Fuel Cell Research Center

수소경제/연료전지 현황 및 전망

2005. 4. 22.한국과학기술연구원

수소·연료전지 사업단 (산업자원부)홍 성 안

(www.h2fc.or.kr)

Fuel Cell Research Center목차

- 국내 에너지 현황

◈ 발표순서

- 수소경제와 연료전지

- 연료전지란?

- 연구개발 동향

- 사업단 소개

- 수소경제 국가 비젼

Fuel Cell Research Center에너지 issue

지구 온난화

에너지 수요의 급증 고용량 휴대용 전원 수요의 증가

자원 고갈

Fuel Cell Research Center

Energy Consumption- Coal: 33 B M/T- Petroleum: 722 M bbl- City gas: 14 B m3

- Electricity: 280 TWh- No. 10 in World

Electricity Production- Hydro: 1.7 %- Atomic: 38.9 %- Coal: 38.5 %- Petroleum: 8.2 %- Gas: 12.7 %

Primary Energy Import- Coal, Petroleum, Gas..- $ 32 B- 97 % of Energy Consumed

국내 에너지 현황 (2002)

• 에너지 다소비형 산업구조/ 소비구조

• 높은 해외 의존도 (97 %)

석유 의존도 (50.6 %)

중동 의존도 (77 %)

• 독점 공기업 시장 운영에 의한 비효율성

• 환경 문제와 조화 소홀

세계 10대 에너지 소비국세계 6위 석유 소비세계 4위 석유 수입국 (23.9 %)

Fuel Cell Research Center수소경제사회의 부상

수소에너지 : 가시권에 있는 인류 에너지 문제의 유일한 대안 (수소경제)

연료전지 : 수소에너지 활용기술의 핵심기술

10대 차세대 성장동력

가채량 제한 환경오염

에너지안보NIMBY

수소경제

Fuel Cell Research Center수소경제와 연료전지

물리적 수소저장(합금, LH2, CNT, 고압가스)

장기과도기 (현재)

천연가스

석 탄

석유/잔사유

태양광

풍력

광촉매

Bio

대체에너지

가스화

열분해

수증기개질

열분해

전기분해

물

수 소화학적 수소저장

(CO2 활용)

연료전지

발전소제철소

발전용 가정용 수송용 휴대용

CO2

화석연료

원자력

Fuel Cell Research Center한·미·일의 개발의지

“Hydrogen fuel cells represent one of the most encouraging, innovative technologies of our era.”“Joint me in this important innovation to make our air significantly cleaner, and our country much less dependent on foreign sources of energy.”

“수소에너지 개발에 $ 1.2 billion 투자”(국정연설, ’03.1)

“연료전지 자동차와 가정용연료전지

시스템을 3년 이내에 실용화”(고이즈미 총리 국회연설, ’02. 2)

“명실공히 수소시대로 가고 있다.

제 임기동안 적극적으로 밀어드리겠다.

자랑스럽다.”(에너지 자문회의에서 연료전지 자동차 시승후,’05.3)

Fuel Cell Research Center수소 • 연료전지 관련 세계 현황

Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program

수소 생산 및 저장 기술- Freedom Fuel- 기간 : ’03∼’15- 예산 : 12억$(향후 5년간)

운송용 연료전지- Freedom CAR- 연료전지 차량 기술- 기간 : ’02 ∼’10- 예산 : 5억$(향후 5년간)

발전용/가정용 연료전지- 보급지원금 및 우선구매- SECA

휴대전원/군수용 연료전지- Micro Fuel Cell in DARPA

연료전지차 설계기준 및수소인프라 안전법규제정

경제산업성 주관 하에민관합동 개발:신에너지법, 우선구매제도, 지역별 보급촉진 사업지원

WE NET Program- 수소에너지의 안정성 및인프라 개발 사업- 수소충전소 운영 (NEAA)- 예산 : 341 억엔 (’02년)

Millennium Project- 연료전지 보급을 위한기반 조성 사업

JHFC ProjectFCV 시범운행 (JARI)

EU 전 체 의 공 동 개 발보급 진행:신재생에너지의 적극적인개발 및 수소에너지에 대한공동개발 참여

Framework Program- 발전 및 운송용 연료전지가격 절감- 수소제조 및 공급 인프라등에 관련 기술 개발- ’02~’07년 제6차계획- 예산 : 21.2억€

CUTE, ECTOS 프로그램- 유럽 10개 도시- 30대 FC 버스 시범운행- 예산 : 9억$

863 계획- 연료전지 시스템 개발- 기간 : ‘01∼’05- 예산 : 1,500억원/년

상호 협력 체계 구축 추진

글로벌 수소 경제로의전 환 촉 진 을 위 한정부기구간 협력체- 난제들 공동해결- 표준 개발- 실용화 촉진을 위한 정책및 기술가이드 수립

국 제 협 력 을 통 한합 리 적 인 에 너 지 정 책 의촉진을 위한 OECD 국가간협력체- 첨단연료전지기술

(MCFC, PEMFC)- 수소생산 및 이용기술

Fuel Cell Research Center

연료

연료전지란

Fuel Cell

공기

전기

열

물

Fuel Cell Research Center연료전지 원리

서브 스택 스택 연료전지 발전소

Air

Fuel Gas

Heat

Water

Electricity

Anode

Cathode

Electrolyte

단위전지 적층

Anode : H2 → 2H+ + 2e-

Cathode : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O

Total : H2 + 1/2 O2 → H2O

Fuel Cell Research Center연료전지의 장단점

연료전지의 발전방식

화학에너지 열에너지 기계에너지 전기에너지

전기에너지화학에너지

기존 화력발전의 발전방식

고효율

무공해

무소음

다연료

모듈화 용이

열병합 가능

Fuel Cell Research Center연료전지 종류 및 응용 분야

휴대용수백 W 이하

수송용75 kW

가정용3 kW

발전용250 kW 이상

응용분야

대상연료전지

PEMFC MCFC

SOFCDMFC

수소에너지

수소 저장 기술 (고압수소, 액체수소, CNT, 화학수소화물)

수소 생산 기술 (화석연료 / 신재생 에너지)

수소 인프라 구축 (수소 스테이션)

SOFC

Fuel Cell Research Center연료전지 응용 분야별 현황 및 전망

• 고성능 전원에 대한 수요 증가

- 동영상 구현, 데이터 처리량 증대 등

• 상업화시 기존 2차전지 시장 판도 변화

• 환경관련 법규 및 인센티브 제도 등에

의한 시장형성 시점 결정 전망

• 고압 수소가스통 (700기압)을 탑재한

연료전지 차량 우선 보급 예상

• 저공해, 고효율, 폐열이용 가능

• 기존 시스템의 문제점 해결

- 입지선정, 송배전 누전, 고유가 등

• 수 kW급(가정용) ~ 수백 MW급(중형

발전소용) 개발

특성 및 성장 전망 해결 과제 업체동향

• 경제성 개선

• 장수명화

• 정부 지원하 개발 진행- FCE (미), IHI (일),

Ansaldo (이태리)

가정/상업용- Sanyo (일본), CETI (한국),

Sulzer-Hexis (스위스)

• 한전 중심 개발- 포스코, 두산중, 효성,

삼성Eng. 등 참여

• End User / 벤처중심

- Motorola, Casio

NEC, Toshiba 등

- 삼성, LG, SKC,㈜세티 등

• 경제성 개선

• 안전성 확보

(메탄올/수소)

• 소형화

• 자동차 Maker 중심

개발 진행

• IFC (미), Ballard (캐) 등

벤처회사

• 경제성 개선

• Infra 설치

(연료충전)

발발 전전 용용

휴대전원용휴대전원용

운운 송송 용용

Fuel Cell Research Center수소·연료전지 보급 목표 (산자부)

승용차 3,200버스 200

승용차 150버스 10

승용차 10버스 -

수송용

해당 기업별 사업화핵심 상업화기술 개발휴대용

누적 10,000기(3kW 이하)가정용누적 2,000기 (10-50kW)건물용(상업용)

누적 300기 (250-1,000kW)분산전원50101수소 스테이션

3단계(‘09-’12)시장진입 및 확대

2단계(‘06-’08)실증 적용

1단계(‘03-’05)기술개발 및 신뢰성 확보구분

Fuel Cell Research Center발전용 연료전지 개발사업 계획

연구

개발

연구

개발

신뢰성 확보 생산성향상 / Cost 저감대량생산기술

목

표

장기운전

System가격

시간ThermalCycle

25,000hr 30,000hr 40,000hr

10회 20회

$5,000/kW $3,500/kW $2,000/kW

선도기업제휴

고유모델개발

$1,500/kW

기반구축 시장진입 시장확대

`04 `05 `06 `07 `08 `09 `10 `11

250kW MCFC 실증연구(신뢰성 확보)

BOP 기술확보

연료 Source 다변화(LNG, ADG, LFG)

System Integration 생산기술 확보

250kW MCFC 고유모델 개발 운전/실증

MW급 대형 시스템 개발

SOFC 시스템 개발

보급목표

보급목표

(250KW)0.5MW(2대)

2MW(8대)

5MW(20대)

7.5MW(30대)

15MW(60대)

20MW(80대)

25MW(100대)

Fuel Cell Research Center분산발전용 MCFC 투자 경제성 분석

시스템 가격에 따른 경제성 평가 단위: 백만원

기본 가정

시스템 효율: 90% (발전효율: 45%, FCE 기준)설치 보조금: 50% 차입 (연리 6.5%)우선구매제도: 320원/kWh (5년),

50원/kWh (미적용시)초기 설비투자비: 600만원/kW

(FCE 현재가 기준)스택 교체기간: 매 5년스택 비용: 240만원/kW(현재),

70만원/kW(5년후 교체시)

전제 조건

BOP 상각년수: 16년

부대설비비용: 360만원/kW

연간 운전시간: 8,000시간

연료비 (LNG): 315.4원/Nm3

매출액: 전력 판매액 + 온수 판매액

-303--2005194,000 MW발전차액 미적용

53755%8791,5994,000 MW발전차액 적용

세후 이익이익율영업이익매출액연간 발전량500 kW

Fuel Cell Research Center가정용/상업용 연료전지 개발 현황

PEMFC system SOFC system

IdaTech

Sanyo Matsushita

Sulzer-Hexis

CETI

Fuel Cell Research Center가정용 PEMFC 투자 경제성 분석

시스템 가격에 따른 경제성 평가단위: 만원

기본 가정

시스템 효율: 80% (발전효율: 40%)설치 보조금: 30%우선구매제도: 320원/kWh추가유지 보수 비용: 없음시스템 수명: 10년

전제 조건

가구당 전기사용량: 3,600kWh/년(48만원/년)

가스사용량: 720Nm3/년 (33만원/년)운전시간: 24시간/일연료비 (LNG): 315.4원/Nm3

매출액: 전력 판매액

6.2320.82350.6235200

9.5321.32350.9235300

불가322.12351.5235500

불가324.32353.12351,000

불가32불가2358.92353,000

회수기간이익/년회수기간이익/년회수기간이익/년

지원제도 무우선구매 만설치보조금 + 우선구매

CASE 3CASE 2CASE 1시스템 가격

(만원/kW)

Fuel Cell Research Center수송용 연료전지 개발사업 계획’14~’13’12’11’10’09’08’07’06’05’04

실증평가

시스템

개발

발전모듈80kW, 0.8kW/L 1.0kW/L, -10°C 1.2kW/L, -20°C, 70,000원/kW

운전장치80kW, 0.45kW/L 0.55kW/L 0.65kW/L, 30,000원/kW

1kW급, 기반기술개발 3kW급, 응용기술확보 5kW급, 실용화기반기술확보

생산기술

전기동력 80kW, 0.5kW/kg 0.6kW/kg 100,000km, 50,000원/kW

보조전원

시범운행

수소인프라 구축

실증평가

4.0wt% H2, 300km 5.8wt% H2, 400km 8.0wt% H2, 500km수소저장

200kW, 0.8kW/L, -10°C 1.0kW/L, -20°C

전극막

분리판

기술 도입 개발 기술 도입 개발 국산화기술 도입 개발

기술 도입 개발 설계 최적화 양산 기술 개발설계 검증

기술 도입 개발 기술 도입 개발 모듈화 및 단순화기술 도입 개발

200kW, 0.5kW/L 200kW, 0.6kW/L

부품개발

150,000km, 200kW, 0.5kW/kg 450,000km, 0.6kW/kg

5.8wt% H2, 300km 5.8wt% H2, 400km

소량 양산

운전장치 및 전기동력 부품업체 육성

시스템 조립 설비 구축

발전모듈 부품업체 육성 및 국산화 설비 구축

양산기반구축(10,000대/년)

버스 PEMFC 시스템승용 PEMFC 시스템 보조전원용 SOFC 시스템※ 참고 :

차량규모FCV : 200대(누적)

FCBus : 20대 (누적)FCV : 1000대/년FCBus : 100대/년

FCV : 1000대/년FCBus : 100대/년

Fuel Cell Research Center휴대용휴대용 연료전지의연료전지의 종류종류

연료전지형태연료전지형태 사용연료사용연료 단점단점장점장점

직접메탄올연료전지

메탄올 사용편리

연료공급용이저성능, 가격전해질막, 촉매성능

고분자전해질연료전지(PEMFC)

화학적 수소화물(NaBH4)

연료공급 용이 반응조절 어려움

연료개질기(메탄올, 휘발유)

연료공급 용이 고온CO 제거 문제

NaBH4

부탄, 프로판

메탄올

H2 generator

H2

Fuel Cell

Fuel Cell Research Center수소 station 개발 현황

Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project (JHFC)

Fuel Cell Research Center연료전지 시장 규모

발전용

가정용

수송용

이동형

세계 시장(2010년 기준)

국내 시장(2010년 기준)

U$ 120 ∼ 220 억(ABI사 예측)

U$ 240 억(BC Inc. 예측)

U$ 150 억(ABI사 예측)

U$ 25 억(ABI사 예측)

1.4 조원(한전 예측, 상업용 포함)

-

0.6 조원(2015년 기준, 현대차 예측)

0.4 조원(산업자원센터 예측)

환율: 1100원/$

Fuel Cell Research Center수소•연료전지 사업단의 Vision 및 목표

신 에너지 산업 창출

에너지 안보 확립/환경문제 극복

수소/연료전지기술개발

수소경제사회

신재생에너지

사업단 목표:

수소 • 연료전지상용화 기반 기술 확보

Fuel Cell Research Center사업단의 운영범위

수소제조 연료전지

운송

저장

실증/보급

연구개발

시스템 통합

안전성

법규 / 규격화

교육 / 홍보

평가

Fuel Cell Research Center기획보고서 목차

제 1 부 수소경제 지향 국가 Vision

제 1 장 서언

제 2 장 수소에너지 산업과 기술 현황

제 3 장 수소에너지 기술 개발 당위성 및 저해요인(SWOT 분석)

제 4 장 수소경제 달성 시나리오

제 5 장 수소경제 국가 Vision

제 2 부 보급목표 달성을 위한 실행방안

제 1 장 수소 제조

제 2 장 수소 저장

제 3 장 수소 infra

제 4 장 발전용 연료전지

제 5 장 수송용 연료전지

제 6 장 가정용/상업용 연료전지

제 7 장 휴대용 연료전지

제 8 장 실용화

제 1 절 기술개요 및 특성

제 2 절 기술 동향

제 3 절 시장 동향

제 4 절 Vision

제 5 절 기술적 Target

제 6 절 문제점

제 7 절 Action Plan7-1 실행방안 7-2 향후 실행 과제

제 8 절 사업화 방안 및 정책 제안

Fuel Cell Research Center수소•연료전지 총괄(1)

□ 수소경제 기반시설(Infrastructure) 확충 및 수소에너지 활용기술 보급 보편화- 수소경제 Infrastructure 구축

• 수소제조, 저장, 운송 기술의 고도화• 수소스테이션 설비 및 수소에너지 공급망 구축

- 수소에너지 활용기술 보급 계속확대• 연료전지 자동차 보급 일반화• 발전용, 가정/상업용, 휴대용 연료전지 기술 활용확대• 기타 수소에너지 이용기술의 계속적인 개발 및 보급

□ 국가 총에너지 수요의 %를 수소에너지가 담당- 기준시점: 2040년- 예상 총에너지 수요: 약 420 백만 TOE/년

• 분야별 비중: 상업용(15%), 가정용(12%), 수송용(20%), 제조업용(50%), 기타(3%)

- 수소에너지 담당량: 약 TOE/년• 필요한 수소량: ton/년

연료전지차량

연료전지발전

수소량(106ton/년)기여율(%)

□ 에너지 안보 자립기반 구축- 수소에너지 관련기술 세계 선도적 위치 확보- 온실가스 배출규제 엄격화로 화석연료 사용 저감- 석유, 천연가스 가격상승으로 인한 소비량 감소- 수입 에너지량 계속적인 감소

Fuel Cell Research Center수소•연료전지 총괄(2)

- 총 에너지 중 수소 기여율 : %

- 연료전지 발전 기여율 : % (~2030)

- 연료전지 자동차 기여율 : %

- 총 에너지 중 수소 기여율 : 0 %

- 연료전지 발전 기여율 : % (~2040)

- 연료전지 자동차 기여율 : %

- 총 에너지 중 수소 기여율 : %- 연료전지 발전 기여율 : % (~2020)- 연료전지 자동차 기여율 : %

- 수소스테이션 50기- 발전용 연료전지 300기- 건물용(상업용) 연료전지 2,000기 (~2012)- 가정용 연료전지 10,000기- 승용차 3,200기, 버스 200기

◇ 진정한 의미의 수소경제 시작 Phase 4

◇ 수소·연료전지 시장 본격적 시작 Phase 3

◇ 수소·연료전지 분야 기술개발 완성단계(신에너지산업 창출) Phase 2

◇ 정부정책 지원하의 실증/보급 시기 Phase 1

Fuel Cell Research Center결 언

궁극적 대안 : 수소 경제구현(에너지안보/환경관련국제규약/신산업)

연료전지 기술의 산업화 : 경제성/신뢰성 확보(수송,발전,가정/상업,휴대,수소infra)

기술개발의 가속화 필요

정부의 지원정책 의지 표명 중요성

수소 infra 구축

Code / Standard / Safety 제도 정비

Public Acceptance

산.학.연.관 협동 체제 구축(국민 참여)

선택과 집중

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