에너지 기술의 미래 발전 방향

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(1)에너지 기술의 미래 발전 방향: Cell and Related Technologies. (2) 발표 내용 에너지 사용, 지속 가능한가? Solar Cells Li Ion Batteries & Electric Vehicles Hydrogen & Fuel Cells. 2. (3) 에너지 사용, 지속 가능한가?. 3. (4) 지난 42만년 동안의 지구 대기환경. 4. Credit: J.R. Petit et al., Nature 399, 429(1999). (5) CO2와 지구 온도. 5. Credit: National Oceanic and Atmospheric Administration; National Climatic Data Center. (6) 대류권 이산화탄소 농도 2018년 2월 408 ppm. 6. Credit: NASA, NOAA. (7) 전지 기술의 필요성   . 7. Power Generation: Cleaner Mobility: Faster, Cleaner Storage: Less Costly, Flexible. PV Cells. Li Batteries. Electricity. Cars, ESS. Fuel Cells Cars, Electricity. (8) I. Photovoltaic Cells. 8. (9) 태양 에너지. I. PV Cells. • 지표면 도달 태양에너지: 125조 (1.25 x 1014) kW • 연간 전세계 에너지소비 (100억 kW)의 약 1만배 • 맑은 날 지표면 도달 태양에너지 밀도: 1 kW/m2. Credit: Nitsch, F. (2007): Technologische und energiewirtschaftliche Perspektiven erneuerbarer Energien. Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt. 9. (10) 태양광 발전 역사 및 장·단점     . 1839년 1954년 1958년 1970년대 1997년 2008년. 장점. 단점. 10. E. Becqurel Bell Lab., RCA Vanguard 석유파동. -. I. PV Cells. Photovoltaic Effect 발견 Si 태양전지 개발 미국 우주선 보조전원 사용 (5 mW) 지상용 전원으로 활용 모색 전세계 생산량 : 연간 100 MW 돌파 전세계 생산량 : 연간 7,900 MW. 환경적합성. 배가스, 폐열 등 환경 오염과 소음이 없음. 연료, 냉각수 불필요. 에너지, 자원 보존, 입지상의 문제 없음. 모듈화. 발전 용량의 신축성, 발전시설의 유동성. 단기 건설기간. 수요증가에 신속 대응 가능. 부하 패턴 적합성. 첨두 부하 경감, 공급 예비력 감소에 효과적 대응. 무보수성, 고신뢰성. 무인 자동화 운전 가능, 운전 비용 절감. 대면적 필요. 일사량에 의존, 대규모 발전 시 대면적 필요. 이용률 낮음. 야간, 우천 시에 발전 불가능. 불안정성. 일사량 변동에 따라 출력이 변동. 고전류 출력 불가능. 공급 가능 전류에 한계, 급격한 전력수요 대응 불가. (11) I. PV Cells. 발전 방식 별 CO2 배출량 비교. grams CO2 per kWh. 1000. 800. 600. 400. 900. (g CO2 /kWh). 850. 동일면적(1,200m2)당 나무심기(어린 소 나무 360 그루)와 태양광의 CO2 저감효과 • 나무심기 : 1 톤 • 태양광 : 50 톤. 400. 200 45. 37. 18. 0. 11. Credit: http://spectrum.ieee.org/green-tech/solar/how-free-is-solar-energy. 24. 11. (12) 태양광발전 원리 및 시스템. I. PV Cells 전자. 반사방지막. 빛 흡수 → 전하 생성 → 전하 분리 → 수집. p n접합. 전기부하. 입사된 태양광에 의해 반도체 내부에서 생성된 전자와 정공이 pn 접합부의 전기장에 의해 외부로 연결된 부하로 흐르게 되어 전력을 공급. 앞면전극 n층 p층. 뒷면전극 전자 정공. 12. 정공. (13) I. PV Cells. Quick Facts Parameter. Value. Status. Germany/European Union/Worldwide PV Market. 1.75/8.6/94.6 GW. 2017. Cumulative Installation. 43/114.6/415 GW. End of 2017. PV Power Generation. 38/120/443 TWh. 2017. PV Electricity Share. 7.2% (net)/gross 3.6%/1.7%. 2017. Worldwide C-Si Share of Production. 95%. 2017. Record Solar Cell Efficiency: III-V MJ (conc.)/Mono-Si/Multi-Si /CIGS/CdTe. 46.0/26.7/22.3/21.7/21.0%. Nov. 2017. Germany. 13. Price PV Rooftop System. ~1400 €/kWp. End of 2017. LCOE Power Plant. 4 to 7 ct€/kWh. End of 2017. PV-Tender Price. 4.33 ct€/kWh. Feb. 2018. Credit: Fraunhofer ISE. (14) 태양광 시장 동향. 14. Credit: ITRPV 2018. I. PV Cells. (15) 태양광 가격 동향(EU). 15. Credit: ECOFYS, 2017. I. PV Cells. (16) 지역 별 태양전지 생산 동향 Global Annual Production. 16. Credit: Fraunhofer ISE. I. PV Cells. (17) 기술 별 태양전지 생산 동향 Global Annual Production. 17. Credit: Fraunhofer ISE. I. PV Cells. (18) 태양전지 기술동향 Best Lab Cells (vs. Best Lab Modules). 18. Credit: Fraunhofer ISE. I. PV Cells. (19) 태양전지 발전 단가 전망. 19. I. PV Cells. (20) I. PV Cells. 태양전지 종류 1st Gen. 결정질 실리콘. 2nd Gen. • • • • 박형기판. 고효율 고신뢰성 양산체제확립 저가화. 1. 시장주도 기술. 2. 시장규모 확대 미래시장 창출. 3. 미래시장 창출 • • • •. 저가재료사용 비진공방식 다양한 형태 적용 고효율화, 신뢰성. 3rd Gen 염료감응, 유기, 페로브스카이트, 양자점 • • • •. 원료사용 최소화 대량생산, 응용성 저가화, 고신뢰성 고효율화 20. 실리콘 박막, CIGS, CdTe. +?. (21) I. PV Cells. 고효율 결정질 Si 태양전지. Al-BSF structure (p type Si). PERC structure (p type Si). Bifacial structure (n type Si). IBC structure (n type Si). HIT structure (n type Si). TOPCon structure (n type Si). HJ-IBC structure, 26.6 % (Kaneka, Japan) Silicon wafer TCO Passivation layer. 21. N-doped layer P-doped layer Metal electrode. n type aSi p type a-Si. (22) I. PV Cells. 화합물 박막 태양전지 CIGS, CdTe, CZTS, CTS. CdTe Cu(In,Ga)(Se,S)2 Cu2(Zn,Sn)(Se,S)4 SnS , etc. . 전체 태양전지 시장 대비 점유율은 낮은 상황. . Grid Parity 달성을 위하여 Low cost High. Efficiency 태양전지 개발 전략 필요. . 높은 광흡수도  박막화 가능 ; 저가화. . 상대적으로 높은 기판 선택 옵션  다양한 응용 가능. . 물성 조절 용이. Glass. CdS/TCO. CdS/TCO. CIGS CdTe. Carbon/Cu 22. Mo Glass. (23) 유무기 하이브리드 태양전지. I. PV Cells. Perovskite. KRICT/UNIST : 셀 22.1% @ 0.1 cm2 (2016. 03) EPFL : 셀 21.1% (2016), Cs(FA-MA)PbI1-XBr1 Los Alamos National Lab: 7.32% @ 1cm2 Oxford University : 12.6% @ 4cm2. 23. (24) I. PV Cells. III-V족 태양전지 Ga-As 기반 다중접합. Voc: 4.427V FF: 85.1% Isc: 337.9mA Eff.: 46.0%. Dec. 2014 Fraunhofer ISE/Soitec - 4-J (GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs) 46.0%@508 suns, 0.052 cm2. 24. (25) 향후 개발방향 고효율화 전략. 25. I. PV Cells. (26) 향후 개발방향. I. PV Cells. 하이브리드 다중접합 태양전지. Eff. > 30%. Top cell. Bottom cell. 26. (27) I. PV Cells. 향후 개발방향 경제성, 응용성, 심미성, 다기능. Aesthetic. New process (transparent) Conventional process (non-transparent). Ultra-thin 27. Bifacial. Flexible. Semi-transparent. Colorful. Multi-junctional Convergent. (28) II. Li Ion Batteries & Electric Vehicles. 28. (29) 왜 LIB인가?. 29. Credit: E.K. Heidari et al, JUGNM, 51, 1(2018). II. LIBs & EVs. (30) 왜 LIB인가?  장점 높은 높은 낮은 느린. 에너지 밀도 (Li이 매우 가벼움) 개방 회로 전압 (낮은 전압에서 파워 높음) 메모리 효과 (observed in Ni-Cd batteries) 자가 방전 (longer shelf life).  단점 가연성 액체 전해질 제한된 cell/cycle 수명 고온에서 배터리 수명 짧아짐. 30. Credit: K.S Jones, U of Florida. II. LIBs & EVs. (31) LIB 가격 추이. 31. Credit: BloombergNEF. II. LIBs & EVs. (32) II. LIBs & EVs. LIB의 구조. 전해질 이온이 원활하게 이동하도록 매개 역할. Li Ion을 저장했다가 방출, 전류 흐르게 함. Li Ion 소스로 전압과 용량 결정 음극과 양극의 접촉을 차단. 32. Credit: US DoE, BloombergNEF 2019. (33) II. LIBs & EVs. 양극 물질. LiCoO2. LiNiO2. LiFePO4. LiMn2O4. 원가 (kWh). 높음. 평균. 낮음. 낮음. 안전성. 평균. 나쁨. 좋음. 평균. 수명. 평균. 나쁨. 좋음. 나쁨. 에너지 (Wh/kg). 좋음. 좋음. 나쁨. 평균.  고용량, 고내열성이며 가격이 비교적 낮은 물질 개발 중: LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1)  가스 발생, Li 소모 등의 문제 극복 필요. 33. Credit: F. Schipper et al., J. Electrochem. Soc., 164, A6220(2017); Y.D. Zhang et al., Science China, 58, 1809(2015). (34) II. LIBs & EVs. 양극재의 특성 LFP. LMO. Cost. NCA. Cost. Cost. Discharge C-rate. E-density Wh/l. Discharge C-rate. E-density Wh/l. Discharge C-rate. E-density Wh/l. Cycle life. E-density Wh/kg…. Cycle life. E-density Wh/kg…. Cycle life. E-density Wh/kg…. Safety. Safety NMC (111). NMC (622). Cost. Safety. NMC (811). Cost. Cost. Discharge C-rate. E-density Wh/l. Discharge C-rate. E-density Wh/l. Discharge C-rate. E-density Wh/l. Cycle life. E-density Wh/kg…. Cycle life. E-density Wh/kg…. Cycle life. E-density Wh/kg…. Safety. 34. Credit: BloombergNEF, 2019. Safety. Safety. (35) II. LIBs & EVs. 음극. 높고 가역적인 무게 및 부피 용량; 양극재에 대한 낮은 전위차; 빠른 충방전 능력; 긴 수명; 저가; 환경친화성... High capacity, low cost, environmental benignity/ Low coulombic efficiency, unstable SEI, poor cycling. Good working potential & safety, low cost/ High V hysteresis, high irreversible capacity. 35. Credit: J. Lu et al., Electrochem E. Rev., 1, 53(2018). Higher specific capacity, high E density, good safety/ Large irreversible capacity, huge capacity fading, poor cycling V hysteresis. (36) II. LIBs & EVs. 분리막. Wet Process Mixing/Compounding. Sheet Formation. 고온 내성이 우수한 분리막 코팅 공정. Stretching. Extraction Heat Treatment Winding. Inorganics with Binder Coating. * CCS (Ceramic Coated Separators). 36. Drying. (37) 전해질. II. LIBs & EVs.  액체 전해질 LiPF6 (액체 카보네이트 속) Li 이온 전도도 10-2 ~ 10-3 S/cm.  고체 전해질 안전하고 전압이 높으며 수명이 훨씬 긴 반면 비싸며 온도에 민감 LiPON Li 이온 전도도 2 X 10-6 S/m Li7P3S11 Li 이온 전도도 3 X 10-3 S/m.  전고체배터리는 상업화 초기에 가까이 와 있음 Ionic Materials: 올해 중 Pilot Plant 건설 예상 Solid Power: 1MWh/월 생산설비를 올해 말까지 완공 희망 (BloombergNEF, Feb(2019)). 37. Credit: K.S. Jones, U of Florida; S. Lee, U of Colorado at Boulder. (38) Cell Housing. 38 Credit: Johnson Matthey, Seeking Alpha. II. LIBs & EVs. (39) II. LIBs & EVs. Cell Housing Pouch. Prismatic. Cost. Thermal behaviour. Energy density. Thermal behaviour. Energy density. Cycle life. Packing density. Cycle life. Packing density Safety. Safety Cylindrical. Cost. Thermal behaviour. Energy density. Cycle life. Packing density Safety. 39. Cost. Credit: BloombergNEF, 2019. (40) II. LIBs & EVs. LIB 기술 발전 추이 Cell Generation. Gen 2b 40. Cell Chemistry. Available. Gen 5. •. Lithium Oxygen (Li Air). Gen 4. • •. All solid state with Li anode Conversion materials (Li-S). •. >2025. Gen 3b. •. •. ~2025. •. Cathode: HE-NCM, high voltage spinel Anode: Si/C. Gen 3a. • •. Cathode: NCM622 to NCM811 Anode: graphite + Si (5 ~ 10%). •. 2020. Gen 2b. • •. Cathode: NCM523 to NCM622 Anode: carbon. Gen 2a. • •. Cathode: NCM111 Anode: 100% carbon. •. Current. Gen 1. • •. Cathode: LFP, NCA Anode: 100% carbon. 90-235Wh/kg 200 – 630 Wh/l. Credit: European Battery Alliance (2018). Gen 3b. 350Wh/kg 750Wh/l ‘25. Gen 4. 500Wh/kg 1000Wh/l ’25 -’30. (41) II. LIBs & EVs. 배터리 팩 가격·수요 추이.  ’18년, EV용 $160/kWh, ESS용 $227/kWh, 판매량 가중평균 가격 $176/kWh Lithium-ion battery pack price (real 2018 $/kWh) Cummulative demand for lithium-ion batteries 1,400 10,000 (GWh) 9,000. 1,200. 8,000 1,000. 7,000 6,000. 800. 5,000 600. 2024 implied price $94/kWh. 400. 2030 implied price $62/kWh. 200 0 2010 41. 2020. Credit: BloombergNew Energy Finance, Dec. 2018. 2025. Stationary storage Passenger EV. 4,000 3,000 2,000 1,000. 2015. E-bus. 0 2030. Observed prices 18% learning rate. (42) EV 시장 점유율 전망  Liquid electrolyte LiPF6 in liquid carbonates Li ion conductivity 10-2 ~ 10-3 S/cm. 42. Credit: K.S. Jones, U of Florida; S. Lee, U of Colorado at Boulder. II. LIBs & EVs. (43) EV 시장 점유율 전망(미국). Credit: A. Myers, Forbes Jan 2 (2019). II. LIBs & EVs. (44) ‘18년 분기별 EV 판매량. II. LIBs & EVs. 2018년 전세계 EV 판매량 (점유율 3.2%, 전년대비 판매량 84% 증가 ). 2.7 mil. units, 2019. 44. Credit: BloombergNEF, March 2019. (45) EV 주행 가능 거리. II. LIBs & EVs.  BEVs 한번 충전으로 보통 60 ~ 120 마일 주행하며 호화 모델의 경우 300 마일 이상 미국 가정의 90%는 80 마일의 주행이 가능하면 모든 집안일 볼 수 있음  호화 모델 Tesla Model S AWD – 100D: 335 마일 (100kWh battery) Chevrolet’s Bolt EV: 238 마일 (60kWh) BYD e6: 187마일  보급형 BEVs Mitsubishi i-MiEV: 62 마일 Nissan Leaf : 151 마일 (40kWh) Ioniq Electric: 124 마일  2019년 미국에서 판매되는 모든 BEVs: >200 마일. Credit: Forbes: Energysage; InsideEVs. (46) II. LIBs & EVs. EV의 형태. <10kWh. <20kWh. Credit: Forbes: Energysage. Up to 100kWh. (47) BEV의 배출량 감소. II. LIBs & EVs. Grid-related Emissions from BEVs  2040년 까지 EU 3개국의 탄소 무배출 전력 생산량이 80% 이상에 이르러 EV 배출량 은 40 gCO2/mile이 되며 이 때 EV 배출량은 내연기관의 절반 이하 예상됨. 47. Credit: BloombergNEF, Feb. 2019. (48) III. Hydrogen & Fuel Cells. 48. (49) H2 제조 기술 로드 맵(미국). 49. Credit: US DoE. III. H2 & FCs. (50) III. H2 & FCs. H2 제조 기술 분류 DOE 수소 목표 가격: >$4/gge = $4/kg 1. Thermochemical Processes - Natural Gas Reforming - Coal Gasification - Biomass Gasification - Biomass-derived Liquid Reforming - Solar Thermochemical Hydrogen. 2. 수소 생산 기술. Electrolytic Processes - Electrolysis. 3. Direct Solar Water Splitting Processes - Photoelectrochemical - Photobiological. 4. Biological Processes - Microbial Biomass Conversion - Photobiological. 50. Credit: US DoE. (51) 정유·석유화학 부생 수소. III. H2 & FCs.  대표 Chemistry C8H18 = C8H10 + 4H2 (Catalytic reforming) C3H8 = C3H6 + H2 (Catalytic dehydrogenation for propylene).  공정 개요 휘발유나 석유화학 제품을 만들기 위한 공정의 부산물로 생산되며 대부분 자체 수요 (원료, 연료)로 재사용되지만 잉여 시 외부 판매 가능.  기술개발 단계 상업화 완료.  생산원가 원료나 생산 규모에 따라 다르지만 2,000원/kg 이하. 51. (52) 천연 가스 개질. III. H2 & FCs.  Chemistry CH4 + H2O + Heat = CO + 3H2 (Steam reforming) CO + H2O = CO2 + H2 (Water gas shift reaction).  온실가스 저감 효과 The total greenhouse gas emissions are cut in half and petroleum is reduced over 90% compared to today's gasoline vehicles..  기술개발 단계 상업화 완료  생산원가 원료나 생산 규모에 따라 다르지만 2,100원/kg 이하. 52. Credit: US DoE. (53) 천연 가스 개질. 53. Credit: Haldor Topsoe. III. H2 & FCs. (54) 석탄(바이오매스) 가스화. III. H2 & FCs.  Chemistry CxHyOz (석탄의 경우 z = 0) + H2O + O2 = CO + CO2 + H2 CO + H2O = CO2 + H2 (Water gas shift reaction).  온실가스 저감 효과 CO2 Capture Utilization & Storage 기술이 뒷받침되어야 함.  기술개발 단계 석탄가스화는 상업화 완료.  생산원가 (DoE Target, ‘11/’15/’20) $2.2/2.1/2.0/kg. 54. Credit: US DoE. (55) 바이오매스 유래 액체 개질(BDLR). III. H2 & FCs.  Chemistry C2H5OH + H2O = 2CO + 4H2 CO + H2O = CO2 + H2 (Water gas shift reaction).  온실가스 저감 효과 CO2 배출량이 매우 적은 기술.  기술개발 단계 Natural Gas Reforming 기술과 매우 유사. Biomass 생산 원가 절감, 반응 수율 증대 등의 과제  생산원가 (DoE Target, ’11/’15/’20) $6.6/5.9/2.3/kg. 55. Credit: US DoE. (56) III. H2 & FCs. 물의 전기 분해.  생산원가 (DoE Target, ’11/’15/’20) $4.2/3.9/2.3/kg. Alkaline Electrolysis. Membrane Electrolysis. High T Electrolysis. Oxygen Evolution Reaction - Anode. 2OH-  0.5O2 + H2O + 2e-. H2O  0.5O2 + 2H+ + 2e-. O2-  0.5O2 + 2e-. H2 Evolution Reaction Cathode. H2O + 2e-  H2 + 2OH-. 2H+ + 2e-  H2. H2O + 2e-  H2 + O2-. Charge Carrier. OH-. H+. O2-. Operating T Range, oC. 40 - 90. 20 - 100. 700 - 1000. Technology. 개발 단계. 전압효율. 전류밀도. 전극촉매. 내구성. 수소 순도. 운전 압력. Alkaline. 상업화. 70%. 낮음. 귀금속. 장기. 교차 오염. 저압. PEM. 개발 중. 높음. 높음. 귀금속. 비교적 낮음. 높음. 저압. High TE. 실험실 규모. ~100%. -. 저가 금속. 매우 낮음. -. 고압. 56. Credit: US DoE. (57) III. H2 & FCs. 물의 열화학적 분해(TCWS)  Chemistry (Sulfur Iodine Cycle의 예)  생산원가 (DoE Target, ’11/’15/’20) $NA/14.8/3.7/kg. Solar or Nuc. E. O2. SO2. Gibbs Reactor H2SO4  H2O + SO2 + 0.5O2. Bunsen Reactor SO2 + 2H2O + I2  2HI + H2SO4. H2SO4 57. H2. H2O. Credit: US DoE, Nuclear Hydorgen R&D Plan, US DoE (2004. I2. HI. Equilibrium Reactor 2HI  H2 + I2. (58) 물의 광전화학적 분해(PEWS)  작동원리.  온실가스 저감 효과 매우 큼  생산원가 (DoE Target, ’11/’15/’20) $NA/17.3/5.7/kg. 58. Credit: US DoE. III. H2 & FCs. (59) III. H2 & FCs. 연료전지의 기본 원리. 장점 H2 =. 2H+. +. 2e-. O2 + 2H+ + 2e- = H2O. 59. •온실가스 배출 거의 없음 • 고효율 (40 ~ 90%, CHP) • 신뢰성 • 다양한 연료 (Natural Gas, H2) • 에너지 안보 • 내구성 (~10년) • Scalability (Stacking) • 조용한 운전 • 낮은 설치 면적 (10MW/acre vs. MW/10 acres (Solar) & MW/50 acres (Wind). Credit: Fuel Cell & Hydrogen Energy Association; Doosan Fuel Cell. (60) III. H2 & FCs. PEMFCs Proton Exchange Membrane Fuel Cell Electrolyte. water-based, acidic polymer membrane. Charge carrier. H+. Electrodes. Pt-based catalysts. Fuel. Generally H2. Operating T. <100oC. Efficiency (LHV). 40% reformed fuel, 60% direct H2. Cell Components. Carbon-based. Applications Advantages 1 ~ 100kW, ideal for vehicles • • •. 60. Solid electrolyte reduces corrosion & electrolyte management problems Low temperature Quick start-up and load following. Credit: Fuel Cell Today; EERE, US DoE. • •. Challenges. Expensive catalysts Sensitive to fuel impurities. (61) III. H2 & FCs. SOFCs Solid Oxide Fuel Cell Electrolyte. Solid ceramic, e.g., stabilized ZrO2. Charge carrier. O2-. Electrodes. Perovskites, ceramic materials. Fuel. Methane, CO, hydrogen. Operating T. 800 ~ 1,000oC. Efficiency. 60%. Cell components. Ceramic-based. Application. Power generation (1kW ~ 2MW) Advantages. • • • • •. 61. High efficiency Fuel flexibility Solid electrolyte Suitable for CHP Hybrid/gas turbine cycle. Credit: Fuel Cell Today; EERE, US DoE. Challenges • • •. High temperature corrosion and breakdown of cell components Long start-up time Limited number of shutdowns. (62) III. H2 & FCs. MCFCs Molten Carbonate Fuel Cell Electrolyte. A molten carbonate salt in a porous ceramic matrix. Charge carrier. CO32-. Electrodes. Ni. Fuel. Methane, Hydrogen. Operating T. 650oC. Efficiency. 50%. Cell components. Stainless steel-based. Application. Power generation, 300kW ~ 3MW Advantages. • • • •. 62. High efficiency Fuel flexibility Suitable for CHP Hybrid/gas turbine cycle. Credit: Fuel Cell Today; EERE, US DoE. Challenges • • •. High temperature corrosion and breakdown of cell components Long start-up time Low power density. (63) III. H2 & FCs. PAFCs Phosphoric Acid Fuel Cell Electrolyte. Liquid phosphoric acid in a bonded silicon carbide matrix. Charge carrier. H+. Electrodes. Pt/C. Fuel. Hydrogen. Operating T. ~ 180oC. Efficiency. 40%. Cell components. Carbon-based. Application. Power generation, 5 ~ 400 kW scale Advantages. • •. 63. Suitable for CHP Increased tolerance to fuel impurities. Credit: Fuel Cell Today; EERE, US DoE. Challenges • • •. Expensive catalysts Long start-up time Sulfur sensitivity. (64) III. H2 & FCs. AFCs Alkaline Fuel Cell Electrolyte. Alkaline solution such as aqueous KOH. Charge carrier. OH-. Electrodes. Ni. Fuel. Pure hydrogen, sensitive to poisoning. Operating T. ~ 70oC. Efficiency. 60%. Cell components. Carbon-based. Application. NASA space program, 1 ~ 100kW Advantages. Wider range of stable materials allows lower cost components Low temperature Quick start-up. • • •. 64. Credit: Fuel Cell Today; EERE, US DoE. Challenges • • •. Sensitive to CO2 in fuel and air Electrolyte management (aqueous) Electrolyte conductivity (polymer). (65) 규모의 경제(80kW, PEMFC). 65. Credit: 2018 Cost Projections of PEMFC Systems, EERE, US DoE. III. H2 & FCs. (66) 연료전지 시스템. 66. Credit: 2018 Cost Projections of PEMFC Systems, EERE, US DoE. III. H2 & FCs. (67) III. H2 & FCs. 시스템 원가 시스템 원가 ($/kWnet, 80kW, PEMFC System) 55 50. 51.57 47.69. 46.1. 45 43.15. 42.8. 40. 38.34. 35 30 25 20 연10만대 2018 Cost. 67. 연50만대 2020 Cost. Credit: 2018 Cost Projections of PEMFC Systems, EERE, US DoE. 2025 Cost. (68) 판매량 비교. III. H2 & FCs. 연료전지 자동차와 전기자동차의 판매량 비교 (US, 2018). 68. Credit: BloombergNEF, Feb. 2019. (69) III. H2 & FCs. 연료전지 자동차 마일스톤 2030 •. 한국, 일본, 캘리포니아, 중국의 자동차 12대 중 한대는 수소 동력 사용. •. 전세계적으로 10 ~ 15백만 승용차와 50만대의 트럭이 수소 동력 사용 수소를 동력으로 사용하는 기차와 여객선의 상업화 시작. •. 69. Credit: Hydrogen Council. 2050 •. 승용차 4억대(~25%), 트럭 5백만대 (~30%), 그리고 15백만대 버스가 수소를 동력으로 사용. •. 디젤 기차의 20%가 수소 동력으로 교체. •. 매일 2천만 배럴의 석유가 대체되고 매년 3.2 Gt CO2가 저감됨. (70) III. H2 & FCs. 자동차 운행 대수 예측 BEVs vs. FCVs 1.2E+09. 운전 중인 차량 대수. 1E+09 800000000. 55% 시장점유율 600000000 559000000 400000000 400000000. 150000000 200000000 1250… 0 2025 BEVs. 70. 2030. 2035 FCVs. 2040 다항식 (BEVs). Credit: BloombergNEF (BEVs) and Hydrogen Council (FCVs). 2045. 2050 선형 (FCVs). 2055. (71) III. H2 & FCs. 구매 가능 모델. vs.. Honda Clarity. 71. Toyota Mirai. (72) 감사합니다. Below 1°to keep the Earth livable. 72. (73)