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국내 저온수전해 수소생산의 경제성 평가
Economic Evaluation of Domestic Low-Temperature Water Electrolysis Hydrogen Production 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.4, 2011년, pp.559 - 567  

김봉진 (단국대학교 산업공학과) ,  김종욱 (한국에너지기술연구원 정책연구실) ,  고현민 (단국대학교 산업공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper deals with an economic evaluation of domestic low-temperature water electrolysis hydrogen production. We evaluate the economic feasibility of on-site hydrogen fueling stations with the hydrogen production capacity of 30 $Nm^3/hr$ by the alkaline and the polymer electrolyte memb...

주제어

#저온수전해 수소 생산   #알카리 수전해   #고분자전해질막 수전해   #분산형 수소충전소   #경제성 평가   #수소 제조가격  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 한편 전기는 석탄, 석유, 천연가스, 수력, 원자력, 바이오매스, 풍력, 태양광 등의 다양한 에너지를 이용하여 생산할 수 있으며 각 나라의 전기 요금에 따라 수전해에 의한 수소 제조가격은 크게 차이가 날 수 있다. 본 논문에서는 국내에서 저온수전해에 의해 수소를 생산하는 경우에 대한 경제성 평가를 수행하였다.
  • 저온수전해 수소 생산시스템의 경제성은 크게 연간 판매수입, 초기 투자비, 잔존가치, 시스템 수명기간, 할인율, 에너지 효율 등에 의하여 결정된다. 본 논문에서는 모든 가격을 인플레이션의 효과를 제거한 불변가격을 기준하여 경제성 평가를 수행하였다. Fig.
  • 본 논문에서는 일반적인 경제성 평가에 많이 사용되고 있는 수명주기(life cycle)에 기초한 편익 및 비용 분석방법을 사용하여 국내 저온수전해 수소생산의 경제성을 평가하고 수소 제조가격을 산출하였다. 수소 제조를 제조장소의 관점에서 분류하면 대규모의 수소 제조공장에서 수소를 생산하는 집중형(central, off-site)과 수소의 이용 현장에서 생산하는 분산형(distributed, on-site)으로 구분할 수 있다.
  • 수소 제조를 제조장소의 관점에서 분류하면 대규모의 수소 제조공장에서 수소를 생산하는 집중형(central, off-site)과 수소의 이용 현장에서 생산하는 분산형(distributed, on-site)으로 구분할 수 있다. 저온수전해에 의해 수소를 생산하는 가장 전형적인 사례는 분산형 수소충전소이며, 본 논문에서는 현 시점을 기준하여 30Nm3/hr의 생산규모를 갖는 국내 분산형 수소충전소에서 알카리 수전해와 PEM 수전해 수소 생산에 대한 경제성 평가를 수행하였다.

가설 설정

  • (3) 연간 판매수입(R): 연간 판매수입은 수소에너지의 판매수입과 산소 등의 부산물을 판매하여 얻을 수 있는 기타수입을 포함하며, 본 연구에서는 기타수입을 무시할 수 있는 것으로 가정하였다.
  • 알카리 수전해 분산형 수소충전소의 연간 운영비는 크게 전기 요금, 인건비, 보수유지비, 기타 연간 운영비, 수도 요금, 부지 임차료 등으로 구분할 수 있다. 본 논문에서는 분산형 수소충전소의 이용률이 70%이고, 1년에 365일을 영업하는 것으로 설정하였다. 따라서 알카리 수전해에 의한 30Nm3/hr 생산규모의 분산형 수소충전소의 1일 수소생산량은 45kg이고 연간 수소생산량은 16,425kg으로 산정하였다.
  • 다만 환율 등을 포함한 모든 가격은 2010년을 기준하여 조정하였으며 부대비용은 수소 제조장비비의 20%로 추정하였다. 수소충전소의 건축면적은 30평이고 건축비는 1평에 400만원을 기준하여 1.2억 원으로 추정하였고 수소충전소 부지는 임대하여 사용하는 것으로 가정하여 부지구입비는 초기투자비에서 제외하였다. 따라서 알카리 수전해에 의한 30Nm3/hr 생산규모의 국내 분산형 수소충전소의 초기투자비를 약 9.
  • 인건비는 연봉이 4,000만원인 정규직원 1인과 1,500만원인 비정규직원 2인으로 운영하는 시스템을 가정하여 연간 7,000만원으로 추정하였다. 알카리 수전해 설비에는 냉각수가 필요하지 않으며, 반응용(demineralized) 물 사용량은 26.5kg/hr을 기준하여 연간 162톤의 물을 사용하는 것으로 가정하였다. 반응용 물은 filter 비용을 포함하여 3,000원/톤을 기준하여 연간 수도 요금은 498천원으로 추정하였다.
  • 인건비는 연봉이 4,000만원인 정규직원 1인과 1,500만원인 비정규직원 2인으로 운영하는 시스템을 가정하여 연간 7,000만원으로 추정하였다. 알카리 수전해 설비에는 냉각수가 필요하지 않으며, 반응용(demineralized) 물 사용량은 26.
  • 현재 국내에서는 15Nm3/hr 규모의 알카리 수전해 설비가 생산되고 있으며, 본 연구에서는 두 개의 15Nm3/hr 규모의 알카리 수전해 설비를 병렬로 연결하여 30Nm3/hr 생산 규모를 갖는 수소 생산시스템을 가정하였다. Table 1에는 30Nm3/hr 생산 규모의 국내 알카리 수전해에 의한 분산형 수소충전소의 초기투자비를 수록하였다.
  • 현재 국내에서는 5Nm3/hr 생산규모의 PEM 수전해 설비가 생산된 바 있으며, 본 논문에서는 6기의 PEM 수전해 설비를 병렬로 연결하여 30Nm3/hr 생산 규모를 갖는 분산형 수소충전소를 가정하였다. Table 4에는 30Nm3/hr 생산 규모의 국내 PEM 수전해 분산형 수소충전소의 초기투자비를 수록하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
물의 전기분해에 의한 수소 제조방법 중 알카리 수전해와 고분자 전해질막수전해의 특징은 무엇인가? 알카리 수전해의 전해조는 음극과 양극으로 이루어진 각각의 셀을 연결한 형태이며, 전극은 KOH를 넣어 전도성을 갖는 수용액에 담가져 있다. 양극은 니켈과 구리 위에 망간, 텅스텐, 루테늄 등의 금속산화물을 코팅하며, 음극은 니켈 위에 소량의 백금을 코팅하여 사용한다. 알카리 수전해에 의한 수소 생산은 널리 실용화되어 있는 방법으로 생성된 수소의 순도가 높고 장치 구조가 단순한 장점이 있다. 고분자 전해질막 수전해는 전해 셀에 전류를 가하면 양극에서는 물이 H+ 이온과 물로 분해되고, 음극에서는 H+ 이온이 이온교환막을 선택적으로 투과하여 수소 분자가 되어 나온다. 수소 이온을 선택적으로 투과하는 이온교환막으로는 불소계 이온교환막을 사용하고 이를 백금족 촉매전극, 다공성 집전체, 주 전극으로 덮어 누르는 구조로서 양극측의 집 전체로 순수한 물이 공급되기 때문에 알카리 수전해와 같은 재료부식 문제가 없는 장점을 갖고 있다.
물의 전기분해에 의한 수소 제조방법은 어떻게 구분되는가? 물의 전기분해에 의하여 수소를 생산하는 방법은 오래 전부터 잘 알려진 공정으로, 물에 전류를 흘리면 양극에서 산소, 음극에서 수소가 발생한다. 물의 전기분해(수전해)에 의한 대표적인 수소 제조방법은 150°C 이하의 저온에서 수소를 생산하는 고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane: PEM) 수전해 및 알카리(alkaline) 수전해와, 800°C 이상의 고온에서 수소를 생산하는 고온 수증기 수전해(high temperature steam electrolysis) 등으로 구분할 수 있다. 저온 수전해 수소 생산 방법은 비교적 소규모의 분산형 수소 생산에 적합하며, 고온 수전해 수소 생산은 대규모의 수소 생산에 적합하다.
수소를 생산하는 방법은 무엇인가? 물의 전기분해에 의하여 수소를 생산하는 방법은 오래 전부터 잘 알려진 공정으로, 물에 전류를 흘리면 양극에서 산소, 음극에서 수소가 발생한다. 물의 전기분해(수전해)에 의한 대표적인 수소 제조방법은 150°C 이하의 저온에서 수소를 생산하는 고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane: PEM) 수전해 및 알카리(alkaline) 수전해와, 800°C 이상의 고온에서 수소를 생산하는 고온 수증기 수전해(high temperature steam electrolysis) 등으로 구분할 수 있다.
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참고문헌 (7)

  1. D. Meyers, G. Ariff, B. James, J. Lettow, C.Thomas, and R. Kuhn, "Cost and Performance Comparison of Stationary Hydrogen Fueling Appliances", Proceeding of the 2002 U.S.A. DOE Hydrogen Program Review, 2002. 

  2. C. Adame, M. Caldwell, J. Crosby, P. Glanvill, M. Gonzalez, R. Heffner, K. Heinen, R. McCarthy, and J. Weinert, "Bid in Response to the DOE/ NHA Proposal to Design a Public Hydrogen Fueling Station", U.C. Davis, 2004. 

  3. 김봉진, 김종욱, "국내 분산형 수소충전소의 규모의 경제성 분석", 에너지공학, Vol. 16, No. 4, 2007. pp. 170-180. 

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  4. 김봉진, 김종욱, "태양전지를 이용한 국내 Window Type 광전기화학 수소생산의 경제성 평가", 한국수소 및 신에너지학회 논문집, Vol. 21, No. 6, 2010. pp. 595-603. 

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  5. NREL(National Renewable Energy Laboratory), Summary of Electrolytic Hydrogen Production, NREL/MP-560-36374, 2004, U.S.A. 

  6. 박찬석, 김규태, 최성호, 경제성공학, 영지문화사, 2004, pp. 58. 

  7. P. Neumann, and F. Linde, "Opportunities for an Economical Hydrogen Supply", Inform, Vol. 14, No. 5, 2003, pp. 313-315. 

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