(리포트 뜯어보기) II. 수소경제 - 초기 수소 생태계 투자 전략

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수소 생태계 핵심 제품과 관련된 기업들을 분석한 산업리포트입니다. 

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전략 I. 기술 경쟁력: 수소 생태계 핵심 소재 + 높은 기술 진입장벽

수소 저장 용기와 연료전지 핵심 소재 중심 
수소 생태계 핵심 제품으로 1) 수소 저장 용기, 2) 수소 연료전지를 들 수 있다. 수소 저장 용기는 기체와 액체 수소 용기로 구분되는데, 현재는 기체 중심으로 적용되고 있다. 

현재, 수소는 기체 형태로 저장되기 때문에 부피가 큰 수소를 고압으로 압축하여 저장한다. 고압가스를 저장하는 연료탱크를 타입별로 살펴보면, 총 Type1~4 로 구분된다. Type1 은 완전 스틸(강철)로 이루어진 연료 탱크이고 Type2 는 탱크통 일부를 유리섬유로 감은 것, Type3 는 탱크통을 완전 탄소섬유로 감은 형태이다. 그리고 Type4 는 비 강철 라이너, 즉, 고밀도 플라스틱 라이너를 완전 탄소섬유로 감아서 완성한다. 수소연료전지차 연료탱크는 고강도 플라스틱 재질의 탱크를 탄소섬유 실로 감아 만든 Type4 방식의 초경량 복합소재 연료탱크로 만들어진다. 

 

유리섬유 (글래스 파이버, glass fiber, glass fibre)
유리의 수많은 극세 섬유로 이루어진 물질이다. 백금도가니에서 녹인 유리를 도가니에 뚫린 작은 구멍으로 고속도로 뽑아 내면 유리섬유가 만들어진다. 이렇게 해서 만들어진 굵기 200분의 1정도의 가는 섬유는 판유리나 유리그릇에 비해 열이나 약품에 훨씬 강하며 탄력성이 높다.

탄소섬유 (carbon fibers, 그라파이트 섬유, 탄소 그라파이트, CF)
탄소가 주성분인 0.005 0.010mm 굵기의 매우 가는 섬유이다. 탄소 섬유를 구성하는 탄소 원자들은 섬유의 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있으며, 이러한 분자 배열 구조로 인해 강한 물리적 속성을 띠게 된다. 한 가닥의 실은 수 천 가닥의 탄소 섬유가 꼬여져 만들어진다. 탄소 섬유는 다양한 패턴으로 직조될 수 있으며, 플라스틱 등과 함께 사용되어 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon-fiber-reinforced polymer)과 같이 가볍고도 강한 복합 재료를 만들어내기도 한다. 탄소 섬유의 밀도는 철보다 훨씬 낮기 때문에, 경량화가 필수적인 조건일 때 사용하기에 적합하다. 탄소 섬유는 높은 인장 강도, 가벼운 무게, 낮은 열팽창률 등의 특성으로 인해 항공우주산업, 토목건축, 군사, 자동차 및 각종 스포츠 분야의 소재로 매우 널리 쓰인다. 이런 장점에 반면, 가격 면에서는 유사한 소재인 섬유 유리나 플라스틱보다 상대적으로 비싸고, 당기거나 구부리는 힘에 매우 강하며, 압축하는 힘이나 순간적인 충격에는 약하다. 예를 들어, 탄소 섬유로 만들어진 막대는 구부리기 매우 어렵지만 망치와 같은 도구로 쉽게 깨뜨릴 수 있다.

라이너
고압의 기체를 저장하는 용기로 수소연료탱크 제조의 기본 제품을 뜻한다.

수소연료전지차에 Type4 탱크를 탑재한 가장 큰 이유는 수명과 안전성 때문이다. 700bar 고압의 수소를 충전하기 때문에 탱크가 ‘늘었다’, ‘줄었다’를 반복하는데 이 과정에서 Type1,2 탱크는 금속 피로도가 쌓여 수명이 비교적 짧다. 반면, Type4 의 라이너는 플라스틱 소재로 만들어져 복원력이 뛰어나 피로도에 강하다. 또한 고온에서 자가 가스 방출 시스템을 적용해 화재나 충격, 충돌에도 견딜 수 있도록 설계되어있다. 수소연료전지차 고객이 가장 우려하는 부분 중 하나는 수소연료탱크의 폭발 위험이다. Type4 연료 탱크 제조방식을 보면 에폭시와 열경화성 수지 등을 합친 복합소재가 적용된다. 탱크가 고압에서도 잘 견딜 수 있도록 탄소섬유를 다양한 패턴으로 여러 겹으로 감은 형태이다. 이렇게 특수 패턴으로 겹겹이 감긴 탄소섬유는 충격이나 큰 외부 충격을 받더라도 폭발하지 않고 살짝 찢어지면서 수소가스를 공기 중으로 날려보낸다. 이는 탄소섬유의 탄력적인 재질 특성 때문이다. 그리고 수소는 지구 상에서 가장 가벼운 원소이기 때문에 1 초에 24m 를 날아갈 정도로 확산이 빨라 누출과 동시에 공기 중으로 희석된다. 

 

bar (압력 단위, 바)
1bar = 10⁶dyne/cm². 곧 100,000 파스칼과 같다. 1 바는 1기압과 거의 같다.

기체 수소 저장에 있어 핵심 소재는 수소 연료 탱크 생산비의 70% 이상을 차지하는 ‘탄소섬유’다. 탄소섬유는 기술 진입 장벽 또한 높아 글로벌 플레이어도 9 기업 정도 밖에 없다. 한정되어 있는 글로벌 플레이어들도 탄소섬유 보유 물성이 각각 다르기 때문에 타겟으로 하는 산업도 다르다. 이에 기체 압력 용기 산업, 특히, 수소압력용기에 특화되어 있는 기업은 ‘도레이첨단소재(일)’, ‘효성첨단소재(한)’ 두 기업 정도만 있는 상황이다.

 

도레이첨단소재
일본 도레이 그룹의 자회사. 폴리에스터필름,증착필름,폴리에스터섬유,부직포,수지, 제조,도매/부동산 임대 등 플라스틱 필름, 시트 및 판 제조업체

효성첨단소재
동사는 2018년 6월 1일 주식회사 효성이 영위하는 사업 중 산업자재 사업부문이 인적분할하여 신설되었음. 동사의 주요 제품이자 세계 시장을 이끌고 있는 폴리에스터 타이어코드 및 Seatbelt용 원사, Airbag용 원단과 자동차용 카페트 사업은 자동차 시장의 성장과 더불어 동반 성장이 예상됨. 동사는 타이어보강재, 각종 산업용 원사, 상업용/자동차용 카페트 등을 종합 제조할 수 있는 생산규모와 기술력을 갖춤.
출처 : 에프앤가이드

 

수소 연료전지는 종류별로 중요한 소재 및 부품이 다르다. 그러나 완성차, 수전해수소 등 모든 생태계에 걸쳐 가장 많이 사용되는 PEM 시스템 중심으로 보면, 중요한 소재는 불소계 멤브레인막, 촉매, GDL 등이 있다. 

 

멤브레인 (Membrane)
막(膜)이라는 뜻으로 무엇인가를 걸러내는 역할을 하는 존재를 말한다.

GDL (Gas Diffusion Layer, 기체확산층)
고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell 또는 Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)를 구성하는 물질로 전극으로 기체 확산을 원활하게 하는데, 연료와 물, 전기, 열과 같은 관련 인자들을 조절하는 역할을 한다.

수소연료전지 원가의 약 43%의 비중을 차지하는 PEM(Polymer electrolyte membrane)은 연료극과 공기극 사이에 위치하는 전해질 막(Membrane)이 접합되어 있는 구조이다. PEM 은 수소의 전기화학적 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 역할을 한다. 따라서 효율적인 PEM 제조는 연료전지의 성능 향상을 위해 매우 중요하다. PEM 내에서 불소계 멤브레인막은 수소이온만을 선택적으로 통과시키는 이온전도막 이다. 특히, 나피온이라 불리는 불소계 화합물은 극성이 높은 물하고도 섞이지 않고 극성이 낮은 탄화수소하고도 섞이지 않는 성질을 가지고 있다. 이러한 기본적 성질을 바탕으로 물과 친한 친수성 높은 원소들을 많이 붙여 놓았다. 그렇다 보니, 친수성 높은 원소들만 모여 있는 곳에 미세구멍(cluster)이 형성되고 이 곳을 통해서만 수소이온이 통과할 수 있도록 한다. 

이처럼 우수한 전기화학 특성에도 불구하고, 1) 복잡한 제조공정으로 막의 가격이 매우 비싸며($800/m²), 2) 불소알킬구조로 인한 낮은 유리전이온도가 단점으로 지적되고 있다. 특히 나피온의 비싼 가격은 연료전지 생산단가를 높이는 주요 요인이 된다. 이에 단가를 좀 낮추면서 비슷한 특성을 지닌 전해질 막(Membrane)에 대한 연구가 계속되고 있으며 이에 대한 대안으로 등장한 것이 탄화수소계 고분자 전해질막이었다. 그러나 탄화수소계는 고온·저습도에서 낮은 이온전도도, 탄화수소를 완벽하게 밀어내지 못하는 특성으로 인해 수소이온만 안정적으로 통과시키지 못하여 오히려 연료전지 수명을 낮추기 때문에 현재는 불소계 위주로 가고 있다. 

PEM 중 불소계 멤브레인막은 기술 진입장벽이 높으며, 글로벌 플레이어는 Dupont, Gore 정도 밖에 없는 상황이다. 그리고 국내 상아프론테크가 2021 년 6 월부터 첫 양산을 시작했다. 

 

Dupont (듀폰)
미국의 화학 관련 기업이다. 다우 케미칼과 듀폰 (1802–2017)의 합병으로 창립되었다. 그 후 범용성의 다우와 농업 전문 코르테바와 특별 부문 듀폰으로 세 개 회사로 분리되었다.

W. L. Gore and Associates (W. L. 고어 & 어소시에이션)
미국의 원단 제조 회사이다. 1958년부터 빌 고어와 비브 고어가 윌버트 L. 고어가 발명한 고어텍스를 제조및 판매하기로 유명하다.

상아프론테크
동사는 1986년 3월에 상아양행으로 설립되었으며 전자 및 전기기기 부품 제조 판매업 등을 사업목적으로 설립됨. 동사는 FPD GLASS 이송 공정용 LCD CASSETTE와 프린터의 핵심 부품인 전사벨트는 세계일류상품에 선정되어 세계최고 수준의 제품 개발 기술을 보유하고 있음. 최근에는 특정 성분을 선택적으로 통과시켜 혼합물을 분리할 수 있는 e-PTFE Membrane 소재 개발에 성공하며 다양한 특허를 보유함.
출처 : 에프앤가이드

 

전략 II. 투자 리스크 최소화: 기술 변경 ‘無’ + 적용 생태계 ‘多’

‘수소 저장’ 에 주목 
수소 생태계는 초기 시장이기 때문에 기존 주력 기술이 변경될 가능성이 높다. 예를 들어, 글로벌 시장 점유율이 가장 높은 연료전지 시스템도 더 높은 효율의 시스템 개발로 빠르게 점유율이 낮아지고 있다. 또한 생태계 별로 불필요한 부품에 대한 제거, 비용 저감을 위한 소재 변경 등이 진행되고 있어 투자 리스크가 높다. 이에 투자 리스크를 최소화하기 위해서는 현재 적용 중인 제품들의 기술방향 체크를 통해, 대체 및 제거 가능성을 파악할 필요가 있다. 또한 정책 발표 시, 적용 생태계가 가장 많은 제품을 선택해야 한다. 

투자 리스크 최소화 전략에 가장 적합한 제품은 ‘수소저장’ 관련이다. 수소 저장 방식에는 고압기체 수소 저장, 액화수소 저장 방식이 대표적이다. 현재는 고압기체 수소 저장이 보편적으로 사용되고 있다. 우선, 기체 수소를 고압 저장할 때 적용되는 탄소섬유는 다른 소재로 대체 불가능하며, 수소 저장 용기는 충전소, 완성차, 튜브 트레일러 등 대부분 생태계에 적용된다. 수소 충전소에는 중압저장용기, 고압저장 용기가 적용되며, 충전소에 따라 6 병(중압저장용기 555bar 3 병, 고압저장용기 990bar 3 병)에서 12 병(중압저장용기 555bar 6 병, 고압저장용기 990bar 6 병)이 장착된다. 튜브트레일러는 기존 금속 재질 Type1 200bar 에서 일진하이솔루스가 Type4 450bar 용기 개발로 1 기 당 수소 공급량이 500kg 에 달하게 되었다. 이는 12.5kg 짜리 수소연료탱크 40 개가 들어가는 셈이다. 자동차에 적용되는 수소압력탱크는 현대차 ‘NEXO’ 기준으로 1 개당 2.1kg 의 수소를 저장할 수 있으며, 총 3 개가 들어가 총 6.44kg 용량이다. 이는 압력 단위 bar 기준으로 700bar 정도가 된다. 도요타 ‘Mirai 2 세대’는 총 3 개 탱크에 총 5.6kg 용량이다. 이에 정부 정책 발표 시, 충전소 6~12 개, 튜브트레일러 40 개, 자동차 3 개의 용기가 모든 생태계에 적용되며, 한 용기 당 많은 수소 저장이 요구되기 때문에 탄소섬유 비중도 높아지는 추세이다. 

 

일진하이솔루스
동사는 2012년 11월2일 설립되어 용기사업(CNG,수소 차량용 연료탱크 제조 등 설치용 금속탱크 및 저장용기) 및 환경사업(매연저감장치 DPF) 등을 주요 사업으로 영위하고 있으며 일진그룹에 속하는 계열회사임. 2021년 4월 13일 "최고의 수소연료저장 솔루션으로 친환경 미래 사회에 해법을 제시"하는 의미를 담아 일진복합소재에서 일진하이솔루스로 상호를 변경함. 2021년 9월 1일 코스피 시장에 신규 상장함.
출처 : 에프앤가이드

현대차
동사는 1967년 12월에 설립되어 1974년 6월 28일에 유가증권시장에 상장됨. 동사는 자동차 및 자동차부품을 제조 및 판매하는 완성차 제조업체로, 현대자동차그룹에 속하였으며, 현대자동차그룹에는 동사를 포함한 국내 53개 계열회사가 있음. 소형 SUV인 코나, 대형 SUV인 팰리세이드, 제네시스 G80 및 GV80 등을 출시하여 SUV 및 고급차 라인업을 강화 하였으며, 수소전기차 넥소를 출시함.
출처 : 에프앤가이드

도요타 자동차 (Toyota Motor)
일본 아이치현 도요타시에 본사를 둔 일본 굴지의 자동차 제조 회사이다.

향후에는 액체 수소 저장 형태로의 변화가 예상된다. 다만, 자동차와 충전소는 기체 수소 용기를 사용해야 한다. 자동차에 액체수소 형태로 저장해놓을 경우, 열을 받기 때문에 기화하는 것을 막을 수는 없다. 이에 어딘가를 오픈해서 기화 열을 방출해야 하는데 이 것 역시, 주차장 등에서는 불가능하다. 또한 연료전지에 기체 상태 수소를 공급하기 위해서 추가 증발기가 들어가면 무게도 무거워지고 생산비용도 높아진다. 따라서 자동차는 기체로 적용해야 하며, 이로 인해 충전소도 기체 압력용기를 두어야 한다. 액체 충전소로 갈 경우, 기존의 튜브트레일러는 액체 탱크로리로, 충전소에는 액체저장용기와 증발기가 추가된다고 보면 된다. 액체 저장용기의 경우, 열 차단을 통해 열손실을 최소화하는 용기가 필요하다. 기본적으로 스테인리스 강 용기에 알루미늄 합금을 통한 단열재가 들어가기 때문에 소재보다는 전체적인 용기 시스템 제조 기업이 더 핵심이다.

 

탱크로리 (tank lorry)
원유 및 각종 액체 물질을 수송하기 위해 만들어진 차량이다. 트럭의 모양에 커다란 물탱크가 얹혀져 있는 모양을 하고 있으며, 주로 석유와 물을 운반하기 위해 사용되지만 경우에 따라서는 분뇨수거차로 사용하기도 한다.

 

Top Pick: 효성첨단소재, 코오롱인더, 상아프론테크

기술력: 효성첨단소재, 상아프론테크, 저평가: 효성첨단소재, 코오롱인더 
[전략 I, II]를 모두 고려했을 때, 수소 관련 Top Pick 은 ‘효성첨단소재’, ‘코오롱인더’, ‘상아프론테크’를 들 수 있다. ‘효성첨단소재’는 수소 저장 용기의 핵심 소재인 탄소섬유 국내 유일 기업이다. 특히, 물성이 기체 압력 용기에 특화되어 있어 이 산업에서는 글로벌 2 위를 기록하고 있다. 최근 Type4 용기에 수소 압력 또한 높아지고 있는 추세이기 때문에 용기 하나에 들어가는 탄소섬유 비중은 더욱 높아질 것으로 기대된다. ‘상아프론테크’는 PEMFC 에서 불소계 멤브레인막 자체 기술을 보유한 PEM 제조 기업이다. 현재 글로벌 플레이어도 두 기업 밖에 없으며, 발전용, 자동차 연료전지, 수전해 수소까지 적용 가능하다. 동사는 2021 년부터 발전용 및 자동차 연료전지로의 양산이 시작되었다. ‘코오롱인더’는 PEMFC 습도 조절에 필요한 막가습기 양산 중에 있으며, 2023 년 양산 목표로 PEM 과 MEA 기술 Test 단계에 있다. 막가습기는 2013 년 기술 개발을 시작으로 투싼에 이어 넥쏘까지 양산이 이어져 왔으며 이는 이미 실적으로 반영되고 있다. 이미 양산이 시작된 핵심 기술 보유 기업 중심으로 보면, 효성첨단소재, 상아프론테크를, 수소 관련주 평균 50 배 대비 낮은 밸류 수준에서 거래되고 있는 기업으로는 효성첨단소재, 코오롱인더를 꼽을 수 있다. 

코오롱인더
동사는 코오롱의 제조사업부문이 분할되어 신설된 제조회사로 2010년 1월 5일자로 분할 등기를 완료함. 사업특성상 산업자재군, 화학소재군, 필름/전자재료군, 패션군, 의류소재 등의 5개 사업군으로 나뉘며 산업자재군이 가장 큰 매출 비중을 차지함. 세계 최초로 폴더블 디스플레이의 핵심 부품인 윈도우 커버용 투명폴리이미드 필름(상표명 CPI?)을 생산 및 판매하고 있음.
출처 : 에프앤가이드

PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 고분자전해질 연료전지)
수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단하다. 또한 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템이다. 이와 같은 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양하다.

수전해 (물전기분해)
수소를 생산하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며 그중에서도 적은 에너지를 가지고 반응을 쉽게 일으키게 하는 전극촉매에 쓰일 물질에 대한 연구가 많은 관심을 받고 있다. 현재까지 수소를 대량생산하기 위해 가장 경제적인 방법은 화석연료로부터의 추출이다. 하지만, 화석연료의 사용은 많은 문제점을 일으키고 있어 대안이 필요한데, 그 중 하나는 수전해(H2O(l) → H2 + 1/2O2(g))이다. 수전해란 물에 전기에너지를 가해 수소와 산소로 분해하는 것으로 이러한 연구의 핵심은 수전해에 필요한 에너지를 낮춰주는 전극촉매에 있다. 물을 전기 분해할 때 +극과 -극에서 발생하는 기체의 성질을 확인할 수 있다. 수산화나트륨을 조금 넣은 물에 전류를 흘려 준 후 생성 물질을 확인할 수 있다. 물의 공유 결합이 끊어지면서 물은 수소와 산소로 전기 분해된다.수전해는 크게 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction(HER), 2H+ (aq) + 2e- → H2 (g))과 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction(OER), 2 H2O (l) → 4e- + 4H+ (aq)+ O2 (g)), 위 두 가지 반쪽 반응(half-reaction)으로 구성된다. 그 중 산성 용액에서 HER에 가장 우수한 촉매로 꼽히는 물질은 바로 백금(Pt)이다. 그러나 백금은 매장량이 매우 적고 단가가 높아 공정에 적용하기 어렵다. 이에 따라 백금을 대체할 새로운 물질에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

MEA (Membrane Electrode Assembly, 막/전극접합체)
전해질 막과 Anode전극, Cathode전극의 접합체를 일컫는 용어이다.

밸류 (Valuation, 밸류에이션)
기업, 업종, 시장 등 다양한 평가 대상의 내재된 가치 대비 시장 평가 수준을 뜻한다.

 

 

 

21/10/25 이베스트증권 Analyst 이안나

 

 

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마치며

 

내용이 긴 편은 아니지만, 비교적 상세하게 설명해 주시고 국내외 기업들의 현황을 분석해 주셔서 수소에 관심 있었던 분들께 도움이 되었으리라 생각됩니다. 예정대로라면 우리나라의 ‘수소 로드맵 2.0’이 올해 3분기 발표 예정이었으나 최근 뉴스를 보면 내년 초로 연기된 것 같네요. 기다렸던 분들께서는 다소 답답하게 느껴질 수도 있겠으나 정부에서도 탄소중립 관련해 주목하고 있는 만큼 꾸준히 관심 가져보는 것이 좋을 듯 합니다. 끝으로 연구원님께서 Top Pick으로 ‘효성첨단소재’, ‘코오롱인더’, ‘상아프론테크’를 선정하셨으니 참고바랍니다.

 

 

 

감사합니다. 오늘도 많이 배우고 갑니다.😊