VII. 수소산업 육성에 따른 기대효과
3. 수소활용
수소충전소는 기본적으로 수소를 저장하는 수소저장용기, 수소의 압력을 높이기 위한 압축기, 수소를 차에 충전하는 디스펜서로 구성되어있다.
[그림 Ⅱ-10] 수소충전소의 구성
수소충전소는 수소공급 방식에 따라 3가지로 분류(Off-Site, 개질형 On-Site, 수전해형 On-Site)
수소공급방식에 따른 수소충전소는 off-site, on-site로 분류할 수 있으며 on-site 수소충전소는 개질형과 수전해형으로 분류할 수 있다.
off-site 수소충전소는 튜브트레일러 또는 수소 배관을 통해 수소를 외부에 서 공급받는 방법으로 현재 가장 많이 구축된 방식으로 수소 공급원으로부 터 이송거리가 짧을 경우 적합한 방식이다.
개질형 on-site 수소충전소는 천연가스 또는 LPG 개질을 통해 수소를 자체 에서 생산하여 공급하는 방식으로 수소 공급원으로부터의 이송거리가 장거 리일 경우 선호되며 천연가스 또는 LPG의 공급이 용이하여야 한다.
수전해형 on-site 수소충전소는 물의 전기분해를 이용하여 수소를 생산하 는 방식으로 이산화탄소 배출이 없고 전력만 공급가능하면 운영이 가능한 장점이 있다. 아직은 전력비용의 부담이 크지만 장래에 신재생에너지 발전 비중이 늘어나면 친환경적인 수소생산 방식이 도입된 수소충전소를 구축할 수 있다.
off-site 수소충전소
개질형 on-site 수소충전소
수전해형 on-site 수소충전소 [그림 Ⅱ-11] 수소공급방식에 따른 수소충전소 유형
나. 수소전기차
수소전기차의 정확한 명칭은 ‘수소 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)’이다. 수소전기차는 전기차와 달리 수소연료전지 스택을 주 전원장치로 사용하며, 내연기관 차량에 있는 연료탱크 대신 수소를 저장하 는 탱크를 탑재하고 있다.
[그림 Ⅱ-12] 수소전기차 작동 원리
수소전기차의 구동방식은 우선 공기를 흡입하는 과정에서 불순물을 제거하 는 에어필터로 공기가 여과되며, 차량에 저장된 수소와 결합하여 화학반응 을 거친다. 수소와 산소는 백금촉매를 거쳐 이온으로 분리되고 분리된 전 자가 이동하면서 전기가 발생한다. 따라서 100% 무공해 차량으로 전기가 생성되는 과정에서 배출되는 것은 오로지 순수한 물(H₂O) 이다.
현대자동차 : 수소전기차인
“넥쏘” 출시 (2018년)
현대자동차는 2000년 이전에 연료전지 개발 조직의 신설과 함께 수소전기 차 개발을 시작했다. ‘13년에 세계 최초로 수소전기차 양산 모델인 ’투싼 ix Fuel Cell’을 출시하였고 ‘18년도에는 차세대 수소전기차인 넥쏘(NEXO)를 출시하였다. 평창 동계올림픽에서의 홍보와 우수한 차량 성능으로 인한 넥 쏘에 대한 관심은 판매실적으로까지 이어졌다. 넥쏘의 예약 판매 및 정식 판매 대수는 ‘18년 정부의 수소전기차 구매 보조금 지급가능 대수인 240대 를 훨씬 넘긴 바 있다.
수소충전소 보급 촉진을 위해 수소버스 보급을 계획하고 있는 지자체들
한편, 울산을 비롯한 여러 지자체에서는 수소전기버스를 노선버스로 운행 할 계획을 세우고 있다. 현재 수소충전소는 구축 시 수소전기차가 부족하 여 가동률이 낮아 수익성이 보장되지 않는다. 하지만 수소전기버스를 노선 버스 등에 활용하게 되면 버스 차고지에 수소충전소를 건립할 수 있고, 가 동률을 100% 수준으로 높일 수 있다는 장점이 있다. 이를 통해 수소충전소 보급 촉진을 도모할 수 있다.
구분 부품 관련기업
연료전지 스택
막전극접합체 현대모비스, 코오롱, 동진세미켐, 비나텍
기체확산층 제이앤티지
분리판 현대제철, 포스코
가스켓 동아공업, 대흥알앤티, 평화오일씰공업, 한국댓와일러
셀전압모니터, 연료전지제어기 현대오토론, 현대케피코
수소 공급장치
수소재순환장치 현대모비스, 세종공업
워터트랩 및 부품 세종공업, 세명기업, 아센텍, 경원산업, 세정, 하이록코리아
센서류 세종공업, 오토산업, 대양전기공업, 트루윈, 두원정공,
한국오므론, 케피고
공기 공급장치
에어필터, 소음기 한국3M, 코리아필터텍, 세종공업
공기압축기 한온시스템, 뉴로스, 한화테크윈, 경주전장, 동화산업
가습기 코오롱, 에어레인, 평화오일씰
제어부품 모토닉, 현대모비스, 현대오토론, 현대캐피코, 세종공업,
인지콘트롤즈
열 관리장치
라디에어터, 열교환기 한온시스템, 두원공조, 코렌스, 갑을오토텍
전동워터펌프 명화공업, 지엠비코리아, 현담
히터 한온시스템, 우리산업
밸브류 및 센서 인지콘트롤즈, 동우, 말레, 세종공업, 케피코
수소 저장장치
저장용기, 라이너, 탄소섬유 일진복합소재, 롯데케미칼, 동화산업
수소충·방전장치 영도산업, 태광후지킨, 유니크
고압밸브 및 배관 한일튜브, 모토닉, 세아FS, 하이록코리아
자료 : 환경친화적 자동차의 개발과 보급에 대한 국가적 목표 설정을 위한 연구, 박지영 외(2018) [표 Ⅱ-9] 국내 수소연료전지차 관련 생태계 현황
다. 연료전지
연료전지는 화석연료의 연소를 통한 에너지변환과정을 거친 기존 발전방식 과는 달리 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기와 열에너지를 생산하 는 고효율, 친환경 발전시스템이다. 연료전지는 다음과 같은 원리에 의해 작동한다.
자료: 두산퓨얼셀
[그림 Ⅱ-13] 연료전지의 원리
연료전지는 물을 전기분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생하는 원리를 역으로 이용하여 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생성하는 발전장 치이다. 연료전지는 크게 연료극(-극, Anode)과 공기극(+극, Cathode)의 두 극과 전해질로 구성되며 전해질의 종류에 따라 발전원리는 달라진다.
연료전지에 사용되는 수소는 주로 천연가스 수증기 개질 방식을 통해 생성 되며, 생성된 수소는 연료극에 공급된다. 연료극에서 수소가 수소이온과 전 자로 분해되고 수소이온은 전해질 안에서만 이동할 수 있다. 전자는 전자 도전체 안으로만 통과할 수 있기 때문에 수소이온은 전해질을 거쳐서 공기 극으로 이동하고 전자는 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시키는 것이 작동원 리이다. 그리고 공기극으로 이동한 수소이온과 외부회로를 통해 전달된 전 자가 산소와 결합하여 물이 되는 산소환원반응이 일어난다. 이러한 원리로 작동한 연료전지의 최종적인 생성물은 전기와 물 그리고 열이다.
사용되는 전해질과 촉매에 따라 구분되는 연료전지
연료전지는 사용되는 전해질에 따라 다음 [표 Ⅱ-10]과 같이 6가지로 분류 할 수 있다.
구분
고온형 연료전지 저온형 연료전지
용융 탄산염 연료전지
(MCFC)
고체 산화물 연료전지
(SOFC)
인산염 연료전지
(PAFC)
알칼리 연료전지
(AFC)
고분자 전해질막 연료전지 (PEMFC)
직접 메탄올 연료전지
(DMFC)
작동온도(℃) 550∼700 600∼1000 150∼250 50∼120 50∼100 50∼100
주 촉매 니켈 Perovskite 백금 니켈 백금 백금
전해질의 상태
Li/K alkali carbonates
mixture
YSZ1)
GDC2) H3PO4 KOH 이온
교환막
이온 교환막
전해질 지지체 Immobilized
liquid Solid Immobilized
liquid - Solid Solid
전하전달
이온 CO32- O2- H+ OH- H+ H+
가능한 연료 H2, CO (천연, 석탄가스)
H2, CO (천연, 석탄가스)
H2, CO (메탄올,
천연가스) H2
H2, CO (메탄올,
석탄가스) 메탄올
외부연료
개질기 필요 No No Yes Yes Yes Yes
효율(%LHV) 40∼60 50∼60 40∼45 85 < 40 40
주용도 § 대규모 발전
§ 중소사업소 설비
§ 대규모 발전
§ 중소사업소 설비
§ 이동체용 전원
§ 중소사업소설비
§ Biogas Plant § 우주발사체 전원
§ 수송용전원
§ 가정용전원
§ 휴대용전원
§ 휴대용전원
특징
§ 발전효율 높음
§ 내부개질가능
§ 열병합 대응가능
§ 발전효율 높음
§ 내부개질 가능
§ 복합발전 가능
§ 내구성 큼
§ 열병합 대응가능 - § 저온작동
§ 고출력밀도
§ 저온작동
§ 고출력밀도 [표 Ⅱ-10] 연료전지의 형식별 종류
국내에 주로 보급되는
연료전지는 PAFC, MCFC임
국내 연료전지 발전용 부문에서 가장 많이 채택되는 방식은 PAFC와 MCFC 이며, 두산퓨얼셀, 포스코에너지 등이 대표적인 생산업체이다.
누적 설치량은 포스코에너지가 최대이나 경영상의 문제로 최근 수주실적은
두산이 앞서가고 있으며 최근에는 해외 업체인 블룸에너지(Bloom Energy), 퓨얼셀에너지(Fuel-Cell Energy)가 국내 시장에 진출하였다.
발전사들의 RPS 의무 이행수단으로 선호도가 높은 연료전지
한국전력의 발전 자회사들을 중심으로 신규 연료전지 사업이 활발히 추진 되고 있으며 태양광 및 풍력발전보다 소요 면적이 작고 발전량 통제가 임 의로 가능하기 때문에 REC 확보가 안정적이며 이에 따라 발전회사들의 RPS 의무이행 수단으로 선호도가 높다.
구분 소재 스택 개질기 BOP 시스템 운전
PEFC
포스코, 하이스코, 오텍,
한국타이어, 코오롱, 한화, 동아와성, 협진
현대기아자동차, FCP, GSFC,
하이스코
한국가스공사, 코캣
한라공조, 두원공조, 명화공업, 코오롱
현대기아자동차, FCP, GSFC,
하이스코
-SOFC
포스코파워, 한창산업, 삼전화학, LTC,
세라파워, 코미코
포스코파워, 삼성SDI, 삼성전기, 한국전력, HnPOWER
한국가스공사, 코캣
한국가스공사, 삼천리, 퓨얼셀파워, 삼성엔지니어링,
효성, Kbeing 에너지
한국전력, 포스코파워,
삼성SDI, 경동나비엔, 현대하이스코
-MCFC
두산중공업, 트윈에너지,
단단, 나노기공소재, 삼전대정화금, 진영정기, 보림
두산중공업, 포스코파워, 오터엔, 백상엔지니어링
-두산중공업, 포스코파워, YPP, 태양산업,
비전, 효성중공업, 한중, CES Eng
두산중공업, 포스코파워
두산중공업, 포스코파워, 한전 및 발전자회사, 한국가스공사 자료 : 2018 에너지산업 산업기술 R&D 전략 : 에너지 저장 분야, 산업통상자원 R&D 전략기획단(2018)
[표 Ⅱ-11] 용도별 연료전지 분야의 주요 기업 분포 현황
(4) 국내 수소산업 생태계 구조
국내 수소산업 생태계를 분야별로 살펴보면, 수소 생산의 경우 석유화학단 지 등에서 생산되는 부생수소 부문은 상용화를 이루고 공급망을 갖추고 있 다. 반면 추출수소 및 수전해는 실증 단계에 머물러 있다.
저장·운송 분야에서는 현재 고압기체 부문이 상용화 단계이지만 액화 및 액상기술은 개발단계이다. 또한 수소 충전 분야는 파이프라인, 튜브트레일 러, 이동식, 개질, 수전해 등의 방식으로 구성되는데 2019년 10월 현재 수 소충전소 31기가 구축되어있고 우리나라 수소충전소의 경우 현재 압축기·
튜브트레일러 방식으로 공급되고 있다.
수소모빌리티 분야에서 우리나라는 2013년 수소전기차를 양산하는 등 세