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에너지 패러다임 대전환, 그 중심의 수소

에너지 패러다임 대전환, 그 중심의 수소
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기고: 글로벌주식컨설팅팀 한상준 선임매니저

수소연료전지 - 운송

1. 신재생에너지와 연계한 성장

수소를 단순 이동 연료가 아닌 국가의 에너지 공급 안정성으로

전기차와 수소연료전지차 에너지 효율 비교 시 전기차의 에너지 효율이 월등히 높습니다. 신재생에너지를 기반으로 수소를 단순 에너지원에서 저장 기술을 포함한 에너지원으로 보면 매력적입니다. 유럽연합도 수소를 기반으로 한 에너지 전략을 발표(A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe/2020. 7. 8)했습니다.

궁극의 친환경인 수전해 시설(물을 전기분해해 수소를 얻는 기술) 1차를 2024년까지 구축하고 6GW 추가로 8.2GW, 2차로 2030년까지 40GW로 확대할 예정입니다. 기존 1kW 용량의 수소를 만들기 위해서는 3kW의 에너지가 필요했는데, 기술 발전 및 잉여전기 활용을 통해 상업성을 일부 확보할 수 있을 것으로 예상합니다.

수소를 통해 대용량, 장기 저장 가능. 낮은 피크 기여도, 기상상황에 따른 전력 공급 불안전 해소

신재생에너지는 다른 에너지원에 비해 피크 기여도가 낮은 게 단점입니다. 현재 ESS(에너지저장장치)를 활용하여 풍속, 일사량/일조량이 많을 때 생산되는 전력을 일부 저장하고 있지만 아직은 미미한 수준입니다.

호주는 일사량이 풍부해 글로벌 일사량에 상당부분 영향을 미치지만 풍력·태양 발전이 기상상황에 따라 전력 공급이 불안전합니다. 호주는 2012년 풍력·태양 발전 비중이 20% 이상 되자, 당시 전체 발전량의 약 25%인 석탄발전소를 폐쇄 후 전기료가 급등했습니다.

ESS는 10시간 이내, 10MWh 이하, 소규모인 것에 비해 수소는 1GWh~1TWh, 대용량, 장기간 저장에 유리합니다.

수소 보관 사진

자동차 유종으로 휘발유, 디젤 등 다양하듯이 전기차/수소연료전지차 공존할 것

신재생에너지를 중장기로 저장하기 위해 수소로 저장 후 다시 전기로 변환 시 에너지 효율이 급격히 하락합니다. 호주와 같이 일사량이 풍부한 국가는 신재생에너지 저장에서 수소가 포함되어야 전력생산원가(cost of electricity)가 수소 없이 저장하는 것보다 저렴합니다.

2. BIG Movement: 각 국의 수소경제 움직임

국가 주요내용
EU
  • Open-Pool제도 등 규제가 엄격
  • EC, 2020년 7월 8일 '유럽 기후 중립을 위한 수소전략(A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe)'을 통해 수소경제 활성화를 위한 로드맵 발표
  • 2050년까지 탄소 실질 배출량 '제로' 목표. 현재 1GW 수준의 수전해장치 설비를 오는 2024년까지 6GW, 2030년까지 40GW로 확대 예정. 2030년 까지 총 1,000t 이상의 수소 생산 능력 구축 계획
  • 현재 약 20억 유로 수준의 수소경제 규모를 2030년까지 1,400억 유로까지 성장할 것으로 전망. 이를 위한 누적 투자 규모 2050년까지 1,800억~4,700억 유로 전망
독일
  • '국가 수소전략'을 통해 경쟁국 대비 경쟁력 확보를 목표로 하고 있음
  • 이미 신재생에너지 선두국가로 지난해 전체 전기 생산량 중 재생에너지 42.1%를 차지한 독일은 2022년까지 원자력발전소, 2038년까지 석탄발전소를 전면 폐쇄할 계획. 수소경제로의 전환을 위해 정부 주도하 공격적 움직임을 보이고 있음
중국
  • 수소차를 시작으로 '수소경제' 활성화 전망
  • 2016년 '수소전기차 보급 계획'을 발표. 2030년까지 대규모 승용차와 상업 차량을 중심으로 연료전지차 100만대 공급 구상. 연료전지 생산량을 10만기 이상 구축 계획
  • 2030년까지 최고속력 180km/h 이상에 30만km 주행가능한 승용차 18만 위안 이하 가격으로 구성. 상업용 차량도 60만 위안 이하
  • 8,000시간 이상의 수명을 갖춘 '연료전지스택', 연료전지, 수소공급 시스템 핵심 소재 비용을 절감할 수 있는 기술 개발 계획. 수소충전소 역시 1,000기 이상 구축할 계획
일본
  • 수소차를 시작으로 '수소경제' 활성화 전망
  • 2016년 '수소전기차 보급 계획'을 발표. 2030년까지 대규모 승용차와 상업 차량을 중심으로 연료전지차 100만대 공급 구상. 연료전지 생산량을 10만기 이상 구축 계획
  • 2030년까지 최고속력 180km/h 이상에 30만km 주행가능한 승용차 18만 위안 이하 가격으로 구성. 상업용 차량도 60만 위안 이하
  • 8,000시간 이상의 수명을 갖춘 '연료전지스택', 연료전지, 수소공급 시스템 핵심 소재 비용을 절감할 수 있는 기술 개발 계획. 수소충전소 역시 1,000기 이상 구축할 계획
일본
  • 2014년 '수소 연료전지 전략 로드맵'에서 수소경제 전환 공식화
  • 각 지자체의 구체적 방안 및 제도화 마련
  • 2030년까지 국제 수소 공급망 구축 및 일본 내 재생 에너지, 수소 제조 기술 확립 계획
  • 2014년 200t 수준, 2030년까지 30만t 확보 계획. 궁극적으로 1,000t 이상 확보 계획
미국
  • 미국의 수소경제 계획은 2002년 '미국 2030년 및 그 이후의 수소경제 전환에 대한 국가비전' 발표하면서 공식화
  • 트럼프 정부 특성상 가려져 있지만 미국 캘리포니아주는 연료전지 사업 관련 민간 합동기구인 캘리포니아 연료전지 파트너십(CaFCP)이 있음.
  • 2030년까지 단계적으로 수소충전기 1,000기, 수소전기차 100만대 보급 목표
한국
  • 2019년 1월, 2040년 국내 수소차 누적보급 290만대, 수소 충전소 1,200개소 구축 등을 골자로 하는 '수소경제 활성화 로드맵' 발표
  • 에너지분야에서 이산화탄소 배출이 전혀 없고 도심지에 소규모로 설치가 가능한 친환경 분산 전원과 연계해 2040년까지 15GW이상 확대
  • 가정용/건물용 연료전지도 2040년까지 2.1GW(약 94만가구) 보급 계획
  • 2040년까지 수소가격을 3,000원/Kg까지 하락
  • '한국판 뉴딜' 중 그린뉴딜에 2025년까지 73.4조 투자

BIG Movement: Oil-Major 들의 친환경 움직임

BP, Shell, Total, Aramco 등 주요 Oil-Major들의 신재생에너지 투자는 필연적입니다. Oil과 Gas는 2014년 이후 가격이 하향세를 보이고 있습니다. 이는 OPEC카르텔의 가격 결정권 약화와 같은 의미입니다.

셰일의 등장으로 초과공급상황에서 코로나19로 수요까지 영향을 받았습니다. 이러한 상황에서 '지속가능기업'이 되기 위해 친환경에너지 투자가 진행되고 있습니다. Chevron의 500MW 규모 재생에너지 발전소 건설 발표, Shell의 해상풍력 투자, BP는 JinkoSolar와 협력을 통해 중국 태양광 시장 진출 계획 등이 이에 해당합니다.

사우디아라비아는 미국의 Air Product와 4GW 규모의 풍력과 태양열을 이용해 녹색수소 발전을 계획하고 있습니다.

3. 수소 충전소 구축비용 월등히 높다? 반은 맞고 반은 틀리다

350kw로 차량 동시 충전 시(3대 =1MW), (3,000대 = 1GW, 이는 원전 1기)

폭스바겐 디젤게이트 사건 이후 폭스바겐은 미국에서 10년간 2.4조 원이 충전소 구축 비용을 투자할 예정입니다. 미국 고속도로에 구축된 폭스바겐 충전소에는 보통 4~10대 정도의 충전기가 있으며, 초고속 급속충전인 350kw 지원충전기는 2대 정도 있고 나머지는 150kw급입니다. 350kw로 차량 3대를 동시에 충전시킬 경우 1MW, 3,000대를 동시에 충전 시 1GW의 순간 전력이 필요합니다. 1GW는 원전 1기로 전기차 보급이 확대되면서 급속 충전이 증가할 경우 인프라 비용이 크게 증가하게 됩니다.

Main Car로 전기차 사용이 확대되면서 급속충전 비중 증가 시 인프라 구축 비용 높아짐

전기차 충전소 구축 비용이 증가하는 시점은 가정의 Main Car로 전기차 사용이 확대되면서 급속 충전 비중이 증가할 때입니다. 이로 인해 전력 인프라 구축이 확대될 경우 전기차 충전소 구축 비용이 수소차보다 높아집니다.

포르쉐 타이칸은 배터리가 5%에서 88%까지 초고속 급속 270kw로 충전할 경우 22분이 소요됩니다(93.4KWh배터리).

전기 자동차가 전기를 충전하는 그림

4. 수소 닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐 해결 방안은(차/충전소)?

에너지=파워*시간/시간=거리/평균스피드/파워=힘*속도/힘=질량*가속도/무게_에너지 밀도 중요

수소연료전지차는 장거리, 대형에서 유리합니다. 시장 초기 대형 상용트럭 충전 거점 확보에서 승용으로 이어지는 전략이 필요합니다. 2019년 Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (European Commission, Hydrogen Europe, Hydrogen Europe Research )에서 발표한 자료에 따르면 중장기 적으로 승용차 기준 D세그먼트(현대 소나타) 이상부터 수소차가 경쟁력을 보유할 것으로 예상됩니다.

5. 수소차 시장 성장의 Key인 대형 상용 시장이 중요한 이유

상용차 시장은 판매대수 기준 승용/상용 대비 약 3~4% 수준, 금액기준 약 18~20%

글로벌 상용차 시장(6톤 이상)은 2018년 기준 322만 대를 생산했으며, 향후 5년 내 300만 대 중반으로 예상됩니다. 판매대수 기준으로는 승용/소형 상용 대비 약 3~4% 수준이지만, 금액 기준으로는 약 18~20%에 이르는 시장입니다.

글로벌 상용차의 사이즈별 비중은 대형 63.8%, 중형 25.7%, 6톤 이상 버스 10.5%(2018년 기준)입니다. 판매대수 기준 지역별 MS를 살펴보면 아시아 63.5%, 북미 18.7%, 서유럽 9.5%, 동유럽 4.9%(2018년 기준)으로 집계됩니다.

대형 중 class 8(40톤) 시장이 중요합니다. 글로벌 Class 8 시장 규모는 약 720조 원(차량, 연료, 서비스 시장 포함)으로 동일 기준 미국 시장 규모는 약 156조 원입니다. 차량 29%, 연료 49%, 서비스/관리 22%로써 연료 판매가 더 큰 시장입니다.

Class 8 트럭 시장을 누가 가져갈 지 주목

미국 중대형 트럭 시장의 연간 판매대수는 50만 대 수준입니다. Class 4~7 25만 대, Class 8 25만 대 정도입니다. Class 8 트럭 시장에서 수소 트럭이 전기 트럭 대비 확실한 이점을 보유하고 있다고 판단됩니다. 2019년 9월 미국 1위 트럭엔진 제조사 Cummins(2015년 MS 35.9%)가 캐나다 연료전지 전문회사 Hydrogenics를 인수했습니다.

수소 트럭 사진
  • 수소 자동차 사진
  • 수소 저장 창고 그림
  • 풍력, 태양광을 이용해 수소 에너지를 만드는 것을 표현한 사진
  • 수소 충전소 사진
  • 수소 연료 전지 트럭 사진1
  • 수소 연료 전지 트럭 사진2
  • 수소 연료 전지 트럭 사진3
  • 나뭇잎으로 수로 원소 기호를 표현한 사진

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