수소에너지 생산기술의 혁신, 대중화 및 응용 - Ally Hi-Tech 사례 연구
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편집자 주: 이 글은 원래 Wechat 공식 계정인 China Thinktank에서 게시한 글입니다.
3월 23일, 국가발전개혁위원회와 중국 국가에너지국은 공동으로 수소에너지 산업 발전 중장기 계획(2021-2035)(이하 "계획")을 발표했습니다. 이 계획은 수소의 에너지 속성을 정의하고, 수소에너지가 미래 국가 에너지 체계의 필수적인 부분이자 전략적 신산업의 핵심 방향임을 제시했습니다. 연료전지차는 수소에너지 응용 분야의 선두주자이자 중국 산업 발전의 돌파구입니다.
2021년, 국가 연료전지자동차 시범응용 정책을 주도하여 베이징, 톈진, 허베이, 상하이, 광둥, 허베이, 허난 등 5개 도시가 잇따라 출범하고, 1만 대 규모의 연료전지자동차 시범응용이 시작되어, 연료전지자동차 시범응용을 중심으로 한 수소에너지산업 발전이 본격화되었습니다.
동시에 철강, 화학, 건설 등 비수송 분야에서 수소 에너지의 응용 및 탐색에도 획기적인 진전이 이루어졌습니다. 앞으로 수소 에너지의 다각화 및 다용도 응용은 수소 수요 증가로 이어질 것입니다. 중국수소에너지연합의 예측에 따르면 2030년까지 중국의 수소 수요는 3,500만 톤에 달하고, 수소 에너지는 중국 종말 에너지 시스템의 최소 5%를 차지할 것입니다. 2050년까지 수소 수요는 6,000만 톤에 육박하고, 수소 에너지는 중국 종말 에너지 시스템의 10% 이상을 차지하며, 산업 사슬의 연간 생산 가치는 12조 위안에 달할 것입니다.
산업 발전 측면에서 볼 때, 중국의 수소에너지 산업은 아직 초기 단계에 있습니다. 수소에너지의 응용, 시범 및 보급 과정에서 에너지원으로서의 수소 공급 부족과 높은 비용은 중국 수소에너지 산업 발전을 저해하는 난제로 작용해 왔습니다. 수소 공급의 핵심 고리인 차량용 수소의 높은 출고가와 높은 저장 및 운송 비용 문제는 여전히 두드러집니다.
따라서 중국은 저비용 수소 생산 기술의 혁신, 보급 및 응용을 시급히 가속화하고, 수소 에너지 공급 비용을 낮춰 실증 응용 경제성을 향상시키고, 연료 전지 자동차의 대규모 실증 응용을 지원하여 전체 수소 에너지 산업의 발전을 견인해야 합니다.
수소의 높은 가격은 중국 수소 에너지 산업 발전의 중요한 문제입니다.
중국은 수소 생산량이 큰 나라입니다. 수소 생산은 석유화학, 화학, 코크스 등 여러 산업에 걸쳐 이루어집니다. 생산된 수소는 대부분 석유 정제, 합성 암모니아, 메탄올 등 화학 제품의 중간체로 사용됩니다. 중국수소에너지연합(CHEA) 통계에 따르면, 현재 중국의 수소 생산량은 약 3,300만 톤으로, 주로 석탄, 천연가스 등 화석 에너지와 산업 부산물 가스 정제를 통해 생산됩니다. 이 중 석탄 수소 생산량은 2,134만 톤으로 전체 수소 생산량의 63.5%를 차지합니다. 그 뒤를 이어 산업 부산물 수소와 천연가스 수소 생산량이 각각 708만 톤과 460만 톤으로 뒤따릅니다. 수전해 수소 생산량은 약 50만 톤으로 비교적 적습니다.
산업용 수소 생산 공정은 성숙하고 산업 사슬이 완벽하며 획득이 비교적 편리하지만, 에너지 수소 공급은 여전히 큰 어려움에 직면해 있습니다. 수소 생산의 높은 원료비와 운송비는 수소의 최종 공급 가격 상승으로 이어집니다. 수소 에너지 기술의 대규모 보급 및 적용을 실현하기 위해서는 높은 수소 획득비와 운송비라는 병목 현상을 극복하는 것이 핵심입니다. 기존 수소 생산 방식 중 석탄 수소 생산 비용은 낮지만 탄소 배출량은 높습니다. 대규모 산업에서 수전해 수소 생산의 에너지 소비 비용은 높습니다.
낮은 전력량에도 불구하고 수소 생산 비용은 20위안/kg 이상입니다. 재생 에너지의 발전 중단으로 인한 수소 생산의 저비용 및 저탄소 배출 수준은 미래 수소 획득의 중요한 방향입니다. 현재 기술은 점차 성숙되고 있지만 획득 위치가 비교적 멀고 운송 비용이 매우 높으며 홍보 및 응용 시나리오가 없습니다. 수소 비용 구성의 관점에서 볼 때 에너지 수소 가격의 30~45%는 수소 운송 및 충전 비용입니다. 고압 가스 수소를 기반으로 하는 기존 수소 운송 기술은 단일 차량 운송량이 적고 장거리 운송의 경제적 가치가 낮으며 고체 저장 및 운송 및 액체 수소 기술이 성숙되지 않았습니다. 수소 충전소에서 가스 수소를 아웃소싱하는 것이 여전히 주요 방법입니다.
현행 관리 규정에서 수소는 여전히 유해 화학물질 관리 항목으로 분류되어 있습니다. 대규모 산업용 수소 생산은 화학 산업 단지에 진입해야 합니다. 대규모 수소 생산은 분산형 차량의 수소 수요를 충족하지 못해 수소 가격이 높습니다. 획기적인 발전을 이루기 위해서는 고도로 통합된 수소 생산 및 충전 기술이 시급히 필요합니다. 천연가스 수소 생산 가격은 합리적이어서 대량의 안정적인 공급이 가능합니다. 따라서 천연가스가 비교적 풍부한 지역에서는 천연가스 기반 통합 수소 생산 및 충전소가 실현 가능한 수소 공급 옵션이며, 수소 충전소 건설을 촉진하여 비용을 절감하고 일부 지역의 충전 난제를 해결하는 현실적인 방안입니다. 현재 전 세계에는 스키드 마운트형 통합 수소 생산소가 약 237개 있으며, 이는 해외 수소 충전소 전체의 약 3분의 1을 차지합니다. 그중 일본, 유럽, 북미 등지에서 통합 수소 생산 및 충전소 운영 방식이 널리 채택되고 있습니다. 국내 상황으로 볼 때, 포산, 웨이팡, 다퉁, 장자커우 등지에서 통합 수소 생산·충전소 시범 건설 및 운영을 모색하기 시작했습니다. 수소 관리 및 수소 생산 정책 및 규정의 획기적인 발전 이후, 통합 수소 생산·충전소는 수소 충전소의 상업적 운영을 위한 현실적인 선택이 될 것으로 예상됩니다.
Ally Hi-Tech의 수소 생산 기술 혁신, 대중화 및 적용 경험
중국 수소 생산 분야의 선도 기업인 앨리 하이테크는 설립 이후 20년 이상 신에너지 솔루션과 첨단 수소 생산 기술 연구 개발에 집중해 왔습니다. 소규모 천연가스 수소 생산 기술, 촉매 산화 메탄올 수소 생산 기술, 고온 수전해 수소 생산 기술, 암모니아 분해 수소 생산 기술, 소규모 합성 암모니아 기술, 대형 단량체 메탄올 전환기, 통합 수소 생산 및 수소화 시스템, 차량용 수소 방향성 정화 기술 등 다양한 분야에서 위에 나열된 첨단 기술 분야에서 많은 성과를 거두었습니다.
수소 생산에 있어서 기술 혁신을 지속적으로 촉진합니다.
앨리하이테크는 수소 생산을 사업의 핵심으로 삼고 있으며, 메탄올 전환, 천연가스 개질, PSA 방향성 수소 정제 등 수소 생산 분야에서 기술 혁신을 지속적으로 추진하고 있습니다. 특히, 앨리하이테크가 독자적으로 개발 및 설계한 메탄올 전환 수소 생산 장비는 20,000Nm³/h의 수소 생산 용량을 자랑합니다. 최대 압력은 3.3Mpa에 달하며, 낮은 에너지 소비, 안전성 및 신뢰성, 간편한 공정, 무인화 등의 장점을 갖추고 있어 국제적인 선진 수준에 도달했습니다. 앨리하이테크는 천연가스 개질(SMR 방식) 수소 생산 기술 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다.
열교환 개질 기술을 채택하여 단일 장비의 수소 생산 용량은 최대 30,000Nm³/h에 달합니다. 최대 압력은 3.0MPa에 달하여 투자 비용을 크게 절감하고 천연가스 에너지 소비량을 33% 절감합니다. 압력 변동 흡착(PSA) 수소 방향성 정제 기술 측면에서 회사는 다양한 수소 정제 기술을 개발했으며, 단일 장비의 수소 생산 용량은 100,000Nm³/h입니다. 최대 압력은 5.0MPa입니다. 높은 자동화 수준, 간편한 조작, 양호한 환경 조건, 긴 사용 수명을 특징으로 하며, 산업용 가스 분리 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
그림 1: Ally Hi-Tech의 H2 생산 장비 세트
수소에너지 계열 제품의 개발 및 홍보에 주력하고 있습니다.
앨리하이테크는 수소 생산 기술 혁신 및 제품 개발을 추진하는 동시에, 하류 수소 연료전지 분야의 제품 개발 확대에 주력하고 있습니다. 촉매, 흡착제, 제어 밸브, 모듈형 소형 수소 생산 장비, 장수명 연료전지 전원 공급 시스템 등의 연구개발 및 응용을 적극적으로 추진하고 있으며, 수소 생산 및 수소화 스테이션 통합 기술 및 장비 개발에도 적극적으로 참여하고 있습니다. 제품 홍보 측면에서 앨리하이테크 엔지니어링 설계는 전문성을 바탕으로 원스톱 수소 에너지 솔루션 제품 및 서비스 제공에 전념하며, 제품 시장 진출을 가속화하고 있습니다.
수소 생산 장비의 적용에 있어서 획기적인 발전이 이루어졌습니다.
현재 앨리하이테크는 620여 대의 수소 생산 및 수소 정제 장비를 구축했습니다. 앨리하이테크는 메탄올 수소 생산 장비 300여 대, 천연가스 수소 생산 장비 100여 대, 대형 PSA 프로젝트 장비 130여 대를 보급했으며, 국가 과제 수준의 수소 생산 프로젝트를 다수 수행했습니다.
Ally Hi-Tech는 Sinopec, PetroChina, Zhongtai Chemical, Plug Power Inc. America, Air Liquid France, Linde Germany, Praxair America, Iwatani Japan, BP 등 국내외 유명 기업과 협력해 왔습니다. 전 세계에서 중소형 수소 생산 장비 분야에서 가장 많은 공급량을 보유한 완전한 장비 서비스 공급업체 중 하나입니다. 현재 Ally Hi-Tech 수소 생산 장비는 미국, 일본, 한국, 인도, 말레이시아, 필리핀, 파키스탄, 미얀마, 태국, 남아프리카 등 16개국 및 지역에 수출되었습니다. 2019년에는 Ally Hi-Tech의 3세대 통합 천연가스 수소 생산 장비가 미국 표준에 따라 설계 및 제조된 American Plug Power Inc.에 수출되어 중국의 천연가스 수소 생산 장비가 미국에 수출되는 선례를 만들었습니다.
그림 2. Ally Hi-Tech가 미국에 수출한 수소 생산 및 수소화 통합 장비
첫 번째 수소 생산 및 수소화 통합 스테이션 건설.
불안정한 수소 공급원과 높은 수소 가격이라는 현실적인 문제를 고려하여, 앨리 하이테크는 고도로 통합된 수소 생산 기술의 적용을 촉진하고, 기존의 성숙한 메탄올 공급 시스템, 천연가스 파이프라인 네트워크, CNG 및 LNG 충전소를 활용하여 통합 수소 생산 및 충전소를 재건축 및 확장하는 데 전념하고 있습니다. 2021년 9월, 앨리 하이테크의 일반 계약에 따라 국내 최초의 통합 천연가스 수소 생산 및 수소화 충전소가 포산 가스 난좡 수소화 충전소에 가동되었습니다.
이 충전소는 1,000kg/일 규모의 천연가스 개질 수소 생산 장치 1세트와 100kg/일 규모의 수전해 수소 생산 장치 1세트로 설계되었으며, 외부 수소화 용량은 1,000kg/일입니다. 전형적인 "수소 생산 + 압축 + 저장 + 충전" 방식의 통합 수소화 충전소입니다. 업계 최초로 친환경 광범위 온도 변화 촉매와 방향성 수소 정제 기술을 적용하여 수소 생산 효율을 3% 향상시키고 수소 생산에 필요한 에너지 소비를 효과적으로 절감합니다. 이 충전소는 고집적도, 소형 바닥 면적, 고도로 집적된 수소 생산 장비를 갖추고 있습니다.
충전소에서 수소를 생산하면 수소 운송 경로와 수소 저장 및 운송 비용이 줄어들어 수소 소비 비용이 직접적으로 절감됩니다. 충전소는 외부 인터페이스를 확보하여 긴 튜브 트레일러를 충전하고 주변 수소화 충전소에 수소 공급원을 제공하는 모체 충전소 역할을 수행하여 지역 수소화 하위 모체 통합 충전소를 형성합니다. 또한, 이 통합 수소 생산 및 수소화 충전소는 기존 메탄올 유통 시스템, 천연가스 파이프라인망 및 기타 시설, 주유소, CNG 및 LNG 충전소를 기반으로 재구축 및 확장이 가능하여 홍보 및 구현이 용이합니다.
그림 3 광둥성 포산시 난좡시의 통합 수소 생산 및 수소화 스테이션
산업 혁신, 홍보, 응용, 국제 교류 및 협력을 적극적으로 주도합니다.
앨리 하이테크는 국가 횃불 계획의 핵심 첨단기술 기업이자 쓰촨성 신경제 시범 기업, 그리고 쓰촨성 특화·특화 신생 기업으로서 산업 혁신을 주도하고 국제 교류와 협력을 촉진하고 있습니다. 앨리 하이테크는 2005년부터 상하이 안팅 수소 충전소, 베이징 올림픽 수소 충전소, 상하이 세계 엑스포 수소 충전소 등 국가 주요 863 연료전지 프로젝트에 수소 생산 기술 및 장비를 제공해 왔으며, 중국 우주발사센터의 모든 수소 생산 스테이션 프로젝트에 높은 기준을 적용했습니다.
앨리하이테크는 국가 수소에너지 표준화위원회 위원으로서 국내외 수소에너지 표준 체계 구축에 적극적으로 참여하여 1건의 국가 수소에너지 표준 초안 작성을 주도하고, 7건의 국가표준과 1건의 국제표준 제정에 참여했습니다. 또한, 국제 교류 및 협력을 적극적으로 추진하여 일본에 청촨테크놀로지(Chengchuan Technology Co., Ltd.)를 설립하고 차세대 수소 생산 기술, SOFC 열병합 발전 기술 및 관련 제품을 개발했으며, 미국, 독일, 일본 기업과 신수전해 수소 생산 기술 및 소규모 합성 암모니아 기술 분야에서 협력을 추진했습니다. 중국, 미국, 유럽연합에서 45건의 특허를 보유한 앨리하이테크는 대표적인 기술 중심 수출 기업입니다.
정책 제안
위 분석에 따르면, 앨리 하이테크는 수소 생산 기술 혁신을 기반으로 수소 생산 장비 개발, 수소 생산 장비 보급 및 적용, 그리고 수소 생산 및 충전소 건설 및 운영 분야에서 획기적인 진전을 이루었습니다. 이는 중국의 수소 에너지 자립 기술 혁신과 수소 에너지 소비 비용 절감에 큰 의의를 지닙니다. 수소 에너지 공급을 보장하고 개선하며, 안전하고 안정적이며 효율적인 수소 에너지 공급망 구축을 가속화하고, 깨끗하고 저탄소 저비용의 다각화된 수소 생산 시스템을 구축하기 위해서는 중국이 수소 생산 기술 혁신과 제품 개발을 강화하고, 정책 및 규정의 제약을 극복하며, 시장 잠재력이 있는 신규 장비 및 모델의 선제적 도입을 장려해야 합니다. 지원 정책을 더욱 개선하고 산업 환경을 최적화함으로써 중국 수소 에너지 산업의 고품질 발전을 지원하고 에너지의 녹색 전환을 강력히 지원할 것입니다.
수소에너지 산업의 정책체계를 개선합니다.
현재 "수소에너지 산업의 전략적 포지셔닝 및 지원 정책"은 발표되었지만, 수소에너지 산업의 구체적인 발전 방향은 아직 정해지지 않았습니다. 산업 발전의 제도적 장애와 정책적 병목 현상을 해소하기 위해 중국은 정책 혁신을 강화하고, 완벽한 수소에너지 관리 규범을 제정하며, 제조, 저장, 운송, 충전의 관리 절차와 관리 기구를 명확히 하고, 안전 감독 담당 부서의 책임을 이행해야 합니다. 산업 발전을 견인하는 시범 적용 모델을 고수하고, 수송, 에너지 저장, 분산형 에너지 등 다양한 분야에서 수소에너지의 다각화된 시범 개발을 전면적으로 추진해야 합니다.
지역 실정에 맞는 수소에너지 공급체계를 구축합니다.
지방 정부는 기존 및 잠재 자원의 장점을 바탕으로 해당 지역의 수소 에너지 공급 능력, 산업 기반, 시장 공간을 종합적으로 고려하고, 지역 실정에 맞는 적절한 수소 생산 방식을 선정하며, 수소 에너지 공급 보장 능력 구축을 추진하고, 산업 부산물 수소 활용을 우선시하며, 재생에너지 수소 생산 개발에 집중해야 합니다. 적격 지역들이 다각적인 협력을 통해 저탄소, 안전, 안정, 경제성을 갖춘 지역 수소 에너지 공급 체계를 구축하여 대규모 수소 자원의 공급 수요를 충족하도록 장려해야 합니다.
수소 생산 장비의 기술 혁신을 확대합니다.
수소 정제 및 수소 생산 핵심 장비의 연구개발, 제조 및 산업화에 집중하고, 산업 사슬 내 우량 기업을 활용하여 수소에너지 장비 제품의 고품질 개발 기술 체계를 구축합니다. 수소 생산 분야 선도 기업이 선도적으로 참여하도록 지원하고, 산업혁신센터, 공학연구센터, 기술혁신센터, 제조혁신센터 등 혁신 플랫폼을 구축하여 수소 생산 장비의 핵심 과제를 해결합니다. 또한, "특화·특화 신기술"을 보유한 중소기업이 수소 생산 장비 공통 기술 연구개발에 참여하도록 지원하며, 핵심 기술 자립 역량을 갖춘 단일 우승 기업을 다수 육성합니다.
통합 수소 생산 및 수소화 스테이션에 대한 정책 지원을 강화합니다.
이 계획은 수소 생산, 저장, 수소화를 모두 통합한 수소충전소 등 새로운 모델을 모색하기 위해서는 통합형 충전소 건설에 대한 정책적 제약을 근본적으로 해소해야 한다고 강조합니다. 국가 에너지법을 조속히 도입하여 수소의 에너지 속성을 상위 수준에서 명확히 해야 합니다. 통합형 충전소 건설에 대한 제약을 해소하고, 통합형 수소 생산·수소화 충전소를 활성화하며, 천연가스 자원이 풍부한 경제개발 지역을 대상으로 통합형 충전소 건설 및 운영 시범을 실시해야 합니다. 가격 경제성 및 탄소 배출 기준 요건을 충족하는 통합형 충전소 건설 및 운영에 재정 지원을 제공하고, 관련 선도 기업이 국가 "전문·특수 신설" 기업에 지원할 수 있도록 지원하며, 통합형 수소 생산·수소화 충전소의 안전 기술 규격 및 기준을 개선해야 합니다.
새로운 사업모델의 실증과 홍보를 적극적으로 실시합니다.
수소 생산 스테이션 통합, 석유, 수소, 전기를 모두 공급하는 종합 에너지 공급 스테이션, 그리고 "수소, 자동차, 충전소"의 연계 운영을 통한 사업 모델 혁신을 장려합니다. 연료전지 차량이 많고 수소 공급에 대한 부담이 큰 지역에서는 천연가스 기반 수소 생산 및 수소화 통합 스테이션을 구축하고, 천연가스 가격이 합리적이며 연료전지 차량 시범 운영이 가능한 지역을 장려합니다. 풍력 및 수력 자원이 풍부하고 수소 에너지 활용 시나리오가 있는 지역에서는 재생에너지를 활용한 수소 생산 및 수소화 통합 스테이션을 구축하고, 시범 규모를 점진적으로 확대하며, 재현 가능하고 대중화된 경험을 형성하고, 에너지 수소의 탄소 및 비용 절감을 가속화합니다.
(저자: 베이징 이웨이 지원 정보 컨설팅 센터 미래 산업 연구팀)
게시 시간: 2022년 9월 29일
