새로운 전기촉매가 생산 비용을 절감하면서 녹색 수소가 회색 수소를 대체할 전망

더 저렴하고 친환경적인 수소

Green hydrogen은 재생 에너지원을 사용해 연료로서 수소를 생산하는 개념으로, 화석 연료의 대안이 됩니다. 그러나 전기분해를 통해 수소를 생산하려면 비용이 많이 들고 희귀한 백금족 금속이 필요합니다.

한국 연구원인 유정기 교수(UNIST 에너지·화학공학부)와 서동화 교수(카이스트 재료과학·공학부)는 백금이나 이리듐을 사용하지 않기 위해 새로운 촉매인 루테늄을 발견했습니다.

More precisely, it relies on much cheaper and less environmentally damaging alloy of ruthenium, silicon, and tungsten (RuSiW).

수소 무지개

Hydrogen은 우주에서 가장 풍부한 원자이지만 지구에서는 연료로 쉽게 찾을 수 없습니다.

현재 생산되는 대부분의 수소는 이른바 “회색 수소”로, 메탄(천연 가스)을 사용해 만들며 대기에 많은 탄소를 배출합니다. 이것은 수소의 가능한 “색상” 중 하나에 불과합니다:

• 회색/갈색 수소: 화석 연료에서 생산됩니다.
• 청색 수소: 화석 연료에서 생산되지만 탄소 포집을 동반합니다.
• 핑크 수소 (때때로 황색 수소라고도 함): 원자력 에너지에서 생산됩니다.
• 청록색 수소: 메탄의 열분해를 통해 생산됩니다. 이는 메탄을 수소와 고체 탄소로 분해하며, 고체 탄소는 저장하거나 탄소 섬유와 같은 용도로 사용할 수 있습니다.
• 녹색 수소: 재생 에너지에서 생산됩니다.

녹색 수소는 이상적인 상황이며 대부분의 기후 의식이 있는 사람들의 목표입니다. 이를 생산하려면 전기분해라는 과정을 통해 물 분자를 기체 수소와 산소로 분해해야 합니다. 이 과정은 에너지를 많이 소모하며, 백금족 촉매 원소에 의존합니다.

녹색 수소를 향한 탐구

녹색 수소는 전기만으로는 충족할 수 없는 분야를 메우며 경제 탈탄소화 퍼즐의 중요한 부분입니다. 예를 들어, 전통적인 제철 공정에서 발생하는 탄소 배출을 95% 감소시킬 수 있습니다. 제철은 전 세계 배출량의 11%를 차지합니다. 또한 연료전지에 사용되어 자동차, 트럭, 선박의 엔진에 전력을 공급할 수 있습니다.

또한 에너지 저장이나 암모니아 생산에 직접 사용할 수 있는데, 암모니아는 장거리 선박 연료나 장기 에너지 저장에 적합한 후보이며, 우리는 이전 기사 “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks“에서 이를 논의했습니다.

루테늄이 백금의 대안이 될 수 있다는 것은 오래전부터 알려졌지만, 다음과 같은 제한점이 있었습니다:

• 백금에 비해 촉매 활성이 낮음.
• 이리듐에 비해 안정성이 낮음.

최근 발견에 따르면, 루테늄 원자 주변에 실리콘이 존재하면 촉매 표면에서 H+의 흡착 강도가 증가합니다.

Stability is increased by a thin tungsten film with a thickness of 5~10 nm protects the catalytic site of ruthenium. This is the same type of technique that is used in semiconductor production, where tungsten in gaseous form is deposited in a very thin layer over the silicon chip.

혜택을 받을 분야

녹색 수소 생산을 더 저렴하고 친환경적으로 만들면서, 이 발견은 여러 분야에 활력을 줄 수 있습니다:

• 연료전지 제조업체: 연료 비용 감소로 엔진 경제성이 향상됩니다.
• 녹색 수소 생산업체: 마진이 확대되고 에너지 시장에서 수소의 시장 점유율이 증가할 수 있습니다.
• 녹색 암모니아 제조업체. Not only they will access cheaper hydrogen for ammonia production, but mass adoption of ammonia requires catalysts to reduce toxic and “super greenhouse gases” NOx. This usually requires platinum as well, but maybe RuSiW could do the job here too?
• 재생 에너지 분야: 대규모 녹색 수소 생산은 강한 햇빛이나 바람이 있을 때의 “잉여” 에너지를 활용할 수 있는 통로를 제공합니다.

혜택을 받을 기업

1. Aker Horizons ASA

Aker Horizon은 녹색 에너지에 중점을 둔 Aker 그룹의 자회사입니다. 이 그룹은 재생 에너지와 해양/오프쇼어 사업에 초점을 맞춘 중요한 노르웨이 대기업이며, Aker Horizon은 탄소 포집, 녹색 수소, 재생 에너지 등을 포함한 여러 자회사의 지주회사입니다.

출처: Aker

이 회사는 수소 및 녹색 암모니아 생산에 매우 활발히 참여하고 있으며, 북극 해운의 탈탄소화를 목표로 화석 연료를 수소 기반 연료로 대체하고자 합니다.

출처: Aker

따라서 Aker는 녹색 수소 생산 비용 감소로부터 큰 혜택을 받을 최적의 위치에 있습니다. 해상 풍력에서 수소 생산, 녹색 암모니아 생산에 이르는 전체 수직 통합을 담당할 수 있습니다.

또한 프랑스의 폐기물-에너지 전환, 독일의 바이오매스 플랜트, 중동(사우디아라비아 및 UAE)의 탄소 포집 프로젝트에도 참여하고 있습니다.

이는 녹색 에너지 분야 전반에 노출을 원하는 투자자에게 좋은 주식이 되며, 녹색 수소와 녹색 암모니아에 강력한 입지를 가지고 있을 뿐만 아니라 다른 녹색 에너지와 지리적 다변화도 갖추고 있습니다.

2. Plug Power Inc.

Plug Power는 녹색 수소 분야의 선두주자로, 연료전지에 중점을 두고 있습니다. 특히 2013년 이후 매출이 8배 성장했으며, 40,000대 이상의 포크리프트에 연료전지를 공급하고 있습니다. 또한 수소 생산, 물류, 대규모 전력 생산 및 배송 등 수소 인프라 구축에도 활발히 참여하고 있습니다.

이 회사는 2027년까지 생산량을 14배 확대하면서 생산 비용을 킬로그램당 $10에서 $4로 낮추는 것을 목표로 하고 있습니다. 물론, 전기분해에 백금이 필요하지 않은 새로운 기술도 도움이 될 것입니다.

출처: Plug Power [securities_stock_price_tag symbol="PLUG" exchange="NASDAQ"]

2020년 이후 생산 능력을 19배 확대하기 위한 대규모 투자로 인해 아직 수익을 내지 못하고 있습니다. 이로 인해 2023년 초부터 말까지 매출이 거의 두 배가 되었습니다.

현재 및 향후 사업의 대부분은 북미에서 나올 것으로 예상됩니다. United Hydrogen 및 Giner ELX와 같은 전략적 인수를 통해 수소 생산, 액화 및 유통 역량을 강화하여 수소 경제에서의 입지를 더욱 공고히 했습니다.

이 회사는 자사의 솔루션을 직접적인 이동 연료 또는 전기차(EV)를 보완하는 형태로 보고 있습니다. 수소는 재생 에너지 생산 시점과 일치하지 않는 전기차의 피크 충전으로 인한 전력망 부담을 완화할 수 있습니다.

출처: Plug Power

주요 연료전지 생산업체인 Plug Power는 수소/암모니아 기반 경제로의 전환에서 큰 혜택을 받을 것입니다. 따라서 암모니아 여부와 관계없이 수소 전환에 베팅하기에 좋은 주식이며, 비용과 규모에 대한 집중도 칭찬할 만합니다.

3. Ballard Power Systems Inc.

Ballard는 또 다른 연료전지 제조업체이며, 1993년 최초의 연료전지 버스를 출시한 기술 선구자입니다.

이 회사는 버스, 트럭, 열차/트램, 선박, 광업/건설, 전력 등 중장비 시장에 집중하고 있습니다. 버스가 핵심이었지만 2025년까지 트럭이 주요 사업 부문이 될 것으로 예상합니다. 또한 유럽이 주요 시장(50-60%)을 유지하고, 그 다음으로 북미(25%)가 뒤따를 것으로 보고 있습니다.

트럭용 연료전지는 계속 성장하여 2030년에는 75억 달러 규모(전체 TAM 1,950억 달러 중)로, 다른 모든 수소/연료전지 응용 분야를 합친 규모와 거의 맞먹을 것으로 예상됩니다. 새로운 기술로 수소 생산 가격이 하락하면 이 성장은 더욱 가속화될 수 있습니다.

출처: Ballard

높은 전력 요구와 빠른 충전 필요성 때문에, 중장비 차량은 자동차와 같은 경량 차량보다 수소와 연료전지에 적합한 시장이었습니다. 또한 철도 및 트롤리버스의 전차선 필요성을 줄이고 장거리 운송을 위한 빠른 재충전을 가능하게 합니다.

출처: Ballard

Ballard는 암모니아와도 친숙한데, 예를 들어 최근 a recent contract with Amogy to provide it with fuel cells for its “ammonia-to-power platform which relies on unique ammonia cracking technology”.

전기차가 자동차 시장을 빠르게 장악할 가능성이 있지만, 중장비 차량은 탈탄소화가 더 어렵습니다. 이 분야에서 확고한 리더십을 가진 Ballard는 수소 경제를 향한 정책 추진의 주요 수혜자가 될 것입니다.

4. Seaborg

Seabord는 소형 용융염 원자로를 개발하는 덴마크 기업으로, 최대 800MW 규모의 부유식 발전소이기도 합니다.

출처: Seaborg

Seaborg 원자로의 해양 기반 설계는 해안 국가에 적합하며, 인도네시아와 노르웨이와 논의를 진행 중입니다.

Seaborg는 세계적인 조선업체인 삼성중공업과 협력해 수소 및 암모니아 플랜트를 결합한 부유식 원자력 발전소를 개발하고 있습니다.

녹색 정책과 활동가들에게 선호되지만, 탄소 배출을 줄이기 위해 반드시 녹색 전기로 수소를 생산해야 하는 것은 아니며, 저탄소 전력원만 있으면 됩니다. 따라서 원자력도 하나의 옵션이 됩니다.

따라서 Seaborg는 원자력 기반 수소 및 암모니아 경제의 핵심 요소가 될 수 있습니다. 또한 원자로를 쉽게 배치하고 이동시킬 수 있어 항구에 수소를 공급하는 훌륭한 옵션이 될 수 있습니다.

계절 수요에 따라 회전 운용도 가능하여, 예를 들어 재생 에너지 생산이 낮은 겨울에는 북반구에 머물고 나머지 기간에는 다른 지역으로 이동할 수 있습니다.

5. Bloom Energy

Bloom의 공동 설립자는 1960년대 Gemini 프로젝트를 위해 최초의 수소 연료전지를 제작했으며, 1980년대에는 전기분해 분야의 선구자이기도 했습니다.

이 회사는 수백 고객에게 1GW 규모의 현장 일차 전력 생산 솔루션을 제공했으며, 2018년 이후 미국에 설치된 모든 고정 연료전지의 95%가 Bloom Energy (BE ) 서버입니다.

출처: Bloom Energy

Bloom은 산업 현장, 데이터 센터, 병원, 소매점 및 기타 대형 시설에 집중해 왔으며, 마이크로그리드 배치도 진행하고 있습니다. 또한 해양 운송용 연료전지 개발에도 힘쓰고 있습니다.

Bloom은 연료전지와 전해조 판매에서 대부분의 매출을 올리며, 이는 전체 매출의 75%를 차지하고, 매출의 3분의 2가 미국에서 발생합니다.

이 회사의 전해조는 고체산화물 기술을 사용하여, 기존의 프로톤 전해질막(PEM) 방식보다 메가와트당 20-25% 더 많은 수소를 생산합니다.

출처: Bloom Energy

대형 시설용 연료전지 시스템의 선두주자인 Bloom은 저렴한 수소 생산으로 혜택을 받을 것이며, 비백금 전기분해 촉매가 등장해도 기존 고체산화물 전해조에 위협이 될 수 있습니다.