▲ 출처=freepik  © 특허뉴스

 

 

친환경에너지 중 수소에너지는 신재생에너지로 분류되는 연료전지의 주 에너지원이다. 수소는 실온에서 기체 상태로 존재하며 지구상 가장 가벼운 무색, 무미, 무취의 기체로 다른 원소와 결합된 상태로 지구상에 대량으로 존재하고 있다. 수소가 에너지생산 연료로 각광 받는 이유는 다른 화석연료와 달리 연소 시 이산화탄소 배출 없이 청정하기 때문이다.

 

에너지 연료 및 저장매체로서 수소는 물 또는 유기물질로부터 생산되므로 그 양이 거의 무한정에 가깝고, 수소를 연료로 사용할 경우 연소 시, 지구온난화에 영향을 주는 이산화탄소를 발생시키지 않는다. 또한 미세먼지의 원인인 질소산화물을 극소량만 배출할 뿐만 아니라 연료전지의 연료로 활용하면 전기에너지로 쉽게 전환해 사용할 수 있다.

 

수소는 가스나 액체로 만들어 쉽게 수송할 수 있고, 다양한 형태로 저장할 수 있다. 때문에 저장 시 높은 에너지밀도를 가지며 운반 시에도 전기에너지 형태로 운송하는 것보다 운송 손실을 1/10 정도로 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다. 즉 수소는 에너지원뿐만 아니라 저장, 수송 매체로도 활용이 가능한 많은 장점을 갖고 있다.

 

특허뉴스는 지식재산 전문기업 윕스에서 발행한 ‘수소로 에너지 시장의 판도를 바꾼다’ 이슈리포트를 정리하며, 수소 생산에서부터 저장, 운송, 충전, 이용에 이르기까지 주기적인 수소 Value chain에 관한 특허 동향을 살펴본다.

 

수소 경제시대의 대두

 

현 시대의 화석연료 기반 산업구조, 사회구조를 통해서는 어떠한 발명이나 새로운 정책을 통해서도 인류가 당면한 에너지 고갈 문제와 환경오염 문제를 해결 할 수 없다. 그러나 앞서 언급한 에너지 고갈 문제와 환경오염 문제 두 가지를 동시에 해결할 수 있는 에너지원이 바로 수소에너지다.

 

현재 미국, 일본, 유럽에서는 전통적인 화석연료 기반의 삶이나 에너지원을 수소에너지 기반으로 변화시킨 수소도시 모델들이 실증, 확산되고 있으며 에너지시장의 모멘텀이 변화된 친환경적인 수소에너지원 생태계가 조성된 깨끗한 도시로의 인프라 변혁이 수반되는 바, 관련 산업 육성을 견인하는 혁신성장의 모델로 수소 경제 개념이 새롭게 제시되고 있다.

 

최근 우리나라도 울산광역시, 안산시, 전주시, 완주군을 수소시범도시로 선정해서 활용 홍보에서부터 생산, 공급, 분리 등의 기반 조성에 박차를 가하고 있다.

 

주기적인 수소 Value Chain

 

수소에너지의 가치사슬 구조는 수소의 생산, 저장, 운반과 관련된 공급부문과 수소의 이용·용도에 따른 수요부문으로 구성된다. 공급부문은 다양한 장치산업 및 인프라로 구성되어 있으며 가정·상업용, 산업용, 수송용, 발전용 부문 등의 수요부문은 수소의 이용을 위한 연료전지 관련 산업이 중심이다. 수소는 화석연료 및 바이오매스로부터의 메탄가스 등을 개질하여 얻거나 정유 및 제철 공장 등의 부생수소 활용, 신재생에너지를 활용한 물의 전기분해 등 다양한 방식을 통해 생산가능하다. 다양한 방식으로 생산된 수소에너지는 기체, 액체 및 고체의 다양한 형태로 대규모 저장 및 운반이 가능하며 연료전지를 이용하여 가정·산업, 수송, 발전용 기기 등 모든 소비부문의 에너지원으로 이용된다. 수소에너지를 이용하기 위한 연료전지는 수소와 공기 중의 산소와의 전기화학반응을 통해 전기에너지를 직접 생산하기 때문에 발전효율이 높다. 또 수소를 원료로 사용하기 때문에 사용과정에서 물만이 배출되며 화석연료 사용 시 발생되는 일산화탄소(CO) 등 환경에 유해한 물질은 발생하지 않는다.

 

▲ 수소에너지의 가치사슬 구조(출처=에너지경제연구원)  © 특허뉴스

물론, 수소는 상기와 같은 다양한 장점과 특히, 저탄소 고부가가치의 친환경적 에너지원이 될 수 있으나, 수소에너지의 공급 및 수요 가치사슬 구축에 막대한 규모의 비용이 소요됨으로 정부의 지원과 더불어 적극적인 연구방향의 탐색과 주요기업들의 활동을 확인하는 것이 필수적이다.

 

이에 특허 동향 및 수소 Value Chain 각 단계에서의 주요 기업들의 현황을 통해 복잡한 수소 경제의 변화를 파악해 본다.

 

▲ 수소 value chain별 국내 주요 기업 현황(출처=윕스 이슈리포트)  © 특허뉴스

 

▲ 수소 value chain별 국내 대표 기업 사례(출처=윕스 이슈리포트)  © 특허뉴스

수소에너지 특허 동향

 

수소 Value Chain 중 가장 중요한 수소 생산단계와 저장 단계에서의 특허동향을 살펴보면, 수소 생산단계에서 다양한 수소 생산 방법 중, 가장 많이 활용되고 있는 리포밍, 가스화, 전기분해방법에 대하여 연도별, 국가별, 출원인 동향을 확인할 수 있다.

 

▲ 수소 생산 연도별 출원동향(좌)리포밍(가운데)가스화(우)전기분해(출처=윕스 이슈리포트)  © 특허뉴스

리포밍 > 전기분해 > 가스화의 순으로 특허 출원 비중이 높으며, 효율성 및 낮은 생산단가의 장점 때문에 리포밍을 통한 수소 생산의 비중이 높았으나, 최근 이산화탄소를 배출하지 않는 전기분해 방법으로 기술적 방향이 변화하는 현상을 확인 할 수 있다. 또한, 수소 생산 관련 주요 출원인으로는 일본 국적의 출원인이 절대적인 특허출원 건수 및 기술적 우위를 차지하고 있다.

 

▲ 수소 생산 출원인별 출원동향(위)리포밍(중간)가스화(아래)전기분해(출처=윕스 이슈리포트)  © 특허뉴스

수소저장 단계에서는 생산된 수소를 사용자에게 운반하기 위한 수소저장 단계 관련 시장이 점점 커질 것으로 예상되는 가운데 국내외 기업들이 수소 저장 탱크 사업을 본격화하고 있다. 20년간의 유효 특허데이터의 동향을 통해 연도별, 출원인별 추이를 확인했다. 액체수소 저장기술은 출원인수와 출원건수가 모두 빠르게 증가하는 성장기에 해당되며, 2000년대 중반 유럽, 미국, 일본 국적의 출원인 중심으로 특허가 출원되었고, 2010년대 초, 중반은 일본 국적의 출원인 중심이었으며, 2017년 이후는 국가별 출원현황과 유사하게 한국 및 중국 국적의 출원인에 의한 특허 출원이 활발하게 이루어지는 추세이다.

 

▲ 수소 저장 연도별 출원동향(위)연도별(중앙)국가별(아래)국적별(출처=윕스 이슈리포트)  © 특허뉴스

출원건수가 많은 상위 20개 출원인을 살펴보면, LINDE가 21건으로 가장 많은 출원을 하였고, KAWASAKI HEAVY IND 16건, GM GLOBAL TECHNOLOGY 16건, TOYOTA MOTOR 15건, PANASONIC 14건, AIR LIQUIDE 13건, MARTIN MARIETTA 13건 순으로 나타났고, 출원인의 국적을 살펴보면, 한국(6), 일본(6), 미국(4), 유럽(3), 및 중국(1) 순으로 나타났다.

 

▲ 수소 저장 출원이별 출원동향(출처=윕슈 이슈리포트)  © 특허뉴스

지식재산 전문기업 윕스 이슈리포터 관계자는 “시대적, 에너지 관련 기술 트랜드의 변화로 볼 때, 수소 에너지를 이용한 경제적, 사회적 요구는 더 이상 미루어 둘 수 없는 현실인 바, 다가오는 수소경제사회에 대한 철저한 사전준비 및 구체적인 기술방향을 제시하고 이를 실행해 나갈 동력이 필요하다”며 “이러한 동력을 얻기 위해서는 청정수소 생산량의 확대와 생산비용 감축, 수소 공급에 활용할 재생에너지 확대, 유통 인프라 확충, 수소자동차 가격의 인하와 같은 민간시장에서의 시장 체계가 구축되어야 하며, 이를 뒷받침하고 선도적으로 가이드라인을 제시할 수 있는 정책적 뒷받침이 병행되어야 한다”고 말했다.

 

▲ 출처=freepik  © 특허뉴스

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