수소에너지의
첨병 수소스테이션 국내상륙
Emerging Issue Report제1장
서론
미래 에너지 수소 ●
차에 수소를 공급하는 인프라의 구축이 필요한데, 이것이 수소스테이션이며 여기에는 수소생산, 정제, 압축, 저장 및 충전하는 기술이 포함되어 있음.
여 운반한 후 저장, 공급함. ○ 일체형 수소스테이션의 연료로는 국내 대부분의 도시에 배관망이 형성되어 있는 천연가스의 개질형 수소스테이션이 가장 용이함. - 기존 연료 인프라를 활용하면서 추가 시설투자 없이 기존의 주유소를 활 용할 수 있는 LPG, 나프타, 가솔린의 개질을 이용한 수소스테이션의 건 설이 가능함. ○ 일체형(On-site) 화석연료 개질형 수소스테이션은 탈황공정, 수소제조공정, 생성된 수소 중의 CO 농도를 낮추는 수소정제공정, 고순도 수소 흡착분리 공정, 수소를 가압하여 저장하는 수소저장공정 및 연료전지자동차에 수소를 공급하는 충전공정이 포함되어 있음.(그림 2 참조) ○ Off-site형 수소스테이션의 경우 중앙공급(파이프라인)과 개별수송(철도, 도 로 등)의 상대적 장단점을 검토하여 물류비용이 최소화되도록 구축되어야 함 - 수소 수요가 적은 초기에는 수소운송용 튜브트레일러(200기압용)를 이용 하여 운송하며, 수요 확대에 따라 장거리 이송용 튜브트레일러, 선박, 기 차 등 관련 인프라의 단계적인 확충을 시도하고, 경제적 타당성분석 후 수소 파이프라인 구축을 추진함. [그림 2] 수소스테이션 구성 개념
국외 기술동향 ●
국내 기술동향 ●
제2장
수소스테이션 기술동향 및
국가 사업명 주요 내용 미국 ① CaFCP ▪ 자동차사, 에너지사, 부품업체 등이 참여하여 캘 리포니아를 중심으로 실증추진 ▪ ’99~’03 : 연료전지차 55대 및 충전소 9기 ’04~’07 : 연료전지차 120대 및 충전소 16기 ② National Hydrogen
Light Duty Program
▪ DOE주관으로 자동차사와 에너지업계가 4개의 팀 을 이뤄 FCV와 수소인프라 실증
▪ ’04~’09 : 연료전지차 128대 및 충전소 28기 ▪ 총사업비 : US $364M
③ National Fuel Cell Bus Program ▪ DOT주관으로 비영리기관, 운송회사와 함께 FC Bus 상업화를 위한 실증 ▪ ’03~’15 간 3단계로 추진예정 ▪ 사업비 : US $28M(’03), ’03년 이후 매년 $50M 일본 ① JHFC 프로젝트 ▪ 도쿄 및 요코하마 지역 총 12개소 운영 - 나프타, LPG, 부생가스 등 다양한 수소충전소 ▪ 차량운행규모 : 60대 ▪ 사업기간 : ’02~’05, (’06년 2단계 사업 착수) 중국 ① FC BUS 실용화 시범사업 ▪ 운행규모 : 총 12대 (북경, 상하이) ▪ 사업규모 : US$ 32M ▪ 사업기간 : 5년 (’04~’09) EU ① CUTE ▪ EC가 주관하는 연료전지버스 실증사업 ▪ ’03~’05년간 9개 도시에서 각 3대씩 운행 ▪ 총사업비 : 60M€ ② Hydrogen for Transport Program ▪ CUTE프로그램의 2단계 사업으로 ’06~’08년간 200대 실증운행 예정
○ 수소스테이션의 형태로는 물 분해를 통한 on-site 수소제조가 가장 많으며, 최근에는 인근 수소 수요처에 수소나 전기를 공급하는 에너지 스테이션 가 능성을 검토하고 있음.
○ 현재 대부분 수소스테이션의 운용압력은 35㎫이고, 최근에 Linde AG에서 70㎫ 규모를 건설하여 운영하고 있음.
○ 수소스테이션은 Air Product & Chemicals(미국), Air Liquide(프랑스), Linde AG(독일), Chevron Technology Ventures LLC(미국) 등 미국, 유 럽 회사 들이 패키지로 시스템을 제작, 공급하거나 개질기 등의 부품으로 공급하기도 함. ○ 향후 수소스테이션의 성장률은 2012년까지 35~46%로 예상되며, 2012년 누적 수량은 964~1,835건으로 성장될 것임. ○ 수소연료전지 자동차는 일본이 2020년까지 500만대 공급 프로젝트를 추진 하고 있으며, 미국도 GM, Ford 등 메이저 3사에서 수소연료전지 자동차 개발 및 보급에 노력하고 있음.
프로젝트 등 정부과제의 일환으로 기존의 천연가스 인프라를 활용한 수소 에너지 인프라 구축과제를 수행하고 있음.
○ CaFCP(Califonia Fuel Cell Partnership)에서는 2010년까지 Califonia H2 Highway에 170개의 수소스테이션을 건설할 계획을 세우고 있음.
[그림 4] 북미의 수소스테이션 현황
자료 : www.h2stations.org
나. 일본
[그림 6] 유럽의 수소스테이션 현황
제3장
수소스테이션 상업화관련 이슈
수소스테이션 산업의 상업화 전망 ●
수소스테이션 산업 상업화 특성 ●
3. 수소인프라 과제
○ 수소의 청정연소특성은 모든 형태의 운송체계에서 매력적인 연료이지만, 수 소는 에너지 운반체일 뿐 에너지원은 아니므로 어느 곳에서 생산되어 이용 단계로 운송되어야 함. - 승용차에 수소를 제공할 수 있는 방안으로 중앙생산방식과 분산생산방식 이 있음. ○ 수소가 이미 존재하는 천연가스 공급배관으로 운반되면 매우 효율적이지만, 천연가스와 수소의 혼합체가 아닌 순수한 수소는 수소유기균열을 억제하기 위해 저탄소강으로 시공된 배관이 필요함. ○ 수소는 부피당 낮은 에너지밀도를 갖고 있어 주어진 배관 관경으로 같은 양의 에너지를 공급하기 위해서는 더 높은 고압이 필요하며, 같은 에너지 공급 양을 위해서는 관경이 천연가스 배관보다 약 20% 더 커야만 함. ○ 수소가스 배관 네트워크는 수소수요가 충분히 확보되는 진정한 수소경제 시대를 대상으로 하는 장기 목표임. [그림 9] 수소공급 스테이션에 수소를 전달이 가능한 인프라 시스템들스템이 적용될 수 있는데 수소운반 비용은 천연가스 현장개질이 가장 저렴 하게 나타남.(그림 10 참조)
[그림 10] 수소 운반비용 비교
3. 기술적/경제적 목표
○ 국내 수소스테이션 산업이 경쟁력을 가지려면 기술개발 목표는 미국 DOE 의 기술개발 목표를 분석하여 국내 실정에 적합하도록 설정할 필요가 있음. ○ 미국 DOE의 천연가스 일체형 수소스테이션의 기술개발 목표는 표 4와 같음. [표 4] 미국 수소스테이션 기술개발 목표 구 분 2003년 2010년 목표 에너지효율 %(LHV) 65 75 제조원가 $/kg 5.0 2.5 투자비 $/kg 2.7 0.89 유지보수(고정) $/kg 1.2 0.45 원료비 $/kg 0.9 0.92 유지보수(변동) $/kg 0.2 0.24자료: DOE, Hydrogen Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program, 2005
○ 고순도 수소의 사양을 미국 DOE의 기술개발 목표에 준하여 설정할 필요가 있음. ○ 미국 DOE의 천연가스 일체형 수소스테이션 기술개발 목표는 표 5와 같음. [표 5] 미국 천연가스 일체형 수소스테이션 기술개발 목표 수소조성 DOE 목표 H2 98% (dry) Co <1 ppm CO2 <100 ppm Sulfer <10 ppb Ammonia <1 ppm Hydrocarbons <100 ppm
O2, N2 & Air <2 %
가솔린 등)와 화석연료 조성 등을 고려하여 설정해야 함.
4. 산업화 문제점
○ 수소인프라 관련기술은 수소제조, 정제, 저장, 수송 및 이용방법에 이르기 까지 많은 분야의 기술이 종합적으로 연관되어 있으며 선진국에서도 아직 경제성이 확보되지 않은 기술이 대부분임. 가. 기술적 문제점 ○ 현재 수소 생산/공급 비용이 기존 자동차 연료대비 경쟁력이 미흡함. - 가장 큰 원인은 수소생산 규모가 소형일수록 제조원가에서 설비투자비 비 중이 더욱 높아진다는 점임. ○ 미국의 경우 330,000kg/day 규모일 경우 수소제조원가중 설비투자비가 차 지하는 비중은 21%인데 반하여 3,800kg/day 규모 생산설비에서는 약 52% 로 증가하는 것으로 나타남. - 이러한 문제로 인하여 소규모 수소생산/공급설비의 경우 공급 원가를 낮 추기가 어려움. [표 6] 수소생산 규모별 설치비용 수소생산량 225,000 Nm3/h 22,500Nm3/h 1,125Nm3/h 113Nm3/h 공정 설치비용 ($/kW H2) 80 200 750 4,000자료: DOE, Hydrogen Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program, 2005
○ 소규모 생산설비일수록 열손실이 많아져 효율향상이 어려워지는 문제점도 있음.
참 고 문 헌
1. European Commission, “Hydrogen Energy and Fuel Cells”, 2003
2. Hartstein Arther, “Hydrogen Production from Natural Gas” June, 2003, Hydrogen Coordination Meeting in USA.
3. J. Ogden “Prospects for Building a Hydrogen Energy Infrastructure”, Annual Review Energy Environment, 24, 227-79, 2005
4. U.S. Department of Energy web site, www.eere.energy.gov/ hydrogenandfuelcells
5. International Partnership for the Hydrogen Economy (IPHE) web site, www.iphe.net
6. National Hydrogen Association web site, www.hydrogenus.com
7. 문동주, 이병권, “수소스테이션의 연구개발 동향 및 단위공정 기술”, Korean Chem. Eng. Res., Vol. 43, No. 3, June, 2005 pp 331-343
8. 김기동, “수소스테이션 표준화 로드맵”, 2007.7. 한국가스공사 9. 수소연료전지 분야 산업화 방안, 2005.11. 수소연료전지 사업단
10. 산업자원부, “수소연료전지 자동차, 국내에서도 본격적인 시범운행 시작”, 2006. 7. 26.
11. Sandra Nison etal, “Risk Assessment of Hydrogen refueling station concept based on onsite production”, EIHP2 project ENK6-CT2000- 00442
김 우 식
한국가스공사 연구개발원 책임연구원
구 영 덕
