□ 수소 관련 기술의 개요 ㅇ 수소의 제조기술 - 현재의 코스트 제약과 생산능력을 고려하면, ①화석연료로부터의 제조(수증기개질법, 부분산화개질법 등)가 실제의 도입 기술로 우위를 점함. - 그 밖의 수소 제조기술로는 수전해에 의한 것으로, ②알카리수전해, ③고체고분자형수전해가 이미 실용화되고 있으며 기술개발단계인 ④고온수증기전해도 존재. 이들은 재생에너지의 잉여전력 등을 이용한 CO2프리 수소의 제조에 적용 가능한 기술로 기대가 큼. - ②, ③은 고전적 기술에서 산업용까지의 규모에서는 실용화되고 있으나 범용 에너지 인프라 설비로 이용하기 위해서는 내구성 향상과 백금 전극 등의 코스트 절감과 고효율화가 과제. ④는 요소기술 개발단계로, 셀 재료의 내구성 향상과 저코스트화, 대형화가 과제. - 또, 장래기술로 ⑤IS 프로세스 등의 열 분해, ⑥바이오매스 이용 등이 예상되고 있는데 현재는 기초적인 연구개발단계. ㅇ 수소의 수송·저장기술 - 수소 수송기술은 국내 수송 등의 단거리 수송으로, 고압수소, 파이프라인, 액화수소에 의한 수송이 이미 실용화되고 있는 한편, 해외로부터의 수입 등을 위한 해상 장거리수송으로는 액화수소, 메틸시클로헥산(MCH) 등의 유기 하이라이드, 암모니아 등에 의한 수송이 검토되고 있음. - 액화수소, MCH는 현재 기술적 실증단계까지 도달하고 있으며 향후에는 단열재·단열기구, 대규모 저장시스템 등의 개발로 코스트가 서서히 하락할 가능성이 있음. - 또, 최근 독일을 중심으로 재생에너지 유래 잉여전력을 수소로 변환해 저장하는 "Power to Gas"가 적극 실시되고 있음. 이는 전력의 수소에너지로의 변환저장을 지향하는 것으로, 향후 유효한 수단이 될 것으로 기대. ㅇ 수소의 이용기술 - 수소의 이용기술로 실용화되고 있는 것으로, 가정용 연료전지와 연료전지 자동차가 있음. - 그 밖의 이용기술로는, 발전용연료로 수소를 사용하는 방법이 검토되고 있음. 수소를 가스터빈이나 엔진 등을 이용한 발전용도로 이용하는 것은, 이용지에서의 CO2 배출량 감축과 에너지 시큐리티 차원에서 의의가 있음. 수소발전이 본격화되면 수소 수요 중에서도 최대규모의 수요를 창출하는 이용형태가 됨. □ 수소 관련 기술의 현 상황 ㅇ 기술개발 동향 (일본) - 2003년 이후에 수소의 안전이용에 관한 데이터 취득과 안전기준 확립, 수소 관련 기기 개발, 기준화·표준화 등에 대처. 현재는 수소의 이용 확대에 따라 가정용의 정치(定置)용 연료전지와 연료전지자동차 외, 업무·산업용의 정치용 연료전지, 연료전지 버스·택시, 수소발전 등의 실용화를 목적으로 기술개발을 추진 중. * 민간기업에서는 가와사키중공업과 지요다화공건설이 수소 서플라이체인을 검토 중인데 가와사키중공업에서는 호주의 갈탄을 원료로 수소를 제조하여 호주 연방정부 등이 추진하고 있는 CO2분리·회수·저류 허브 프로젝트를 이용하여 CO2 프리의 수소의 국내 수입을 검토. 향후, 설비기기의 대형화와 액화효율의 향상, 효율이 좋은 수소 수송선에 의한 대량수송 등에 의해 코스트 저감이 기대. ㅇ 기술개발 동향 (해외) - 현재의 수소 관련 프로젝트로는, 독일에서 Power to Gas 프로젝트가 실시되고 있으며, 석탄가스화복합발전(IGCC)과 CCS의 조합에 의한 고효율에 저탄소의 석탄화력발전과 관련한 대책이 진행 중인데, 그 일환으로 수소연소의 가스터빈 개발이 진행 중. - 구체적으로는, Enel(이탈리아)에서 장래적으로 IGCC와 CCS를 조합한 발전을 염두에 두고 2009년에 수소발전의 데모 플랜트 사업을 개시. - 장래적으로 IGCC와 CCS를 조합한 발전시스템이 유망시되고 있는데 그 일환으로 GE사는 DOE의 Advanced Energy System/Hydrogen Turbine 프로그램에 참가해 수소 가스터빈의 연구개발을 실시. 이 프로젝트에서는 2020년경까지 1450℃급, 2035년경까지 1700℃급 수소터빈의 개발·실증을 예정. ㅇ 시장규모 (일본, 해외) - 연료전지 관련 분야를 포함한 기기·인프라시장은, 일본에서 2030년에 1조 엔 정도, 2050년에 8조 엔 정도로 확대 전망. 또, 세계시장에서는 2030년까지 약 40조 엔, 2050년까지 약 160조 엔 예측. ㅇ 산업경쟁력 (일본과 타국과의 비교) - 수소 제조기술의 주요 추진기업 및 기관을 살펴보면, 알카리수전해에 대해서는, 일본기업에서는 아사히카세히, 히타치조선 등이 기술개발 중. 고체고분자형수전해는 일본기업이 실적을 보유한 기술로, 고체고분자형연료전지의 기술에 대처함으로써 가일층의 고성능화와 저코스트가 실현될 것으로 기대. - 수전해기술에 대해서는, 고체고분자형수전해 분야에서는 일본국적 출원인의 특허출원이 많고, 알카리수전해 및 수증기전해에서는 유럽국적 출원인의 출원이 가장 많음. - 액화수소, 유기 하이라이드에 의한 해외에서의 수소의 장거리수송·저장기술에 대해서는 해외에서도 적용화 사례가 없는 가운데, 가와사키중공업, 지요다화공건설 등의 일본기업이 세계보다 앞서 기술개발을 추진하고 있음. - 수소 이용기술의 주요 추진기업·기관을 살펴보면, 장래의 실용화가 기대되는 수소발전에 대해서는 Enel(이탈리아)가 GE제 가스터빈을 이용한 수소전소발전의 실증실험 실적이 있지만, 일본, 해외 모두 적용발전을 실시하고 있는 국가는 없음. 일본기업 중에는 가와사키중공업, 미츠비시히타치파워시스템스 등이 수소 리치가스에 대응한 가스터빈의 기술개발을 추진. □ 수소분야의 기술과제 (수소의 제조기술) ㅇ 화석연료개질 - 실용단계(일본에서는 다수 기 도입). 그러나, 발생하는 수소는 95~97%의 순도이기 때문에 연료전지나 산업용도에 이용하기 위해서는 PSA(압력스윙흡착법) 등에 의한 정제도 필요. ㅇ 알카리수전해 - 전해액에 의한 부식과 격막의 내구성 향상, 기존 아스베스트 격막의 뛰어난 내구성에 대체 가능한 비(非)아스베스트 격막의 개발, 작동온도에 기인한 에너지 변환효율의 향상, 대형화에 의한 격막 제조기술의 확립 등이 필요. ㅇ 고체고분자형수전해 - 백금 등의 귀급속 사용량 저감 및 귀금속 리스(less)화 등이 과제. ㅇ 고온수증기전해 - 셀 재료의 내구성 향상과 저코스트화, 고효율화, 대형화 등이 과제. ㅇ IS 프로세스 - 900℃정도의 열원에서의 수소제조가 가능할 것으로 기대되고 있는데, 기능성재료 등의 기술 진보로 가까운 장래에 600℃대까지 저하할 가능성도 있음. 미국에서는 요드(I), 유황(S) 이외의 물질에 대한 스크리닝이 개시되고 있지만 요소기술 개발 단계에 있어, 실용화에는 많은 기술개발 과제가 있음. ㅇ 바이오매스이용 - 원료의 수집 코스트의 저코스트화가 필요. 또, 바이오매스의 물량 자체의 제약이 있기 때문에 원료의 안정공급 확립도 과제. □ 수소분야의 기술과제 (수소의 수송·저장기술) ㅇ 고압기술 - 수소압축기와 고압에서 저장하는 탱크 등의 저코스트화, 압축동력 삭감을 통한 소요전력의 에너지절감화가 필요. ㅇ 파이프라인 - 수소 파이프라인의 설계, 시공, 유지관리 관련 안전 확보를 위한 제반 대책이 필요. ㅇ 액화수소 - 일정 비율에서 기화하기 때문에 수송·정장용 용기의 기술개발 등에 의해 이를 감소시키는 것이 과제. ㅇ 유기 하이라이드 - 탈(脫)수소 시에 고온(400℃정도)의 열을 필요로 하기 때문에 수요지에서의 열원의 확보가 필요. ㅇ 수소 흡장 합금 - 중량당 수소 저장량을 더욱 많게 하는 것이 과제. □ 수소분야의 기술과제 (수소의 이용기술) ㅇ 정치용 연료전지(가정용) - 연료전지 본체 및 주변기기의 저코스트화, 내구성 향상이 필요. ㅇ 정치용 연료전지(업무·산업용) - 조기 실용화를 위한 실증이 필요. ㅇ 연료전지자동차 - 초기단계에서는 전해질막의 코스트가, 보급단계에서는 촉매와 세퍼레이터의 코스트가, 각각 큰 비율을 점할 것으로 상정되고 있어 양산화 후를 전망해 이들 부재를 중심으로 저코스트화 추진이 필요. ㅇ 수소스테이션 - 압축기, 고압축압기, 디스펜서 등 각각의 저코스트화를 위한 개발과 저코스트 재료를 사용 가능하게 하기 위한 데이터 취득 등, 코스트 저감에 이바지하는 기술개발이 필요. ㅇ 수소발전 - 연료제어, 재료의 고온 내성 등의 과제 해결이 필요. 또, 단열화염온도가 높아 일반적으로 NOx 발생량이 많기 때문에 이를 저감시키기 위한 연소기술 개발 및 가스터빈의 고효율화를 위한 기술개발이 필요. □ 맺음말 ㅇ 수소사회의 실현에 있어서는, 현재 이용되고 있는 가정용 연료전지나 연료전지자동차 외에 버스, 트럭,수소발전 등으로 수소 이용범위를 넓혀, 수요 수요를 확대해 나가는 것이 중요. ㅇ 또, 확대된 수소 수요에 대응하기 위해 액화수소와 유기 하이라이드 등에 의한 장거리 대량수송을 가능하게 하는 것이 바람직. 또한, 수소의 제조에 관해서는 장래적으로는 화석연료 유래가 아닌 CO2 프리 수소를 제조할 필요가 있음. ㅇ CO2 프리 수소의 제조방법으로는, 수전해에 의한 제조가 중심이 될 전망으로, 그 대형화를 위한 기술개발과 효율 향상을 위한 기술개발이 기대됨. 또, 각각의 기술개발뿐만 아니라, 서플라이체인의 구축과 실증이 중요하며, 전체 시스템의 효율화, 경제성 향상 등을 통한 수소사회의 실현이 요망됨.
자료 출처 : http://www.nedo.go.jp/content/100763658.pdf |