보고서 정보
주관연구기관 |
고려대학교 Korea University |
연구책임자 |
이관영
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2019-08 |
과제시작연도 |
2018 |
주관부처 |
국토교통부 Ministry of Land, Infrastructure, and Transport |
등록번호 |
TRKO202100022791 |
과제고유번호 |
1615010405 |
사업명 |
국토교통연구기획(R&D) |
DB 구축일자 |
2021-11-27
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초록
▼
1. 기술의 정의 및 필요성
□ 전략프로그램 정의
❍ (범위) 미래 수송 연료인 수소를 활용한 대중교통 인프라 구축을 위한 대용량 수소 공급, 다수 및 동시 버스 충전시스템 구성, 안전, 실증 및 버스 및 충전시스템 운영 기술 전반 그리고 이를 해외에서 적용하여 실증하는 기술 전반
❍ (목표) 경제적인 메가 수소 충전시설 구축, 안전성 확보, 운영을 통한 한국형 수소 대중 교통 인프라 모델 기술 개발과 이의 해외 실증을 통해 해외 시장 진출토대 마련
❍ (수단) 대형 운송 수단의 효율적 수소 충전과 운행을 위한
1. 기술의 정의 및 필요성
□ 전략프로그램 정의
❍ (범위) 미래 수송 연료인 수소를 활용한 대중교통 인프라 구축을 위한 대용량 수소 공급, 다수 및 동시 버스 충전시스템 구성, 안전, 실증 및 버스 및 충전시스템 운영 기술 전반 그리고 이를 해외에서 적용하여 실증하는 기술 전반
❍ (목표) 경제적인 메가 수소 충전시설 구축, 안전성 확보, 운영을 통한 한국형 수소 대중 교통 인프라 모델 기술 개발과 이의 해외 실증을 통해 해외 시장 진출토대 마련
❍ (수단) 대형 운송 수단의 효율적 수소 충전과 운행을 위한 수소공급, 압축, 저장, 충전 공정, 수소충전 시스템 효율화, 안전 및 IT를 접목한 대중교통과 수소충전 인프라 운영 기술, 이러한 교통 모델의 설계, 설치, 운영 및 관리의 융합 기술접목
❍ (효과) 대형 수송, 물류, 대중 교통 수단의 친환경화 대응, 국가 브랜드 기술 확보, 세계 수소 이용 대형 수송 시스템 미래시장 주도권 확보, 수소 인프라 분야 기술 선도
□ 기획의 필요성
❍ 수소버스 및 수소를 연료로 이용한 대형 운송수단은 수송부문의 탈 탄소화를 이룰 수 있는 가장 실용적인 것으로 인식되며 유럽, 일본, 미국 등은 실증을 통해 그 가능성을 확인하고 장기적으로 대중교통정책으로 활성화를 하는 추세
- 해외의 대중교통 수소 버스 보급 사례와 계획에서 2020년 초 수소버스 보급시작 이후 2030년대 본격적인 확대가 예상.
- 국내 수소 버스 개발은 완료된 상태로 현재 시범 중임. 이에 비해 수소 충전시스템은 아직까지 연구개발이 요구되는 상황임.
- 대형 차고지나 계류지를 중심으로 50대/day 이상의 버스에 대한 연료공급과 이를 위한 경제적/효율적인 공급 시스템 설계 및 검증이 필요
- 아울러 지역적인 에너지 환경에 맞는 대용량 수소의 공급 기술개발과 함께 IT와 접목한 버스와 충전소의 운행 접목이 요구됨
- (경제적 요인) 현재의 수소 버스 충전시설은 승용차에 대응하는 수소 충전시설을 이용하는 방식이며 수소 충전 비용을 낮추는데 한계점이 있음.
‧ 다수의 수소버스를 충전하는 비용을 낮추기 위해 수소버스의 충전방식과 압축기와 저장용기의 조합에 대한 최적화 연구가 필요하며 이를 통해 건설비용을 절감이 주요함.
‧ 특히 이러한 조합에서 건설비용과 별도로 운영비용은 전기, 천연가스 등의 사용하는 에너지 비용에 따라 수소의 공급과 수소의 충전에 소요되는 비용의 차이가 국내 상황과 해외의 상황이 다르며 이에 대한 최적화가 필요함
‧ 수소의 공급 비용을 절감할 수 있으며 용량별 대응이 가능한 모듈화 설계를 통해 요소부품의 단순화와 조달가격의 저감이 요구되며 고효율의 수소생산방식에 대한 기술개발이 요구됨
- (환경적 요인) 수송부문에서 온실가스의 저감은 기존 내연기관의 효율화나 hybrid화로는 한계가 있으며 친환경연료로의 전환이 가장 현실적이며 이중 연료의 소모량이 크고 수송인원과 물량이 많은 버스의 수소버스로의 전환이 가장 효과적임.
‧ 유럽의 여러 나라가 내연기관 자동차의 생산과 이용을 장기적으로 중단할 계획이며 수송수단의 전기화 이루어 질 예정이다. 대형차량 특히 버스의 경우 수소연료의 에너지 밀도가 높아 장거리 이동이 가능하며 온실가스저감과 차량의 운행비용에서도 장기적으로 장점을 갖을 수 있어 주목받고 있다. 이를 실현하기 위해 수소충전비용의 저감과 친환경수소의 이용이 필요하며 이를 위한 대규모 수소충전시스템의 최적화 기술과 친환경적인 수소생산 기술의 개발이 이루어지고 있음
‧ 따라서, 대중교통에서 환경부담을 저감시키는 동시에 비용의 저감을 위한 기술개발이 필요하며 친환경적인 수소공급 기술을 확보하여 장기적으로 해외 시장에서 수소버스와 함께 대중교통 인프라 사업에 대한 미래시장 대응 요구됨.
‧ 온실가스 발생 측면에서 수소버스는 12meter와 18m크기에서 모든 수송수단에 비해 유리하며 차량운행비용(승객당-운행거리당)에는 버스의 크기가 클수록 전기버스에 비해 유리하며 12m의 경우에도 야간충전전기버스에 비행 유리
‧ 1회 충전당 운행거리 및 충전시간에서 수소버스는 다른 친환경교통수단을 압도함
❍ 수소활용 기술 중 국내 기술로 강점을 갖고 있는 수소버스와 연계한 수소 생산 및 저장, 충전 시스템을 국산화 패키지화하여 해외 시장 선점 추진 필요
- 천연가스 및 신재생에너지와 연계한 수소 생산 여건이 우수한 중동 대상으로 수소기반의 교통시스템 구축 및 검증을 통해 미래 시장 선점 가능
- 2030년 이후 해외 현지에서 국산화 기술 기반의 수소 생산 후 국내 운반을 위한 수소생산 해외 거점을 위한 초석 마련 ( 중동의 경우, 태양광 발전 전력 공급 가격이 20원/kWh 수준)
- 해외 가혹(고온다습 등) 환경을 고려한 맞춤형 수소버스 및 충전시스템 실증을 통해 수소교통팩키지 사업 완성도 제고, 홍보효과 극대화
2. 국내외 동향 및 환경분석
□ 정책동향
❍ 국내 정책 동향을 살펴보면, 제3차 에너지기본계획에 수소에너지 반영을 통해 제도적 기반을 구축할 계획임.
- 수소경제 활성화 로드맵 발표를 통해 ‘수소차’와 ‘연료전지’를 양대 축으로 하는 산업생태계 구축을 계획하고 미래 신성장 동력으로 육성할 계획이며 이를 뒷받침하기 위한 수소경제법, 수소경제 활성화법, 수소산업을 위한 특별법이 발의되었음
- 수소 충전인프라 구축을 ‘22년까지 310개소(국토부 160개소) 구축예정이며, 수소 버스 시범사업은 다양한 지자체에서 진행 중
❍ 수소 대중 교통 및 대형 수송수단의 수소에너지 이용을 확대할 예정
- 수소버스 4만대, 수소트럭 3만대 보급과 수소열차 개발 추진예정이며 고속도로 및 국도 휴게소에 수소 충전시설 설치와 3,000 m2 이상의 수소 충전시설의 도시계획 시설 결정 없이 설치가 가능하도록 할 예정임.
❍ 수소 경제 조기 구현 모델로 단기적으로 수소 시범도시 플랫폼 개발과 장기적으로 수소도시 보급 확대 및 해외 수출모델 개발이 있으며 이 수소 시범도시 핵심 인프라 중 수소기반의 대중교통 시스템의 국내외 실증 및 해외 수출 상품화에 대한 연구 개발 및 실증 지원 예정
□ 시장동향
❍ 맥킨지 컨설팅은 2050년 수소산업은 2천800조원의 시장과 3천만계의 일자리를 창출할 것으로 전망
❍ 일본은 2030년까지 수소차 80만대, 수소버스 1200대 수소충전소 900개을 보급 예정이며 미국은 캘리포니아주에만 수소차 100만대 수소충전소 1000개소 설치를 목표로 하고 있음
- 독일은 2030년 수소차 180만대 수소충전소 1천개소 보급 계획
- 중국은 2030년 수소차 100만대 수소충전소 1천개소 보급 계획
❍ 다양한 국가에서 수소 대중교통 등을 시범사업화하거나 이미 상용화 하였음
- 스위스 H2ENERGY사는 현대 수소트럭 1000대 공급 계약, 도요타 수소버스 ‘소라’ 양산시작, 2020년 도쿄올림픽 수소버스 운용, 미국은 26대 수소버스 운행 실증이후 42대 추가 예정
- 유럽은 2000년초 Cute 프로젝트를 시작으로 144대의 수소버스 실증 이후, JIVE, JIVE2를 통해 2023년까지 291대의 버스를 적용 예정
- 중국은 2020년 수소버스를 양산할 예정
‧ Synergy사는 발라드사와 함께 연산 5000대 규모의 스택 및 버스 생산 시설 건설 및 수소 버스 300대와 수소 연료전지 배송트럭 500대 규모 생산
‧ 광동 포산시는 2019년 연내 수소 버스를 10개의 수소 충전시설과 함께 운영 예정
❍ 미국의 대형수송차량 시장은 320 억달러 (2021년)에 달할 것으로 예상.
- 유럽도 수송부문에서 대형차량의 친환경연료 사용을 통한 온실가스 저감을 목표로 하고 있어 시장확대가 예상됨.
- 최근 미국의 니콜라사는 1.5 ton/day – 8 ton/day의 수전해 수소 생산을 통해 2028년까지 미국과 캐나다에 700개의 대형 차량 용 수소충전소 설치 예정
❍ 수소의 경제적인 대량 공급을 위한 연구가 진행 중에 있으며 가장 경제적인 방법은 SMR 방식이지만 온실가스 감축 측면에서 수전해 방식이 선호
- 수전해 방식의 경우 수소의 생산 단가가 전기가격에 크게 좌우되므로 수전해 장치의 효율 향상과 가격 저감 연구가 핵심으로 진행
- 중동 혹은 호주 등 일사량이 좋은 국가의 경우 태양광 전력이 20원/kWh로 매우 경제적이므로 이를 이용한 수전해로 수소 생산을 통해 수소충전소에 활용하거나 대량생산 후 한국이나 일본으로 수소를 수출하는 방안이 검토
□ 기술동향
❍ 수소버스와 수소트럭 등 대용량의 수소 충전이 필요로 하는 교통 수단은 승용차 대상의 수소 충전소와는 다른 개념으로 설계가 필요
- 많은 차량 수용과 충전이 가능하고, 수소 충전비용 저감과 수소 충전속도의 향상이 핵심 연구의 포인트가 됨
❍ FCH-JU에서 NewBusFuel project를 통해 버스차고지에서 대용량 수소버스 운용을 위한 충전소의 구성에 대한 연구 진행
- 50 ∼ 250대의 수소버스 운행시 수소 충전비용 4 – 6 €/kg 그리고 충전소 이용율 98% 이상을 목표로 진행.
- Nel사는 50대의 버스를 충전하기 위한 H2Station HD Module를 개발 예정이며 영국 런던 입찰에서 시간당 12대의 버스 충전과 수소 충전비용 5파운드/kg 이하를 목표로 하는 입찰 제시
❍ 현대자동차와 도요타는 미래 수소전기트럭 시장 기술 표준화 작업에 공동 대응
- 수소버스와 수소트럭 등 대용량 고압(700bar) 수소 충전기술 표준이 아직 확립되지 않은 상태임
- 수소 충전기술 표준화를 위해 여러 기업(현대차, 도요타, 에어리퀴드, 넬, 니콜라, 쉘 등)이 함께 대용량 고압충전 표준 부품 개발 컴소시엄 MOU 체결
3. 연구개발과제 구성 및 추진전략
□ 비전 및 목표
❍ [비전] 기술적으로 강점이 있는 수소 버스와 수소 충전 인프라를 통합한 수소 교통 시스템 패키지화 및 경제적이고 효율적인 수소 교통 인프라 모델 확립
- 안전하고 친환경적인 교통 서비스 제공하고 및 해외 시장 진출 토대 마련
❍ [목표] 수소 충전 비용 (44,263원/kg1) ⇒ 3천원/kg), 수소충전소 가동율 > 95%
□ 연구개발과제 구성
□ TRM
4. 인력투입 계획 및 소요예산
□ 인력투입계획
□ 과제 총연구비 : 37,444 백만원 (정부 28,083 백만원/민간 9,316백만원)
□ 총 3개 세부과제로 구성 (1, 2, 3세부 모두 산학연으로 구성)
(출처 : 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 요약문 ... 2
- 목차 ... 10
- 1. 전략프로그램 개요 ... 12
- 1.1 전략프로그램 정의 ... 12
- 1.2 단위 시스템 정의 ... 12
- 1.3 과제 추진형태 ... 13
- 1.4 기술의 성숙도 ... 13
- 1.5 기술개발 완료시 수준 ... 13
- 1.6 기술검증 전략 ... 14
- 2. 국내외 기술 및 시장 동향 ... 17
- 2.1. 시장 동향 ... 17
- 2.2. 기술개발 동향 ... 29
- 2.3 대중교통시스템 시장 변화에 대한 대응 전략 ... 41
- 2.4. 수소기반 대중교통 인프라 기술의 경제적 타당성 검토 및 전략 검토 ... 50
- 3. 연구개발 목표 및 내용 ... 65
- 3.1 연구개발의 최종목표 (연구단) ... 65
- 3.2 세부과제 내용 (연구단) ... 66
- 4. 전략프로그램 경쟁력 분석 ... 68
- 4.1 SWOT 분석 ... 68
- 4.2 연구수행을 위한 인프라 및 기반 역량 분석 ... 69
- 4.3 경쟁력 분석 ... 69
- 5. 세부추진계획 ... 71
- 5.1 세부과제별 추진계획 ... 71
- 5.2 TRM 전개 ... 81
- 5.3 국내 실증 모델 및 해외 모델 건설 예산 분석 ... 82
- 5.4 연구단 이후의 추진계획 ... 84
- 6. 정부지원 필요성 ... 85
- 7. 기대효과 ... 86
- 끝페이지 ... 88
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