가. 국내시장
ESS 한국시장 규모는 세계시장의 1%를 기준으로 하여 성장하고 있다. 국 내의 경우 도서지역에 독립 발전형 신재생에너지발전과 연계하여 납축전지 및 니켈-수소전지를 중심으로 수십억 규모의 시장이 추정되며, RPS제도에 의 한 신재생에너지 확대, 정부의 에너지저장의무화 계획, 전력소비량의 증가, 스마트 그리드 구축 등으로 중장기적으로는 급격한 시장 확대가 예상된다.
2015년까지 960MW, 2020년까지 1,680MW 규모의 에너지저장장치 수요가 예상되고 있다.5)
5) ‘ 기술개발 및 산업화 전략(K-ESS 2020),지식경제부(2011) 참조
<그림 3-6> Application 별 ESS 시장 규모 전망 (‘11년 ~ ’20년)
나. 해외시장
2010년을 기준으로 미국, 일본 등 일부 선진국을 중심으로 2조원 규모의 초기시장이 형성되었다. 2010년 850MW의 에너지저장 용량이 보급되었는데, 장기 저장을 위한 전력계통용이 80%, 단기 저장을 위한 보조서비스용 (ancillary)이 20%를 차지하고 있다. 전력계통용 시장은 미국이 78% 가량으로 최대 시장을 형성하고 있다. 현재 보급된 ESS는 80% 가량이 장주기용으로 발전량과 부하간의 균형을 맞추기 위한 Grid support용과 고전적 발전 시스 템의 전력 신뢰도 향상이나 신재생에너지 시스템과의 연계를 위한 on-grid stationary용으로 주로 적용된다. 향후에는 전력 수요 증가가 가속화 될 경우, 첨두부하 대응용 발전 시스템을 대체할 수 있는 Load shifting 분야와 on-grid stationary 분야에 대한 성장세가 두드러질 것으로 판단된다.
현재는 시장태동기라 할 수 있으며, 향후 신재생에너지 및 스마트 그리드 시 스템 구축 등이 에너지저장시설 시장의 성장을 가속화할 것으로 전망하고 있다.6)
6) ‘에너지저장 기술개발 및 산업화 전략(K-ESS 2020),지식경제부(2011) 참조
<그림 3-7> 에너지저장시설의 수요 전망
(억 원) 1,500 1,800 13,000 50,000
국외
(억 원) 18,000 500,000 1,500,000 4,720,000
산출
자료 : Transmisson and Distribution capital dererral
2020년 기준으로 전 세계 에너지저장시설의 시장규모는 2010년의 약 24배 인 47.4조원으로 성장할 것으로 예상되며, 이 중에서 저장시설용 리튬이온 배터리시장은 약 12조원으로 예상된다. 2020년의 에너지저장 용량은 2011년 의 1,206MW에 비하여 약16배 성장한 20,105MW에 이를 것으로 전망되며, 2030년에는 120조원 규모의 에너지저장시장이 형성될 것으로 예상된다. 그리 고 2050년까지 세계적으로 189~305GW 수준의 에너지저장시설 수요가 예상 된다.
<그림 3-8> ESS의 글로벌 시장규모
(단위 : $B)
제 4 장 탄소소재 적용분야
제 1 절 연료전지 분야
1. 연료전지용 촉매
연료전지자동차는 연료전지를 동력원으로 하는 일종의 전기자동차로서 연료 전지 단독 혹은 연료전지/이차전지 하이브리드 형태로 개발되고 있으며 충전 시간, 일충전 주행거리 등의 문제점을 해결할 수 있어 실용화가 가능한 차세 대 무공해자동차로 평가된다.
스택시스템 기술은 수송용 연료전지 분야에서 주동력형과 보조동력형으로 구분될 수 있고, 주동력형은 PEMFC(고분자전해질 연료전지)가 보조동력형 (APU)은 PEMFC, DMFC 및 SOFC(고체산화물연료전지)를 핵심 기술분야로 수 송용 연료전지 시장 형성을 위해서는 우선 수소인프라 구축이 선행되어야 한다. 현재 수소의 생산, 저장, 수송 기술이 개발 단계. 현재 수소 생산은 화 석연료에서 대부분 생산되므로 경제성 있는 친환경 수소 생산 기술의 개발 과 차량의 수소 저장 기술의 개발이 시급. 수소 인프라를 위한 기술 개발의 장기성과 불확실성이 매우 크다.
기존 내연기관 및 전기 자동차에 비해 고가의 생산비용이 시장 형성의 제약 요인으로 작용. 연료전지 시스템 생산비용 중 50%이상 부품 소재 가격이 차 지하고 있으며 전해질막, 전극 및 분리판의 생산비용 절감이 필요하지만연료 전지 부품 소재 산업의 국내 원천 기술 확보가 매우 미흡하여 관련 산업군 형성의 어려움이 있음. 연료전지 시장이 형성되어도 기술 종속의 가능성이 높다. 초기 시장 형성을 위한 정부의 법규 수정, 표준화 작업, 공공기관의 우 선 구매 사업 등의 적극적 뒷받침이 필요하다.
연료전지 자동차는 연료전지 스택과 스택의 최적운전 상태를 만들어주는 주 변 운전장치, 연료변환장치(개질기) 및 수소연료 저장장치, 전력변환장치, 모 터 및 감속기, 보조 전원(배터리 또는 수퍼캐패시터), 그리고 이들을 제어해 주는 제어기 등으로 구성된다.
<그림 4-1> 고분자연료전지의 셀구조와 스택 구성부품
국내의 경우 연료전지 보급사업 추진을 통해 시스템화 기술은 상당히 개발 되었으나 핵심 요소기술인 전극촉매 등의 소재, 전해질막 및 분리판 제작 등 대부분 소재와 부품 생산기술은 일본, 미국 등으로부터 90% 이상 수입되고 있는 실정으로 선진국의 특허기술을 회피한 신 개념의 원천기술 확보 없이 는 연료전지의 가격 저감화를 통한 상용화에 대한 국제 경쟁력은 상당히 어 려울 것으로 전망되며, 선진국의 소재 의존도에서 벗어날 수 있는 연료전지 분야의 소재에 대한 원천 기술 확보를 위한 선도적인 연구가 반드시 요구되 는 실정이다.
특히, 현대자동차등에서 개발된 친환경 미래형 자동차의 대체 엔진으로 많은 연구가 진행되고 있는 저온형 연료전지인 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)의 경우 현재 개발된 연료전지 중에서 가장 우수한 성 능과 출력 밀도를 가지고 있지만, 산성 분위기에서의 느린 산소환원반응 (Oxygen Reduction Reaction, 이하 ORR) kinetics 및 전기화학적 안정성의 이 유로 Pt 등의 귀금속촉매를 사용함에 따른 비용 문제가 심각하며 또한 멤브 레인의 고온열화 문제 등으로 인해 실용화가 지연되고 있다. 이러한 설계비 용문제와 활성화 손실 및 전기화학적 안정성 문제를 해결할 수 있는 백금촉 매의 저가 금속촉매대체가 곤란하여 PEMFC의 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.
<그림 4-2> 연료전지자동차의 구조
PEMFC의 cathode 촉매는 모두 Pt black 또는 Pt/C가 사용되어 왔으며 PEMFC의 경우 anode와 cathode 전극재료와 동일하지만 석유나 도시가스를 개질하여 사용하는 경우 발생되는 CO에 의해전극반응에서 Pt 촉매의 피독 현상을 방지하기 위해 최근 Pt-Ru loaded carbon black이 사용되고 있다.
Cathode 재료로 사용되는 Pt 촉매는 고가이므로 Pt black 보다는 Pt loaded carbon black이 주로 사용됨. Pt loaded carbon black은 Pt particle을 도전성 carbon에 석출시켜, Pt 촉매의 반응성 향상과 감량을 동시에 달성함. 따라서 Pt의 크기를 nano-size화가 핵심기술이라 할 수 있으며, 국내외의 많은 연구 보고서에 따르면 일반적으로 약 3-5nm 크기의 Pt nanoparticle을 20wt%에서 60wt%까지 담지한 carbon black이 합성되어 사용되고 있다.
연료전지에서 촉매의 담지체로 사용되는 카본표면에 백금산화물이 형성되고 이로 인해 카본의 부식이 가속화되어 백금촉매가 카본표면에서 이탈하게 되 고 최종적으로 스택의 성능을 급격히 저하시키게 된다. 최종적으로 연료전지 의 수명을 단축시켜 안정성과 신뢰성에 문제를 일으키게 된다고 알려져 있 다.
anode 재료로 사용되는 Pt-Ru loaded carbon black의 경우, Pt:Ru의 비율이 50:50일 때 가장 좋은 효율이 나타나는 것으로 보고되고 있으며, Pt 및 Ru의 입자크기와 담지량은 cathode 재료와 거의 마찬가지로 각각 약 5-10nm 및 10-60wt% 수준이다.
또한 MEA가 차지하는 비중은 PEM fuel cell stack의 재료비 중 60% 정도, fuel cell system의 34% 정도로 매우 높은 것으로 보고되고 있는데, 가장 큰 원인은 MEA를 구성하고 있는 소재 중 수소와 산소의 이온화를 위한 촉매전
극 물질로 사용되고 있는 Pt 촉매 담지 carbon black 때문이다. PEMFC의 경 우 산소환원반응을 높이기 위하여 양극에 0.4 mg/cm2 정도의 백금을 담지 시키고 있다. 미국 에너지성(Dept. of Energy, DOE)의 자료에 의하면 양극의 경우 백금을 2010년에 0.2mg/cm2, 2025년에 0.05mg/cm2 이하로 목표를 정하 고 활발한 연구를 진행하고 있음.
<그림 4-3> DOE의 Pt 담지량 감량 목표(에너지 전환효율 40% 유지)
고성능 연료전지를 제조하기 위한 MEA용 촉매전극으로써 Pt 담지 carbon black의 요구조건은 Pt의 전극반응 효율을 올려서 Pt의 담지량을 감소시키는 것이며 Pt의 담지량을 증가시키는 이유는 연료전지의 성능 향상을 위함인데, 담지된 Pt 나노입자는 전량 반응에 참여하지 못하고 일부 dead site가 존재 하므로 Pt 감량화에 dead site의 감소가 필하다.
현재 carbon black에 담지되는 Pt의 입경은 약 3-5 nm 정도인데, 장시간 사 용하게 되면 Pt 의 입자가 너무 작아서, 수소이온(proton, H+)이 Pt 촉매를 벗어날 때 수소이온과 함께 Pt 입자가 이동하는 Pt migration 현상이 발생하 고, 이러한 현상에 의해 Pt 입자 들이 서로 응집하여 조대화해가고 결과적으 로 촉매의 활성을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다. (그림 4-4참조)(Pt의 응집 방지 필요)
<그림 4-4> 기존 Pt-loaded Carbon 촉매의 문제점
PEMFC과 DMFC에서 성능을 결정하는 중요한 요소는 촉매이고, 순수수소와 공기로 동작하는 경우, Pt가 가장 활성이 높은 물질로 알려져 있다.
반응은 전해질막과 접촉한 전극 활성층의 Pt 촉매입자의 계면에서 전극을 통 해 확산해온 기체가 만나는 3상계면(threephase boundary)에서 일어나게 된 다. 따라서 전기화학반응에 이용될 수 있는 3상계면의 면적을 크게 하고 Pt 촉매를 전해질과 최대한 접촉시켜 3상계면에 위치하게 하는 것이 성능향상 에 중요한 인자이며, 이는 나노기술을 이용해 이룰 것으로 기대된다. 일본 NEC에서는 나노 소재로 알려진 탄소 나노튜브, 나노 혼을 전극 소재로 이용 한 연료전지를 발표하기도 하였다(<Fig. 4-12>). 국내에서는 삼성종합기술원 에서 촉매 입자크기를 3nm로 줄이고 신재료인 메조포러스 카본과 결합시켜
반응은 전해질막과 접촉한 전극 활성층의 Pt 촉매입자의 계면에서 전극을 통 해 확산해온 기체가 만나는 3상계면(threephase boundary)에서 일어나게 된 다. 따라서 전기화학반응에 이용될 수 있는 3상계면의 면적을 크게 하고 Pt 촉매를 전해질과 최대한 접촉시켜 3상계면에 위치하게 하는 것이 성능향상 에 중요한 인자이며, 이는 나노기술을 이용해 이룰 것으로 기대된다. 일본 NEC에서는 나노 소재로 알려진 탄소 나노튜브, 나노 혼을 전극 소재로 이용 한 연료전지를 발표하기도 하였다(<Fig. 4-12>). 국내에서는 삼성종합기술원 에서 촉매 입자크기를 3nm로 줄이고 신재료인 메조포러스 카본과 결합시켜