generating Asia)와 서호주에서 그린수소·암모니아 프로젝트를 추진하고 있다. 국내 대기업이 수소사업을 통해 가장 긴밀히 협력하고 있는 나라는 역시 호주라 할 수 있다. 

 

호주는 일사량이 풍부하고 땅이 넓어 재생에너지 생산에 유리하고, 핵심 광물과 자원을 많이 보유하고 있다. 국내에 LNG 인수기지를 보유한 SK E&S, GS칼텍스의 경우 국내에서 발생한 이산화탄소를 포집해 서호주로 운송한 뒤 고갈 가스전 등에 영구 저장하는 CCS(탄소 포집·저장) 사업에 관심이 많다.

 

포스코그룹도 눈여겨봐야 한다. 그린스틸 생산을 위해 HyREX(Hydrogen Reduction) 기반 수소환원제철 기술의 상용화를 추진하고 있다. 포스코는 저탄소 생산체계로 넘어가기 위해 기존의 고로 대신 전기로를 광양제철소에 신설한다. 또 전기로 조업에 꼭 필요한 저탄소 철강 원료를 호주에서 생산해 들여올 예정이다.

 

철광석에서 산소를 제거해 환원시킨 직접환원철(DRI)을 조개탄 모양으로 성형한 제품을 HBI(Hot Briquetted Iron)라 부른다. 포스코는 철광석을 가공한 원료인 HBI를 호주에서 생산하기 위해 지난해부터 타당성 조사를 진행해왔다. 대규모 재생에너지 전력으로 생산한 그린수소를 환원제로 사용해 HBI를 생산할 계획이다.

 

 

포스코그룹은 2050년 수소생산 700만 톤 생산체제를 구축한다는 목표를 세웠다. 해외에서 생산한 청정수소를 암모니아 형태로 들여오는 만큼 국내에서 수소를 추출하기 위한 암모니아 크래킹 기술에도 관심이 많다.

 

수소와 질소의 화합물인 암모니아(NH₃)를 600℃ 이상으로 가열해 질소를 분리하면 수소를 얻게 된다. 두산에너빌리티도 영국의 존슨매티와 손을 잡고 수소복합발전을 위한 암모니아 크래킹 기술개발에 나서는 등 관련 산업이 큰 주목을 받고 있다.  

 

암모니아를 모빌리티에 그대로 활용하는 것도 가능하다. 이 분야는 아모지(Amogy)가 가장 앞서 있다. 루테늄 기반의 촉매를 사용해 기존 크래킹 설비를 100분의 1로 줄여 소형화하는 데 성공한 스타트업이다. 여기에 연료전지를 붙여 트랙터나 트럭의 파워팩으로 쓰는 실증에도 성공했다.

 

아모지는 이 시스템을 소형선박에 적용할 방침이다. 올 연말 허드슨강에서 테스트에 들어갈 예정으로, 향후 시스템의 대형화에 성공한다면 독일의 만(MAN) 에너지솔루션스, 핀란드의 바르질라(Wartsila) 같은 기존 선박 엔진 회사의 경쟁자로 성장할 수 있다.

 

암모니아는 석탄발전 혼소 또는 암모니아 추진선에 그대로 써도 된다. 국내에서 운영 중인 초초임계압 석탄발전소에 암모니아를 20% 섞어 쓰기 위한 혼소버너 개발도 시작됐다. 또 한국조선해양, 한화오션(옛 대우조선해양), 삼성중공업이 2025년까지 암모니아 추진선 상용화에 나선 점도 주목해야 한다. 

 

 

그린수소 생산 위한 ‘수전해’ 기술 

한화솔루션 / 테크로스 / 지필로스 / 선보유니텍 etc.

이번 전시회에 한화그룹은 한화, 한화에너지, 한화솔루션 등 7개 자회사가 모두 나와 부스를 크게 꾸렸다. 한화에어로스페이스는 UAM(Urban Air Mobility, 도심항공교통), RAM(Regional Air Mobility, 지역간 항공교통)에 적용할 수 있는 100kW급 경량형 수소연료전지를 전시했고, 한화파워시스템은 무탄소 발전의 전단계로 LNG에 수소를 혼합해 쓰는 수소혼소 기술을 선보였다.

 

하지만 가장 눈길을 끈 곳은 한화솔루션에서 내놓은 250kW AEM(음이온교환막) 수전해 스택이었다. AEM은 알칼라인과 PEM(양이온교환막)의 장점을 취한 차세대 수전해 기술에 든다. 귀금속 촉매를 쓰지 않아 초기 투자비가 적고 적은 전력으로 수소를 생산할 수 있다. 

 

 

한화솔루션 관계자는 제품 출시 시점을 두고 말을 아꼈다. PEM은 나피온이라는 내구성이 검증된 불소계 분리막이 있지만, AEM은 분리막의 내구성에 약점이 있다. 이 부분의 기술개발이 이뤄지고 가격이 안정화되면 대면적화를 통해 수소생산에 큰 이점을 확보할 수 있다. 

 

산업통상자원부는 국내 청정수소 생산 인프라 확대를 지원하기 위해 지난해 전북 부안, 강원 평창 등 두 곳에서 ‘수전해 기반 수소생산기지 구축사업’을 벌이고 있다. 부안 수전해 사업은 현대건설이 주관기관으로 참여하고 있고, 평창 수전해 사업은 한화솔루션이 주관기관으로 참여하고 있다. 

 

두 곳 모두 프랑스 엘로젠(Elogen)의 PEM 수전해 설비가 들어간다. PEM은 백금, 이리듐 같은 귀금속 촉매를 사용한다. 알칼라인보다 에너지 효율이 높고 고순도 수소 생산에 유리하다. 또 주변 설비가 단순해 공간도 작게 차지한다. 현장에 2.5MW급 전해조를 설치해 하루 최대 1톤의 수소를 생산하게 된다. 

 

한화솔루션 관계자는 “강원도와 협력해 풍력발전기에서 나오는 재생에너지 전기로 수소를 생산하게 된다. 연관 기술인 만큼 PEM 수전해 설비를 현장에 설치해서 EPC나 운영 노하우를 쌓는 것도 중요하다. 동시에 AEM 수전해 기술을 확보하는 노력을 병행하고 있다”고 전했다. 

 

현대건설이 주관하는 전북 수소생산기지 사업에는 테크로스 워터앤에너지가 이름을 올리고 있다. 테크로스는 전기분해 기술을 기반으로 선박평형수 처리장치를 시장에 공급하고 있다. 테크로스는 바닷물 전기분해 원천기술에 전극·분리막 등 핵심 기술과 장비 개발 능력을 접목해 알칼라인 수전해 시스템 개발에 집중하고 있다. 

 

이번 전시회에서 가장 주목할 제품은 지필로스가 내놓은 ‘1MW급 모듈형 ALK 수전해 시스템’이다. 10kW 알칼라인 스택 모듈 100개를 40피트 컨테이너 안에 구성했다. P2G(Power to Gas)용 전력변환시스템 회사로 잘 알려진 지필로스가 자체 제어시스템을 적용해 개발했다.

 

 

 

지필로스의 엄규문 상무는 “시간당 200루베(Nm3), 그러니까 하루에 약 430kg의 수소를 생산할 수 있다. 모듈형으로 자동 제어가 되기 때문에 전력 소모가 적고, 스택에 문제가 생길 경우 그 부분만 교체할 수 있다”고 한다. 

 

10kW ALK 모듈의 디자인만 놓고 보면 독일 인앱터(Enapter) 사의 4세대 AEM 모델인 ‘EL 4.0’과 유사하다. 

 

인앱터와 파트너십을 맺고 있는 예스티는 이번 전시회에 국책과제로 개발 중인 ‘35MPa급 S-HRS 수전해 시스템’을 최초로 공개했다. 태양광 전력으로 생산한 그린수소를 차량에 충전하는 소규모 수소생산 설비라 할 수 있다.

 

EL 4.0에는 2.2kW 스택 모듈이 들어 있다. 하루에 약 1kg의 수소를 생산하는 EL 4.0 제품 36개를 병렬로 연결해 총 36kg(1일)의 수소를 생산할 수 있다. 예스티 관계자는 “내년 초 창원에 있는 경남에너지 본사에 설치해 태양광 전기로 수소를 생산하게 된다. 350bar 압축기로 차량에 충전하는 실증도 진행한다”고 말했다. 

 

국내 PEM 수전해 기술도 메가와트(MW) 시대를 열 채비를 마쳤다. 엘켐텍은 선보유니텍과 함께 1MW 수전해 스택을 내놨다. 제주 행원 수전해 실증단지에 들어간 300kW급 스택이 원형이라면 이 제품은 정사각형이다. 

 

 

선보유니텍 김청욱 대표는 “분리막이나 전극을 가공하거나 제조할 때 사각형으로 가면 자투리 부분의 손실이 없어 원가절감에 유리하다”고 한다. 

 

선보유니텍은 전남 영암의 대불공단에 생산시설을 마련하고 1MW 이상의 수전해 설비 공급에 대응하고 있다. 전남테크노파크에서 발주한 1MW PEM 수전해 실증사업 수주에도 성공했다. 시간당 200Nm3로 약 18kg의 수소를 생산할 수 있다.

 

두산그룹도 미국의 자회사인 하이엑시엄(HyAxiom)을 통해 1MW PEM 수전해 설비를 개발하고 있다. 이번 전시에는 모형만 출품했다. 한국의 연구진이 미국 현지에 합류해 1MW 스택을 개발 중이며, 내년에 제품을 출시하게 된다. 

 

‘액화수소’ 저장·운송 기술

크리오스 / 하이리움차트 / 디앨 / 일진하이솔루스 etc.

수전해 다음으로 눈여겨볼 기술은 액화수소다. 두산에너빌리티, SK E&S, 효성중공업은 올해 수소액화 플랜트를 준공해 국내 시장에 처음으로 액체수소를 공급할 계획이다. 그 양만 해도 연 4만 톤에 이른다.

 

이에 정부와 지자체, 기업이 나서 액화수소 수요처 발굴에 힘쓰고 있다. 버스와 트럭 같은 수소상용차 수요를 늘리는 것이 1차 목표다. 환경부는 40곳에 이르는 액체수소충전소 구축사업을 벌이고 있고, 삼성전자와 SK하이닉스 같은 대기업이 통근 버스를 수소버스로 전환하는 데 앞장서고 있다. 

 

액화수소 운송도 중요하다. ‘액체수소 운송을 위한 3톤급 탱크트레일러 개발·실증’ 사업을 진행해온 크리오스(Cryos)가 이번에 액화수소 수송용 탱크트레일러를 처음 선보였다. 액체수소 최대 수송저장용량은 2.5톤으로 탱크 길이만 13m에 이른다. 높이는 4m, 폭은 2.5m다. 

 

 

김대성 크리오스 대표는 “크리오스가 개발 총괄을 맡아 1년 반 만에 국내 최초로 액체수소 수송용 탱크트레일러 실품 탱크를 이번에 전시하게 됐다. 내년에 수송용량을 3톤으로 늘린 탱크를 만들어 실증에 투입할 예정”이라고 밝혔다.

 

크리오스는 주강 제품을 생산하는 대창솔루션의 자회사로 1999년 설립된 초저온탱크 전문 제조기업이다. 수소·LNG·암모니아 유통시설, 대형 초저온 액화가스 시설, 친환경 엔진 연료공급 장치 등에 뛰어난 기술력을 보유하고 있다.

 

최근 평택에서 본사 준공식을 연 하이리움산업도 미국의 차트인더스트리와 손을 잡고 3톤급 액화수소탱크 트레일러를 생산할 예정이다. 이를 위해 양사는 지난해 10월 하이리움차트(Hylium-Chart)라는 합작법인을 세웠다. 이 외에도 액화가스 운반용 특장차, 초저온 탱크로리를 전문으로 제작하는 디앨이 액화수소 탱크로리를 개발 중이다.

 

넥쏘에 들어가는 고압용 타입4 탱크 제작사로 유명한 일진하이솔루스도 액화수소 시장 개막에 대비하고 있다. 이번에 스테인리스 재질의 액화수소탱크를 처음으로 선보였다. 과냉각 액화수소(sLH2) 150리터를 저장할 수 있는 용기로, 액체수소 약 10kg을 채울 수 있다.

 

일진하이솔루스 이희주 액화수소팀 팀장은 “독일의 다임러트럭이 액화수소 저장시스템을 적용한 ‘GEN H2’ 수소트럭을 개발하고 있다. 1회 충전으로 1,000km를 달릴 수 있는 차량이다. 지금 보는 탱크는 크기는 작지만, 동일한 과냉각 조건에서 충전이 되도록 개발했고, 향후 실제 상용차에 적용 가능한 크기로 제작할 예정이다. 국제표준으로 제정되고 있는 ISO TC197 과냉각 액화수소 충전 프로토콜을 반영해 제작했다”고 한다. 

 

 

과냉각(subcooled) 상태로 액체수소를 주입해야 진공단열 탱크 안에서 기화가 덜 일어난다. 액화수소탱크를 장착한 차량이 시중에 나올 경우 TC197에서 정한 프로토콜에 맞춰 액체수소 충전이 이뤄질 가능성이 매우 높다.

 

산업부는 지난 7월 제2차 산업 융합 규제특례심의위원회에서 현대차가 신청한 ‘액화수소 차량 개발을 위한 실증특례’를 승인했다. 현행 고압가스안전관리법에는 액화수소 관련 안전 기술이나 기준이 없어 관련 차량 개발이 불가하다.

 

이번 실증특례는 액화수소 플랜트에서 공급받은 액체수소를 수소트럭에 장착된 액화수소탱크에 주입한 후, 연구소 내 테스트트랙에서 차량 성능, 안전성 평가를 진행하게 된다. 글로벌 경쟁에서 뒤처지지 않으려면 저장성이 높은 액화수소 관련 기술 개발이 꼭 필요하다. 액화수소탱크는 수소엔진 차량에도 적용할 수 있다. 

 

일진하이솔루스는 이번에 ‘소형 액화수소탱크 충전스테이션’도 함께 출품했다. 케이스 덮개를 닫고 레버를 돌리면 노즐이 자동으로 내려와 탱크와 체결되면서 액체수소 주입이 시작된다. 드론용 액화수소탱크 충전에 용이하다. 

 

일진하이솔루스는 지난 9월 14일 두산모빌리티이노베이션(DMI)과 액화수소 항공모빌리티 개발을 위한 업무협약을 맺었다. 일진하이솔루스는 액화수소 연료저장모듈, 연료제어시스템을 제공하고, DMI는 이를 적용한 액화수소 항공모빌리티 제품을 개발하게 된다.