안전한 수소 사회Safety H2 Society

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수소사회 당위성

수소 이용 및 수소 산업

수소의 안전성

미래 수소사회 전망

수소 색 : 보라파장길이 : 410 nm1793년 라부아지에(A. L. Lavoisier) : “Hydrogen” 명명

수소란?

수소의 역사(1)

수소의 역사 1766년 영국 과학자 Henry Cavendish

Hydrogen balloon

아연금속과 염산을 반응시켜 수소가스 분리, ”매우 인화성이 강한 공기”1766.

Henry Cavendish(영국)

풍선에 수소를 넣어 3km 비행 → 3개월 후 유인 수소풍선 시현1783.

Jacques Alexander(프랑스)

“Hydrogen”은 “물에서 태어났다”은 뜻의 그리스어 ⇒ hydor(=water), genes(=born of)1788.

Antoine Lavoisier(프랑스)

물에 전기를 인가하여 수소, 산소 발생 발견 ⇒ 향후 이 과정을 “Electrolysis”로명명1801.

Anthony Carlisle, William Nicholson(영국)

수소와 산소를 반응시켜 물(H2O)과 전류(Electric current)를 생산 → 연료전지의 기원1839.

Christian Friedrich Schoenbein(스위스)

수소와 산소 가스를 반응시켜 전류를 만들어내는 논문 발표(“Gas Battery”)1845.

William Grove(영국)

(독일) 트럭, 버스, 잠수함의 내연기관에 수소 또는 수소화합물 이용1920년대(독일) 수소기체를 이용한 비행선(Hindenburg). 독일에서 미국 횡단1937년대(미국) NASA에서 우주선 로켓 연료와 연료전지의 연료로 액체수소로 활용1958년대

“신비의 섬” 작가 쥴베른 “ 언제가 물이 연료로 활용되고 수소와 산소가 단독 또는 함께사용되어 열과 빛을 제공할 것이다”.

1874.

Jules Vernes

소금사업을하다 원유를 알게 되고 이를 정제하여 불을 밝히는 등유 생산1849.

Samuel M. Kier(미국)

라이트형제의휘발유엔진, 포드자동차의자동차 엔진1900초

세계최초로미국에 현대식 정유시설건설(휘발유, 등유, 경유, 중유)1912.

Source : 강원 삼척 Forum 2017, 구영모, KATECH (2017, 06, 09)

수소의 역사(2)

수소의 대량생산 암모니아(NH3)를 생산하기 위해 수소가 필요

Hydrogen balloon

“암모니아“ 연금술사의핵심 연료 중의 하나(염화 암모늄)8세기

염화 암모늄에서 암모니아를 분리, “알칼리성 공기＂1744.

유럽인구의 증가 → 식량문제 제기 → 토양 퇴비(인분 → 질소화합물)1800년대

질소화합물을생산하기 위한 다양한 연구(그 중 암모니아 포함, N2+3H2 →2NH3)기술개발의 화두 : 공기 중의 질소를 포집하는 것 → 200기압에서 액화 기술 개발(1900초)

1800.~1900.

독일 BASF社의 하버보쉬가 고압(200기압)에서 질소, 수소를 이용한 암모니아 기술 특허1908.

코트스(coke) or 하이드로카본(hydrocarbon)과 스팀(steam)으로 수소의 대량생산(특허)1913.

원유(oil)와스팀(steam)에서 수소생산기술개발1931.

메탄(CH4)와 스팀(steam)에서 수소생산기술 개발

석유정제시수소(H2)로 황(S) 제거하는 plant 건설

1936.

Methane-steam plant(Billingham, 1939)

냉매 CFC → HCFC, HFC1930년 초반

다양한 화학물질산소 제거용 등

국내 최초의 정유공장 준공(대한석유공사, 울산)이후 석유화학산업에 수소활용

1963.

Source : 강원 삼척 Forum 2017, 구영모, KATECH (2017, 06, 09)

2차 에너지 원

1. 에너지 매체

2. Hydrogen Energy 특징 (3E)

Ecological (생태학적 관점),

Energetic (에너지 밀도), 단위 무게당 높은 에너지 밀도,

Economic(경제적)

수소 에너지(수소 경제사회)

수소경제 사회란? :

특징 1 : 다양한 일차 에너지원으로부터 생산 가능

특징2 : 전력으로 쉽게 전환

특징3 : 에너지 저장 매체

특징4 : 이용 시 CO2 발생하지 않음

수소 가치사슬

COP 212015 Paris

Adopt the Agreement of

Post 2020 Regime based on INDC(2015.12.12)

2030년 까지 국내 온실 가스 감축 목표

수소사회 전환 필요성

에너지 효율향상, 발전부문 저탄소화, 연료전환 3개의 큰 축

Fuel cell Power System Renewable Energy Fuel cell Electric Vehicle(FCEV)

Contribute de-carbonization (Environment)

Mitigate dependence on specific countries (Energy security)

Enable to utilize low cost feedstock (Economic affordability)

Why Hydrogen ?

온실가스 대응방안

수소사회 전환 필요성

Source : Bloomberg New Energy Finance 2015

2017년 기준 : PV 98 GW (누적 386 GW), Wind 47 GW (누적 514 GW)

태양광 풍력

Source : IRENA 2018

Problem : 전력 안정성 저해

계절별 시간대별 지역별Solution : Hydrogen전력저장장치 필요성

수소사회 전환 필요성

수소사회 당위성

수소의 안전성

미래 수소사회 전망

수소 이용 및 수소 산업

수소 산업

구분 부생수소 천연가스 개질 수전해

원료나프타 (Naphtha)

염수메탄 (CH4) 물 (H2O)

생산 방법나프타 전환하는개질 공정(정유공정)CAA 공정

CH4 + 2H2O→ CO2 + 4H2

H2O → H2+ ½O2

(지역분포) 울산 50%, 여수 34%, 대산 11%, 기타 5%

수소 생산

부생수소 생산 업체 부생수소 정제 및 판매 업체 부생수소 사용처

200~300원/Nm3

Pip line 250~350원/Nm3

카트리지 600~700원/Nm3

수소 이송 및 이용

연료전지 란?

화학에너지 열에너지 기계에너지 전기에너지

전기에너지화학에너지

수소 이용(연료전지)

연료전지 개발 역사

수소 이용(연료전지)

적용분야

휴대용 전원(핸드폰, 노트북)

수송용(자동차,해양선박)

가정용 발전/보일러(건물용)

발전용(분산발전, 중앙발전)

삼성전자 현대차삼성중공업, 대우조선해양

두산, S-퓨얼셀,현대 하이스코

두산, LG,현대 하이스코, 포스코에너지

10-100 W 100 kW - MW 1 kW - 100 kW 200 kW- 4.8 MW

수소 이용(연료전지)

스택 운전장치

전장장치

수소저장장치

하이브리드차, 전기차와 유사

수소 이용(연료전지) 자동차

수소공급장치, 압축장치, 저장장치, 충전장치, 운전장치로구성 수소공급장치 : 카트리지 또는 개질기 통해 수소를 공

급하는 장치 압축장치 : 다이아프램 또는 승압장치를 이용하여 수

소를 압축하는 장치 저장장치 : 압축된 수소를 대용량 고압용기에 저장하

는 장치 충전장치 : 저장된 수소를 디스펜서를 통해 FCEV에

충전하는 장치 운전장치 : 각 장치를 연결하는 고압밸브/배관, 센서

및 통합제어 장치

수소 이용(수소충전소)자동차

수소 이용(수소 전기차)

서울 상암(2010) 개질, 서울시

서울 양재(2016) 부생, 현대차

창원 팔룡(2017) 부생, 창원진흥원

창원 성주(2018) 부생, 창원진흥원

광주 진곡(2014) 부생, 그린카진흥원

광주 동곡(2018) 부생, 그린카진흥원

충남 내포(2015)부생, 충남TP

울산 북구(2018) 부생, 경동가스울산 울주(2019) 부생, 신일충전소

울산 매암(2012) 부생, 현대차울산 남구(2017) 부생, 옥동충전소

• 국내수소 충전소 구축 : 17곳- 부생 수소 공급 : 14곳- 개질 수소 공급 : 3곳

• 국내 수소 차량 보급 대수- 수소 차량 대수 : 891대(’18년)- 수소 전기차 889대, 수소 버스 2대

수소 이용(수소 전기차)

•

(100kW x 4ea)

• Fuel processing system

• Thermal management

system

• Frame

• Controller

• Power distribution

• Inverter and grid connection

• Process blower

• Ventilation fans

수소 이용(발전용 연료전지)

수소 이용(발전용 연료전지)

전기효율 49%, 57.7 kg/MWh, 연간 454.9 ton (가동률 90%) : Hydrogenics

전기효율 48%, 65.4 kg/MWh, 연간 515.6 ton (가동률 90%) : Doosan FC

수소 이용(발전용 연료전지)

에너지 전환

화석연료 (석유,석탄 등) 재생에너지

[전환에 따른 변화]

태양광 및 풍력 전력 변동성 유연화,전기에너지의 장기저장

수소에너지의 활용이 필수적임

수소에너지 : 에너지 저장, 전달 물질

- 석탄 등 화석연료 사용량 감소- 재생에너지 (태양광, 풍력 등) 발전비중상승 (2030년 까지 20%)

태양광, 풍력전력 변동성 심화

계절 및 시간에 따른대용량 전기에너지 저장 필요

수소 연료전지의 역할

기후 변화(환경규제)

산업구조 개편

수송 산업

전기차(BEV)

수소전기차(FCV)

수소연료전지 전철

건설기계(트렉터, 지게차 등)

농업용 기계건설, 기계 산업

온실가스 감축정부 정책 (환경규제)

에너지 관련 산업 구조 개편(기술개발 방향 제시)

에너지 신 산업 창출

조선 해양 산업수소 연료전지 선박

기타

가정용 연료전지

이동식 연료전지 발전기

난방, 발전

선박개조 및 수리 조선소

건물, 발전용 연료전지

UPS 용 연료전지

드론, 자전거, 오토바이 등

Hydrogen Micro Grid

※ 에너지 전환 확대- 온실가스, 미세먼지 감축 등시대가 요구하는 에너지 전환 확대(재생, 전기, 수소에너지)

※ 미래 신 산업 육성- 미래 신 산업 선점을 위한 정책수립- 부품, 소재 산업 지원- 원천기술 확보를 위한 R&D 개발

: 연료전지, 전기분해- 인프라 (수소생산, 이송, 충전) 확보- 재생에너지 연계 융합기술 개발

정부의 대응방안

수소에너지와 수소관련 산업

수소사회 당위성

미래 수소사회 전망

수소 이용 및 수소 산업

수소의 안전성

1. 1937년 5월 9일 미국 레이크 허스트에 도착한 힌덴부르크 호 착륙시 폭발

2. 1951년 미국에서 개발 된 수소 폭탄의 수소

출처 : 수소에너지 대국민 인지도 조사_H2KOREA_2017년

- 수소에 대한 기본 인식조사에서 응답자 28.7%가 ’수소는 위험한물질로 인식.

- 한편 ‘수소=미래에너지’라는 시각과 함께 친환경 이미지가 전체응답 절반 상회

과연 수소는 그렇게 쉽게 폭발하고, 그렇게 위험한 물질일까 ?

• 수소는 석유화학, 정유, 반도체, 식품 등 산업현장에서 수 십년간 사용해온 가스

• 과학적 폭발은 1) 물리적, 2)화학적으로 구분

- 물리적 : 고압에 의한 저장용기의 균열 등에서 발생 (자동차 수소저장 용기 철보다 10

배 강함)

- 화학적 폭발 : 연소 반응으로 누출 가스구름 발화 원 3가지 요소가 충족 시 발생

(수소는 가장 가벼운 기체, 누출 시 빠르게 확산되어 가스 운 생성이 어렵고

공기 중에서 쉬게 희석되어 3요소 충족이 어려움)

수소 안전

수소 안전

【 종합적 위험도 평가 : 가솔린 > 프로판> 메탄 > 수소 】

주요 평가요소 가솔린LPG

(프로판)

도시가스

(메탄)수소

자연발화온도 4 3 2 1

연료 독성 4 3 2 1

불꽃 온도 4 2 1 3

연소 속도 1 2 3 4

상대적 위험도

(수소 = 1)1.44 1.22 1.03 1

전문기관(한국 산업안전공단, 미국 화학 공학회)의 수소 종합적인 위험도 분석수치에 따르면 도시가스보다 위험도가 낮다는 것을 확인

수소 안전

수소 안전

수소사회 당위성

수소 이용 및 수소 산업

수소의 안전성

미래 수소사회 전망

기존산업 대체 수소 원료 온실가스 유발 냉매 대체(HFC → HFO 등)

기존 수소이용 공정변화 철광산업의 코크스 활용 → 수소환원 제철공정

기존 산업 수소 사용확대 식량자원, 화학원료, 태양광 패널, 반도체 등

3Fe2O3(산화철) + 5CO

→ 6Fe + 5CO2

3Fe2O3(산화철) + 9H2

→ 6Fe + 9H2O(청정)

기존 고로공정 수소환원 제철공정

새로운 신 산업 수소를 원료로 하는 산업 → 연료전지 산업 등

수소로 CO2를 제거하는 산업 → Power to Gas

전기를 저장하는 산업→ 수소ESS

미래 수소 활용 신 산업

H2 Town at Onsan (195 kW FC ) 5 MW FC Demonstration,1 MW PEMFC test bed in Ulsan

미래 수소 활용

Fuel Cell

Electolysis

H2 Storage

미래 수소 활용 신 산업

미래 수소 활용 신 산업

Source : Pyeongchang Forum 2018, Torsten Herbert NOW, Gmbh(2018, 02, 08)

미래 수소 활용 신 산업

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