수소 충전소
장기 가동 UPS 시스템
통합 화학 공장
핵심 액세서리
수소 에너지 생산 기술의 혁신, 대중화 및 응용 - Ally Hi-Tech 사례 연구
원본 링크:https://mp.weixin.qq.com/s/--dP1UU_LS4zg3ELdHr-Sw
편집자 주: 이 글은 원래 위챗 공식 계정인 차이나 싱크탱크에 게재된 기사입니다.
3월 23일, 국가발전개혁위원회와 국가에너지국은 공동으로 수소에너지산업 중장기발전계획(2021-2035)(이하 '계획')을 발표했습니다. 이 계획은 수소의 에너지 특성을 정의하고, 수소에너지가 미래 국가에너지 시스템의 필수적인 구성 요소이자 전략적 신산업의 핵심 방향임을 제시했습니다. 연료전지 자동차는 수소에너지 응용 분야의 선두 주자이며, 중국 산업 발전의 획기적인 도약점이 될 것입니다.
2021년, 국가 연료전지 자동차 시범 및 적용 정책에 힘입어 베이징, 톈진, 허베이, 상하이, 광둥, 허베이, 허난 등 5대 도시권에서 1만 대 규모의 연료전지 자동차 시범 및 적용 사업이 잇따라 시작되었으며, 연료전지 자동차 시범 및 적용을 중심으로 한 수소 에너지 산업 발전이 본격화되었다.
동시에 철강, 화학, 건설 등 비수송 분야에서도 수소 에너지의 응용 및 탐색에 있어 획기적인 진전이 이루어졌습니다. 앞으로 수소 에너지의 다양하고 다각적인 활용 시나리오는 수소에 대한 막대한 수요를 창출할 것입니다. 중국수소에너지연맹의 예측에 따르면, 2030년 중국의 수소 수요는 3,500만 톤에 달하고, 수소 에너지는 중국 최종 에너지 시스템의 최소 5%를 차지할 것입니다. 2050년에는 수소 수요가 6,000만 톤에 육박하고, 수소 에너지는 중국 최종 에너지 시스템의 10% 이상을 차지하며, 관련 산업 사슬의 연간 생산액은 12조 위안에 이를 것으로 예상됩니다.
산업 발전 관점에서 볼 때, 중국의 수소 에너지 산업은 여전히 초기 발전 단계에 있습니다. 수소 에너지의 응용, 실증 및 보급 과정에서 에너지용 수소의 공급 부족과 높은 가격은 중국 수소 에너지 산업 발전을 저해하는 난제로 항상 작용해 왔습니다. 수소 공급의 핵심 연결 고리인 차량용 수소의 높은 공장 출하 가격과 저장 및 운송 비용 문제 또한 여전히 두드러지게 나타나고 있습니다.
따라서 중국은 저비용 수소 생산 기술의 혁신, 보급 및 적용을 시급히 가속화하고, 수소 에너지 공급 비용을 절감하여 실증 사업의 경제성을 향상시키며, 연료전지 자동차의 대규모 실증 사업을 지원함으로써 수소 에너지 산업 전반의 발전을 견인해야 합니다.
수소 가격이 높은 것은 중국 수소 에너지 산업 발전에 있어 두드러진 문제점이다.
중국은 수소 생산량이 많은 국가입니다. 수소 생산은 석유화학, 화학, 코크스 등 다양한 산업 분야에 걸쳐 이루어지고 있습니다. 생산된 수소의 대부분은 석유 정제, 암모니아 합성, 메탄올 및 기타 화학 제품의 중간재로 사용됩니다. 중국수소에너지연맹의 통계에 따르면, 현재 중국의 수소 생산량은 약 3,300만 톤이며, 주로 석탄, 천연가스 등 화석 에너지와 산업 부산물 가스 정제를 통해 생산됩니다. 그중 석탄을 이용한 수소 생산량은 2,134만 톤으로 63.5%를 차지합니다. 그 뒤를 이어 산업 부산물 수소가 708만 톤, 천연가스 수소가 460만 톤을 생산하고 있습니다. 수전해를 이용한 수소 생산량은 약 50만 톤으로 상대적으로 적습니다.
산업용 수소 생산 공정은 성숙 단계에 접어들었고, 산업 사슬도 완비되어 있으며, 수소 조달도 비교적 용이하지만, 에너지용 수소 공급은 여전히 큰 과제에 직면해 있습니다. 수소 생산에 드는 높은 원자재 비용과 운송비는 최종 수소 공급 가격 상승으로 이어집니다. 수소 에너지 기술의 대규모 보급 및 적용을 실현하기 위해서는 높은 수소 조달 비용과 운송비라는 병목 현상을 극복하는 것이 핵심입니다. 기존 수소 생산 방식 중 석탄을 이용한 수소 생산은 비용은 낮지만 탄소 배출량이 많고, 대규모 산업에서 물 전기분해를 이용한 수소 생산은 에너지 소비 비용이 높습니다.
전력 소비량이 적더라도 수소 생산 비용은 kg당 20위안을 넘습니다. 재생에너지 발전에서 발생하는 부산물을 활용한 저비용, 저탄소 수소 생산은 미래 수소 확보의 중요한 방향입니다. 현재 관련 기술은 점차 성숙 단계에 접어들고 있지만, 수소 공급처가 외딴 곳에 위치하고 운송비가 매우 높으며 보급 및 적용 시나리오가 미흡합니다. 수소 비용 구성 요소를 살펴보면, 에너지 수소 가격의 30~45%는 운송 및 충전 비용입니다. 고압 가스 수소 기반의 기존 수소 운송 기술은 차량 한 대당 운송량이 적고 장거리 운송 시 경제성이 떨어지며, 고체 저장 및 운송, 액체 수소 기술 또한 아직 성숙하지 못했습니다. 따라서 수소 충전소에서 가스 수소를 공급받는 방식이 여전히 주를 이룹니다.
현행 관리 규정에서 수소는 여전히 유해 화학물질로 분류되어 관리되고 있습니다. 대규모 산업용 수소 생산은 화학 산업 단지 진입을 필요로 합니다. 그러나 대규모 수소 생산이 분산형 차량의 수소 수요를 충족시키지 못해 수소 가격이 높게 유지되고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 고도로 통합된 수소 생산 및 충전 기술의 개발이 시급합니다. 천연가스를 이용한 수소 생산은 가격 수준이 합리적이어서 대규모의 안정적인 공급이 가능합니다. 따라서 천연가스가 풍부한 지역에서는 천연가스 기반의 통합 수소 생산 및 충전소가 실현 가능한 수소 공급 방식이며, 수소 충전소 보급을 촉진하고 비용을 절감하며 일부 지역의 충전난 문제를 해결하는 현실적인 방안입니다. 현재 전 세계적으로 약 237개의 스키드형 통합 수소 생산 충전소가 운영되고 있으며, 이는 해외 수소 충전소 전체의 약 3분의 1에 해당합니다. 특히 일본, 유럽, 북미 등지에서는 통합 수소 생산 및 충전소 운영 방식을 널리 도입하고 있습니다. 국내 상황을 살펴보면, 포산, 웨이팡, 다퉁, 장자커우 등지에서 수소 생산 및 충전 통합 시설의 시범 건설 및 운영을 검토하기 시작했습니다. 수소 관리 및 생산 정책과 규제가 완화되면 수소 생산 및 충전 통합 시설이 수소 충전소의 상업적 운영을 위한 현실적인 선택지가 될 것으로 예상됩니다.
Ally Hi-Tech의 수소 생산 기술 혁신, 보급 및 응용 분야 경험
중국 수소 생산 분야 선도 기업인 앨리하이테크는 설립 이후 20여 년 동안 신에너지 솔루션 및 첨단 수소 생산 기술 연구 개발에 주력해 왔습니다. 소규모 천연가스 수소 생산 기술, 촉매 산화 메탄올 수소 생산 기술, 고온 수전해 수소 생산 기술, 암모니아 분해 수소 생산 기술, 소규모 암모니아 합성 기술, 대형 단량체 메탄올 변환기, 통합 수소 생산 및 수소화 시스템, 차량용 수소 방향성 정화 기술 등 상기 기술 분야에서 수많은 혁신적인 성과를 거두었습니다.
수소 생산 분야의 기술 혁신을 지속적으로 장려해야 합니다.
Ally Hi-Tech는 수소 생산을 사업의 핵심으로 삼고 메탄올 전환, 천연가스 개질, PSA 방향성 수소 정제 등 수소 생산 분야에서 지속적인 기술 혁신을 이루어 왔습니다. 특히, 당사가 자체 개발 및 설계한 메탄올 전환 수소 생산 설비는 시간당 20,000 Nm³의 수소 생산 능력을 자랑하며, 최대 압력은 3.3Mpa에 달해 국제적인 선진 수준을 달성했습니다. 또한, 저에너지 소비, 안전성 및 신뢰성, 간편한 공정, 무인 운영 등의 장점을 갖추고 있습니다. 더불어, Ally Hi-Tech는 천연가스 개질(SMR 방식)을 이용한 수소 생산 기술에서도 획기적인 발전을 이루었습니다.
열교환 개질 기술을 적용하여 단일 설비 세트의 수소 생산 용량은 최대 30,000 Nm³/h에 달합니다. 최대 압력은 3.0 MPa까지 가능하며, 투자 비용을 크게 절감하고 천연가스 에너지 소비량을 33%까지 줄일 수 있습니다. 압력 스윙 흡착(PSA) 수소 방향성 정제 기술 분야에서는 다양한 완벽한 수소 정제 기술 세트를 개발했으며, 단일 설비 세트의 수소 생산 용량은 100,000 Nm³/h입니다. 최대 압력은 5.0 MPa이며, 높은 자동화 수준, 간편한 조작, 우수한 환경성 및 긴 수명 등의 특징을 가지고 있어 산업용 가스 분리 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
그림 1: Ally Hi-Tech의 H2 생산 설비 세트
수소에너지 계열 제품의 개발 및 홍보에 중점을 두고 있습니다.
앨리하이테크는 수소 생산 기술 혁신 및 제품 개발을 추진하는 동시에, 하류 수소 연료전지 분야의 제품 개발 확대를 중점적으로 추진하고 있습니다. 촉매, 흡착제, 제어 밸브, 모듈형 소형 수소 생산 설비 및 장수명 연료전지 전원 공급 시스템의 연구 개발 및 응용을 적극적으로 추진하고 있으며, 통합 수소 생산 및 수소화 스테이션 기술 및 장비의 보급을 적극적으로 장려하고 있습니다. 제품 홍보 측면에서 앨리하이테크의 엔지니어링 설계 전문성은 매우 뛰어나며, 원스톱 수소 에너지 솔루션 제품 및 서비스 제공에 전념하여 제품 시장 적용을 신속하게 확대하고 있습니다.
수소 생산 설비의 응용 분야에서 획기적인 발전이 이루어졌습니다.
현재 Ally Hi-Tech는 620세트 이상의 수소 생산 및 수소 정제 설비를 구축했습니다. 그중 300세트 이상의 메탄올 수소 생산 설비, 100세트 이상의 천연가스 수소 생산 설비, 130세트 이상의 대규모 PSA 프로젝트 설비를 Ally Hi-Tech가 추진했으며, 다수의 국가 수소 생산 프로젝트를 수행했습니다.
앨리하이테크는 시노펙, 페트로차이나, 중타이화학, 미국 플러그파워, 프랑스 에어리퀴드, 독일 린데, 미국 프락세어, 일본 이와타니, BP 등 국내외 유명 기업들과 협력해 왔습니다. 앨리하이테크는 중소형 수소 생산 설비 분야에서 세계 최대 규모의 종합 설비 서비스 제공업체 중 하나입니다. 현재 앨리하이테크의 수소 생산 설비는 미국, 일본, 한국, 인도, 말레이시아, 필리핀, 파키스탄, 미얀마, 태국, 남아프리카공화국 등 16개 국가 및 지역에 수출되었습니다. 2019년에는 미국 표준에 맞춰 설계 및 제작된 앨리하이테크의 3세대 통합 천연가스 수소 생산 설비가 미국 플러그파워에 수출되어 중국산 천연가스 수소 생산 설비의 미국 수출이라는 선례를 만들었습니다.
그림 2. Ally Hi-Tech가 미국에 수출한 수소 생산 및 수소화 통합 장비
수소 생산 및 수소화 통합 스테이션 1차 배치 건설.
에너지용 수소의 불안정한 공급과 높은 가격이라는 현실적인 문제점을 고려하여, 앨리하이테크는 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 재건 및 확장하는 데 전념하고 있습니다. 2021년 9월, 앨리하이테크가 총괄 계약을 체결한 국내 최초의 통합 천연가스 수소 생산 및 수소화 시설이 포산 가스 난좡 수소화 시설에서 가동을 시작했습니다.
본 수소공급 시설은 일일 1,000kg 용량의 천연가스 개질 수소 생산 설비 1세트와 일일 100kg 용량의 수전해 수소 생산 설비 1세트로 구성되어 있으며, 외부 수소 공급 용량은 일일 1,000kg입니다. "수소 생산 + 압축 + 저장 + 충전"이 통합된 전형적인 수소공급 시설입니다. 업계 최초로 친환경적인 광범위 온도 변화 촉매와 방향성 공동 정화 기술을 적용하여 수소 생산 효율을 3% 향상시키고 수소 생산에 필요한 에너지 소비를 효과적으로 절감했습니다. 본 시설은 높은 집적도와 작은 설치 공간을 자랑하며, 수소 생산 설비가 고도로 통합되어 있습니다.
이 충전소에서 수소를 생산하면 수소 운송 단계가 줄어들고 수소 저장 및 운송 비용이 절감되어 수소 소비 비용이 직접적으로 낮아집니다. 또한, 충전소는 외부 연결부를 갖추고 있어 장거리 튜브 트레일러에 수소를 공급할 수 있으며, 주변 수소 충전소에 수소를 공급하는 모체 역할을 하여 지역 수소 공급 통합 충전소를 형성합니다. 뿐만 아니라, 이러한 통합 수소 생산 및 수소 충전소는 기존의 메탄올 유통 시스템, 천연가스 파이프라인 네트워크, 가스 충전소, CNG 및 LNG 충전소 등의 시설을 기반으로 재구축 및 확장이 가능하여 보급 및 구현이 용이합니다.
그림 3. 광둥성 포산시 난좡에 위치한 통합 수소 생산 및 수소화 시설
산업 혁신, 홍보 및 응용, 그리고 국제 교류 및 협력을 적극적으로 주도합니다.
국가 성화봉 프로그램의 핵심 첨단 기술 기업이자 쓰촨성 신경제 시범 기업, 그리고 쓰촨성 특화 신생 기업인 앨리 하이테크는 산업 혁신을 주도하고 국제 교류 및 협력을 촉진하는 데 앞장서고 있습니다. 2005년부터 앨리 하이테크는 상하이 안팅 수소 충전소, 베이징 올림픽 수소 충전소, 상하이 세계 박람회 수소 충전소 등 국가 주요 863 연료전지 프로젝트에 수소 생산 기술 및 장비를 공급했으며, 중국 우주 발사 센터의 모든 수소 생산 시설 프로젝트에도 높은 수준의 제품과 서비스를 제공했습니다.
국가 수소에너지 표준화 위원회 회원사인 앨리하이테크는 국내외 수소에너지 표준 체계 구축에 적극적으로 참여해 왔으며, 국가 수소에너지 표준 제정을 주도하고 7개의 국가 표준과 1개의 국제 표준 제정에 참여했습니다. 동시에 국제 교류 및 협력을 적극적으로 추진하여 일본에 청촨테크놀로지(Chengchuan Technology Co., Ltd.)를 설립하고 차세대 수소 생산 기술, SOFC 열병합 기술 및 관련 제품을 개발했으며, 미국, 독일, 일본 기업들과 새로운 수전해 수소 생산 기술 및 소규모 암모니아 합성 기술 분야에서 협력을 진행했습니다. 중국, 미국, 유럽연합에서 45건의 특허를 보유한 앨리하이테크는 기술 기반의 수출 지향 기업으로서의 모범적인 사례입니다.
정책 제안
위의 분석에 따르면, 앨리하이테크는 수소 생산 기술 혁신을 바탕으로 수소 생산 설비 개발, 수소 생산 설비 보급 및 적용, 통합 수소 생산 및 충전소 건설 및 운영 분야에서 획기적인 성과를 거두었으며, 이는 중국의 수소 에너지 기술 혁신과 수소 에너지 소비 비용 절감에 매우 중요한 의미를 갖습니다. 수소 에너지 공급을 확보하고 개선하며, 안전하고 안정적이며 효율적인 수소 에너지 공급망 구축을 가속화하고, 청정하고 저탄소이며 저렴한 다각화된 수소 생산 시스템을 구축하기 위해 중국은 수소 생산 기술 혁신과 제품 개발을 강화하고, 정책 및 규제의 제약을 극복하며, 시장 잠재력이 있는 새로운 설비와 모델을 우선적으로 시험 도입해야 합니다. 지원 정책을 더욱 강화하고 산업 환경을 최적화함으로써 중국 수소 에너지 산업의 질적 발전을 도모하고 에너지의 녹색 전환을 강력하게 지원할 수 있을 것입니다.
수소에너지 산업의 정책 시스템을 개선해야 합니다.
현재 "수소 에너지 산업의 전략적 포지셔닝 및 지원 정책"이 발표되었지만, 수소 에너지 산업의 구체적인 발전 방향은 아직 명시되지 않았습니다. 산업 발전을 가로막는 제도적 장애물과 정책적 병목 현상을 극복하기 위해 중국은 정책 혁신을 강화하고, 완벽한 수소 에너지 관리 규범을 수립하며, 준비, 저장, 운송 및 충전의 관리 프로세스와 관리 기관을 명확히 하고, 안전 감독 책임 부서의 책임을 이행해야 합니다. 시범 적용을 통한 산업 발전 모델을 고수하고, 운송, 에너지 저장, 분산 에너지 등 다양한 분야에서 수소 에너지의 시범 개발을 전면적으로 추진해야 합니다.
현지 상황에 맞는 수소 에너지 공급 시스템을 구축하십시오.
지방 정부는 해당 지역의 수소 에너지 공급 능력, 산업 기반 및 시장 가능성을 종합적으로 고려하여 기존 및 잠재 자원의 장점을 바탕으로 지역 여건에 맞는 적절한 수소 생산 방식을 선택하고, 수소 에너지 공급 보장 역량을 구축해야 합니다. 또한 산업 부산물 수소 활용을 우선시하고 재생 에너지 기반 수소 생산 개발에 집중해야 합니다. 자격을 갖춘 지역들이 다양한 경로를 통해 협력하여 저탄소, 안전하고 안정적이며 경제적인 지역 수소 에너지 공급 시스템을 구축하고 대규모 수소 공급 수요를 충족하도록 장려해야 합니다.
수소 생산 설비의 기술 혁신을 증진시키십시오.
수소 정제 및 수소 생산 핵심 장비의 연구 개발, 제조 및 산업 응용을 촉진하는 데 중점을 두고, 산업 사슬 내 강점을 가진 기업들을 기반으로 고품질 수소 에너지 장비 제품 개발 기술 시스템을 구축한다. 수소 생산 분야 선도 기업들이 주도권을 잡도록 지원하고, 산업 혁신 센터, 엔지니어링 연구 센터, 기술 혁신 센터, 제조 혁신 센터 등의 혁신 플랫폼을 구축하여 수소 생산 장비의 핵심 과제를 해결하고, "전문적이고 특수한 신흥" 중소기업들이 수소 생산 장비 공통 기술 연구 개발에 참여하도록 지원하며, 핵심 기술에 대한 강력한 독립성을 갖춘 여러 선도 기업을 육성한다.
통합 수소 생산 및 수소화 시설에 대한 정책 지원을 강화해야 합니다.
이 계획은 수소 생산, 저장 및 수소화 공정을 통합한 수소 충전소와 같은 새로운 모델을 모색하기 위해서는 통합 충전소 건설에 대한 정책적 제약을 근본적으로 타파해야 한다고 지적합니다. 수소의 에너지 속성을 상위 차원에서 규정하는 국가 에너지법을 조속히 도입해야 합니다. 통합 충전소 건설에 대한 제한을 철폐하고, 수소 생산 및 수소화 통합 충전소를 장려하며, 천연가스 자원이 풍부한 경제 개발 지역에서 통합 충전소 건설 및 운영 시범 사업을 추진해야 합니다. 가격 경쟁력과 탄소 배출 기준을 충족하는 통합 충전소 건설 및 운영에 재정적 보조금을 제공하고, 관련 선도 기업이 국가 "전문화재"로 지정될 수 있도록 지원하며, 수소 생산 및 수소화 통합 충전소의 안전 기술 사양 및 기준을 개선해야 합니다.
새로운 비즈니스 모델의 시연 및 홍보를 적극적으로 수행합니다.
수소 생산 시설을 통합한 사업 모델, 석유, 수소, 전기를 공급하는 종합 에너지 공급 시설, 그리고 "수소, 차량, 충전소"의 통합 운영을 장려한다. 연료전지 차량이 많고 수소 공급 압박이 심한 지역에서는 천연가스를 이용한 수소 생산 및 수소화 통합 시설을 모색하고, 천연가스 가격이 적정하고 연료전지 차량 시범 운행이 활발한 지역을 장려한다. 풍력 및 수력 자원이 풍부하고 수소 에너지 활용 시나리오가 다양한 지역에서는 재생에너지를 활용한 수소 생산 및 수소화 통합 시설을 구축하고, 시범 규모를 점진적으로 확대하여 복제 및 보급 가능한 경험을 구축하고, 수소 에너지의 탄소 배출량 감축과 비용 절감을 가속화한다.
(작성자: 베이징 이웨이 지위안 정보 컨설팅 센터 미래 산업 연구팀)
게시 시간: 2022년 9월 29일
