1. 연료전지의 개요 ○ 연료(수소)를 공급받아 직접 전기를 생산해 낼 수 있는 특성으로누구나 언제든 전기를 생산할 수 있는 미래 수소경제의 분산 에너지원 ○ 미래 에너지 경제구도에서 풍력, 태양에너지와 같은 자연에너지 수급 상 불균형을 가장 경제적으로 조절, 보완할 수 있는 전력산업용 에너지기술 ○ 이러한 에너지 패러다임의 전환에 맞추어 지속가능한 에너지원을 확보하기 위해서는 (그림1)과 같은 수소경제 체계로의 전환이 필요 (그림 1) 수소에너지 제조 및 이용 체계도 ○ 수소에너지 기술은 수소생산, 저장, 운반
1. 연료전지의 개요 ○ 연료(수소)를 공급받아 직접 전기를 생산해 낼 수 있는 특성으로누구나 언제든 전기를 생산할 수 있는 미래 수소경제의 분산 에너지원 ○ 미래 에너지 경제구도에서 풍력, 태양에너지와 같은 자연에너지 수급 상 불균형을 가장 경제적으로 조절, 보완할 수 있는 전력산업용 에너지기술 ○ 이러한 에너지 패러다임의 전환에 맞추어 지속가능한 에너지원을 확보하기 위해서는 (그림1)과 같은 수소경제 체계로의 전환이 필요 (그림 1) 수소에너지 제조 및 이용 체계도 ○ 수소에너지 기술은 수소생산, 저장, 운반, 이용기술로 분류되며, 대표적인 수소에너지 이용기술인 연료전지는 발전용, 수송용, 가정/건물용, 휴대용으로 구분 - 산업화를 위한 공통적 문제점은 높은 제조단가로 이에 따라 연구개발의 가장 중요한 목표는 가격절감과 내구성 확보기술의 개발임 ○ 수소 제조 방법 - 과도기적 기술단계 : 천연가스, 납사, 석탄 등의 화석연료를 원료로 수증기 개질, 열분해, 가스화 등의 방법을 통해 제조 - 발전 방향 : 풍력, 태양광 등의 재생에너지를 이용한 전기분해 수소제조방법, 광화학적/광생물학적 수소제조방법, 제4세대 초고온 원자로를 이용한 열화학적/고온전기 분해에 의한 제조 2. 연료전지의 개발 현황 및 산업 전망 ① 수송용 연료전지 ○ 수소를 원료로 전기를 발생시켜 차량을 구동시키는 시스템을 의미 - 운전온도가 저온이며, 출력 밀도 및 시동특성이 우수한 고분자 전해질 연료전지를 적용하여 연료전지자동차, 연료전지버스의 주 동력원으로 사용※ 현재 80kW급 승용차용 시스템과 200kW급 버스용 시스템이 개발되어 실증단계에 도달 - 산업화 시기는 기술개발 속도 및 가격저감 정도에 달려있으나 2020년 전후로 본격적 산업이 형성될 것으로 예상 ○ 국내 개발 현황 - 차량용 25kW급 고분자전해질연료전지(PEMFC) 연료전지 시스템 개발 : G7사업(‘98~’02)을 통해 현대차와 KIST주도로 개발 - 자동차 구동용 80kW 발전모듈 개발/200kW 버스용 고분자 연료전지 시스템 개발 과제(‘04~’12) : 연료전지 성능 및 제조가격 측면에서 대량생산이 가능한 연료전지 시스템 제작기술 개발을 목표로 추진 중 - 수송용 연료전지 모니터링 사업(‘06~’08) : 연료전지차(승용차 30대, 버스 4대)의 실도로 성능평가를 통해 기술개발을 위한 기초자료를 확보하여 부품국산화율 향상 및 차량·부품의 기술적 문제점 검증을 실시 ※ 다양한 환경에서 연료전지차량을 실도로에서 운행을 하기 위해서는 수소충전소 구축이 필수적이며, 지역적 특성 및 다양한 연료공급 방식을 고려하여 현재 인천(KOGAS-LNG), 대전(SK-LNG,LPG), 서울(GS Caltex-Naphtha)에 수소충전소를 구축하여 수도권 및 중부권에서 4대의 연료전지차와 1대의 연료전지 버스를 운행 중 ※ 또한 제주도의 풍력단지와 연계하여 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수소충전소 및 석유화학 단지에서 생산되는 수소를 직접 활용하는 truck-in 방식의 수소충전소가 현재 건립 중 ○ 개발 이슈 - 연료전지 스택을 포함하는 시스템의 가격저감, 내구성 향상, 냉시동 운전, MEA를 포함한 핵심부품 및 주변기기 국산화, 수소저장탱크 개발, 값싼 수소를 생산 할 수 있는 수소 인프라 구축 등(그림 2) 첨부파일 참조② 가정/건물용 연료전지 ○ 열과 전기를 동시에 공급하기 위한 목적으로 1-10 ㎾급의 고분자전해질연료전지(PEMFC)와 고체산화물연료전지(SOFC)가 주로 개발 ○ 국내외 동향 - 해외동향 · 일본 : NEDO 지원 하에 Sanyo 등의 기업에서 1㎾급 주택용 연료전지 시스템을 개발하여 시험평가 중· 미국 : Plug Power 社는 가정용 5㎾급 발전시스템을 개발 중 - 국내동향 · 2002년부터 GS FuelCell, FCP 등과 3㎾급 가정용 연료전지 시스템 개발을 국책과제로 수행하여 2005년에 개발을 완료, 2006년부터 가정용 연료전지 모니터링 사업이 진행※ 주요내용은 ‘06년 40대를 시작으로 ’08년까지 총 210대의 소형 열병합 가정용 연료전지를 도시가스회사와 지자체 중심으로 보급하여 전국적으로 다양한 조건· 환경에서 실증하고 가정용 연료전지 실제 상용화를 위한 데이터 축적·분석 및 기술표준체계를 마련 ○ 개발 이슈 - 연료전지 스택 및 연료 프로세스의 가격저감 및 내구성 향상, MEA를 포함한 핵심 부품 및 주변기기의 국산화(그림 3) 첨부파일 참조③ 발전용 연료전지 ○ 수백 kW이상 기존 발전설비를 대체할 수 있는 기술로 용융탄산염(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구분 - 이중 고체산화물 전지는 아직 연구개발 단계로 용융탄산염 연료전지가 기술적·경제적으로 가장 상용화에 근접해 있는 상황 ○ 국내외 동향 - 해외동향 · 미국 : Fuel Cell Energy(FCE)에서는 시스템 수명 20,000시간, 시스템 제조가격 $5,000/㎾의 수준 높은 용융탄산염연료전지(MCFC) 250kW 시스템을 상용화· 이외에도 일본의 IHI와 독일의 MTU, 이태리의 ENEA 등에서도 MCFC의 상용화를 위한 개발을 진행 중 - 국내동향 · 1993년부터 전력연구원과 KIST의 주도로 MCFC 개발에 착수· 1999년 25㎾급 스택을 개발하고 상용화를 위한 기반기술을 확보한 상태로 상용화를 위한 최종 모듈 크기인 250kW급 시스템을 개발하는 과제가 2004년 하반기에 시작되어 개발 진행 중· POSCO Power는 미국의 FCE 사와 전략전 제휴를 통한 조기 산업화를 시도, 2007년 1단계 사업으로 포항시에 50MW급 BOP 생산공장을 착공· 국책개발사업으로 진행되는 두산중공업의 연료전지 스택 국산화개발 성공 시, 국내기술에 의한 본격적 보급사업이 2012년부터 가능 예상④ 휴대용 연료전지 ○ 휴대용 전자기기의 급속한 발전으로 인해 축전용량이 적은 기존의 리튬이온 전지를 대체할 수 있는 휴대용 연료전지를 개발하기 위한 연구개발이 경쟁적으로 추진 중 - 주로 휴대폰, DMB폰, 캠코더, 노트북, 군수용 배터리로 사용되던 기존 2차전지의 대안으로 전력밀도가 훨씬 높은 직접메탄올 연료전지나 고분자 전해질 연료전지를 휴대용 동력원화 하는 새로운 산업 창출이 기대 ○ 국내외 동향 - 해외동향 · 일본 : NEC, Toshiba, Hitachi 등을 중심으로 하여 2002년부터 본격적으로 시제품을 발표(향후 일본 주도의 본격적 상용화 예상) · 미국과 독일의 여러 기업들도 앞 다투어 휴대용 연료전지 개발에 집중 - 국내동향 · 전기·전자분야 대기업과 KIST 등 국책연구소에서 휴대용 DMFC, PEMFC 상용화를 위한 고출력, 신뢰성, 가격경쟁력 확보 관련 연구가 활발히 진행 중 ○ 개발 이슈 - 차세대 발전기술로 자리 잡기 위해서는 요소기술, 스택제작지술, 실용화를 위한 가격 저감 등의 연구가 필요3. 결 언 ○ 다가올 수소경제시대에는 연료전지 발전기술이 상용화되어 환경친화적이고 지속가능한 수소에너지 사회로의 발전이 예상 ○ 신재생에너지원을 기반으로 수소경제시대로 이행하는 에너지 체계의 근본 패러다임 전환은 단일기업 및 정부가 단기간에 추진할 수 없는 작업※ 현재 우리나라는 「연료전지 자동차 및 가정용 연료전지 모니터링 사업」을 포한한 29개 연구개발과제에 매년 800억 규모 예산을 지원- 관련 분야 산·학·연은 제2의 에너지 자원확보라는 장기적 접근이 필요 - 정부는 산·학·연이 실패의 높은 위험요인에도 불구하고 수소․연료전지의 연구개발·실증·보급에 투자할 수 있는 일관된 정책추진 필요 * 표 등 상세내용은 첨부파일을 참조하시길 바랍니다.
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