초록 ▼

과학기술의 발전은 한 국가의 경제적 부가가치를 창출한다. 과학기술의 발전과 GDP 상승 간의 관계에서 이러한 효과의 증거를 찾을 수 있다. 이는 과학기술 발전의 긍정적인 효과로 볼수 있다. 한편, 이러한 경제적 차원의 부가가치 창출에 대한 긍정적인 효과와 더불어 최근에는 과학기술의 발전과 화석연료를 기반으로 하는 성장위주의 패러다임이 야기한 전 지구적인 지구온난화, 자원고갈 등의 환경적 문제 그리고 생명공학 기술 등의 발달로 인한 윤리적인 문제를 주요한 이슈로 인식한다. 발생하고 있다. 이는 경제적 가치와 더불어 환경적/사회적 가치

과학기술의 발전은 한 국가의 경제적 부가가치를 창출한다. 과학기술의 발전과 GDP 상승 간의 관계에서 이러한 효과의 증거를 찾을 수 있다. 이는 과학기술 발전의 긍정적인 효과로 볼수 있다. 한편, 이러한 경제적 차원의 부가가치 창출에 대한 긍정적인 효과와 더불어 최근에는 과학기술의 발전과 화석연료를 기반으로 하는 성장위주의 패러다임이 야기한 전 지구적인 지구온난화, 자원고갈 등의 환경적 문제 그리고 생명공학 기술 등의 발달로 인한 윤리적인 문제를 주요한 이슈로 인식한다. 발생하고 있다. 이는 경제적 가치와 더불어 환경적/사회적 가치의 조화를 강조하는 지속가능발전의 개념으로 이어진다. 따라서 기술발전이 가져올 편익의 극대화와 함께 환경적/사회적인 측면에서 부정적인 영향을 최소화하기 위한 방안이 함께 검토되어야 한다. 현대사회는 기술의 탄생과 진화과정을 하나의 사회현상으로 이해하기 시작하며 기술발전에 대한 사회적 합의의 필요성이 중요해졌다. 이에 지속가능 발전의 개념을 기반으로 기술발전이 야기할 수 있는 제반 환경영향에 대한 면밀한 평가와 이를 기반으로 한 과학기술 육성 정책에의 반영이 필요할 것이다.
우리나라 정부는 이러한 지속가능발전의 개념에 입각하여 지구온난화와 자원고갈 이슈를 극복하기 위한 방안으로 2008년 에너지기본계획에서 탈석유사회로의 전환을 명시하였고, 2014년 제11차 국가과학기술자문위원회는 온실가스 저감 및 기후변화 대응 기술을 미래의 성장 동력으로 명시하고 태양전지, 이차전지, 연료전지, 바이오에너지, 전력정보기술(IT), 이산화탄소 포집·처리(CCS)기술을 6대 핵심기술로 발표하였다. 이는 기후변화대응이라는 이슈에 대하여 과학기술을 통해 극복하려는 정부의 강한 의지를 보여주는 것이다. 이와 더불어 2015년 관계부처 합동으로 발표한 ‘에너지 신산업 활성화 및 핵심기술 개발전략 이행계획’에 따르면 신재생 에너지 시장을 초기-성숙-미래시장으로 구분하여 6대 핵심기술 중 태양전지와 연료전지 시장을 성숙-미래시장으로 구분하였다. 또한 미래창조과학부와 산업통상자원부 등은 미래성장동력분야의 육성을 위한 2015년 2차 플래그쉽 프로젝트에서 에너지 분야에 연료전지를 활용한 발전 프로젝트를 채택하고 있다.
본 연구에서는 화석연료 기반의 성장위주 패러다임에서 지속가능한 발전의 패러다임으로 변화하는 시대적 상황과 국가차원의 기후변화대응 핵심기술 육성에 대한 의지를 주요하게 인식하였다. 따라서 본 연구는 기후변화 대응 핵심기술에 대한 환경영향 평가를 통해 지속가능 발전전략을 도출하고자 하였다. 특히, 6대 기후변화 대응 핵심기술 중 우선적으로 기술-산업 수준에서 성숙시장-미래시장으로 분류되고 있는 태양전지와 연료전지를 우선적으로 고려하였으며, 기존 연구의 검토를 통해 환경영향에 대한 연구가 미진한 연료전지를 분석대상으로 선정하였다. 기후변화대응 기술의 환경성과 관련된 연구는 대부분 태양전지에 집중되어 있으며, 연료전지에 대한 연구는 아직 미진하다. 특히, 국내사례의 적용을 통한 연구는 전무한 것으로 판단된다.
따라서 본 연구는 화석연료 기반의 패러다임이 지속가능발전으로 변화하고 특히, 수소경제로부터 이어지는 수소에너지 즉 신에너지원에 대한 필요성과 정부의 기후변화대응 핵심기술 육성의지에 대한 중요성을 바탕으로 6개 기후변화 핵심기술 중 연료전지를 대상으로 전과정평가 방법론을 활용하여 환경영향을 분석하고 이를 기반으로 지속가능 발전전략을 도출하였다.
먼저 2장에서는 수소경제에 대한 배경에 대한 이해를 높이기 위하여 수소경제에 대한 어원의 의미를 살펴보고, 청정에너지로 알려져 있는 수소에너지를 사용하는 수소경제에서도 제기되는 친환경성에 관한 논의와 이를 사전에 감지하고 극복방안을 강구하는 것이 중요함을 강조하였다. 그리고 수소에너지 이용 기술에 대한 개요를 살펴보고, 미국, 일본, 유럽, 국내 등 주요 국의 수소에너지 이용 연구개발에 대한 현황과 당면 이슈 등을 간략하게 살펴보았다. 한편, 이러한 수소에너지와 수소경제에 대한 각국의 낙관적인 전망과 함께 기술개발을 진행하고 있는 것에 반하여, 환경성의 측면에서, 수소를 사용하기 위한 수소제조에 따른 이산화탄소 배출 등을 고려하여 청정에너지원인 수소에너지에 대한 논의와 관련해서도 환경성에 대한 이슈들이 존재하는 것을 강조하였다. 특히, 수소에너지와 관련해서는 환경성 측면에서 수소제조 시에 발생하는 이산화탄소 발생의 이슈, 수소를 저장하는 것에 따른 에너지 사용, 수소의 수송, 변환, 저장에 따른 효율성에 대한 이슈, 그리고 안정성에 대한 이슈 등이 존재한다. 따라서 단순한 수소에너지 효율 등 차원의 접근이 아닌 전체 활용 시스템의 관점에서 접근해야함을 강조하였다.
3장에서는 앞서 살펴본 수소에너지에 대한 내용을 기반으로 수소 연료전지 기술에 대한 산업현황, 시장현황, 기술현황에 대한 내용을 자세하게 다루었다. 먼저 연료전지 분야는 수소에너지를 활용하는 신에너지원으로써 미국, 우리나라를 포함한 주요국에서 산업활성화를 위해 노력하고 있는 미래신산업이다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라 구분되며, 실질적으로 응용되는 산업분야에 따라 구분된다. 연료전지의 응용산업으로 구분하는 경우, 크게 발전용, 주택용, 수송용, 휴대용으로 구분한다. 특히, 주택용 연료전지의 경우 일반 가정에 필요한 전력공급에 따른 소규모 열병합발전 산업과 관련되며, 수송용의 경우 자동차 산업과 연결된다. 연료전지 시스템의 공급망에 있어 핵심 부품/소재는 아직 국산화가 이루어지지 않았으나, 국산화가 이루어지는 경우, 비용절감, 고장 시 해결을 위한 이슈 등을 해결할 수 있고, 산업활성화와 연결될 수 있다. 특히, 산업활성화와 보급확대에 따라 연료전지의 수명을 고려하였을 때, 폐기물의 발생과 처리에 대한 문제는 머지않아 현실적으로 당면하게 될 것이다. 최근 5개년 동안 신재생에너지 생산량의 증가와 함께 연료전지 발전량도 꾸준히 증가하고 있다. 신재생에너지 중 연료전지의 성장규모가 해양에너지를 제외하고 가장 큰 편이며, 2009년부터 2013년 까지 최근 5년간 연평균 59% 증가하였다. 그러나 절대적인 수치를 고려하면 아직 미약하다. 보급용량의 기준에서 신재생에너지의 연평균 증가율은 29%인데, 연료전지의 연평균 증가율은 47% 수준을 보였다. 이는 정부가 2012년에 추진한 신재생에너지 의무할당제 정책의 영향인 것으로 판단된다.
연료전지 시장과 관련해서는 먼저 글로벌 연료전지 시장의 경우 지속적인 성장세를 보이고 있으며, 지역별로는 아시아 연료전지 시장이 성장세를 보이며 글로벌 연료전지 시장을 선도하고 있다. 판매 실적을 기준으로 아시아 지역은 전세계 연료전지 시장의 76%를 차지하고 있으며, 발전용량 기준으로는 전 세계의 57%를 차지하고 있다. 국내 연료전지 시장은 성장 초기단계에 접어들었다고 보이며, 연료전지 시장 중 발전용 연료전지가 상당부분을 차지하고 있다. 해외의 경우 국가별로 주력시장이 차이를 보인다. 북미의 경우 주로 발전용에 집중하는 반면,
일본은 주택용, 유럽은 수송용(연료전지 자동차) 시장에 집중하고 있다. 국내외 연료전지 기술개발 현황을 살펴보면, 국내의 경우 고효율 및 고내구성 핵심부품 개발과 고성능 저가촉매 개발을 진행하고 있으며, 고성능 저가전해질 등을 개발하고 있다. 해외의 경우에도 마찬가지로 촉매, 전해질 등을 중심으로 지속적인 기술개발이 이루어지고 있다. 한편, 수소연료전지 시스템의 환경적 패러다임과 관련하여 재활용시스템에 대한 논의가 존재한다. 이와 관련해서는 백금, 멤브레인 등의 물질재활용과 연료전지 시스템의 재제조로 구분하여 생각할 수 있다. 백금 등의 재활용과 관련해서 폐촉매의 재활용 등에 관심이 집중되고 있다. 연료전지 시스템의 재제조 측면에서는 스택, BOP 등을 고려하며, 최근 영국의 한 업체가 폐연료전지 회수 프로세스를 개발한 것으로 보고되었다. 이처럼 연료전지의 환경성과 관련하여 물질, 부품 재활용을 위한 기술개발이 진행되고 있는 것을 확인하였으며, 새로운 사업으로 연결되어 많은 기업들이 재활용 공정을 개발하기 위해 노력하고 있다.
4장에서는 본 연구에서 연료전지의 지속가능 발전전략을 도출하기 위한 방법으로 활용한 전과정평가에 대한 내용을 다루었다. 전과정평가는 제품, 공정 및 시스템에 대해 원료, 생산, 수송, 사용 및 폐기까지 전과정에 걸친 환경영향을 평가하고, 제품시스템의 투입물과 산출물에 대한 환경부하를 정량화하고 환경영향을 평가하여 환경적 개선의 기회를 찾아 평가하는 과정이다. 이러한 전과정평가는 국제표준화기구에 의하여 국제표준으로 제정되었다. 전과정평가의 목적은 분석대상 제품의 공정 및 시스템 전과정 환경영향을 평가하여 소비자, 기업체 및 정부기관의 입장에서 환경영향을 최소화하고 지속가능한 발전을 모색하는 것이다. 전과정 평가의 목적 및 범위를 설정하기 위해서는 (1)기능단위 및 기준흐름, (2)시스템 경계, (3)자료의 품질을 주요하게 고려해야 하며, 전과정 목록분석을 위해서 자료수집, 자료계산 및 할당이 중요하다. 또한, 전과정평가 결과에 대한 해석에 있어 (1)주요 이슈의 규명, (2) 완전성, 민감도, 일관성 검사 등을 고려해야 한다.
본 연구는 2.5 MW 발전용 연료전지와 1kW 주택용 연료전지 그리고 수송용 연료전지를 대상으로 전과정평가를 수행하였으며, 기능단위는 발전용과 주택용의 경우 1 kwh로 설정하였으며, 수송용의 경우 160,000 km 운행을 설정하였다. 연료전지 시스템 경계는 같이 원료채취, 부품제조, 조립, 제조, 운영, 폐기단계를 포함한 Cradle-to-Gate(GtG)로 경계를 설정하였다. 발전용 연료전지는 총 22개의 공정을 대상으로 자료를 수집하여 분석을 수행하였으며, 주택용 연료 전지는 총 6개의 공정을 대상으로 자료를 수집하여 분석을 수행하였다. 수송용의 경우, 실측 데이터 수집의 한계로 공정도를 도출하는 것에서 마무리되었으며, 실제 자료에 기반 한 분석은 발전용과 주택용만을 대상으로 실시하였다. 수송용은 문헌데이터를 이용한 분석을 실시하였다.
5장에서는 발전용 연료전지, 주택용 연료전지 및 수송용 연료전지에 대한 전과정평가 수행에 대한 내용을 다루었다. 전과정평가 분석결과, 발전용 연료전지의 지구온난화 영향은 3.05E-01 kgCO2eq/kWhe, 자원고갈은 1.65E-03 kg antimonyeq/kWhe로 나타났으며, 주택용 연료전지의 지구온난화 영향은 2.78E-01 kgCO_2eq/kWh_e, 자원고갈은 1.49E-03 kg antimony_eq/kWhe로 분석되었다. 수송용 연료전지는 지구온난화 영향에 대하여 분석하여, 1.68E+04 kgCO2_eq/160,000 km의 결과를 도출하였다. 그리고 전 생애주기의 관점에서는 발전용과 주택용의 환경영향은 지구온난와 와 자원고갈의 측면 모두에서 발전단계에서 가장 큰 환경영향이 발생하였다. 전과정 평가를 바탕으로 기존의 에너지시스템인 화력발전과 비교한 결과, 지구온난화 기준 발전용 연료전지는
LNG 복합화력 1.55배, 유연탄 3.87배, 중유 2.90배, 무연탄 4.59배 그리고 주택용 연료전지는 LNG 복합화력 1.71배, 유연탄 4.24배, 중유 3.18배, 무연탄 5.04배 낮은 환경성이 있는 것으로 분석되었다. 또한 자원고갈을 기준으로 하면, 발전용 연료전지는 LNG 복합화력 1.9배, 유연탄 4.90배, 중유 3.16배, 무연탄 4.11배 그리고 주택용 연료전지는 LNG 복합화력 2.10배, 유연탄 5.42배, 중유 3.50배, 무연탄 4.55배 낮은 환경성이 있는 것으로 분석되었다.
연료전지의 환경영향에 대한 추가적인 시사점을 얻기 위해 시나리오 분석을 실시하였다. 분석을 위해 앞서 수행한 전과정평가를 바탕으로 환경영향이 발생한 부분을 중심으로 총 6개의 시나리오를 설정하였다. 시설연속운전에 따라 환경영향이 저감되는 결과가 도출되어, 연료전지 시스템의 효율증가에 따라 환경영향이 저감됨을 확인하였다. 또한 수소생산방식, 생산되는 전기와 열의 사용 및 재활용율의 변화에 따라 환경영향의 변동성이 크게 나타나고 있어, 친환경 방식으로의 수소생산방식 전환, 전기와 열의 효율적 사용, 원료물질에 대한 재활용이 환경영향을 저감하기 위해 필요하다.
6장에서는 앞서 수행한 연료전지의 전과정평가의 내용을 기반으로 연료전지의 환경영향 개선을 위한 방안을 도출하고 정책방향을 제안하였다. 개선방안은 크게 세 가지 측면에서 도출하였다. 먼저 수소생산의 청정성 확보 및 연료전지 시스템의 효율성 향상이다. 다른 무엇보다 연료전지는 수소생산에 의한 환경영향이 크게 나타났다. 이는 현재의 시스템이 천연가스를 개질하는 방식으로부터 기인한 것이다. 따라서 이러한 환경영향을 저감하기 위하여 단기적으로는 바이오가스 등과의 하이브리드를 통한 탄소중립성 확보, 단․중기적으로는 부생수소를 활용하는 전략 그리고 장기적으로는 비화석연료를 활용한 수소생산 전략을 취하는 것이 바람직하다. 또한, 시스템의 효율성 향상과 관련하여 연료전지의 핵심기술인 스택의 내구성/수명 향상을 통해 환경영향을 저감할 수 있다. 또한, 촉매의 고효율화도 중요하게 고려되어야 한다.
두 번째는 국가전력수급체계에서 연료전지의 역할 확립이다. 앞서 다룬 수소생산의 청정성 확보와 관련하여 결국 국가 차원에서 연료전지를 얼마나 활용하느냐가 중요한 문제이다. 연료전지를 얼마나 활용하느냐에 따라 수소에 대한 수요가 결정되며, 이는 수소생산의 이슈와 직결되기 때문이다. 따라서 연료전지의 보급을 얼마나 확대할 것인지 목표의식을 갖는 것이 중요하며, 이에 관련한 요인이 연료전지의 온실가스 저감 효과와 분산발전 동력원으로서 가지는 이점이다. 분석결과 연료전지는 기존 화력발전 대비 국가 온실가스 산정기준에서 약 42%의 저감효과를 보였으며, 분진과 같은 오염물질이 가스터빈과 같은 발전원 대비 낮기 때문에 분산발전동력으로서 현실적인 대안으로 보인다. 따라서 이러한 연료전지의 확대에 있어 어느 정도수준의 에너지원으로서 역할을 부여할 것인지에 대한 검토가 필요하며, 이에 타 신재생에너지원과의 밸런스를 고려해야 한다.
마지막으로, 원료물질의 재활용 촉진 및 적정 보급수준의 확보이다. 원료물질 중 백금과 니켈의 경우 환경성이 나타났으며, 이에 대한 재활용을 통해 환경영향을 저감할 수 있다. 재활용의 이슈는 생산자책임재활용 등의 제도를 통해 큰 이슈가 없이 해결될 수 있을 것이며, 분석결과 주택용의 경우 재활용의 촉진을 위해 연간 약 4,000대의 폐기양이 확보될 필요가 있다.
7장에서는 앞서 논의한 연료전지의 전과정평가의 결과와 환경영향 개선방안을 토대로 핵심내용을 요약하고 종합적인 시각에서 정책방향을 정리하였다.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 5
• 요약문 ... 7
• 목차 ... 11
• 표목차 ... 15
• 그림목차 ... 18
• 제 1 장 서 론 ... 22
• 제 1 절 연구배경 및 필요성 ... 22
• 제 2 절 연구의 목적 ... 25
• 제 3 절 연구의 주요내용 및 추진체계 ... 26
• 1. 연구의 주요내용 ... 26
• 2. 연구 프레임워크 및 추진체계 ... 27
• 제 2 장 수소경제와 수소에너지 기술 개발 ... 29
• 제 1 절 수소혁명 ... 29
• 제 2 절 수소에너지 이용 기술 현황 ... 31
• 1. 수소에너지 이용 기술 개요 ... 31
• 2. 수소에너지 이용 연구개발 현황 ... 36
• 3. 수소에너지 관련 환경 안전 관련 이슈 ... 43
• 제 3 절 수소의 제조, 저장 및 수송기술 ... 48
• 1. 수소의 제조기술 ... 48
• 2. 수소의 저장기술 ... 52
• 3. 수소의 수송기술 ... 54
• 제 3 장 기후변화대응 기술로서의 연료전지 ... 55
• 제 1 절 연료전지 산업현황 ... 55
• 1. 연료전지 산업 개요 ... 55
• 2. 연료전지 산업구조 및 보급운영 현황 ... 56
• 3. 연료전지 시스템 분석 ... 61
• 제 2 절 국내외 연료전지 시장 현황 및 동향 ... 63
• 제 3 절 연료전지 연구기술개발 현황 및 발전방향 ... 67
• 1. 연료전지 기술현황 ... 67
• 2. 연료전지 시스템 고효율화 전략 ... 76
• 제 4 절 국내외 연료전지 기술연구개발 현황 및 발전방향 ... 80
• 1. 연료전지 공통핵심 기술 ... 80
• 2. 국내외 연료전지 기술연구개발 현황 ... 81
• 제 5 절 수소연료전지 시스템의 환경적 패러다임 ... 87
• 1. 수소연료전지 재활용시스템 ... 87
• 2. 수소연료전지 시스템의 환경성 ... 90
• 제 4 장 LCA(Life Cycle Assessment) 방법론 ... 94
• 제 1 절 전과정평가(LCA) ... 94
• 1. 목적 및 범위의 설정 ... 95
• 2. 전과정 목록분석 ... 96
• 3. 전과정 영향평가 ... 98
• 4. 결과해석 ... 102
• 제 2 절 LCI DB ... 104
• 1. LCI DB의 개념 ... 104
• 2. 국내의 LCI DB 현황 ... 104
• 3. 국외 LCI DB 현황 ... 105
• 제 3 절 연료전지 시스템 LCA 구성 ... 107
• 1. 연료전지 시스템의 목적 및 범위설정 ... 107
• 2. 연구대상 ... 107
• 3. 연료전지 시스템경계 ... 108
• 4. 자료의 품질 및 범주 ... 112
• 5. 자료할당 ... 112
• 6. 가정 및 제한사항 ... 114
• 제 5 장 LCA 기반 연료전지 시스템의 환경성평가 ... 116
• 제 1 절 연료전지 LCA 선행연구 분석 ... 116
• 1. 선행연구 분석 ... 116
• 2. 선행연구와의 관련성 및 연구의 차별성 ... 117
• 제 2 절 연료전지 시스템의 환경성평가 ... 120
• 1. 연료전지 시스템 단계별 목록분석 ... 120
• 2. 연료전지 시스템 단계별 영향평가 ... 126
• 3. 기존 에너지시스템과의 환경성평가 ... 134
• 4. 연료전지 LCA 선행연구와의 비교 ... 136
• 제 3 절 연료전지 시스템의 민감도 및 시나리오분석 ... 137
• 1. 시나리오 분류 카테고리 1: 연료전지 운전효율의 변화에 따른 환경성평가 ... 137
• 2. 시나리오 분류 카테고리 2: 재활용율의 변화에 따른 폐기단계의 정성평가 ... 141
• 제 4 절 연료전지 시스템 LCA 분석결과에 대한 종합논의 ... 144
• 제 6 장 연료전지 기술의 환경영향 개선 방안 ... 145
• 제 1 절 수소생산의 청정성 확보 및 연료전지 시스템 효율 향상 ... 145
• 1. 수소생산의 청정성 확보 ... 145
• 2. 연료전지 시스템의 효율 향상 ... 148
• 제 2 절 국가에너지수급체계에서의 연료전지 역할 확립 ... 152
• 제 3 절 원료물질 재활용 촉진 및 적정 보급수준 확보 ... 159
• 1. 원료물질 재활용 촉진 ... 159
• 2. 적정 보급수준 확보 ... 167
• 3. 물질효율성 ... 169
• 4. 개선방안 종합 고찰 ... 172
• 제 7 장 결론 ... 173
• 참고문헌 ... 181
• 끝페이지 ... 192