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1 Korea Institute of Science & Technology 호 주요국의녹색정책동향지속가능발전을위한 CCS 기술 _ 박상도 2차전지기술개발동향및관련이슈 _ 조재필이규태최남순친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템 _ 김영일이한수그린카관련국내외기술동향및주요이슈 _ 강건용

2 주요국의녹색정책동향 1 지속가능발전을위한 CCS 기술 7 2 차전지기술개발동향및관련이슈 41 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템 83 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 109

3 발간사 기후변화에대한대응은인류생존을위협하는전지구적인도전이며, 저탄소사회의실현은미래세대에대한책임입니다. 이러한전지구적 세대적책임을대내적으로는경제성장을견인하고대외적으로국격을제고할수있는적극적인대안이 녹색성장국가전략 입니다. 지속가능한녹색성장을위해서는환경친화적인경제성장을실현해야하며이를위해우리정부는 녹색성장 5개년계획 을발표하고, 녹색기술의개발및성장동력화를중요한정책방향으로제시하고있습니다. 한편국가연구개발에대한기획 평가 조정을전담하고있는 KISTEP 은 녹색기술연구개발종합대책, 녹색기술개발과상용화전략 등녹색기술 R&D 전략을총괄수립한바있습니다. 또한녹색위 국과위의녹색기술예산배분방향설정, 녹색기술정책및동향분석등의업무를수행하고있으며, 그일환으로주요녹색기술에대한심층적인동향분석리포트인 Green-tech RESEARCH' 를발간하게되었습니다. 본 Green-tech RESEARCH' 는주요녹색기술별로국내외기술, 정책, 산업및시장동향을분석하고이에따른국내 R&D 전략에대한시사점을제공하고자하였습니다. 보고서발간을위해 Green-tech 전략 SEMINAR' 의발표및토론에참여해주시고, 그결과를원고로작성해주신박상도박사님 (CCS), 조재필교수님 ( 이차전지 ), 김영일 이한수박사님 ( 미래원자력 ), 강건용박사님 ( 그린카 ) 등집필진에게깊은감사를드리며, 본심층분석자료가녹색기술정책및전략수립에유용한정보로활용되기를기대합니다. 마지막으로본 Green-tech RESEARCH 에수록된내용은필자의개인적견해이며, KISTEP 의공식적인의견이아님을밝힙니다 년 5 월 한국과학기술기획평가원원장이준승

4 주요국의녹색정책동향 주요국의녹색정책동향 1. 미국 지난 2010년 2월 1일미국의오바마대통령이연방의회에제출한 2011 회계연도정부예산안은올해예산 3조 6천억달러보다소폭증가한총 3조8천 3백억달러로, 중소기업육성, 인프라구축및클린에너지투자확대를통해새로운일자리를창출하여취업률을제고하는등경제활성화와적자감축이라는두가지전략목표를바탕으로한부처별투자계획이포함되었다. 가. 에너지부 (DOE) 주요예산현황 먼저총 284억달러의예산을배정한에너지부 (Dept. of Energy, DOE) 는고위험 고수익의 R&D 투자를지원하기위해신설된 ARPA-E(Advanced Research Projects Agency-Energy) 에대하여처음으로정규예산 3억달러를배정한가운데에너지혁신허브 (Energy Innovation Hubs) 프로그램에도 1억7백만달러의예산을지원하게될예정이다. 이밖에도 5천만달러의예산을투입하여 RE-ENERGYSE(Regaining our Energy Science and Engineering Edge)' 라는프로그램을신설하였다. 원자력플랜트구축예산과는별도로혁신에너지기술의조기상용화를위해 3백6십억달러를추가로지원하고, 에너지응용연구에도 23억달러를투자하여미국이에너지기술에서도세계를이끌수있도록하겠다는의지를표명했다. 아울러태양력, 바이오매스, 지열, 풍력, 원자력과같은청정에너지기술개발을지원함으로써저탄소경제로의전환을가속화하고, 원자력과관련하여안전과신뢰를확보할계획임을밝혔다. 1

5 Green_tech Reseach 나. 환경청 (EPA) 주요예산현황 환경청 (Environmental Protection Agency, EPA) 은총 100억달러의예산중 33억달러를물관련인프라 (Clean Water and Drinking Water State Revolving Funds) 구축에집중시킬예정이다. 특히올해부터시작되는온실가스배출신고제를위해 2010년에비해 4백만달러가증가된 2천백만달러를지원할예정이며, 탄소배출규제를위해 4천3백만달러의예산을신규로투입할예정이다. 다. GCRP 및대기해양청 (NOAA) 주요예산현황 이밖에도기후및지구환경변화에대한이해도를높이고지구탐사를활성화하기위한연방정부의 US Global Change Research Program 의경우 2010 년대비 21% 증가한 26억달러의예산을책정, 가파른증가세를보였으며, 대기해양청 (NOAA) 의 R&D 관련예산또한 22% 증가된 9억 4천 9백만달러가배정되었다. 출처 : Budget of the U.S. Government : Fiscal Year 일본 일본은지난해 12월 30일발표한 신성장전략 을통해 2020년까지 환경, 건강, 관광 의세분야에 100조엔이넘는새로운수요를창조함으로써고용창출과국민생활향상을달성할것이라고밝혔다. 이를위해 그린이노베이션 (Green Innovation)' 과 라이프이노베이션 (Life Innovation)' 을핵심과제로선정하고, 과제별세부목표와추진전략을마련하였다. 여기서는일본의 그린이노베이션 ' 에대해중점적으로살펴보고자한다. 일본정부는 환경 에너지대국 이라는비전을제시하고, 2020 년까지 50조엔이상의환경관련신규시장개척, 140만명의환경분야신규고용창출, 일본의민간기술활용을통한세계온실가스 13억톤 1) 이상감축 을 3대목표로설정했다. 이를위해 1) 전력의고정가격매입제도 1) 일본의전체온실가시배출량에해당함 2

6 주요국의녹색정책동향 확충에의한재생가능에너지의보급, 에코주택및히트펌프등의보급을통한주택과상가의제로에미션 (zero emission) 화, 2) 배터리및차세대자동차, 화력발전소의효율화등혁신기술개발의조기실현, 3) 규제개혁, 세제의그린화를포함한종합적인정책활용및집중투자를통한저탄소사회실현이라는 4대추진전략을마련하였다. 가. 그린이노베이션을통한성장, 이를위한자원의확보 일본은에너지자원확보를위해재생에너지 ( 태양광, 풍력, 소수력, 바이오매스, 지열등 ) 의보급확대를지원하고, 전력기술개발 ( 축전지, 차세대자동차및화력발전소의효율화, IT의저소비전력화등 ) 을앞당겨실시할것이라고밝혔다. 또한일본형스마트그리드에의해효율적인전력수급을실현하고, 자원재활용활성화및희귀금속 원소등대체자원의확보및기술개발을추진하는등종합적인자원확보전략을수립할것이라고밝혔다. 나. 라이프스타일의전환 또한주택과상가등의제로에미션 (zero emission) 화를위해서는에코주택을보급하고, 재생가능에너지이용과히트펌프의보급을확대하며차세대조명에 LED 및유기EL을 100% 활용하는등라이프스타일의저탄소화실현을위한계획을제시했다. 뿐만아니라가정부문의제로에미션 (zero emission) 화를위해 환경콘세르쥬 (concierge) 제도 를마련하겠다고덧붙였다. 다. 노후건축물의개보수를통한녹색도시건설 일본의도시를온실가스배출이적은 녹색도시 로바꾸기위해노후건축물의재개발및개보수를촉진하고, 이를위해필요한규제완화및지원책을마련할계획임을밝혔다. 또한녹색도시건설을위해중장기적인환경기준을수립함과동시에도시계획이나도시재개발등을위한매뉴얼을저탄소관점에서근본적으로재검토되어야함을강조했다. 출처 : 新成長戰略 ( 基本方針 ) 輝きのある日本へ ( 3

7 Green_tech Reseach 유럽 EU 집행위원회는 2010 년 3월 3일벨기에브뤼셀본부에서열린회원국정상회의에서 유럽 2020 전략 (Europe 2020 Strategy)' 을발표하고, 지식과혁신기반의 스마트성장 (smart growth), 녹색경제로의변화를통한 지속가능성장 (sustainable growth), 취업률제고및사회통합을통한 포괄성장 (inclusive growth) 의 3대목표와함께 1)20 64세인구의취업률 75% 달성 2) 연구개발 (R&D) 투자금액의 GDP 3% 달성 3) 기후변화및에너지효율의 목표 2) 달성 4) 학업중도포기억제및대학졸업률 40% 달성 5)2천만명의빈곤층탈피라는 5개중점과제를제안했다. 특히 EU는세계녹색성장의선두주자였음을되새기고, 미국이나중국의약진을위기로삼아녹색기술시장에서선두의자리를지켜내기위해노력해야한다고강조했으며이를위한 EU와회원국의세부실천과제를아래와같이제시하였다. 가. EU 집행위원회의세부실천과제 지역개발및구조기금, 연구개발프로그램 (R&D FP) 등지속적인금융지원동원 탄소배출권거래제, 에너지세제개편등시장기반정책확충 물류의현대화및저탄소화 : 지능형교통 물류기술, 그린카개발을통한 CO2 배출량감축 도시, 항구, 물류시스템의병목현상해소방안마련 권역내에너지시장구축및 전략적에너지기술 (Strategic Energy Technologies, SET) 계획이행 유럽에너지네트워크 (Trans European Energy Networks) 를포함한재생에너지의상호연계 이동을위한유럽고유의스마트그리드구축 에너지효율화이행계획 (Energy Efficiency Action Plan) 을위한금융지원및투자활성화 2050 년까지저탄소, 에너지효율적경제로성장하기위한구조적 기술적변화상및비전수립 2) 2020 년까지온실가스배출량을 1990 년대비 20% 감축하고, 최종에너지소비중재생에너지비율을 20% 로끌어올리며에너지효율을 20% 제고함 4

8 주요국의녹색정책동향 나. 회원국의세부실천과제 환경유해성보조금지원제도철폐 생산및소비측면에세제지원등시장기반제도활용 정보통신기술을활용한지능형물류및에너지인프라개발 EU 핵심망 (Core network) 내에서각국의인프라확충 탄소배출과혼잡의원인인도심교통문제해결방안마련 각종규제, 세제및보조금등시장기반제도활용을통한에너지 자원사용량감축, 공공건물의에너지효율성제고를위한재정지원 에너지집약산업에 IT기술을활용하는등에너지효율성을높일수있는방안마련출처 : EUROPE A European strategy for smart, sustainable and inclusive growth 4. 중국 세계최대온실가스배출국인중국은고도성장에서지속가능한경제성장으로목표로바꾸고환경보호와자원보호를국가시책으로추진하고있다. 세계 2대경제대국으로서온실가스배출삭감의무를실천하고, 양적성장에서질적성장으로경제성장방식을전환하는한편산업구조조정을통한녹색산업육성에박차를가하고있다. 이러한맥락에서제11차5개년계획 ( ) 기간중환경관련법률 15개, 국무원제정행정규범 36개, 규정 87개를제 개정할계획으로 재생에너지법 (2006), 재생에너지중장기발전계획 (2007), 순환경제법 (2009), 중국에너지절약법규 (2008) 등주요법령과정책을발표하였다. 가. 3 대환경보호과학기술공정 추진계획발표 지난 3월 21일중국충칭 ( 重慶 ) 에서개최된 2010 년중국환경보호과학기술업무회의 에서중국은 2010 년한해동안 환경과학기술혁신추진, 환경보호표준체계구축 및 환경기술관리체계구축 을내용으로하는 3대환경보호과학기술공정 을중점추진할것이라고밝혔다. 제12차 5개년계획 3) (2011 3) 2011 년 ~2015 년간의중국경제발전계획으로올해 9 월 ~10 월중개최되는중국공산당제 17 차 5 중전회시기에발표될예정. 에너지, 신소재, 환경, 바이오, 첨단제조업, 삼망 ( 전화, 방송, 인터넷 ) 융합등이신형산업에포함될예정 ( 파이낸셜뉴스, , cdateday=09) 5

9 Green_tech Reseach ) 기간동안중점적으로추진될 환경보호과학기술공정 을통해중국정부는청정에너지, 재생에너지, 저탄소, 에너지절약, 자원의효율성향상및순환이용, 환경친화적제품및서비스개발등에집중할예정이다. 이기간동안의정부투자액은제11차 5개년계획기간동안의투자액 ( 약 1조5,000 억위안 ( 약 2,200 억달러 )) 의 2배인총 3조위안 ( 약 4,400 억달러 ) 에달할것으로보인다. 나. 환경보호에중점을둔산업구조조정실시 중국은산업구조조정측면에서도에너지소비가많고폐기물배출이많은산업의성장을억제하는등환경보호에주력할것임을시사했다 년 1월원자바오총리주재상무위원회에서발표된 낙후산업에대한 6대구조조정조치 는투자프로젝트심사시환경보호와에너지소비지표를강화하여진입문턱을높이고, 낙후산업의도태목표를달성하지못한기업에오염물배출허가및생산허가를취소하는등의처벌규정을강화하는등의내용을담고있다. 다. 상하이엑스포를통한녹색강국의면모제시 2010년 5월 1일부터 10월 31일까지개최되는 2010 상하이엑스포 는 Better City, Better Life' 라는역대엑스포사상처음으로 도시 를주제로정하였다. 중국의경제발전을이끌며이제세계경제의중심으로거듭나는상하이가앞으로경제뿐만아니라환경과삶의질을생각하는선진경제국으로도약하겠다는의지를엑스포를통해보여주겠다는것이다. 특히엑스포기간동안전기자동차와수소전지자동차를운행하고, 건물옥상에는태양광발전기가설치될예정이다. 출처 1. 과기일보 ( 2. 중국전략적신흥산업의발전방향과향후전망, , KIEP 3. Green Report, Vol 7, 2010 Spring, KOTRA 6

10 지속가능발전을위한 CCS 기술 이산화탄소저감및처리기술개발사업단장박상도 저자소개 박상도 ( 朴尙道 ) - 서강대화학공학박사 - 이산화탄소사업단단장 - 국가과학기술위원회녹색기술위원회위원 - 한국에너지기후변화학회부회장 sdopark@kier.re.kr

11 요약 9 Ⅰ. 서론 11 Ⅱ. 기술개요 CCS 기술의개념 포집기술 수송기술 저장기술 19 Ⅲ. CCS 기술개발동향 주요국동향 주요기업의 CCS 기술개발동향 전세계 CCS 프로젝트현황 36 Ⅳ. 시사점및정책제언 CCS 동향분석에따른시사점 CCS 기술의개발방향제언 38 참고문헌 40

12 지속가능발전을위한 CCS 기술 요 약 온실가스를감축하고기후변화문제에근본적으로대응하기위해서는무엇보다도관련기술개발이핵심사항이다. 화석연료를근본적으로대체할수있는신재생에너지기술등이궁극적인지구온난화방지기술이라할수있으나가까운시일내에화석연료를대체할만한경쟁력확보가어려울것으로평가되고있어경제성있는신재생에너지가개발될때까지인류의지속가능발전을감안한안정적화석연료사용을위해이산화탄소포집및저장기술 (CCS; Carbon capture and storage) 이중요대안으로여겨지고있다. 더군다나 2008 년일본에서개최된 G8 정상회의에서기후변화방지를위한 CCS 기술의조기상용화가필요하고이를위해 2010년까지지구상에총 20개의대규모 CCS 실증데모프로젝트를발표할것에합의하였다. 우리나라의중기감축목표달성의주요수단에서도 CCS 도입을명시하고있어 CCS 기술의중요성이한층더부각되고있다. 이산화탄소포집및저장기술은화석연료사용으로인해발전소, 철강, 시멘트공장등대량배출원에서배출되는이산화탄소를대기중으로부터격리시키는기술이다. 특히이산화탄소포집기술은전체비용의 70 80% 를차지하는핵심기술로서포집위치에따라 연소후포집기술 (Post-combustion technology)', ' 연소전포집기술 (Pre-combustion technology) 및 산소연소기술 (Oxy-fuel combustion technology) 로구분된다. 이와같은기술에의해포집된이산화탄소는해양, 지중, 지표등에저장될수있으나해양저장은해양생태계문제를야기할수있으며, 지표저장은이산화탄소를고착화시킨광물의저장소문제등으로인해아직은기술초기단계이다. 반면지중저장은대대적으로추진되고있는대표적저장기술로육상혹은해저의깊은지층에저장하게되는데저장소위치에따라폐유정 / 가스전저장, 폐석탄층저장, 대수층저장등이있다. 선진국들은이미 CCS 기술을블로오션산업으로정의하고국가주도의연구개발을적극추진중으로 CO2흡수제상용화등시장선점을위해경쟁하고있다. 미국은범부처프로젝트인 CCTP 프로젝트의하나로 2015년까지실용화가가능한기술적검증을완료한다는목표하에 CCS R&D 프로젝트를역점적으로추진하고있으며 EU는 FP7 프로그램중 Zero Emission fossil fuel Power plant(zep) 를통해 2020년까지이산화탄소무배출화력발전소의가동을목표로관련연구에 32억유로를투입하고있다. 일본은 RITE 를중심으로 2015 년까지 CCS 기술의실증을완료한다는목표를가지고전략적으로관련연구를추진중으로 IEA 는 2015 년경 CCS 시장이형성되어 2020 년경본격화될것으로전망하고있다. CCS 기술개발의당면과제는무엇보다도포집기술의경제성확보라할수있다. 현재이산화탄소포집분야의세계최고수준인일본 MHI의 KS-1 도포집비용이약20$/tCO2 9

13 Green_tech Reseach 수준으로아직까지는경제성문제가극복되지못하고있는바선진국들은경제적이산화탄소처리가가능한수준인 10 15$/tCO2 를목표로기술개발에박차를가하고있다. 이산화탄소저장기술의경우는전통적으로석유생산증진의목적으로이산화탄소를활용하면서기업을중심으로추진되어왔으나거동안정성등에대한연구는미흡한실정으로최근지중저장을중심으로거동안정성, 저장가능량평가등에대한실증연구를국제공동연구로수행중이다. 이와같은선진국과경쟁하기위해서는우선기술개발측면에서 CCS 기술의조기상용화를위한기존기술을활용한상용데모프로젝트추진과포집비용을획기적으로낮출수있는핵심원천기술개발이필요하다. 즉, 포집 저장기술의통합실증데모프로젝트추진을통하여 CCS 기술신산업초기시장선점의기반을마련함과동시에 CCS 비용을획기적으로낮출수있는 (tco₂당 10 20US$) 혁신적인기술개발이요구된다. 현재까지개발된아민계개량흡수제가운데는미쓰비시중공업 (MHI) 이개발한 KS-1 이가장효율이높은것으로알려져있으나, 이또한 CO₂포집비용이 tco₂당 40US$ 을초과하는것으로추정되고있어이를극복할수있는혁신적인기술개발이필요한것이다. 둘째, 효율적 CCS R&D 추진을통한온실가스중기감축목표달성과녹색신산업창출을동시에이루기위해범정부차원의 CCS 종합추진계획이필요하다. 즉, 부처간역할분담과상호유기적인연계를통하여기초원천 R&D 에서상용화개발까지밀접하게연계된기술개발추진체제구축필요하다. 우리나라는 2000년대초부터 CCS에대한 R&D 를본격추진중이나, 기술수준이낮은편이며부처간분산투자로효율성저하가우려되는상황으로산학연이보유한 CCS 기술역량의총체적결집, 기술개발을가속화시키기위한범부처연계협력체제의구축을강화해야한다. 또한기존의 CCS기술투자로는선진국과기술경쟁어려움에따라 CCS 기초기반연구에서 CCS기술실증까지의전주기적기술개발이필요하다. 현재까지는 CO₂포집분야핵심요소기술중심으로연구가추진되었으나, 대규모투자가동반되는스케일업또는상용실증프로젝트는아직추진되지못하고있는현실이다. 마지막으로 CCS 기술개발및상용화가속화를위한정부주도의노력이요구된다. 즉, 아직까지는세계적으로 CCS시장이형성되지않아기업의대규모투자유인이부족하고, 성장동력창출을위한이니셔티브가부족한상황이므로정부주도로초기의 CCS 시장창출을위하여정부주도의대규모실증프로젝트추진및국제공동프로젝트참여등의리더십이필요하며, 상용화가속화를위하여법제도정비, 조세 금융지원제도, 표준 가이드라인마련, 인력양성, 환경 안전관리, 대국민인식제고등기반구축등이필요하다. 10

14 지속가능발전을위한 CCS 기술 Ⅰ. 서론 온실가스를감축하고기후변화문제에근본적으로대응하기위해서는무엇보다도관련기술개발이핵심사항이다. UN기후변화협약 (UN Framework Convention on Climate Change, UNFCCC) 과 Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC) 에서는기존생활수준에악영향을미치지않는범위에서지구온난화가스 (Greenhouse Gases, GHG) 의대기농도와대기온도를안정화시키는기술로에너지효율향상및절약, 저탄소에너지원 ( 원자력, 재생에너지등 ) 으로의전환, 온실가스회수처리기술을제시하였다. 사실상궁극적인온실가스감축기술은화석연료를대체할수있는풍력, 태양광발전, 태양열에너지등과같은재생에너지와연료전지, 석탄액화가스, 수소에너지와같은신에너지로분류되는신재생에너지기술등이라할수있으나, 해당기술이가까운시일내에화석연료대비경쟁력을갖는것이어려울것으로평가되고있어경제성있는신재생에너지가개발될때까지인류의지속가능발전을감안한안정적화석연료사용을위해이산화탄소포집및저장기술 (CCS; Carbon capture and storage) 이중요대안으로여겨지고있다. IEA 분석에따르면 CCS는 CO₂감축에가장중요한역할을하는단일기술로, 2050년총감축량 48GtCO₂ 중 19% 인약 9GtCO₂ 를 CCS 기술이감당할것이며, 만약 CCS 기술없이 2050년 CO₂를 50% 감축하려면, 연간 1.28 조달러의추가경비가발생할것으로전망되고있어온실가스감축기술로써의 CCS 위상이강화되고있다. 아울러 CCS IEA 등국제기구에서는 2012년이후신규화력발전을 CCS ready로건설할것을권고하고, OECD 국가부터 2020년이후신규화력발전에 CCS 설비추가의무화를추진하고있어 2015년부터 CCS 시장이형성되어 2020년대에본격화될것으로전망되는가운데지난 2008년일본에서개최된 G8 정상회의에서기후변화방지를위해 CCS 기술의조기상용화가필요하며이를위해 2010년까지지구상에총 20기의대규모 CCS 실증데모프로젝트를발표할것에합의하였고지난 2009년발표된우리나라의중기감축목표달성의주요수단에서도 CCS 도입강화를명시하고있어 CCS 기술의중요성이한층더부각되고있다. 그림 년온실가스감축시나리오 (IEA, 2008) 11

15 Green_tech Reseach Ⅱ. 기술개요 1. CCS 기술의개념 CCS 기술은화력발전소, 철강 시멘트공장등에서배출되는대량의 CO₂를포집하여대기로부터격리하여저장하거나, 유용한물질로전환하여활용하는일련의기술을의미한다. CCS 기술중이산화탄소포집기술은전체비용의 70 80% 를차지하는핵심기술로서크게 연소후포집기술 (Post-combustion technology), 연소전포집기술 (Pre-combustion technology) 및 산소연소기술 (Oxy-fuel combustion technology) 로구분된다. 포집된이산화탄소는파이브라인, 선박, 차량등을통한이송후해양, 지중, 지표에저장된다. 2. 포집기술 그림 2. CCS 기술개념도 가. 연소후포집기술 연소후배기가스에포함된이산화탄소를포집하는기술인연소후포집기술은기존발생원에적용하기가장용이한기술로흡수제를이용하여이산화탄소를흡 탈착하여이산화탄소를분리하는방법등획기적인흡수제성능향상과공정개발등에초점을맞춰개발하고있다. 이산화탄소포집공정은이미요소비료생산, 자동용접, 탄산음료등에필요한이산화탄소를공급하기위하여 12

16 지속가능발전을위한 CCS 기술 아민계흡수공정과제올라이트분자체나활성탄을사용하는흡착공정 (PSA) 이상용화되어가동되고있다. 가장많이상용화된아민계흡수공정을화력발전소배가스에서이산화탄소를포집하는데적용하면이산화탄소 1톤을포집및저장하는비용이 50US$ 이상소요되어전력생산단가가 60 70% 증가하므로저비용이산화탄소포집기술을개발하기위하여신형아민, 암모니아수, 탄산염등을사용하는액상흡수공정, 고체탄산염을사용하는유동층건식흡수공정, 막분리공정등이활발히연구되고있다. 그림 3. 연소후포집기술의개념도 아민계포집공정은습식흡수기술의대표적인공정으로석유화학공정중개질공정에서적용된바있는기술적신뢰성이확보된기술이나, 다양한오염물이포함된연소배가스에적용하기위해서는흡수제성능및공정개선이필요한분리기술이다. 이와같은습식흡수기술은흡수제의특성에따라화학및물리흡수공정으로구분되는데, 전자는이산화탄소와흡수제간의화학적결합에의하여분리되는공정이고, 후자는이산화탄소의분압과관련된물리적결합에의한것이다. 암모니아수를이용한이산화탄소포집공정은탄산암모늄이이산화탄소와물과반응하여중탄산암모늄이되는반응이주반응으로반응열이적으며, 재생온도가 80 로서 120 에서재생을하는아민계공정에비하여수분증발열 (heat of stripping) 이없고, 암모니아수가격이다른흡수액에비해 1/10 정도로저렴하며, 배가스에포함된 SOx, NOx 에영향을거의받지않는다는장점을가지는반면암모니아의증기압이높아서배출가스와함께배출되는암모니아유출문제해결과 25 이하에서흡수를하여야성능이유지되므로발전소탈황설비 (FGD) 후단에서나오는 50 의배가스를냉각해야하는 13

17 Green_tech Reseach 단점을가지고있다. 탄산칼륨을이용한포집공정은약 100 와 기압하의등온흡수탑과탈거탑내에 40wt% 탄산칼륨수용액을이용하는것으로써 Benson 에의해처음개발되었다. 이공정은 MEA 화학흡수공정에비해두탑을등온에서운전하므로빠른순환속도를가질수있고 SO₂에의해흡수제가열화되는현상이낮기때문에효율적인이산화탄소흡수공정으로평가되고있다. 그러나탄산칼륨수용액은아민계흡수제에비해상대적으로흡수속도가느리기때문에다양한아민과무기촉매를첨가하여성능을개선하는방향으로연구가수행되고있다. 유동층건식흡수공정은습식흡수제대신고체입자가이산화탄소를흡수하고조건변화에따라다시이산화탄소를배출하고원래의고체화합물로재생되는시스템으로알칼리급속, 알칼리토금속, 건식아민등의다양한건식재생용흡수제개발이추진되고있다. 폐수가발생되지않고부식문제가적으며, 재생공정에서의높은에너지소모의문제점을극복할수있을것으로기대되고있으며상업적기술로정립되지않은상태이지만, 포집비용을줄일수있는혁신기술로인식되고있다. 막분리기술은배가스로부터이산화탄소를선택적으로투과시키는분리막을이용하여이산화탄소를선별적으로분리하는기술이다. 연소후배가스는 500MW 급발전소기준배출량이 1,500,000Nm3/h 수준이고주입부압력이매우낮고다량의수분을포함하고있으며, 미량의산성가스를포함하고있어막분리공정적용이쉽지않다. 따라서효율적인포집시스템구축을위해가장중요한기술인분리막소재의투과성, 분리막유효층의박막화를통한단위모듈의처리용량증대, 막분리시스템의최적화를위한각국의기술개발이매우치열한상태이다. 막분리시스템은아직상업화되지는못했지만, 현재미국 MTR 社의년 1,000Nm3/h 규모 bench-scale 실증플랜트 (APS Red Hawk Power Plant) 등과같이전세계적으로다수의연구개발이진행중에있다. 분리막기술을이용한연소후이산화탄소포집공정의경제성은호주 CSIRO 와프랑스 ENSIC Nancy Universite 등의연구진들로부터다양한분리막의소재투과도및선택도에따라평균적으로선택도 40, 투과도 mol/m²secpa 이상이면 $20/TCO₂ 이하의포집비용이소요될것으로예측되고있다. 나. 연소전포집기술 연소전기술은석탄의가스화 (gasification) 또는천연가스의개질반응 (reforming) 에의한합성가스 ( 주로 CO, CO₂, H₂) 를생산한후일산화탄소를수성가스전이반응 (water gas shift reaction) 을통해수소와이산화탄소로전환한후이산화탄소를포집하는동시에수소를생산하는것으로연소전포집기술은주로석탄가스화에연계된이산화탄소포집기술에초점을맞추고있으며, 이는 SOx, NOx, 분진등오염물질과더불어지구온난화물질을원천적으로제거한오염무배출발전 (Zero Emission Plant, ZEP) 기술이다. 14

18 지속가능발전을위한 CCS 기술 그림 4. 연소전포집기술의개념도 석탄가스복합발전 (IGCC, Integrated gasification combined cycle) 에적용가능한연소전이산화탄소포집기술은고농도의이산화탄소를고압 (20 60atm) 에서포집하고저압에서회수하기때문에이산화탄소분리시에너지소비가낮아이산화탄소분리비용을크게줄일수있다는장점을가지고있다. 화학흡수제를사용하는공정은초기투자비가저렴하고재생후고압을유지하여이산화탄소저장에유리하다는장점은있으나흡수제의재생공정에많은증기열을사용해야하는단점이있다. Selexol, Rectisol 등이대표적인물리흡수제를사용하는공정으로연소전흡수조건인고압에서훨씬효과적이며흡수제의재생공정도보다적은에너지가소요되는장점을가지나높은장치투자비와기존상용공정에사용되는화학및물리흡수제등을사용하기위해온도를다시낮춰야한다는단점을가진다. 이와같은단점을극복하기위해흡수제개선 ( 개선물리흡수, 이온성액체등 ) 과하이트레이트기술을통해저온영역에서기존흡수공정을개선하는기술과고온인수성가스전이반응온도영역 ( ) 에서수성가스전이반응과이산화탄소분리를동시에할수있는분리막과흡착제를이용한기술들이개발중에있다. 15

19 Green_tech Reseach 다. 순산소연소기술 그림 5. 순산소연소기술의개념도 순산소연소 (Oxy-fuel combustion) 는공기를대신하여순산소를산화제로이용하는연소방식으로공기연소에비해매우높은온도특성을보이며, 이로인하여전열특성이개선되어열효율을증대시켜연료절감이가능하다. 또한, 탄화수소연료를이용하는경우배가스가대부분이산화탄소와수증기로이루어져있으므로배가스중의수증기를응축함으로써고농도의이산화탄소를포집할수있어주목을받고있는기술이다. 최근들어공기분리에따른산소제조비용이저감되면서강재가열로와같은철강산업과유리및비철금속용해로등으로그적용처가확장되고있으며, 발전분야에서도이산화탄소배출문제해결을위한미래기술로이에대한연구가활발히진행되고있다. 순산소연소방식을가열로 (furnace) 에적용하게되면생산성의증가와연료절감및품질향상을동시에달성할수있으며, 발전소에적용하는경우에는이산화탄소저감효과가매우크다. 일반적으로수증기를응축한후의전체배가스는사용된연료와순산소연소의공정에따라이산화탄소농도가 80 98% 로압축되어순산소연소공정의이산화탄소회수율은거의 100% 에달한다. 스웨덴의 Vattenfall 사는 2008년 30MWth 발전시스템 Pilot plant 건설을완료하고 ( 독일, Cottbus) 2012년까지실증실험을통해 2015년 scale-up 후 2020 년상용화를목표로연구개발을추진중에있다. 공급되는산소기체나연료내에불순물이잔류하였을경우배가스는이산화탄소와물뿐만아니라비활성기체, 황산화물 (SOx), 질소산화물 (NOx), 염산및수은등의부산물을포함할수있다. 이와같은부산물들은이산화탄소의응축, 수송, 저장과정에서안정성문제와더불어환경, 16

20 지속가능발전을위한 CCS 기술 경제적문제를야기할수있으므로공기중에서순도가높은산소를생산하는것은순산소연소공정에서또하나의핵심적인기술이다. 현재까지는극저온냉각분리법을이용하여공기로부터분리하여산소를생산하고있으며, 흡착법, 이온전도성분리막 (ITM), CAR Process, Cermet 등의기술들은소재개발및실증화테스트중에있다. 라. 혁신적이산화탄소포집기술 기존포집기술의한계인경제성문제를극복하고상용화하기위해서는포집단가를 2020 년까지 $10 20/tCO₂이하로낮추어야한다. 이에전세계적으로포집비용을혁신적으로절감할수있는 Breakthrough 개념의기술개발이장기계획하에추진되고있다. 이러한연구개발의결과로 208년 2월 Science 지에이산화탄소흡착분리에적용이가능한새로운 MOF계물질이발표되었다. MOF는주로수소및메탄저장과관련되어 MOF가주목을받아왔으나, 최근에는이산화탄소에흡착 / 저장과관련하여활발한 MOF 연구결과가발표되고있다. MOF를이용한이산화탄소흡착제거는미래지향적기술로서, 아민계액상흡착법이나알카리산화물건식흡수제에비해서대규모발전소폐가스처리에상업적적용은어렵지만, 소규모이산화탄소발생원에는효과적일수있다. MOF가흡수제로서 CO₂포집공정에적용되기위해서는연속운전동안 CO₂흡수능유지, 낮은재생열, 배가스의온도와압력에서불순물의영향에대한안정성, 물리적강도및경제성확보등이관건이라할수있다. 이온성액체를이산화탄소흡수제로사용하는경우, 이산화탄소의흡수 재생하는과정에서흡수액에의한오염, 대량의흡수액순환에따른추가에너지소요, 수용액을사용함으로서야기되는많은문제들로부터비교적자유로울수있으며동시에기존의흡수공정의변화를최소화하면서저에너지, 친환경공정으로이산화탄소를분리할수있는가능성이있다. 최근이온성액체를분리막재료로사용하여이산화탄소혼합물을분리하는다양한연구가진행되고있다. 이온성액체가 CO₂포집기술에적용되기위해 CO₂용해도가높은이온액체개발, 기존의유기용매흡수제보다우수한 CO₂ 흡수능확보, 상업적으로이용가능한 CO₂포집용이온액체의합성, cp(20 25 ) 의높은점도의이온액체공정적용연구등이선행되어야한다. 생체모방공학을이용한이산화탄소포집기술은빠른이산화탄소와의반응속도와반응에필요한매개체로물만필요하기때문에미국 DOE에서는기존이산화탄소포집공정의한계를극복할수있는최상위기술로선정하여 2007년부터기술개발을추진하고있다. 생체모방공학을이용한이산화탄소포집공정개발은대규모공정적용을위한효소의대량복제기술, 활성도감소를최소화할 17

21 Green_tech Reseach 수있는고정화방법, 온도및배가스에대한영향평가, scale-up 기술개발등극복하여야할많은도전과제가남아있지만, 이산화탄소와의우수한반응성, 빠른반응속도, 낮은운영비용등이산화탄소포집공정의궁극적인목표인 $10/ton 이산화탄소의이산화탄소처리비용에가장근접한공정으로판단되며이에대한연구가빠르고지속적으로진행되어야할시점으로사료된다. 그림 6. 미국 NETL 의 CCS 기술방향 - 이온수송막 (Ion Transport Membrane, ITM) : 전도성산화물의산소이온전달현상을이용하여산소만을선택적으로투과하는분리막 - 이온성액체 (Ionic Liquids) : 상온에서도거의증발되지않는액체로특정이온을갖는물질의합성이용이함 - MOF(metal organic framework) : 화학적합성을통한금속 유기물분자결합체의다공성소재로기체흡수용에용이함 - 효소막 : 효소를분리막표면에장착 (immobilize) 시켜효소와반응혹은작용하는물질을선택적으로분리하는바이오미믹을이용한차세대분리막 - Car Process(Ceramic auto-thermal recovery process) : 세라믹흡수제를이용하여산소를분리하는공정 - 매체순환방법 : 산소반응기에서산소와금속계입자를반응시켜 MO2 로전환한후연소반응기에서연소를통해금속으로환원시킨후이금속을다시산소반응기로순환하면서발전하는방법 18

22 지속가능발전을위한 CCS 기술 3. 수송기술 포집한이산화탄소를격리또는저장하는곳까지수송하는기술로선박, 철도, 트럭등을이용하거나육상및해상파이프라인을이용하여수송된다. 보통 1,000 km까지는내륙파이프및해양파이프라인을이용한수송이유리하며, 1,000~1,800 km는내륙의파이프수송이, 1,800 km가넘어서게되면선박을이용한수송이더유리한것으로평가되고있다. 대부분의수송기술들이이미상용화된운송기술의응용이므로별도의기술개발보다는실증위주로진행되고있다. 4. 저장기술 그림 7. 저장기술의개념 이산화탄소저장기술은포집된이산화탄소를영구또는반영구적으로격리하는것으로지중저장, 해양저장, 지표저장등으로구분할수있다. 이산화탄소지중저장기술은이미 1996년부터미국과캐나다, 유럽연합을비롯한선진국에서석유및천연가스개발사업과연계하여활발히개발 적용되고있는실정이다. 현재까지는지중저장기술이과학 기술적측면에서가장효과적일뿐만아니라경제 산업적측면에서도가장우수한기술로평가되고있다. 이는이산화탄소의지중저장이석유 19

23 Green_tech Reseach 및천연가스회수 (enhanced oil and gas recovery or EOR and EGR) 와석탄층메탄가스회수 (enhanced coal bead methane recovery or ECBMR) 를증진시키는부가가치효과도가지고있기때문이다. 이러한부가가치효과를높이기위해서는이산화탄소지중저장시설설계와관리 운영의최적화가필요하다. 전세계적으로 20여개의이산화탄소지중저장 R&D 프로젝트가진행되고있으며, CSLF는 2013년까지파일럿실증화로드맵을제시하고 17개지중저장국제공동프로젝트를진행중으로대표적실증사업의예로는 Weyburn( 캐나다 ), Sleipner( 노르웨이 ), In Salah( 알제리 ) 을들수있다. 이산화탄소를해양에저장하는기술은해양에방출하는방법으로해저 3,000 m 이하에분사함으로써이산화탄소하이드레이트형태로저장시키는방법이다. 이러한방법을이용할경우향후지구에서발생하는이산화탄소를 500년간저장할수있는장점이있으나, 생태계파괴와해양의산성화같은안정성문제가해결되어야한다. 지표저장법은마그네슘이나칼륨과같은이산화탄소첨가가능광물에반응을시켜화학적으로저장하는방법이나느린반응속도에의한과다한공정비와반응완료후생성된탄화물질수송및저장, 낮은저장용량과같은 2차문제가발생하여많은연구가이뤄지지않고있다. Ⅲ. CCS 기술개발동향 1. 주요국동향 CCS 기술분야주요선진국들은 년경에 CCS 기술상용화를목표로, 국내외리소스를최대로활용하는 CCS R&D 전략체계를수립하고세계 CCS 시장을리드할기술개발추진하고있다. 기술로드맵작성등을통해 CCS 기술개발전략체계를구축하여목표를명확히설정하고철저한진도점검을통해 R&D 성과를제고하고있으며정부의강력한정책주도와민간기업의활발한참여로 CCS 기술의조기상용화를도모하고국제협력을통해자국내기술개발한계를보완하고세계 CCS 기술개발을주도하고있다. 20

24 지속가능발전을위한 CCS 기술 구분추진주체추진목표추진전략 미국 일본 EU 호주 캐나다 영국 에너지부주관 NETL 이주요프로그램운영 경제산업성산하의 NEDO 와 RITE 가주관문부과학성, 환경부등도관련 R&D 추진 NEDO 가경제산업성주요 R&D 관리, RITE 가주요 R&D 수행 ZEP(Zero Emission Platform) 을통해운영관리 자원에너지관광부가주관 CO₂CRC 가 CCS R&D 수행 CSIRO, CCSD 및 clet 등에서도관련 R&D 추진 천연자원부 (NRCan) 가주관 에너지기후변화부 (DECC) 가주도 표 1. 국가별 CCS 기술 R&D 전략비교표 2012 년까지, 1 10% 이하의에너지비용추가로, 2 발생 CO₂ 의 90% 를포집하고, 3 포집 CO₂ 의 99% 를영구저장하는화석연료전환시스템개발 2015 년, CCS 기술상용화 : CO₂ 포집비용 2,000 엔 /tco₂ 목표, CO₂ 지중저장실용화 2020 년, CCS 기술상업적확대 : CO₂ 포집비용을 1,000 엔 /tco₂ 수준절감, CO₂ 지중저장상업적적용확대 2020 년까지유럽내화력발전소의 CO₂ 무배출실현 2050 년이전에 CO₂ 30 기가톤포집 2030 년수소경제로의진입에대비하고무배출발전소및에너지안보확립을위하여 2016 년이후 CCS 기술상업화진입 2015 년까지 400MW 급청정석탄 / 석유발전설비또는신규 300MW 순산소연소플랜트실증운영 2030 년 4,000 급청정석탄발전플랜트운영 2014 년, CCS 기술장착고효율석탄발전소운영 연구수요발굴에서부터상용화까지체계적인일련의프로세스를구축하여전주기, 전방위적 CCS 기술개발추진 R&D 시기별목표설정및진도관리민간기업의적극적인연구비매칭펀드 CO₂ 분리회수분야미래혁신기술개발에주력철저한사전기획을통한프로젝트선정정부와민간의긴밀한협력을통한기술실증해외 CCS 연구개발프로젝트에적극참여 12 개플래그십프로젝트운영을통한전주기 CCS 기술개발유럽내외의국제협력을통한 CCS 기술의조기실용화도모저탄소기술실용화촉진을위해시장창출 (Market-Pull) 전략추진 CO₂ 저장잠재력이큰국가로, 저장기술개발에주력 CO₂ 주입, 저장모니터링 / 검증은자력개발 CO₂ 수송 / 유지관리는국제공동연구추진 CCS 기술개발을정부가주도하는가운데, 연구소, 기업, 대학및국외기관과의협력실증프로젝트를통해상업화시기단축 CO₂ 포집및저장기술연계개발프로젝트다수운영 연방및주정부의강력한 CCS 정책드라이브소수대형실증프로젝트에집중투자 CCS 기술로드맵작성을통한시기별기술개발목표설정및전략수립산업계의프로젝트참여활발 기후변화법안제정을통한 CCS 기술개발공식화단기내조기상용화가가능한연소후포집기술에주력신규및기존화력발전소모두에 CCS 기술적용추진상업규모 CCS 실증프로젝트적극지원 주요프로그램 Core R&D 지역탄소저감파트너십 (RCSP) 퓨처젠 (FutureGen) CO₂ 고정화유효이용기술개발사업 CCS 실증프로그램 (Flagship 프로젝트 ) 저탄소기술실증기금 (LETDF) Coal21 국제 CCS 연구소 (GCCSI) 에코에너지기술이니셔티브청정에너지기금프로그램 탄소저감기술 (CAT) 프로그램 21

25 Green_tech Reseach 가. 미국 미국은교토의정서비준을거부하였으나, 내부적으로는자주적기후변화대응을위한기술개발을적극적으로추진하고있다. 미국의탄소저감 R&D프로그램은 DOE의화석에너지국이주관하고있으며, 주요 CCS관련 R&D는 NETL(National Energy Technology Laboratory) 과 Clean Coal Power Initiative 를통하여지속적으로추진되고있다. 탄소저감 R&D 프로그램의목표는 2012년까지 110% 이하의에너지비용추가로 2발생 CO₂ 90% 를포집하고 3포집 CO₂의 99% 를영구저장하는화석연료전환시스템을개발하는것으로핵심R&D(Core R&D) 와지역탄소저감파트너십 (RCSP), 국제협력등을통해추진되며연구수요발굴에서부터상용화까지체계적인일련의프로세스를가지고효과적으로운영되고있다. Core R&D는 1CO₂포집 2탄소저장 3저감측정및검증 (MMV) 4비CO₂온실가스처리 5혁신기술 5가지분야로나누어추진되며, 2009년 7월기준으로 102개의프로젝트가진행중이며지역탄소저감파트너십은북미전역에걸쳐향후이용가능한탄소포집및저장부지를제공하는동시에, 탄소저감기술의상용화를위한지식축적및인프라개발을핵심으로하고있다. 그림 8. 미국의 Carbon Sequestration Program 추진구조 2009년 CCS 기술개발관련예산은 305백만US$ 로 2003년 39백만US$ 대비급격한증가세를나타내고있다. 이중미국연방정부의 Carbon Sequestration R&D는 2009년 150백만US$ 규모로 80여개의프로젝트를지원하고있으며, Regional Partnership 프로그램에 68% 의예산이투입되고있고, 다음으로 CO₂포집 (12%), MVA( 모니터링, 검증등 )(9%) 순으로투입되고있다. 22

26 지속가능발전을위한 CCS 기술 아울러 DOE는 CCS기술의상용화를촉진하기위해, 포집기술개발및실증을위한국립탄소포집센터 (National Carbon Capture Center: NCCC) 를설립 ( ) 하고, 5년간실제운영상황에서의자료를수집, 탄소포집관련대규모연구분석및테스트를수행할계획이다. 이밖에도국가주도로 CCS관련법제화, 세금공제제도, 투자및보급촉진을위한금융제도개선등 CCS 관련기반구축을추진하고있다. 나. 일본 일본은 RITE를중심으로 2015년까지 CCS 기술의실증을완료한다는목표를가지고전략적으로관련연구를추진중으로1990년대중반부터는경제산업성의주도로 CCS R&D 프로젝트가본격적으로운영되고있으며최근국가주요계획에서중요한전략기술로지명되고있다. 1980년대말에다양한 CO₂포집기술을포함하는 CCS 기술개발개념이제안된이후, 1990년대초까지는국가연구소및대학등에서독립적인연구활동이진행되었으며, 1990년대중반부터는경제산업성에주도로 CCS R&D 프로젝트가본격적으로운영되고있다. 그림 9. 일본의 CCS기술전략로드맵 자료 : 일본경제산업성, CCS 기술전략로드맵 23

27 Green_tech Reseach CCS기술은일본정부의에너지기술비전 2100(2005), 신국가에너지전략 (2006), 에너지기본계획 (2007) 등에서중요한전략기술로선정되었다. 경제산업성산하의 NEDO 가주요 CCS 프로그램을관리하고지구환경산업기술연구기구 (RITE) 에서주요 CCS 연구개발을수행하고있으며 CCS 분야에서 2015년에기술의실용화를달성하고 2020년이후상업적으로확대하는것을목표로하고있다. CO₂포집분야에서 2015년까지기존포집기술의개량 개선하여 2,000 엔 /t-co₂ 로비용을절감하고, 2020 년까지혁신기술개발을통해 1,000 엔 /t-co₂ 의비용달성을목표로하고있으며현재 CO₂분리회수비용은 4,200 엔 /t-co₂ 정도 ( 신규석탄화력발전소적용기준 ) 이며 CO₂지중저장분야는 2015년까지지중저장을실용화하고 2020년이후상업적적용확대를목표로추진중이다. 일본은현존하는세계최고성능의 CO₂흡수제인 KS-1( 미쓰비시사 ) 를개발하여 2015년경일부 CCS기술에있어서실용화가가능할것으로기대되고있으며 CO₂지중저장분야는현재기초기술확립및지중주입검증단계로, 실증연구및평가를거쳐 2015년에는지중저장개발을본격화하고실적용을확대해나갈계획이며 CO₂해양저장기술개발은현재과학적기술검증의단계로 2020 년이후에야기술의적용이가능할것으로기대된다. 일본은 10년전 1만톤규모의 CO₂지중저장연구프로젝트를추진하는등일찍 CCS 기술개발을추진하였으며, 우리나라보다 10년정도앞서서 CCS 기술분야에투자해왔다. 또한 CCS기술신산업육성및신시장개척을위하여국제협력을적극적으로추진하면서국내에서의대규모 CCS프로젝트보다는중국등해외 CCS 프로젝트를적극적으로개척하고있다. 아울러세계최초로 CCS 전문민간기업인일본 CCS조사주식회사 (Japan CCS Co. Ltd.) 설립하였다. 전력분야 11개사, 석유판매 5개사, 엔지니어링 5개사, 석유개발 3개사, 철강 2개사, 화학기업 1개사, 시멘트 1개사등의민간 29개사가출자하여 2008년 5월 26일출범하였으며각분야에서세계를선도할수있는기술을가진출자회사가정보를서로공유함으로써 CCS 사업화를조기에추진할것으로기대되고있다. 다. EU EU는 FP7( 제7차 Framework Programme) 프로그램중 Zero Emission Fossil Fuel Power Plant(ZEP) 를통해 2020년까지이산화탄소무배출화력발전소의가동을목표로관련연구에 32억유로를투입하고있다. 기후변화대응중점연구개발영역은 1기후변화및그영향에대한이해 관찰 예측 2기후변화를경감하고그영향에대응하는방법의유효성 비용 이익분석도구 (Tool) 개발 3기존기후친화적인기술의개선 실증 전개및신기술개발등의 3가지로구분되며현재 FP7( ) 이진행중이며기후변화 R&D 예산은 90억유로 ( 총 R&D 예산의 17%) 로 FP6 20억유로 ( 총 R&D 예산의 11%) 대비투자액및투자비중이크게증가하였다. 24

28 지속가능발전을위한 CCS 기술 EU는 CCS 기술을하나의주요기술플랫폼으로인식하여 ZEP을설치함으로써, 전주기 CCS기술개발을위한유럽전지역에걸친대규모실증프로젝트네트워크를구축하였으며, CCS 기술개발의체계적이고적극적인추진을통해 2020 년까지유럽내화력발전소의 CO₂무배출을실현하고, 2050 년까지 30Gt CO₂를포집하는것을목표로하고있다. CCS 실증연구를촉진하고 2020년까지상업용 CCS 기술확보를위해 CO₂포집인프라, CO₂포획, CO₂저장, CO₂격리주입, 대국민인식제고등전주기, 전영역의 CCS 기술을커버하는 flagship 프로젝트추진을계획하고있으며 CCS 실증프로그램은유럽전역에걸쳐 개의대규모통합 CCS 실증프로젝트추진하되, 년에실증, 2020 년이후상용화를목표로플랜트개발에 25억유로를투입하여 10 12개실증플랜트개발하고, 신개념연구에 2억유로및신규발굴연구에 5천만유로투입하고있으며 CO₂지중저장및수송을위한법 / 제도정비및캠페인등을통한기술개발에대한이해증진및공공지원확보등의사업도추진하고있다. 그림 10. ZEP의 CCS 기술개발장기플랜 자료 : ZEP, Strategic Research Agenda, 2007 라. 호주 호주는풍부한석탄자원을확보하고있는국가인만큼 CCS기술에대한정책적관심이높아 CCS 기술을온실가스배출저감의주요수단으로인식하고기술개발을가속화하고있다. 2005년에 CCS 촉진을위하여 CCS 에관한규제가이드원칙 을제정하여 CCS 평가, 소유권, 수송, 모니터링, 책임, 재정등에대해규정하였으며자원 에너지부문소관부처인자원에너지관광부 (Department of 25

29 Green_tech Reseach Resources, Energy and Tourism) 내자원국저배출석탄및 CO₂저장부서에서 CCS 기술개발담당하고있다. 호주의 CCS R&D 및실증은 CCS 전담연구조직인 CO₂CRC(Cooperative Research Centre for Greenhouse Gas Technologies) 에서주도하고있으며, CSIRO(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), CCSD(Co-operative Research Centre for Coal in Sustainable Development) 및 CLET( Centre for Low Emission Technolog) 등에서도관련 R&D 추진중으로 CO₂CRC 는기존화석연료중심의에너지수급구조및산업기반을유지함과동시에적정수준까지 CO₂배출을저감할수있는비용효과적인포집과저장기술의공동연구개발을비전으로하고있다. CCS R&D를통해 CO₂포집 저장단계 저배출전력생산단계 화석연료로부터수소생산단계 수소경제인프라구축단계 광범위한수소이용단계 재생에너지로부터수소생산단계를거쳐궁극적으로수소경제로의전환을위해 CO₂무배출발전소및에너지안보확립을목표로지식기반형성단계 ( 년) R&D 단계 ( 년) 실증및적용단계 ( 년) 시스템선진화단계 (2016 년이후 ) 4단계로드맵수립하여추진중이다. 그림 11. 호주의 CCS R&D 총괄로드맵 자료 : CO₂CRC, Australia's CCS Technology Roadmap,

30 지속가능발전을위한 CCS 기술 CO₂저장잠재력이큰호주는포집기술보다는저장기술개발및적용에치중하고있으며정부가주도하고연구소, 기업, 대학및국외기관이공동으로참여하는실증프로젝트를통해상용화시기를앞당기고있다. 저장의 4가지핵심기술분야중 CO₂주입, CO₂저장, 모니터링및검증등 3가지는호주자력으로개발하고, CO₂수송및유지관리는국제공동연구를추진하고있다. 최근착수된프로젝트는대부분연간 1백만CO₂톤이상인상용급으로대부분의프로젝트를기업이주도하고있으며개별기술별개발프로젝트보다포집기술및저장기술을연계한프로젝트위주로진행되고있다. 또한 CCS 기술의상업적적용을가속화하기위해자국주도의 GCCSI(Global Carbon Capture and Storage Institute) 를 2009년설립하고 2020 년까지 20개의 CCS 시범사업을추진을목표로미국, 한국, 영국, 노르웨이등 20여개국정부와일본미츠비시, 미국쉘등 80여개의선두기업, 비정부기관, 연구기관들이창립회원으로동참하고있다. 호주정부가매년 1억불 ( 약 1,000 억원 ) 의자금지원을계획하고있으며 CCS 기술의상용화촉진을위해, 실험프로젝트촉진, 필수연구개발지원, 정부의규제, 감독체제및경제적분석개발지원, 객관적이며신뢰할만한 CCS 정보제공등을수행하고있다. 마. 우리나라 우리나라도 1990 년대말부터 CCS 분야사업에착수후 21세기프론티어연구사업의이산화탄소저감처리사업 ( ) 등을통해 CO₂포집에대한우선적투자와체계적인연구개발을본격화한결과, 선진국과경쟁가능한기초연구성과가산출되고있는상황으로 CO₂ 포집기술중건식흡수제이용포집기술, 분리막을이용한 CO₂ 포집원천기술등은세계최고수준의성과이나대학, 연구기관을중심으로기초응용단계에머물고있으며, 상용개발을위한실증연구는추진하지못하고있는상황이다. 최근전세계적으로 CCS 기술의중요성이부각됨에따라, CCS 국가 R&D 프로젝트수및예산이증대되고있으나아직까지도전체연구개발사업비 11조 784억원중 CCS 기술개발이차지하는비중은 0.2% 수준으로저조하나 2004 년이후로 CCS 관련과제수및연구개발비가지속적으로증대되고있다. 27

31 Green_tech Reseach 연구개발비과제건수 ( 단위 : 백만원 ) ,188 3,131 5,453 9,970 8,602 4,758 7,175 9,161 11, 자료 : 국가 R&D 사업조사분석평가 DB 분석 그림 12. 우리나라의연도별 CCS R&D 예산 CCS 기술분야별로는포집분야의연구가가장활발하게이뤄지고있으며저장분야연구는선진국대비극히미미한상황으로포집분야프로젝트가총 190건으로가장많이진행되었으며, 그다음으로전환분야 (41건) 로나타났다. 연구비또한포집분야가 64,657백만원으로 CCS 전체연구개발비의 80% 에달하고있어해외에서대규모저장현장실증연구가활발히진행되는반면우리나라에서지중저장분야연구규모가협소한것으로분석되고있다. CCS R&D 예산을연구개발단계별로투자현황을분석해보면, 기초 응용연구가 92건으로전체연구개발프로젝트의약 66% 를차지하고있다. 28

32 지속가능발전을위한 CCS 기술 표 2. 국내포집기술개발현황및주요연구기관 연소후 기술명 아민흡수법 암모니아수흡수법 건식흡수법 순산소연소기술 연소전회수기술 현황 한전전력연 1994 년부터알칸올아민계흡수제를적용한포집공정개발 2001년서울화력에 2TPD(600Nm³/h) 테스트베드건설및운영, 2007 년 2TPD 급테스트완료두산중공업 2008 년캐나다 HTC 사지분보유를통해원천기술확보 HTC 독자의 RS흡수제와공정분야기술을두산중공업에이전한국에너지기술연구원 2005 년부터현재까지연구개발결과 100Nm³/h 급벤치공정운전포항산업과학연구원 2006 년착수하여 2008 년 50Nm³/h 벤치공정건설및시운전, 2009 년 1,000Nm³/h 파일롯공정설계자료도출 한국에너지기술연구원 2002 년부터교과부프론티어사업 CDRS 과제로시작 세계최초상용급고체 CO₂ 흡수제개발 ( 전력연구원 ) 2006년 100Nm³/h 급의유동층공정개발하여 2탑유동층공정 50 시간연속실험성공현재남부발전하동화력발전소에 2,000Nm³/h(0.5MW) 파일럿플랜트실증중 한국에너지기술연구원 2002 년부터교과부프론티어사업 CDRS 과제로시작, 07 년가열로기술 Spin-off, PVSA 순산소제조기술상용화진행중 2009 년현재미분탄순산소연소시스템실증진행및 ITM 을적용한순산소제조기술개발진행중한전전력연구원 2007 년부터지경부 ETI 과제로 2020 실증완료를목표로 100M 급실증을위한기반연구추진중한국에너지기술연구원 2008 년부터지경부사업으로석탄가스화복합발전에적용가능한분리막개발중한전전력연 2008 년부터지경부사업으로석탄가스화복합발전에적용가능한고체흡수제개발진행중 29

33 Green_tech Reseach 표 3. 저장기술관련국내현황 구분지중저장해양저장국제협력 추진내용 2002 년부터프론티어연구개발사업 CDRS 에서지중저장관련핵심원천기술확보 국내특성을고려한지중저장영향예측을위한전용모델개발 국내저장소및저장용량분석 (08 년 ) 및 0.5MW 포집기술연계실증계획수립 2005 년부터한국해양연구원 ( 주관 ) 과한국지질자원연구원 ( 협동 ) 을통해 CO₂해양처리기술 개발사업 을수행하고있음 2007 년부터에너지 자원프로그램을통해한국지질자원연구원에서 CSLF 체제하의 국제공동프로젝트인호주 Otway Basin 파일럿저장실험프로젝트에참여 향후국내저장소조사관련연구추진예정 2. 주요기업의 CCS 기술개발동향 일본을위시한선진국의기업들은 CCS기술시장이빠르게성장할것으로간파하고이미 CCS Division 을설치하여 R&D 및신산업개발을추진하고있다. 호주의 GCCSI 연구소설립및운영행사에일본의기업들이대거방문하였는데, 대부분 CCS사업부조직을운영하고있는것으로나타났다. CO₂포집분야의기술은기존의아민흡수제및개량제를이용한상용화가추진되고있으며, 기타기술은아직 R&D단계에머물러있는상황으로아직까지혁신적기술 (breakhrough technology) 은개발되지못한상황으로기초연구펀딩을통하여모색하는단계라고할수있다. 30

34 지속가능발전을위한 CCS 기술 표 4. CO₂ 포집기술과기관매핑 포집방식기술개요주요기업또는기관 흡수흡착막분리광물화또는화학적전환생물학적전환 열을이용하여 CO₂ 를재생하는방식 압력또는온도차이를이용하여 CO₂ 탈부착기능을수행하는방식 멤브레인을이용하여 CO₂ 를분리 하는방식 CO₂ 를화학물질또는광물과의 반응을통하여제품또는 CO₂ 고정 광물로전환 미세조류등을활용하여 CO₂ 를고정 하거나유용물질을생산 Alstom, Cansolv, Fluor, HTC Pure Energy( 캐 ), MHI, PowerSpan, Siemens, Toshiba, TNO, D3 Technologies, IFP, Cansolv, 3H Technologies 등 RTI, Catalyte, CO₂CRC( 호주 ), InnoSepara, NETL, SRI International, TDA Research, 와이오밍대학, Notre Dame 대학, UCLA 등주요대학또는연구기관 MTR, CORAL, RITE(molecular gate), Carbozyme, CO₂ Solutions, Air Products & Chemicals, UOP, NanoGLOWA, RTI 등 Skyonic, Calera, Carbon Trap Technologies, Carbon Sciences Greenfuels 등많은벤처기업과대학의연구실 가. 미쯔비시중공업 (MHI) 주요사업분야는발전시스템, 항공우주사업, 조선및해양플랜트개발, 기계및철강구조등으로연소후회수에이용가능한세계최고수준의습식 CO₂흡수제 KS-1 을개발하였다. KS-1 은 MEA 대비열에너지소비의 20%, 회수비용 ( 탄소 1톤회수기준 ) 의 54% 절감이가능하며부식위험이낮다. 아울러 MEA 공정대비흡수제및에너지소비가적고, 운영관리가단순용이한연소후회수공정 KM-CDR 도개발하였다. 천연가스플랜트의경우, KS-1 및 KM-CDR을이용하여 1999년부터대규모상업용연소후회수플랜트가운영중이나, 석탄플랜트는현재실증운영중으로추가적으로아랍에미리트 (2009), 바레인 (2009), 파키스탄 (2010), 베트남 (2010) 에서의천연가스연소후회수플랜트상업운영을앞두고있다. 31

35 Green_tech Reseach 그림 13. 미쯔비시중공업의연소후회수플랜트현황 자료 : MHI, KM-CDR Post-combustion CO₂ Capture with KS-1 advanced solvent, 2009 나. E.ON 그림 14. E.ON 사의 CCS 기술개발로드맵 32

36 지속가능발전을위한 CCS 기술 주요사업분야는가스생산에서부터전력생산까지이르는일련의전력및가스관련사업으로 2015년까지제2세대연소후포집기술에대한대규모 (300MW 급 ) 실증프로젝트를수행함으로써 2020 년에는상용급플랜트운영기술을확립한다는목표를설정하고연구개발을추진중이다. 대염수층저장기술의경우 2010년대중반에파일럿연구를수행하고, 2018년부터는상용급데모프로젝트를추진하는것으로마일스톤목표를설정하고있다. E.ON 사는자체적으로기술력을보유하고있음에도불구하고 CCS 기술특성상다수의기업과의협력이불가피하다고인식하고다수의 CCS 기술선도기업과의협력을적극적으로추진하고있다. 그림 15. E.ON 사의 CCS 기술선도기업과의협력전략 보유하고있는연소후포집기술을바탕으로주요에너지기업등과협력하여소규모파일럿플랜트대상으로실증하고있으며, 2014년대규모파일럿실험을추진하는것을목표로 Maasvlakte Power Station 에서연소후회수기술, FutureGen 에서연소전회수기술, Ratcliffe Power Station 에서순산소연소기술테스트에참여하고있으며, 또한 Siemens 사와협력하여 E.ON Power Station 에연소후회수기술을테스트하고있다. 33

37 Green_tech Reseach 년 9월, 독일빌헬름스하펜 (Wilhelmshaven) 과벨기에앤드워프 (Antwerp) 에위치한자사화력발전소에차세대탄소포집기술적용하여유럽내최초로 T V의탄소포집구비인증을획득하였으며 2008년하반기부터 Alstom 사와협력하여스웨덴의 Karlshamn Power Station 에 CO₂연소후포집기술을파일럿스케일로테스트하고있다. E.ON 미국지사의경우, 현재 DOE의 FutureGen 프로젝트의 Chair를맡아약 28.1MUS$ 를투자하고있으며, Alstom 사와협력하여 2008 년하반기부터스웨덴의 Karlshamn Power Station 에 CO₂연소후회수기술을 Pilot 스케일로테스트할계획이다. 다. Linde 주요사업분야는산업용및의학 치료용가스, 수소 산소 올레핀및천연가스플랜트, 수소에너지기술개발로 Linde 의배가스에서화학적으로 CO₂를저온액체상태로분리하는 CO₂정제공정기술은배가스내 CO₂를 90% 까지제거가능한기술을보유하고있으며, 분리막또는흡수제를이용한분리ㆍ회수기술개발을추진하고있다 년까지 RWE 의 Niederaussem 갈탄화력발전소에파일럿플랜트운영후실증플랜트건설할계획이며 CCS 기술이장착된상업용석탄가스화발전소를 2014년에건설, 2020년상용운전을시작할예정이다. 2008년세계최초로 Lausitz 에위치한 30MW 파일럿규모의 Schwarze Pumpe 플랜트에순산소연소시험운영중으로 Linde 사는해당발전소의대기분리플랜트및탄소액화플랜트를건설하였다. Hammerfest 에있는 Natural Gas Liquefaction Plant 프로젝트에참여하여 Natural Gas로부터 CO₂를분리ㆍ회수하고 H2O 는되돌려보낼수있는기술을갖춘 Plant 를건설할계획을추진중이다. 라. Statoilhydro 주요사업분야는석유 가스층탐사및생산, 연료파이프라인수송, 석유상품, 메탄올등의판매, 신재생에너지개발등으로 1996 년착수된 Sleipner 프로젝트를통해축적해온 10년이상의 CO₂처리및저장경험을보유하고있다. CO₂저장기술을바탕으로 2004년 In Salah Algerie 프로젝트 ( 천연가스층저장프로젝트 ), 2007년 Shovit 프로젝트 (EOR을이용한천연가스회수프로젝트 ) 등에참여한바있다. 34

38 지속가능발전을위한 CCS 기술 그림 16. Statoilhydro 프로젝트현황 자료 : Statoilhydro 홈페이지 ( 표 5. CCS Value Chain 별주요기업동향 구분 CO₂ 포집 CO₂ 수송 관련기업 - 미쯔비시중공업 - E.ON - Linde - Praxair - Air Products and Chemicals - 두산밥콕 - UOP LLC - Carbozyme 등 - Dakota Gasification Company - Kinder Morgan - Anthony Vender 등 기술개발현황및기술수준 < 연소후회수 > - 포집분야중기업의기술개발이가장활발한분야로단기내상용화기대 - 신규흡수제및흡수공정에대한실증프로젝트진행 (KS-1, KM- CER, Linde 초저온회수공정등 ) < 연소전회수 > - IGCC 적용연소전회수기술개발 - 신규흡수제및흡수공정에대한실증추진 < 순산소연소 > - 순산소연소공정실증단계 - 40MW 급석탄화력발전소용보일러버너설비의순산소연소실험성공 < 파이프라인 > - 기존석유 / 가스수송관을이용한석유회수증진 (EOR) 을위한 CO₂ 수송기술상용화 < 수송선 > - LPG 수송선을활용한 CO₂ 수송선기술상용화 - Anthony Vender 사가최초로 CO₂ 전용수송선운영 35

39 Green_tech Reseach 전세계 CCS 프로젝트현황 그림 17. 전세계 CCS 프로젝트현황 자료 : Strategic Analysis of the Global Status of Carbon Capture and Storage, GCCSI, 2009 지난 2009 년 3월 GCCSI 에서발간된보고서에따르면전세계적으로총 499개의 CCS 프로젝트가진행중이거나계획중으로그중소규모프로젝트를제외한일정규모이상의프로젝트에대한분석한결과현재수행되고있는프로젝트는총 78개, 계획된프로젝트는 135개이며 34개프로젝트는이미완료된상태이다. 국가별로는미국이 37% 로가장많은프로젝트를수행하고있으며, 그다음으로유럽지역 (24%), 호주 뉴질랜드 (10%), 캐나다 (24%) 순으로나타나고있다. CCS 프로젝트유형은요소기술을확보하기위한 Capture only, Storge Only 형태와포집을수송과연계하거나수송을저장과연계하여추진, 포집-수송-저장을통합하여추진하는형태세가지로분리되며현재까지는 Capture only로수행되는연구개발이전체의 39% 로가장활발하게진행되고있으며, 그다음으로 CO₂포집-수송-저장을통합하여추진하는프로젝트가전체의 28% 로분석되고있다. 최근통합프로젝트추진비율이높아지고있는이유는 CCS 기술의완성은기술간의 36

40 지속가능발전을위한 CCS 기술 통합을통해하나의전체시스템을구축을의미하기때문으로현재 55개의상용급통합프로젝트가추진중이거나계획된상태이다. 적용시설별로는발전소가 105건으로가장많이적용되고있으며이외 Gas Processing(19 건 ), Oil/Gas Recovery(17건 ), CO₂ Sequestration Plan(14 건 ) 순으로적용되고있다. 표 6. 적용포집기술에따른 CCS 프로젝트그림 18. 적용시설에따른 CCS 프로젝트구분구분 자료 : Strategic Analysis of the Global Status of Carbon Capture and Storage, GCCSI(2009) 표 7. 세계 3 대저장프로젝트 37

41 Green_tech Reseach Ⅳ. 시사점및정책제언 1. CCS 동향분석에따른시사점 미국, 일본, 유럽, 호주를비롯한선진국들은 CCS 실증프로젝트를경쟁적으로추진하고있으며, 실증규모의프로젝트가종료되는 2020 년을전후하여, 성공한프로젝트의방식을기초로한 CCS 상용화가예상된다. CO₂포집-저장통합형 CCS 상용데모프로젝트가종료되면해당프로젝트에참여하였던기업들이 first mover's advantage 를가지고글로벌 CCS 프로젝트를석권할것으로실증프로젝트들은주로기존기술의검증차원에서추진되고있으며, 상용데모프로젝트가종료되면기술경제성평가및리스크관리기법이확립될것으로전망된다. 우리나라는현재 CCS 관련요소기술확보위주의 R&D가진행중이며, CCS 기술을완성하거나개발된기술에대한검증또는실증하기위한계획이부재한상황으로 CCS 기술상용화라는관점에서볼때선진국에비하여 5-10년정도뒤쳐져있다고판단되며, 이를극복하기위해서는실증데모프로젝트와 CCS비용과리스크를획기적으로낮출수있는핵심원천기술개발프로젝트를병행하여추진할필요가있다. 우리나라가 CCS 관련하여시장을선점하기위해서는선진국보다경제성있는기초원천기술의개발및한단계빠른실증단계를거쳐상용화를추진해야하며또한국제공조를통하여유럽, 미국, 호주, 캐나다에서추진되고있는프로젝트에참여하기위한국제협력전략을추진함으로써국내기업들이글로벌 CCS시장에참여할수있는네트워크및지분을확보할필요가있다. 2. CCS 기술의개발방향제언 우선기술개발측면에서는두가지접근의기술개발이요구된다. 즉, CCS 기술의조기상용화를위한기존기술을활용한상용데모프로젝트추진과포집비용을획기적으로낮출수있는핵심원천기술개발이필요하다. 첫째, 포집 저장기술의통합실증데모프로젝트추진을통하여 CCS 기술신산업초기시장선점의기반을마련해야한다. 이미기술선진국들은 2020년까지 20여기의상용데모 (demonstration) 수준의 CCS 프로젝트추진이필요하다는인식을같이하고상용데모프로젝트를선점하기위하여국제적협력을강화하고있으며아울러 2020년까지 CCS상용데모프로젝트의추진을통하여상용규모의 38

42 지속가능발전을위한 CCS 기술 기술검증및최적화와함께초기시장을창출하고, 2020년이후에는본격적으로 CCS기술을보급한다는목표를설정하고있다. 아울러새로운혁신적 CO₂포집기술의개발없이는 CCS 비용을낮추는데한계가있기때문에비용을획기적으로낮출수있는 (tco₂당 10 20US$) 을혁신적인기술개발이요구된다. CO₂포집을위한상용화기술은아민계흡수제를이용하고있는기술이유일하나, CO₂ 결합력이강하여 CO₂재생시필요로하는에너지비용이크다는문제점을가지고있고현재까지개발된아민계개량흡수제가운데는미쓰비시중공업 (MHI) 이개발한 KS-1 이가장효율이높은것으로알려져있으나, 이또한 CO₂포집비용이 tco₂ 당 40US$ 을초과하는것으로추정되고있어이를극복할수있는혁신적인기술개발이필요한것이다. 둘째, 효율적 CCS RD&D(Research Development and Demonstration) 추진을통한온실가스중기감축목표달성과녹색신산업창출을동시에이루기위해범정부차원의 CCS 종합추진계획필요하다. 즉, 부처간역할분담과상호유기적인연계를통하여기초원천기술개발에서상용화개발까지밀접하게연계된기술개발추진체제구축필요하다. 우리나라는 2000년대초부터 CCS에대한기술개발을본격추진중이나, 기술수준이낮은편이며부처간분산투자로효율성저하가우려되는상황으로산학연이보유한 CCS 기술역량의총체적결집, 기술개발을가속화시키기위한범부처연계협력체제의구축을강화해야한다. 또한기존의 CCS기술투자로는선진국과기술경쟁어려움에따라 CCS 기초기반연구에서 CCS 기술실증까지의전주기적기술개발이필요하다. 현재까지는 CO₂포집분야핵심요소기술중심으로연구가추진되었으나, 대규모투자가동반되는스케일업 (scale-up) 또는상용실증프로젝트는추진되지못하고있는현실이다. 마지막으로 CCS 기술개발및상용화가속화를위한정부주도의노력이요구된다. 최근까지세계적으로 CCS시장이형성되지않아기업의대규모투자유인이부족하고, 성장동력창출을위한이니셔티브가부족한상황이므로정부주도로초기의 CCS 시장창출을위하여정부주도의대규모실증프로젝트추진및국제공동프로젝트참여등의리더십이필요하며, 상용화의가속화를위하여법제도정비, 조세 금융지원제도, 표준 가이드라인마련, 인력양성, 환경 안전관리, 대국민인식제고등기반구축등이필요하다. 39

43 Green_tech Reseach < 참고문헌 > - IEA Energy Technology Perspective (2008) - OECD IEA, World Energy Outlook (2008_ - MIT The Future of Coal Options for a Carbon-Constrained World (2008) - 맥킨지컴퍼니 Carbon Capture & Storage: Assessing the Economics (2008) - US DOE Carbon Sequestration Roadmap and Program Plan (2007) - 일본 ( 재 ) 지구환경산업기술연구기구 이산화탄소고정화 유효이용기술개발중간평가자료 (2008) - ZEP Technology Roadmaps and their importance (2008) - ZEP Strategic Research Agenda (2007) - CO₂CRC Australia's CCS Technology Roadmap (2008) - GCCSI Strategic Analysis of the Global Status of Carbon Capture and Storage (2009) - 국가R&D사업조사분석평가DB분석 - 청문각 이산화탄소포집및저장기술 (2008) - 이산화탄소저감및처리기술개발사업단 더워지는지구, 그원인과대책 (2009) 40

44 2 차전지기술개발동향및관련이슈 울산과학기술대학교친환경에너지공학부조재필, 이규태, 최남순 저자소개 조재필 ( 曺在弼 ) - 아이와주립대세라믹공학과박사 - 울산과학기술대학교친환경에너지공학부학부장 - 리튬이차전지용 Ni 계양극소재구조안정화기술개발 - 플랙서블고체형이차전지개발 ( 신기술융합 ) jpcho@unist.ac.kr 이규태 ( 李圭泰 ) - 서울대응용화학박사 - 울산과학기술대학교친환경에너지공학부교수 - 리튬이차전지합금계음극소재개발 ktlee@unist.ac.kr 최남순 ( 崔南順 ) - 한국과학기술원생명화학공학박사 - 울산과학기술대학교친환경에너지공학부교수 - 금속계전극용기능성고분자바인더개발 nschoi@unist.ac.kr

45 요약 43 I. 서론 화석연료를대체할 2차전지 44 II. 기술개요 전지의분류 이차전지 리튬자원확보의중요성 47 III. 주요국동향분석 총괄 주요국동향 51 IV. 국내동향분석 국내동향 72 V. 시사점및정책제언 시사점 정책제언 79 참고문헌 81

46 2 차전지기술개발동향및관련이슈 요 약 2 차전지는화학에너지와전기에너지간의상호변환이가역적이어서충전과방전을반복할수있는전지를말한다. 2 차전지는 21C 녹색산업의새로운변화를이끌와해기술로인식되어, 기업간경쟁에서국가간경쟁으로기술경쟁이심화되어가고있다. 또한향후의 2 차전지산업은시장의확장에중추적인역할을담당해왔던모바일 IT 용전원분야에서전기자동차와같은非 IT 용전원분야로중심시장이이동될것으로전망되고있다. 최근전세계적으로불고있는녹색산업열풍으로인해전지관련산업체에많은시설증대및설비투자가이루어지고있으며, 이로인한전지전문인력의수요가급속하게증가하고있다. 예를들면상대적으로 2 차전지기술이낙후된미국과유럽에서도 2 차전지관련기술개발을위한투자를적극적으로확대하고있다. 한국은소형전지분야에서는세계적으로경쟁력이높은편이나, 전기자동차및대용량에너지저장장치등의중대형전지분야에서는기술경쟁력이높지않으므로이에대한대책마련이필요하다. 이를테면핵심소재에대한연구개발지원강화, 자원외교의확대, 에너지저장용 2 차전지의기술개발및시장진입에대한지속적인투자와모니터링등의정책이보다강조될필요가있다. 현재리튬이온전지는원가의 30~40% 를차지하고있는양극활물질로리튬코발트를사용하고있기때문에이를대체하기위한양극소재연구가활발히진행되고있다. 보다싸고, 높은출력을가지며, 오랜사용에도안정한구조를충족할수있는양극소재개발이리튬이온전지연구에핵심이슈사안중의하나라고볼수있겠다. 음극소재로사용되고있는탄소계소재는리튬의산화및환원전위근처에서반응하기때문에항상리튬금속이석출될가능성이존재하며, 이로인해안전성문제가우려되고있어서이를해결하기위한방안으로최근에는산화물계음극소재개발에도관심이집중되고있다. 또한리튬 2 차전지의용량을높이기위한노력의일환으로무게당가역용량값이높은금속계음극에대한연구도많이진행되고있다. 2 차전지산업의안정적인발전과함께세계전지시장을리딩하기위해서는기초원천연구부터양극, 음극및전해액관련핵심소재개발및이를이용한전지개발에이르기까지통합적으로연구개발을지원하는정책적인배려가필요하다. 특히차세대전지의개발은미래국가산업경쟁력확보에필수적이므로이를위해차세대전지소재의개발과더불어현재의리튬 2 차전지를대체할수있는새로운 2 차전지시스템의개발에도정책적인투자가이루어져야한다. 또한효율적인 2 차전지의연구개발을위해서는산 학 연의역할에대한정체성파악을통해효율적인역할분담이필요하다. 또한 2 차전지는매우복잡한시스템이므로양극, 음극, 전해질의전문가들이유기적인관계를통해서서로공동연구를수행하여야효율적인연구개발을수행할수있다. 따라서이를위해서는현재의일부전문가에의해피라미드스식으로기획되는정부과제를지양하고, 전지의양극, 음극, 전해질전문가그룹들이모두구성되는팀단위의중규모개발프로젝트의추진이고려될필요가있다. 43

47 Green_tech Reseach I. 서론 1. 화석연료를대체할 2 차전지 최근개최된국제회의마다녹색성장이주요화두로거론되고있으며 20세기를주름잡았던석유와같은화석연료의시대가저물어가고 21세기는새로운녹색대체에너지시대가도래할것으로전망되고있다. 지금과같은수준으로화석연료를사용한다면환경파괴와지구온난화로지구와지구상에살고있는인류를포함한모든생물이공멸할것이자명하다. 이에화석연료를사용하지않는차세대에너지로태양광, 풍력, 조력, 원자력발전등이언급되고있으나이러한에너지를차량과같은운송수단에직접적으로사용하기에는무리가있으며에너지생산량이고르지않다는한계가있다. 이를해결하기위한수단으로 에너지저장기술 이대두되고있다. 에너지저장기술의방안으로연료전지및수소저장합금과같은기술이언급되고있으나현재의기술적완성도및경제성을고려해볼때 2차전지가가장현실적인대안이라고본다. 특히, 상용화된 2차전지중에서중량및부피당가장높은에너지밀도를나타내는리튬이온전지가가시적인성과를낼수있는분야라고할수있겠다 ( 그림 1). 그림 1. 2 차전지종류별부피당및무게당에너지밀도 44

48 2 차전지기술개발동향및관련이슈 차세대 2차전지산업은화학, 물리, 전기, 전자, 재료, 금속등분야가집약된첨단기술제품으로서광범위한응용기술이필요하며, 학문적이론과연구실험이계속뒷받침되어야만고용량, 고성능화를달성할수있는특성을가지고있는첨단기술제품이다. 지금까지 2차전지는휴대용전자기기, 노트북과같은소형 IT 기기에사용되고있으나, 앞으로는전기자동차 (Electric Vehicle, EV) 의차세대동력원및신재생에너지의저장수단으로녹색성장의전면에부각될것으로예상된다. 본내용에서는 2차전지산업의현황과전망을분석하고바람직한산업발전을위해서해결해야할이슈사항들을발굴하고신기술개발을위한전략에대해살펴보고자한다. II. 기술개요 1. 전지의분류 전지는작동원리에따라화학전지와물리전지두가지로분류될수있다. 본고에서주로다루게될화학전지는크게 1차전지, 2차전지및연료전지로분류할수있으며 1차전지와 2차전지의구분은에너지변환의가역성에있다 ( 표 8). 표 1. 화학전지의분류 1 차전지 2 차전지연료전지 망간전지알카리망간전지수은전지산화은전지리튬1차전지공기아연전지 납축전지니켈 / 카드뮴전지 (Ni-Cd) 니켈-수소전지 (NiMH) 리튬2차전지 (LIB) 나트륨 / 황전지 (Na/S) 니켈 / 아연전지 (Ni/Zn) 금속공기전지 (Metal/Air) 인산형형 (PAFC) 용융탄산염형 (MCFC) 고체전해질형 (SOFC) 고체고분자전해질 (PEFC) 45

49 Green_tech Reseach 가. 화학전지 1차전지는화학에너지를전기에너지로변환시키는전지로서, 반응과정이비가역적이거나가역적이라도충전이용이하지않다. 2차전지는화학에너지와전기에너지간의상호변환이가역적이어서충전과방전을반복할수있는전지이다. 연료전지는연료 ( 천연가스, 메탄올, 석탄 ) 의화학에너지를전기에너지로직접변환하는화학발전장치로서, 외부에서반응물이연속공급되어발전이가능한전지이다. 나. 물리전지 태양전지는반도체의 p-n접합을이용하여광전효과에의해태양광에너지를직접전기에너지로변환하는장치이다. 열전소자는반도체의 p-n접합을이용하여열에너지를직접전기에너지로변환하는장치이고원자력전지는방사성동위원소의에너지를전기에너지로변환하는장치이다 차전지 전지란전기화학적인산화및환원반응에의해화학에너지를전기에너지로변환하는장치로서, 현재까지나온일반적인전지는이온수용체인양극과음극, 이들전극을분리하는분리막및이온전달의매개체인전해질로구성되어있다. 2차전지를구성하는양극소재, 음극소재, 전해질, 및분리막은 4대핵심부품 소재로가격뿐아니라성능면에서도 2차전지에서가장중요한역할을한다. 그림 2는원통형리튬 2차전지에대한모식도이다. 그림 2. 원통형리튬 2 차전지의구성부품소재 46

50 2 차전지기술개발동향및관련이슈 3. 리튬자원확보의중요성 2차전지시장을선점하는데있어가장중요한점은원재료의확보이다. LIB 를생산하려면관련제조기술도중요하지만반드시필요한원재료인리튬자원에대한확보방안이함께해결되어야한다. 리튬은리튬배터리를비롯해유리, 합금, 세라믹, 윤활유, 제약등다양한산업에서사용되는자원인동시에향후상용화가예상되는핵융합발전의연료가되는매우유용한미래자원이다. 그러나리튬은석유와마찬가지로생산할수있는지역이한정되어있다. 리튬은주로염수의형태로보존되어있으며볼리비아, 칠레, 아르헨티나의국경지대에집중되어있으나불행하게도우리나라에는리튬자원이전무한상태이다. 특히볼리비아우유니는세계최대의염호로세계리튬매장량의절반가량 (540 만t) 이매장되어있는것으로추정된다. 리튬의육상매장량이한정되어있기때문에중국, 일본등경쟁국가들은리튬확보를위해총성없는전쟁을벌이고있다. 중국은세계매장량의 10% 에달하는리튬을티벳자치구에서발견했지만, 주요광물자원선점전략에따라볼리비아등과채광및개발협정을체결하는발빠른행보를보이고있다. 또한일본은리튬을주로칠레에서수입했으나, 중국의자원독점에대비해수입루트를다각화하려는움직임을보이고있다. 우리나라도광물자원공사를주축으로볼리비아에진출해개발협정을체결했지만, 미국의주요언론 (Forbes, NY Times, Time 등 ) 에서언급한바와같이볼리비아는서방국가에대해우호적이지않으며, 우리나라에도중국등과동시에개발협정을체결하고있어독점적인리튬공급원확보는요원할수밖에없다. 매장지역이한정되어있다는것외에도리튬의원활한공급에는또다른문제가있다. 육상에서채취하는리튬은염호 ( 鹽湖, brine) 를증발한후정제하여생산 ( 생산기간 1~2 년 ) 하거나, 리튬이포함된리티아휘석 (spodumene), 페탈라이트 (petalite), 비늘운모 (lepidolite) 등의광석을채광한뒤선광 제련과정을거쳐생산하고있다. 이러한방식은수요량이갑자기증가할경우대응속도가떨어지기때문에전기자동차의상용화로인한급격한리튬수요증가를감당할수있을지의문이다. 이때문에 2012 년이후부터수요량대비생산량이열세에접어들것으로예상되며, 전기자동차가대량으로양산되는 2020 년경에는리튬수요량 11 만톤대비생산량은 7만톤에불과해리튬가격이폭등할우려가있다. 또한승용차뿐만아니라상업용차량도전기자동차로전환될경우수십만톤의수급불균형이발생할가능성도배제할수없다. 우리나라의주력산업은현재반도체, 자동차등에서 2차전지와전기자동차로전환될것이며, 이미다수의국내기업들이수조원에달하는설비투자를하고있다. 하지만이러한투자가결실을맺기위해서는리튬의안정적인확보가최우선과제로떠오르고있으며, 핵융합발전에관한연구인 KSTAR 가빛을발하기위해서도리튬은반드시필요하다. 한편지난해 11 월지식경제부는 ' 희소금속소재산업발전종합대책 ' 을발표한바있다. 대책에따르면지경부는 2018 년까지리튬, 마그네슘등 10 대희소금속의핵심원천기술 40 개를선정, 이들기술개발에 3천억원을투입해현재 12% 수준인희소금속자급률을 80% 까지끌어올리기로했다. 47

51 Green_tech Reseach III. 주요국동향분석 1. 총괄 2차전지는앞서언급한바와같이휴대용 IT 기기시장을넘어전기자동차시장을정복하려하고있다. 또한, 2차전지산업은후방산업의기술개발토대로전방산업의신규시장선점등산업장벽을뛰어넘는동반성장시너지효과를발생하는연쇄효과가큰산업이라고하겠다. 2차전지시장에서전기자동차를자주언급하는이유는 IT 기기용소형 LIB와전기자동차용대형 LIB는용량자체가현저하게다르기때문이다 ( 그림 3). 하이브리드자동차용 2차전지의경우, 기존휴대폰배터리의 100배정도의용량이며, 가까운시일내에자동차시대를이끌어갈전기자동차용 2차전지의용량은휴대폰배터리대비수천배에달할것이다. 이때문에대다수전문가들이 2차전지시장의변화동인 ( 動因 ) 으로전기자동차를손꼽는것이며, 불과얼마전까지만해도 2020 년시장규모를 500억달러내외로예측했으나최근발행된보고서에서는무려 1,000 억달러에달할것으로예상하고있다. 그림 3. 리튬 2 차전지개발동향 48

52 2 차전지기술개발동향및관련이슈 가. 시장동향 거의 100% 리튬 2차전지가사용되는모바일디바이스 2차전지시장은세계시장의대부분을한 일 중 3국이차지하고있다. 1991년일본이세계시장의 95% 를점유하였으나, 2009년지금은한국, 중국이시장을잠식하고있다 ( 표 2). 소형전지시장에서중대형전지시장으로시장구조가전환되면서, 높은에너지밀도와출력특성으로응용분야가계속확대하고있는리튬 2차전지중심으로재편되고있다. 리튬 2차전지는현재모바일 IT용전원이대부분이나, 2015년에는 347억불중모바일 IT용 43%, 전기차용 42%, 에너지저장용 15% 로非 IT분야로중심시장이이동될것으로전망된다. 표 2. 세계주요업체의리튬 2 차전지시장점유율예상 2009 년일본한국중국등기타 점유율 41% 30% 29% 주요업체 산요전기 : 19.0% 소니에너지 : 12.9% 마쯔시다 : 4.7% 기타 : 4.4% 삼성SDI : 17.7% LG화학 : 12.3% 기타 : 0.1% BYD : 7.4% Lishen : 5.1% 기타 : 10.4% 대만등 : 7.0% * 출처 : IIT 2009 나. 개발동향 소형 IT기기의동력원인리튬 2차전지가전기차 대용량에너지저장장치등에활용될가능성 (potential) 에주목되고있다. 1) 모바일디바이스용 2 차전지 세계모바일디바이스용 2차전지시장은 2008 년 108 억불로 99% 이상리튬 2차전지가차지하고있다. 모바일디바이스용 2차전지는 2015 년 210 억불, 2018 년 280 억불의시장을형성하고있으며연평균 11% 성장할것으로전망된다. 특히, Mobile IT용 2차전지시장은다양한기기들의융합화에따라기기당필요한에너지량은증가하였지만관련기기의수요증가는완만한수준으로예상되어연간 10% 수준의 49

53 Green_tech Reseach 성장이예상되고있다. 또한초소형전자기기용 2차전지시장은현재는거의대부분 1차전지가사용되어시장생성기에불과하나, 미래의다양한초소형전자기기의활용극대화를위한 2차전지채택이필수적이기때문에연간 63% 의급격한시장확대가예상되고있다. 미국, 일본, 유럽등주요국은전기자동차개발 보급을앞당기기위한 2차전지기술개발에국가적인지원체계를구축하고있다. 또한, 2차전지의에너지저장능력이효율적인에너지소비의필수요소로인식하여 2차전지를이용한에너지저장시스템개발및실증사업을대형국책과제로추진하고있다. 미국은 1992 년부터에너지저장실증사업으로약 6천만불을지원하였고, 일본은 1980 년부터약 240 억엔규모의 R&D 지원하였으며, 그리드연계형신형전지개발을위해 90억엔추가지원을계획하고있다. 유럽은독일환경부와프랑스경제성공동으로태양광주택용리튬이온전지개발프로젝트 (SOLION) 를진행중이며 2012 년상용화를목표로하고있다. 독일은 2009 년부터 3.5 천만불을지원하여에너지저장용배터리를개발중이다. 2) 전력저장용 2 차전지 2차전지시장은자동차용납축전지 니켈계전지, IT용리튬전지등을포함하여 2008년기준 300억불의시장을형성하고있으며시장점유규모는납축전지 (2008년 165억불 ), 리튬 2차전지 (96 억불 ), Ni-MH 전지 (24억불), Ni-Cd 전지 (11억불), 슈퍼커패시터 (4억불) 등으로구성되어있다. 납축전지는자동차용 12V 전지시장과산업용을중심으로지속적인수요는있을것으로예상되나, 그비중은 2008년 56% 에서 2015년 25% 로비중으로축소되었고니켈계전지는가정용무선전화기 ( 니켈카드뮴전지 ) 와하이브리드자동차용 ( 니켈수소전지 ) 으로주로사용되고있으며, 그비중은 2008년 8% 에서 2015년 6% 로감소할것으로전망된다 ( 그림 4). 2차전지는 2010년부터 IT수요의회복과자동차용리튬이온전지시장의형성으로연평균 15% 정도성장할것으로예상되고있다 ( 그림 5). 그림 4. 세계 2 차전지시장 50

54 2 차전지기술개발동향및관련이슈 그림 5. 2 차전지별비중전망 * 출처 : IT 총연, 노무라종합연구소, Frost & Sullivan, Hiegde, 후지경제 대규모전력저장용 2차전지의수요확대로인해 NaS 전지, 리독스흐름전지등대형 2차전지시장은 2015년 131억불을형성할것으로전망된다. 슈퍼커패시터는메모리백업용 (PC, 휴대폰등 ) 으로사용되고있으며 2008년 4억불시장에서 2015년 8억불시장으로성장할것으로전망된다. 에너지저장용 2차전지시장은현재는대부분무정전전원장치 (UPS) 로사용되는납축전지시장이주도하고있으나, 전세계적으로풍력, 태양광등의신재생에너지분산발전으로인한신규수요가폭발적으로창출될것으로예상되고있다. 2. 주요국동향 가. 미국 1) 정책 2009년 8월, 전기차용배터리와소재분야에 15억불지원계획을확정하였고전기차 R&D를위해 2009년 6천9백만불을지원 (2004 년 R&D 지원예산대비 3배증가 ) 하였다. 또한기반구축을위해국립연구소별로특화시켜 2009년 2천5백만불을지원하였다. DOE(Department of Energy) 내 Office of Science 에서는기초기술과원천기술개발을위해 2009년부터 EFRC(Energy Frontier Research Center) 지원하며 2차전지와관련된 4개의센터사업을선정, 총 6천5백만불이상지원할예정이다 ( 그림 6). DOE 주도로 FCVT(Freedom Car and Vehicle Technologies) Program 51

55 Green_tech Reseach 을추진하고있다. 1991년부터전기자동차와모바일디바이스용리튬 2차전지연구지원을확대하였고국무성과국방성에서 ARP (Advanced Research Program)/ ATP (Advanced Technology Program) 프로그램과 USABC (United States Advenced Battery Consortium) 프로그램을추진하여첨단 2차전지기술개발을지원하고있다. 미국 DOE & EPA, 에너지기금과세계은행, 아시아개발은행을통한기금을통하여 40개주에서 Smart Grid 관련기술개발및실증사업을진행중이다. Smart Grid는 AMI(Advanced Metering Infrastructure)-smart meter의양방향통신시스템구축이 1단계로이를위해 10,000 대의자동커패시터조절장치를통하여 1,600MW 의전력을조절하고있다. 미국은신재생에너지저장용및 EV, HEV 등친환경자동차용 2차전지분야를집중적으로지원하고있으며, 부품소재분야도보유하고있는지적재산권을기반으로하여중대형 2차전지용소재를집중지원하고있다. 미국은기초원천연구부터핵심소재개발및이를이용한전지개발에이르기까지통합적으로연구개발을지원하고있으며, 양극, 음극및전해액관련연구는연구소및대학에서주로연구가진행될수있도록정책적으로배려하고있다. 그림 6. 미국 DOE 의 Energy Storage R&D 예산 2) 산업및시장전기차및전력저장용 2차전지 미국의 2007 년신재생에너지전력용량의경우, 풍력과태양광발전의총량은각322 억 kwh, 21억 kwh이며, 발전단가를고려할때, 풍력은 22억 5천만 $, 태양광발전은 6억 3천만 $ 의시장을가지고있다. 일본 Tomamae처럼발전전력의 20% 를전력저장전지로저장한다고가정할경우, 2007 년기준 52

56 2 차전지기술개발동향및관련이슈 5.7억 $ 의시장을가지고있는것으로추산된다. 미국은 EPRI Program 94를통해현재까지 6천만불이상의정부지원금으로다양한 2차전지시스템에대한실증사업을수행하고있으며, 2009 년에너지저장장치에대한정부지원프로그램을발표하였다 ( 그림 7). 그림 7. EPRI Program 94 를통한에너지저장장치개발로드맵 미국대형전력회사인 AEP, AES 社등은에너지저장용 2차전지사업의실증등을위해대규모투자를진행중이며 AEP 社의경우 2009년 3월 4시간백업전력저장용의 분산형에너지스토리지 보급계획을발표하였다. DOE와 EPRI 에서지원하는사업으로미국의리튬 2차전지벤처업체인 A123 Systems 社와 Altairnano 社는 1MW급의실증용에너지저장장치를제작하여운영중이다. SCE(Sourthern California Edison) 社는스마트그리드와연계하여전력효율을극대화하기위한 PHEV 및가정용에너지저장시스템을개발중이다 ( 그림 8). 그림 8. 미국 SCE 社의 PHEV 및가정용에너지저장시스템 53

57 Green_tech Reseach ) 기술개발 모바일디바이스 2차전지세계시장은한 일 중 3국이차지하고있어미국은전기차용및전력저장용 2차전지개발에주력하고있다. Back-up 전력, peak time 관리, grid signal frequency 관리등의여러기능을동시에지원할수있는다목적대형배터리개발과대체에너지용스토리지기술개발이필요하다는것에의견을같이하고있다. 전기차용으로의리튬 2차전지는수명및출력특성은만족하나온도특성, 가격등나머지제반특성이부족한상황이다 ( 그림 9). 그림 9. USABC 프로그램의전기차스펙과리튬 2차전지수준비교리튬 2차전지용양극소재 LiCoO2 현재상용화되어범용적으로사용되고있는 LiCoO2 양극활물질은 3.7V의공칭전압을보이며가역적으로리튬의삽입 (intercalation) 과탈리 (deintercalation) 가이루어지는물질로서합성이용이하고, 우수한수명특성을가지며, 고율특성과높은구조적가역성을보이는물질로잘알려져있다. 하지만, 충전말기의 Li1-xCoO2 의구조적불안정성에기인하여한계용량이 150mAh/g 정도로낮은문제점과코발트화합물의매장량의한계성에따른가격상승과환경적인문제점이대두되어 LiCoO2 와같이높은공칭전압을가지며높은가역용량을보이는새로운양극물질개발이필요한상황이다. 대안으로써제시되었던 LiNiO2 산화물의경우, 코발트산화물과같은 2차원적인층상구조를가지며 200 mah/g 이상의높은가역용량구현할수있으며, 상대적으로코발트산화물에비해저렴하고, 환경적인허용배출농도가높은장점을가지고있으나, 충전말기 NiO2 결정구조의불안정성, 격자내의산소탈리등의문제점에기인한열안정성이매우취약한단점에의하여니켈계단독으로의이용은현재어려운실정이다 ( 그림 10). 54

58 2 차전지기술개발동향및관련이슈 층상구조스피넬구조올리빈구조 그림 10. 리튬 2 차전지용양극소재의기본구조 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 LiNiO2 단독으로는소재의특성을확보하기어렵기때문에이를개선하여개발된소재의조성은 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 이며일부고출력용리튬2차전지에적용되고있으나, 고온저장및수명에서는아직개선의여지필요하다. 미국 3M 社에서특허를보유한 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 산화물소재는일본에서양산전지에적용되었으며용량은 LiCoO2 와비슷하나극판의에너지밀도가떨어져고용량급전지에는적용하지못하였고, 다만 LiCoO2 대비 4.2V 의기존충전전압을 4.4V 근처영역까지확장하여사용할수있는장점이있어고전압용전지에최초로적용되었다 ( 사용가능용량 165mAh/g). LiFePO4 올리빈구조를가지는 LiFePO4 는 Texas Austine 대학의 Goodenough 교수에의해발표된이후, 미국의 A123 Systems 社가전동공구용전지에적용하였으며, 높은안전성으로인해하이브리드자동차용리튬 2차전지등대용량, 고출력 application 에주로적용되고있다. 미국의벤처기업인 A123 Systems 에서는 LiFePO4 소재를적용한전동공구용리튬 2차전지를세계최초로상용화했으며이기술을확대적용하여전기자동차용과전력저장용의리튬 2차전지개발에도참여하고있다. ( 그림 29) LiFePO4 소재는특히출력과안전성이뛰어나높은에너지밀도가필요하지않은 application 에서경쟁력이있으며앞으로기존양극활물질과의경쟁이치열할것으로예상된다 ( 그림 11). 55

59 Green_tech Reseach 그림 11. A123 systems 社에서제작한 LiFePO4 소재와이를적용한원형셀 Li2MnO3 - 미국의아르곤국립연구소에서 Li2MnO3 등과같은고용량소재에대한연구도진행되고있다. 리튬 2차전지용음극소재 Li4Ti5O12 탄소계소재는리튬의산화 / 환원전위근처에서반응하기때문에항상리튬금속이석출될가능성이존재하며, 이로인한안전성우려로최근에는산화물계음극소재개발에도관심이집중되고있다. 산화물음극소재중가장많은관심을받고있는소재는 Li4Ti5O12 는뛰어난출력특성과안전성으로자동차용, 전력저장용리튬 2차전지의음극소재로검토되고있다. 그러나, 1.6V라는높은반응전위와흑연대비낮은용량 (160mAh/g) 으로인해전지의에너지밀도가급격히떨어지게되어고에너지밀도를요구하는용도로는부적합하다. 미국의 Altairnano 社에서 Li4Ti5O12 소재를양산화하기위해다양한노력을기울이고있으며최근에는자동차용보다는공간적인제약이작아에너지밀도에대한요구가심하지않은전력저장용리튬 2차전지적용에노력을기울이고있다 ( 그림 30). 그림 12. Li4Ti5O12 의입자사진및결정구조 56

60 2 차전지기술개발동향및관련이슈 나. 일본 1) 정책 고성능리튬 2차전지개발을위해경제산업성주도로 1992년부터 10년간, 140억엔을지원하여 New Sunshine Project 를추진하고있다. 1990년부터전기차용배터리개발을위해 220억엔을투입하였으며, 2007 ~ 2011년까지추가로프로젝트 110억엔을지원하였다. 또한 2009년부터 7년간 All Japan Project 로 210억엔을지원하고있다. 2010년부터는응용기술개발을위해연간 68억엔지원할예정이다. 2008년경제산업성에서발표한 21가지의 Cool Earth Innovative Technology Program 에서전력저장 (Power storage) 이포함된다. 전력저장분야의개발로드맵작성을통해, 기존상용화된시스템뿐만아니라, 다양한 2차전지를경쟁시켜궁극의목표인 kwh당 15,000 엔과수명 20년이상을달성하기위한기술개발을추진하고있다. NEDO에서는대용량전력산업용태양전지와연계, 다양한국제협력및대규모실증사업으로기술개발을진행중이다. Grid 의안정화를위한대형PV 전원및 NAS + 슈퍼커패시터에너지저장장치실증사업을수행하고있다. (2006 년 ~ 2010년, 한해예산 : 20억엔 ) 2) 산업및시장모바일 IT용 2차전지 음극소재시장 음극활물질시장은아래그림에서보는것처럼천연흑연코어 (NG코어) 를적용한일본카본과히타치화성의저가품매출이계속확대되고있는추세인반면, PVDF0 계바인더를사용하고있는소니는메조페이스계음극활물질을사용하고있으며, 아직까지는그추세를유지하고있는상황이다 ( 그림 13). 대부분의업체에서진행중인소재는실리콘계열의고용량소재이며, 실리콘소재의단점인수명특성을보완하기위한다양한시도가이루어지고있지만, 상용화를위한성능확보는아직이루어지지않고있다. 최근친환경자동차용리튬 2차전지에사용되고있는하드카본및소프트카본과같은저결정성탄소재료가향후주요시장을형성할것으로전망되고있으며이분야에서도일본업체가시장과기술을주도해나갈것으로예측된다. 57

61 Green_tech Reseach 그림 13. 리튬이온전지용음극활물질의종류별시장 전해질소재시장 2008년전해액시장은전년대비약 27% 증가했으며, 전해액이다른재료에비해성장률이높은것은고용량화에따라주액효율이낮아진원통형전지의출하비율이높아지고있는것과관계되어있다. 2009년의전해액시장은연간 12,520MT로전년대비 9% 감소할것으로전망되며, 타재료와는달리장기재고보유가효과가없기때문에전지제조업체의생산량과직접적으로연관된다. 산요와히타치막셀에공급하여시장점유율 1위를고수하던우베흥산은국내제조업체인욱성화학 (2008 년제일모직의전해액사업부인수 ) 에 1위자리를내어줄것으로예상된다. 산요는전해액의일부를미쯔비시화학으로부터도입하는것을진행시키고있지만, 여전히우베흥산으로부터 90% 이상을조달하고있다. 삼성SDI 이외의대기업 4사에공급하고있는미쯔비시화학도생산량이점차로증가하고있으며토미야마약품도소니전용공급량이호조를보이고있어시장점유율을유지할것으로전망된다 ( 그림 14, 15). 그림 14. 전지제조업체별전해액의수급관계 (2008 년도 ) 그림 15. 리튬이온전지용전해액제조업체시장점유율 58

62 2 차전지기술개발동향및관련이슈 분리막소재시장 2008 년분리막시장은전년대비 23% 증가할것으로보이며제품의수급관계와가격동향등에는큰변화는없으며국내 2 社전용으로 SK에너지가공급을확대하고있어지금까지토넨社가유지해온고가격이소니전용가격부근으로하락하였다. 시장리더인아사히화성은 2009 년과 2010 년증설을통해생산량을지속적으로확대해나갈계획이며, 토넨社도일본공장증설뿐만아니라한국진출 ( 구미 ) 로생산량증대및 SK에너지에대한견제를할계획이다 ( 그림 16). 그림 16. 분리막제조업체의원판제조능력 대용량전력저장용 2차전지일본풍력발전의경우, 2010년 1540MWh에서 2020년은 10,500MWh 로증가되고 2030년은 18,900MWh로성장할것으로보이며, 태양광발전은 2030년에 364,000MWh까지성장할것으로예측된다. 이중 20% 를전력저장전지로저장할경우, 2030 년 NEDO target(1.5 万円 /kwh) 을적용하면, 115억 $ 로성장할것으로예측되고있다. 대용량전력저장분야의세계시장은 2015년약 486억불에육박할것으로예상된다 ( 그림 35). 대용량전력저장장치가적용될수있는분야로는가정용전력저장시스템, 산업용 / 상업용중형전력저장, 발전소및변전소에설치되는초대용량의전력저장시스템등을들수있으며, 풍력발전, 태양전지의신재생에너지분야로의확대도전망되고있다. 대용량전략저장시장은현재존재하는시장이기보다는향후개척해나가야하는시장으로마켓창출형시장이라고할수있다. 오피스빌딩에사용되는전력을심야에저장하고, 주간에사용하면에너지비용의절감이가능하며, 자동차에탑재된전지를주택용전력저장과겸용으로사용하는방법등여러가지 Business Model 이도출되고있다. 계통연계형전력저장장치프로젝트중커패시터분야의연구개발은 Nippon Chemi-Con과 Tokyo 농경대학에서카본나노튜브개발등의내용으로 2006년부터 2010년까지수행 ( 개발예산 4억엔 ) 하고있다. 에너지밀도는 20Wh/Kg, 출력밀도는 10Kw/Kg, 사용수명은 15년목표이다. 59

63 Green_tech Reseach * 출처 : 삼성 SDI 발표자료 그림 년세계시장규모전망 3) 기술개발 일본은 1980~1991 년사이 Moonlight project" 수행을통하여 RFB, NAS, Zn/Br, Zn/Cl등양수발전을대체할수있는대형전력저장전지개발을수행하였으며, 이어서 1992~2001 년까지수행된 "New sunshine project" 수행을통해분산발전전력저장기술을개발하였다. NEDO 프로젝트로진행된 분산형전지전력저장기술개발 과제를 리튬전지전력저장기술연구조합 (LIBES) 이과제의총괄을맡아 1992년부터 2001년까지 10년동안수행하였다. 과제비는 NEDO 에서 166억엔이지원되었으며 12개업체와 1개연구소가과제에참여, 기반기술개발부터상용화를위한연구까지다양하게추진하였다. MW급의 2차전지로는상용화된제품으로 NaS전지와 Redox Flow 전지가있으며일본을중심으로보급및실증이전개되고있다. NaS 전지기술은고이온전도도의고체전해질소재및전해질관성형기술이핵심이며, 그외단전지부품과조립기술이필요하다. 또한 NaS 전지는모듈단위로제작되며운전온도가 300도근처로높기때문에열관리기술이중요하다. Redox Flow 전지기술은최근중국에서도활발하게기술개발이진행중이며, 신규 redox couple 의개발, 고효율전극기술및장기신뢰성확보를위한소재기술등이포함된다. 또한일본의차세대전지개발계획은 ( 그림 18) 과같다. 최근 SONY 사는 tin-based amorphous anode material 을상용화하여부피당가역용량을약 50% 향상시켜전체전지의용량을약 30% 향상시켰다고보고하였다. 그러나싸이클특성에문제가있어캠코더에한정적으로적용되었다 ( 그림 17). 60

64 2 차전지기술개발동향및관련이슈 그림 18. Sony 사에서개발한리튬 2 차전지 ( 금속계음극최초적용 ) 리튬 2차전지용양극소재 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 산요는 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 를적용하여 NTT 社도꼬모휴대폰에 4.38V 충전이가능한리튬 2차전지를 2005 년부터공급하였으나, 잦은발열사고로인해충전전압을 4.35V 로낮추었으나이후로도지속적인시장사고발생으로판매를중단하였다. 최근코발트가격의상승으로상대적으로가격이저렴한 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 소재를 LiCoO2 대신사용하여단가를낮추는방향으로적용되고있다. LG화학은 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 와유사한 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 조성의소재를개발하여자체생산및 LNF 신소재에위탁생산하고있으며기존소재를대체적용함으로써가격경쟁력을확보하였다. 그림 19. 일본의차세대전지개발계획 61

65 Green_tech Reseach LiMn2O4 스피넬구조를가지는 LiMn2O4 활물질의경우 4 V 영역의평탄한전위곡선과중심금속으로망간을사용하는장점과 3차원적인터널구조의구조적안정성때문에가장가능성이높은대체활물질로많은연구가진행되고있다. LiMn2O4 활물질은용량이 100mAh/g 으로낮아기존 LiCoO2 소재를대체할수없으며가격이싼장점을이용해 low-end 형의저가셀에일부적용되고있다. LiMn2O4 활물질은출력특성과안전성이뛰어나전동공구용리튬 2차전지소재로적용이확대되고있으며, 이러한경우에도용량이낮아삼성분계소재등과혼합하여사용되고있다. 최근 HEV 등전기자동차용리튬 2차전지의상용화개발에있어서출력특성이우선시되는 HEV 에서는양극소재로가장많이채택되고있어향후시장전망이낙관적이다. LiFePO4 LiFePO4 소재는방전전압이 3.5V 영역이기때문에기존의양극소재평균방전전압인 3.8~4.0V 에비해에너지밀도가낮다는단점이있으며이를극복하기위해 Fe를 Mn이나 Ni 등으로치환한고전압올리빈계소재개발이활발하게진행중이다 ( 그림 38). 향후양극소재는고안전성 (LiFePO4, LiMnPO4) 과고용량 (LiNiO2, Li2MnO3) 의두가지방향으로전개될것으로예측되고있다. 그림 20. 대표적인양극소재의전압및이론용량 62

66 2 차전지기술개발동향및관련이슈 리튬 2차전지용음극소재 Hard Carbon 1990년대초에일본의소니에너지텍에서리튬금속을대신하여리튬2차전지용음극활물질인 Hard Carbon 계음극을발표한후리튬 2차전지는그간꾸준한발전을거듭하여지금은흑연계음극활물질의이론용량에근접하는 360mAh/g 을상회하는용량을실현시키고있다. 리튬이온의충방전반응은탄소의결정화도, 형태, 결정방향등의특성에따라영향을받게되는데탄소는몇가지동소체 (allotrope) 가있지만흑연과불규칙한배열구조를갖는 Hard Carbon 등이실제적인리튬이온전지용으로이용되고있다 ( 그림 21). 그림 21. 음극소재물질의단위용량과방전전위 흑연흑연은다시천연흑연과 soft carbon을 2,400oC 이상으로열처리함으로써만들어지는인조흑연으로나뉜다. 인조흑연은 soft carbon 을고온에서열처리함으로써제조되고이열처리온도에따라 soft carbon 의방전용량이다르게나타나는데 2,400oC 이상에서열처리된흑연은 300~370mAh/g 의방전용량을가지나 1,800~2,000oC 에서열처리된 soft carbon 은불과 200mAh/g 내외의용량을나타낸다. 상대적으로열처리를통해흑연화가어렵고불규칙한결정구조를갖는 Hard Carbon 의경우에는고온열처리를하여도방전용량이 200mAh/g 이내이며, 1,000oC 부근에서열처리하면방전용량이 500~700mAh/g 으로높은편이나비가역적인용량이크고방전전압곡선이흑연전극처럼낮은전위에서평탄하지않고높은전위에서기울기를갖고방전되기때문에고에너지밀도를요구하는소형전지보다는고출력형의전지에주로채용되고있다. 63

67 Green_tech Reseach 금속계리튬 2차전지의용량을높이기위한노력의일환으로그램 (g) 당가역용량값이높은금속계음극에대한연구도많이진행되고있다. 금속소재중가장많은연구개발이이루어지고있는것은 Si와 Sn계음극소재이며기존의탄소계열음극소재에비해단위무게및부피당용량면에서약 2~3배정도높은특성을보인다. 충 방전이진행됨에따라급격히가역용량이감소되어실제전지에도입하기에는많은무리가따르며이를개선하기위해많은연구가진행되고있다 ( 그림 22). 그림 22. 금속계음극의이론용량 - 합금소재의나노화 : 물질의크기를나노미터로줄임으로써충방전으로인한절대부피변화양을최소화하였다. 예를들면 Si nanowires 와 nanotubes 등이이에해당된다. 4) - 합금소재의비결정화 : 비결정형소재의경우결정경계면이존재하지않으므로충방전의부피변화로인한피로가일부분에누적되어발생하는전극물질의분쇄를억제하는연구도진행되었으며 amorphous Si이한예이다. - 합금 / 탄소복합체화 : Si의부피변화를억제하기위하여탄소물질을 buffer 로사용하는연구도진행되었다. carbon-coated Si과 Sn에대한연구가이에해당된다. 4) J. Cho et al. Nano letters 9, 3844 (2009) 64

68 2 차전지기술개발동향및관련이슈 리튬 2차전지용전해질소재리튬이온전지에사용되는유기전해액은충전시양극에서음극으로, 방전시에는음극에서양극으로리튬이온을빠르게이동시키는이동매체이다. 현재리튬이온전지에주로사용되는유기전해액은고점도 / 고유전성용매인환형 (Cyclic Carbonate)(Ethylene Carbonate, Propylene Carbonate) 와저점도 / 저유전성용매인사슬형 (Chain Carbonate) (Dimethyl Carbonate, Ethylmethyl Carbonate, Diethyl Carbonate) 등용매의혼합용매에리튬염으로 LiPF6 를일정농도용해하여사용하고있다. 액체전해질의상온전도도는약 10-2 S/cm이며, 전기화학적으로안정한전위영역은 0~5V(vs. Li/Li+) 구간이다. 유기전해액은열적안전성이낮음에도불구하고이를대체할수있는획기적인물질이개발되지못하여대부분의리튬 2차전지에사용되고있다. 게다가쉽게불이붙는인화성물질이며전지내에서부반응발생시가스가발생되어전지의전기화학적성능및안전성을저하시키는요인으로작용한다. 리튬 2차전지에사용되는유기전해액에요구되는특성은 ( 표 3) 에나타내었다. 65

69 Green_tech Reseach 표 3. 전지내에서전해액의기능적요구특성 요구특성높은이온전도도우수한화학적, 물리적, 전기화학적안정성타물질과의친화도 (compatibility) 기타 요구특성과의연관성 - 전지의상온및저온성능 - 출력및용량 - 내열성 - 보호피막 (SEI) 형성 - melting/boiling/flash point - electrochemical window - 내화학성 (non-degradation) - Al, Cu( 집전체 ) 에대한내부식성 - 젖음성 (wettability) - 난연성 / 불연성 (non-flammable) 하이브리드자동차나전기자동차등환경대응형자동차에서리튬 2차전지의활용이시작되고있고, 양극이나음극과함께일정한안전성을확보한전해질이요구되고있다. 리튬이온전지를구성하기위한유기전해액으로는환형및사슬형카보네이트계각종유기용매나그것을함유하는고분자겔이일반적이다. 전해질은휘발성이높은것은물론이고가연성도높아서전지에문제가생겼을경우, 파열이나폭파하는등의안전성에많은문제를일으키는것이현실이다. 차세대전해액소재관련기술차세대전해액으로주목받고있는이온성액체의연구개발은연구소나대학을중심으로여전히활발히진행되고있으며, 내전압이나전도도의개량에있어어느정도의성과를보이고있지만, 실용화에이르기위해서는획기적인기술개발이이루어져야한다. NEDO의산업기술연구조성사업의일환으로나고야대학대학원생명농학연구과응용분자생명과학연구그룹은전기자동차등에탑재되는리튬 2차전지의안전성을비약적으로향상시키는전기분해질의개발에성공했다고발표하였다. 이전해질은완전히새로운타입의유기 무기하이브리드재료로서이온성액체나붕소화합물등난연소성성분과다당류로이루어진하이브리드형전기분해질의채용에의해, 안전성을비약적으로높이면서이온전도도 10-3 S/cm 이상을달성하고있으며. 연료전지등환경 에너지분야에응용이기대되는기술이다 ( 그림 23). 66

70 2 차전지기술개발동향및관련이슈 그림 23. 전해액소재관련기술 리튬 2차전지용분리막리튬 2차전지용분리막은양극과음극이물리적으로접촉하지못하게하며 ( 단락방지 ), 두전극사이에위치하기때문에전극간리튬이온의이동이원활하게이루어질수있도록기공이발달된구조를가지고있다. 분리막으로사용되는제품의재질은 Polyethylene(PE), Polypropylene(PP) 과같은 Polyolefin 계열의소재가주로사용되고있으며, 기계적강도가취약하고열변형이심하여리튬 2차전지의안전사고와관계가깊다. 분리막은제조방식에따라건식법과습식법으로분류되며건식법으로분리막을제조하는업체는셀가드이며, 습식법으로제조업체로는아사히하이포아와토넨이있다. 분리막은전지의반응에직접관여하지않기때문에, 분리막이전지내에서차지하는부피를최소화할수록에너지밀도를높일수있어전지업체에서는지속적으로분리막의두께를줄이기위한노력을해왔으나, 그에비례하여전지의안전성이나빠지는문제가있다. Non-woven separator 천연또는합성섬유들의화학적, 물리적, 기계적연결에의하여만들어진섬유상의매트형태이다. 천연섬유로서는주로셀룰로오즈계물질, 합성섬유로서는 polyolefin, polyamide, polyester, PTFE, PVDF, PVC 등이있다. 이러한 non-woven separator 들은높은 porosity (60-80%) 및큰 pore size (20-50um) 를가진다는것이특징이다. Ni-Cd 전지및 Ni-MH 전지에사용되어왔으나우수한기계적강도를가짐에도불구하고, 고용량을목표로하는리튬 2차전지에적용되지않았는데, 그이유는상대적으로크게 open된구조와거친표면 (rough surface) 으로인하여전지의단락을막기힘들기때문이다. 최근안전성과수명을향상시키기위하여 polyester non-woven separator 가연구되었는데, polyester 의높은 melting point 들을이용한고온안정성과균일한 pore structure 로인한수명향상효과등이보고되었다 ( 그림 24). 67

71 Green_tech Reseach 그림 24. Non-woven separator 의예 세라믹분리막세라믹분리막은매우미세한세라믹분말입자들과소량의바인더를이용하여만든다공성구조체이다. 리튬 2차전지의전해액성분중순환카보네이트열인 EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), GBL(γ-butyrolactone) 등은매우큰유전상수들을가지고있으며, 비극성인 polyolefin 계분리막에 wetting 이쉽지않다. 미세한세라믹분말을이용하여만든분리막들은높은친수성과넓은표면적으로인하여비수계전해질에우수한 wettability 를부여하여전지수명과성능을향상시켰다. 이러한세라믹분리막들은매우우수한열적안정성을가지며고온에서도거의수축이일어나지않는다. 리튬 2차전지에있어서안전성과관련된대부분은온도증가로인하여발생하는것이므로, 세라믹분리막은전지의열적안전성에큰효과가있다. 대표적인분리막업체 Asahi 는고밀도폴리에틸렌과내열수지또는세라믹의블렌드, 기존의습식분리막에내열층을도입한다층라미네이션및내열수지코팅을통한내열분리막의개발을진행하였다. Tonen은고밀도폴리에틸렌과내열수지를공압출하는것을주된내열성향상방안으로개발하였다. 해당사는현재테스트용으로출시되고있는공압출된내열분리막을하이브리드카용리튬 2차전지 (HEVB) 에적용할계획이며, 국내구미에이를위한생산라인도입을진행중이다. Sumitomo 는기존의습식분리막에내열수지또는세라믹미립자를이용한코팅법을적용하였다. 아라미드계내열수지를코팅한분리막의경우 2004년부터상업적으로판매되어, 노트북등일부제품에적용되고있다. 68

72 2 차전지기술개발동향및관련이슈 다. 유럽 1) 정책 전력산업의품질안정화를위해연간 150 billion 을소모하고있어, 전력산업의안정화에에너지저장장치적용을통해 10% 정도의절감이가능할것으로판단하고있으며, 슈퍼커패시터를포함한에너지저장장치의기술개발및실증사업을진행하고있다. 2011년까지전체소모전력의 10% 를신재생에너지에서공급하는계획을가지고풍력, 디젤엔진및에너지저장장치분야의기술개발을진행중에있다. 1991년부터유럽국가연합 (17개국참여 ) 의 JOULE Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ Program 을진행하고있다. 유럽국가의 29개기관이 IEC를통한국제규격제정, 환경보호정책지원등수요자보호활동에치중하고있다. 2) 산업및시장 프랑스의환경부와독일의경제성은공동으로태양광발전의안정화및보급확대를위한리튬 2차전지개발프로젝트인 SOLION 프로젝트를수행중이며본과제를통해수명 20년이상의리튬 2차전지를상용화하여 2012년부터보급할예정이다. 초기에는그리드연계된주택과건물에보급하는것이목표이며향후플랜트급의대형전지로확대하고총 75개의실증프로그램을추진할계획이다. 프랑스의전지제조업체인 Saft 社가프로젝트코디네이터를맡아배터리모듈을개발하고 Tenesol 社는전력회사인 EDF와석유회사인 Total 의합작사로서, 발전보급을담당하고있다. 독일기업으로는세계최대태양광발전 SI 업체인 Conergy 가참여하여 Tenesol 社와공동으로인버터및시스템 manegement 개발을담당하고전력회사인 E. ON 社는그리드와연계하여 태양광 + 전력저장 시스템의성능을평가할것이다. Batcap, Wima 등의독일, 프랑스기업에서에너지저장용슈퍼커패시터단셀및모듈기술개발을진행하고있음. 독일 WiMA의경우, 기존 EPCOS 사의슈퍼커패시터사업을포괄적인수를통한시장확대가진행되고있다. 신재생에너지분야인풍력, Smart-Grid, 연료전지분야로의접목을통한기술개발이진행되고있으며, 전력품질안정화분야의수요가급격이증가하고있다. 특히러시아의 ELITE 의경우태양전지, 풍력, 터빈엔진을통한 Grid의전력저장용수계커패시터개발을통한발전용으로기술개발도진행중이다. 영국은통상산업부 (DTI) New and Renewable Energy Programme 의 R&D 분야에 2005년 114 백만 을투자하였으며, 이중 energy storage 분야에 4백만 을투자하고있고, 레독스플로우전지에대한연구를 2005~2008 년진행하였다. ( 자료 : DTI보고서, DTI New and renewable energy programme-annual report FY05/06, 2006) 덴마크는 Riso에 15~200kW 급바나듐레독스-플로우전지를설치운용하고있다. 69

73 Green_tech Reseach 독일도 ZSW와프라운호퍼연구소에서바나듐레독스-플로우전지를연구개발중이다. 그리고 2008년 ~2011년에는 LIB2015 프로젝트로폭스바겐, BASF, Li-Tec, Bosch 등전기차용배터리개발을위한독일기업컨소시엄에 6천만 를지원하고있고, Federal Economic Stimulus Package II-Projects에 5억 를지원하였다 년 ~2011 년에는 E-Mobility Center, 전기화학연구클러스터및에너지연구, 배터리제조, 필드테스트, 배터리시험센터, 리사이클링파일롯설비를구축하였다. 3) 기술개발리튬 2차전지용분리막소재 Degussa 는 non-woven mat 에 porous ceramic layer 를코팅한후유연성 flexibility) 를부여하여 "Separion" 을개발하였다. Degussa 가개발한 Separion 은부직포의양면에다공성세라믹소재를올려서제작하는방식이며부직포재료는비전도성중합체섬유부직포를사용하였다. 부직포의두께는 30μm미만, 기공률이 50% 이상이고 75~150 μm범위의기공반경이 50% 이상분포되는분리막이다. 분리막은무기코팅시두께가 35μm미만이며평균입도가 0.5~0.7 μm인 Al2O3, SiO2, ZrO2 입자를포함하고있다. 또한, 분리막의파열강도가 1N/cm 를초과하며반경둘레로 1mm 아래까지손상되지않고굽혀질수있는것이특징이다. Degussa 는 2005 년도출원한특허에세라믹분리막용재료로서 Al2O3, SiO2, ZrO2 이외에 SnO2, CeO2, Y2O3 물질을추가하였으며분리막의강도및전해액함침성을고려한분말의최적크기는 1.5~3.0 μm임을발표하였다 ( 그림 25). 그림 25. Degussa 의 Separion 70

74 2 차전지기술개발동향및관련이슈 라. 중국 중국내완제품생산외국인업체에게자국산전지사용행정지도 ( 외국인업체 : 노키아, 모토로라, 삼성전자등 ) 를진행하고있으며리튬 2차전지관련산업을 고도화기술산업제품 으로지정하여각성 ( 省 ) 별로 R&D 자금을지원하고있다. 또한중국은리튬 2차전지안전관련표준제정을추진중이다. 2008년 3월중국정보산업부산하전자기술표준연구소 (CESI) 는리튬 2차전지의안전성확보를목표로표준개발을착수하였고, 6월에는일본전지공업회가옵저버로참여하여기술적자문을제공하였다. 그리고현재리튬 2차전지의안전성평가를위한국가표준으로제정되고있으나, 향후강제인증시스템적용이유력하다. 마. 기타 1) 호주 New South Wales대학의 Skyllas-Kazacos 교수를중심으로 1993년부터바나듐레독스전지에대한연구가활발히진행중에있다. Castle Valley Utah에 2MWh 급바나듐레독스전지가 PacifiCorp 에의해설치되어운전중에있다. 호주의 WA에서태양전지, 풍력발전연계레독스전지의실증에 2007 년 1.8M$ 의예산을투자하고있으며, NSW 에레독스플로우전지개발에 2007 년 0.26M$ 의예산을투자하고있다. 2) 캐나다 Technology and Innovation(T&I) Program의 Distributed Energy Production (DEP) 계획이세워져연구가진행되고있으며, 이프로그램의 electricity storage systems 분야에서바나듐레독스전지에대한연구가진행되고있다. T&I Distributed Energy Production Action Plan에서 2004년부터 5년간계획으로총 20M$(4.3M$-2004, 6.7M$-2005, 9.3M$-2006) 을투자하여재생에너지, 화석연료, 전력네트워크에대한연구를진행하였으며, 이중에너지저장에대한연구 (G9) 에바나듐레독스전지가포함되어있다. 71

75 Green_tech Reseach IV. 국내동향분석 1. 국내동향 가. 정책 한국은리튬 2차전지제품의신뢰성및안전성을강화시키기위하여법적 제도적기반을마련하였다. 국제기준 (IEC 62133) 보다고온연속충전, 고온방치성등을대폭강화한 KS 규격 (KS C 8546) 을제정하고, 이에따른안전기준을고시 (2008년 12월 ) 하였고, 품질경영및공산품안전관리법 의자율안전확인제도대상품목에포함시켜안전관리를실시중 (2009 년7월 ) 이다. 제1차국가에너지기본계획 ( ) 의에너지비젼 2030에따라신재생에너지보급률이 11% 로확대되고, 지식혁신주도형녹색성장산업발전전력에의해 2013 년에너지절약형저탄소플러그인차상용화를추진할계획이다. 게다가친환경절연및전력용반도체소자응용배전기기개발을통해그린 IT 전략 ( ) 정책을수립하였다. 또한정부는신재생에너지원과연계한저장및충전시스템의개발로저탄소녹색성장을선도하는그린 IT를구현하기위한주요목표인에너지고효율 IT 기술확보와가정, 건물사회전반으로의그린 IT기술확산을유도하고있다 년까지신재생에너지주택 (Green home) 100만호보급을목표로사업을추진하고있다. 나. 시장및산업 2차전지시장은노트북PC, 휴대폰등 IT기기용소형전지를중심으로총 144억불 (2008) 규모로성장하였으며, 국내 2차전지산업은전략적투자로세계시장 95% 를장악하고있던일본을추격하여최근우리기업이세계 2 3위를차지하였다. 현재주로휴대폰등모바일 IT 기기의전원으로사용되고있는리튬 2차전지는 1997년구산업자원부의중기거점기술개발사업으로산업화기술개발본격화되어, 2000년부터 High-End 제품중심의자동화양산을시작하였다. 삼성 SDI, LG화학등우리나라대표기업들은세계리튬이온 2차전지시장에서선전중에있으며삼성SDI 의경우, 2008 년리튬이온전지매출액이 1.82 조원으로전년대비 99% 증가했으며, LG화학의경우, 2008 년리튬이온전지매출액이 8,105 억원으로전년대비 25% 증가하였다 년 4분기이후삼성 SDI는산요를, LG화학은소니를추월할전망이며우리나라기업들의선제적인설비증설전략으로리튬이온 2차전지시장에서타경쟁사대비가격우위를보이고있으며, 향후시장지배력은 72

76 2 차전지기술개발동향및관련이슈 더욱더확대될것으로전망되고있다. 최근자동차산업이국가적전략수출산업으로써친환경그린카개발에많은역량을집중투자하는국제산업동향을고려할때, 수송기계용 2차전지개발은국내전기자동차산업의국제경쟁력향상및중장기적으로전기자동차의수입대체및수출증대에기여할것으로예상된다. 다. 기술개발 1) 모바일디바이스용 2차전지분야 삼성 SDI, LG 화학을중심으로리튬 2차전지분야의기술 leading 이이루어지고있으며전지생산기술은일본과비슷한수준까지도달했으나원천기술개발력과소재양산기술은선진국대비뒤떨어지고있는실정이다. 전지의핵심소재인음극, 양극, 격리막, 전해질등 4개품목에대해서각각 2~4 개업체로구성되어있으며기존소재의국산화를시도하고있음. 아직까지품질의균일성및신뢰성이선진국대비떨어지지만산학연공동개발및기존에축적한 know-how 를바탕으로기술격차를좁히고있다. 전지의고용량및고에너지밀도화를위한신소재개발단계는선진국대비초보적인수준이며, 또한전지의안전성을강화하기위한전해질기술과격리막관련기술역시선진국대비열세이다. 2) 전력저장용 2 차전지분야 국내에서는 2MW급풍력시스템에서 Pitch 조절장치로슈퍼커패시터가적용되고있으며, 현재이러한 Pitch 시스템에대한국내기술개발사업이진행중에있다. 전철에서의전력비용효율의경우현재지하철 2호선에서슈퍼커패시터뱅크를통한시범사업이진행중에있으며, 현재연간 20% 의전력비용을절감할수있는것으로평가되고있다. 반도체, LCD 분야에서장치의신뢰성향상을위한 UPS, SAG, DVR 장비의에너지저장장치적용이확대되고있다. Nesscap, LS Mtron, 코칩, 삼화전기등이이러한에너지저장장치분야의기술개발및응용제품개발을확대하고있다. 3) 리튬 2차전지용양극소재 LiFePO4 국내양극소재업체에서도 LiFePO4 소재의양산화를위한개발이완료단계에와있으나, 특허문제로인해본격적인양산은어려운상태이며특허가만료되는 2012 년이후양산이가능할것으로보인다. 73

77 Green_tech Reseach 기타양극소재현재업체는미 일의원천특허를회피하는양극소재기술개발 (LMO (105mAh/g), LFP(150mAh/g), LMP(130mAh/g) 등 ) 이진행중이다. 이와함께높은전압을가지는양극소재 (H-LMO) 의개발, 많은에너지를저장할수있는양극소재 (Li2MnO3) 의개발및새로운양극소재 (Li2MSiO4) 에대한개발이이루어져야한다. 리튬전지의성능을능가할수있는차세대시스템및신소재로써산화물전극 ( 마그네슘전지 ) 및공기전극 ( 금속공기전지 ) 등에대한연구도진행되고있다. 중 대형전지에적용가능한양극소재개발에집중국산화기반이마련된소재의단점을개선하고성능향상을통해전동공구, 전기자동차 (HEV, PHEV, EV 등 ) 용전지를조기상용화할계획이다. 양극소재로는 Ni-rich 계고용량소재 ( 안정성확보 ) 가고려되고있으며리튬 2차전지외에 Ni-Mn 제조기술확보등도필요하다고본다. 기존소재대비보다많은전기를저장할수있는소재 ( 고용량 ) 나보다높은전압을가지는소재 ( 고에너지밀도 ), 최종제품의사용시간을보다연장 ( 장수명 ) 시키는소재개발도함께이루어져야한다. 2008년삼성 SDI는세계최대자동차부품업체인독일의 Bosch사와 50:50으로 SB-Limotive 라는 JV를설립하여 2010 년부터하이브리드자동차용 (HEV) 용 2차전지를생산할계획이다. LG화학은 2010년도출시예정인 GM사의 Volt( 플러그인하이브리드자동차 ) 에 6년간독점적으로공급하는계약을체결하였으며, 현대차의 2차전지공급업체로도선정되었다. 벤츠및폭스바겐도리튬이온전지공급업체로우리나라기업을선정할가능성이높은것으로판단되고있다. 4) 리튬 2차전지용음극소재일본에서원자재 ( 코크스와피치 ) 를수입하여개발중인저온탄소의소재를대체할수있는저가의탄소계소재를개발할필요가있다. 흑연계소재보다많은전기를 (2~3배 ) 저장할수있는실리콘, 주석금속을포함한금속산화물계음극소재개발및신개념전지인금속공기전지용음극에대한연구도진행되고있다 ( 그림 26). 그림 26. 공기아연전지의에너지밀도와제반성능 74

78 2 차전지기술개발동향및관련이슈 5) 리튬 2 차전지용전해질소재 성능최적화를위한혼합제조기술은 100% 확보하였으나, 염 용매, 첨가제등전해액구성원료의대부분을일본에서수입하여국내시장규모가커질수록대일의존도심화되어가고있는상황이다. 용매제조 ( 혼합용매 ) 산업은대규모화학플랜트가필요하여규모가큰기업의참여가필요하지만국내참여기업없는실정이다. 난연성전해질, 이온성액체전해질기술개발등은난이도가높아단기간에결과를내기어려운과제로정부 R&D 과제를통해일부진행되었으나실적미흡한것이사실이다. 미국 일본에서는장기적인과제로진행중에있다. 이분야는취약한국내산업기반과개발난이도를고려하여중 장기적개발로드맵이필요한분야로전지성능을제어하는용매, 안전성과안정성을향상시키는기능성첨가제및전지가쉽게불에붙지않게하는난연성신용매 ( 이온성액체, 고체전해질 ) 에대한개발이포함되어있다. 전지의수명과성능특성에지대한영향을주는소재이나일본에서전량수입중인첨가제를대체할수있는새로운기능성첨가제개발이필요하다. 또한전지의에너지밀도를높이기위해서는고전압화 (4.3V 이상구동전지 ) 가필요하며, 반드시고전압용전해질이개발되어야한다. 6) 리튬 2 차전지용분리막소재 향후급격한성장이예상되는중대형전지에적합한분리막에대한국내기술개발이부족한실정이다. 안전성이강화된 IT용의습식폴리올레핀계복합분리막 (SK 에너지 ) 과저가의건식폴리올레핀계분리막 (CS 텍 ) 개발중에있다. 또한전지의크기 ( 에너지 ) 가커지면서, 안전성향상과재료비상승 (IT 13% 대비 5% 이상상승 ) 을효과적으로대응하기위해서는폴리올레핀계외저가의부직포계열의소재도개발되어야한다. V. 시사점및정책제언 1. 시사점 리튬 2차전지의경우소형전지시장에서중대형전지시장으로시장구조가점진적으로재편되면서, 높은에너지밀도와출력특성을요구하는리튬 2차전지의수요가증가하고있다. 현재는수요가모바일 IT용전원이대부분이나, 2015 년에는모바일 IT용 43%, 전기차용 42%, 에너지저장용 15% 로비IT분야로중심시장이이동할것으로전망되고있다. 따라서이러한다양한요구에맞추어전지산업의육성을고려해야할것이다. 현재우리나라는글로벌전지제조 ( 삼성SDI, LG화학등 ) 업체들이일본과대등한리튬 2차전지제조기술을기반으로시장점유율을급속히확대해가고있다 2008 년의경우휴대폰 노트북등 75

79 Green_tech Reseach 휴대용기기를중심으로리튬 2차전지시장의 27% 를공급하였으며, 근래들어 (2004~2008) 연평균 32% 의성장률로세계시장점유율을확대하고있다. 그러나국내리튬 2차전지산업은 1999년에처음양산이시작되어개발역사가짧고, 국내시장이최근대기업의제조기술을중심으로급속성장하여, 리튬 2차전지의핵심인부품 소재산업의기술수준은일본에비해현저히떨어진다고할수있다. 리튬 2차전지의부품 소재는원가비중이전체의 60% 에이르고있으나중대형전지용전지소재국산화율은 20% 이하수준에불과하다. 따라서일본에전적으로의존하고있는소재부분의기술독립없이는향후지속적인경쟁력확보가곤란하기때문에국가경쟁력확보차원에서소재전문기업의육성이필요하다. 현재국내부품소재산업은중소기업위주로개발되고있으며, 개발비투자문제와제품평가기회확보를위해전지업체와컨소시엄구성이가능한정부지원과제에의존하고있으나, 리튬 2차전지의소재개발에는막대한투자비가요구되므로중견소재업체의자생력에는한계가있다고할수있다 ( 표 4). 표 4. 리튬 2 차전지부품소재별국산화율 구 분 모바일 IT 용리튬 2 차전지 중대형리튬 2 차전지 가격비중 (%) 국산화율 (%) 가격비중 (%) 국산화율 (%) 양극소재 30 ~ 40 ~ ~ 40 < 30 음극소재 ~ 10 1 ~ 10 0 전해질 8 ~ ~ ~ 100 분리막 10 ~ ~ 20 < 5 캔, 외장재 5 ~ ~ 10 0 기타 15 ~ 25 < ~ 20 < 20 총계 ~ ~ 30 현재 2차전지와관련된정부연구개발투자중에서핵심소재개발에지원이이루어지고있으나, 적은구조의연구비로분산추진되는등의문제점도안고있다. 또한, 산 학 연의연구영역에대한명확한정의가되어있지않은상태에서연구개발이추진되는등의문제점도꼽을수있다. 따라서먼저산 학 연의각각의연구정체성을확립하고그연구영역에맞게역할을분담하고연구비를배분하여야성공적인국내소재개발산업육성을이룰수있을것이다. 76

80 2 차전지기술개발동향및관련이슈 현재의리튬 2차전지의응용에초점을맞춘개발방향은크게세가지로 1) 모바일 IT용 2차전지, 2) 수송시스템용 2차전지, 3) 에너지저장용 2차전지로나누어고려될수있다. 모바일 IT용 2차전지현재모바일 IT용소형리튬 2차전지는일본이나중국과의기술력의차이가크지않으며따라서그들의견제를극복하고세계 1등을확보 유지하기위해서는세계시장을선도할수있는혁신적인제품의개발이필요하다. 따라서 IT등소형전지분야의고부가가치, 디자인유연성 (Flexible 화 ), 초소형화전지개발등을통해서시장점유율을유지 확대하여야한다. 수송시스템용 2차전지고유가지속과화석연료고갈임박등으로세계자동차시장의패러다임이고효율 고연비친환경차로전환중이며미국의경우 2016년까지차종별평균연비를갤런당 35.5마일로규제하고있고, EU-27 개국은신규차량의 CO2 배출량을 2012 년에 130g/km 으로강화하고있다. 이에따라전세계자동차메이커에서는 2차전지를이용하는전기자동차개발에주력하고있다. 따라서이러한세계적경쟁속에서전기자동차시장을선점하기위해서는핵심부품인 2차전지의에너지밀도, 안정성및가격면에서경쟁력을갖출수있는기술개발이시급하다. 특히현재의 2차전지기술수준은원가부담이매우높아경쟁국들은 2차전지의효율성을개선하기위한기술개발에정부와기업들의대규모과감한투자진행되고있다. 특히 20마일급 PHEV 나 40마일이상의 EV는이에적용되는리튬 2차전지가달라서이에맞는전지기술의개발이구분되어져야한다. 에너지저장용 2차전지신재생에너지의보급확대와스마트그리드등미래전력망사업을위해서는발전된전력을저장하여수요에맞춰효율적으로관리하기위한 2차전지가필요하다. 이는수요가확대되어가는전력망의발전설비투자를줄여주며 CO2 배출량저감에도효율적이다. 따라서이러한에너지저장용 2차전지개발을위해서국내생산경쟁력을갖춘리튬 2차전지분야에집중지원을할필요가있으며, 또한리튬2차전지의한계를극복할수있는 NaS나 redox flow등의차세대전지의개발사업도이루어져야한다. 리튬 2차전지의구성에초점을맞춘개발방향은크게세가지로 1) 양극, 2) 음극, 3) 전해질로나누어고려될수있다. 양극소재현재전기자동차용양극소재는대부분은일본에서수입하고있으며, 국내업체는미 일의원천특허를회피하는양극소재기술개발이진행중이다. 대표적인전기자동차용양극소재로써 77

81 Green_tech Reseach LiMn2O4 (105mAh/g), LiFePO4 (150mAh/g), LiMnPO4 (130mAh/g) 가있으며 LiMn2O4 의경우일본에서수입하여전동공구와 HEV 에사용중이며, 국산화완료시일본소재대체뿐만아니라에너지저장장치등에확대적용이가능하리라고예상된다. LiFePO4 는전압이낮아전동공구분야에소량사용중이며전량독일계캐나다회사에서수입하여사용중이다. 국산화완료시전기자동차등에확대적용될것으로고려된다. LiMnPO4 는 LiFePO4 의낮은전압단점을극복할수있는대안이나아직양산에성공한업체가없으며, 국내개발시 2차전지소재시장의선점이가능할것으로생각된다. 최근들어여러용도로고용량양극소재가다시주목을받고있으며이의예로써 Ni-rich 계고용량소재의개발이주목받고있다. 이의상용화시 EV나아이패드와같은새로운 mobile device 시장선점에큰기여를할것으로예측된다. 또한차세대전지소재로써용량이매우큰양극소재인 Li2MnO3 의개발이나가격경쟁력을갖고있는새로운양극소재인 Li2MSiO4 등의개발을위한연구도차세대전지시장의선점을위해수행되어져야할것이다. 음극소재리튬 2차전지의음극소재국산화율은 2% 대로매우낮으며중 대형시장으로갈수록해외의존도는심화되어, 음극소재뿐아니라소재산업의수급불균형을가져와공급불안과가격경쟁력상실이우려된다. 따라서전략적인업체발굴과소재개발이필요하며, 이를위해먼저단기적으로는인조흑연을대체할저온탄소개발과저가의천연흑연가공기술에대한개발이이루어져야한다. 또한장기적으로흑연계소재보다많은용량을발현하는실리콘또는주석합금계음극소재개발이서둘러이루어져야, 차세대전지의음극소재시장을선점할수있다. 뿐만아니라이러한고용량소재의개발은새로운응용장치의개발과관련이되어차세대소재의개발은단지소재시장의선점에머무르는것이아니라이를이용한아이패드와같은새로운디바이스시장의선점도함께이룰수있다는점에서소재연구개발이매우중요하다고할수있다. 전해질현재국내전지제조산업에서리튬 2차전지의성능최적화를위한전해질혼합제조기술은 100% 확보하였으나, 염 용매, 첨가제등전해액구성원료의대부분을일본에서수입하여사용하는문제점이있다. 따라서국내시장규모가커질수록대일의존도가심화되고있으며, 이를극복하기위해국내전해질소재개발이서둘러이루어져야한다. 특히첨가제의경우전지의수명과성능특성에지대한영향을주는소재이지만, 일본에서전량수입중이므로이를대체할수있는새로운기능성첨가제를개발하여이의원천특허를확보하여기술경쟁력을확보할필요가있다. 78

82 2 차전지기술개발동향및관련이슈 EV와같은고용량전지의경우안정성의확보가매우중요하며, 따라서전지의안정성향상을위해난연성전해질및이온성액체전해질개발등이필요하다. 그러나전해질의경우기술개발의난이도가높아단기간에결과를내기어려운과제임을고려하여중 장기적개발로드맵이필요하다고할수있다. 또한전지의에너지밀도를높이기위해서는고전압용전극의사용이필요하며, 이를위해서는반드시고전압용전해질이먼저개발되어져야한다. 따라서고전압용전해질이개발될경우, 이의원천특허확보를통한경쟁력개선뿐아니라, 이와함께고전압용전극소재에대한경쟁력도함께확보가가능하므로매우중요한개발분야라고할수있다. 현재의리튬이온전지의한계를극복할수있는새로운전지시스템의개발도필수적으로요구된다. 리튬이온전지의경우현재약 200 Wh/kg 의에너지밀도를보이나 Li-Sulfur 나금속-공기전지를개발할경우이의몇배인약 1000 Wh/kg 의에너지밀도를가진 2차전지시스템을개발할수있다. 이의개발이이루어질경우 EV의상용화시장을선점할수있으며, 이뿐만아니라이에서파생되는새로운부가가치가창출된미래응용장치의개발에도기여를할수있다. 현재이러한기술은미국과일본을중심으로활발히진행되고있으므로이러한세계경쟁속에서국내 2차전지산업이미래에살아남기위해서는이러한선행연구에대한투자가이루어져야한다. 또한리튬의한정적매장량혹은가격경쟁력을고려하여리튬을대체할수있는새로운전지시스템의개발도고려되어야한다. 예를들어리튬을대체하는소듐 2차전지혹은마그네슘 2차전지의개발은미래의차세대전지기술의개발을위해서둘러정책적으로지원되어져야할필요가있다. 이러한기술이개발되어 EV에적용될경우, 국내 EV 산업의가격경쟁력에큰기여를할수있을것으로기대된다. 2. 정책제언가. 산 학 연의효율적인역할분담 앞서언급한바와같이이차전지관련정부 R&D 투자는산 학 연연구주체간연구개발영역역할분담이명확하지않은것으로보인다. 먼저기업은 3년혹은길게 5년이내의상용화가되어질수있는기술이외의차세대전지기술개발에는흥미가없다는것은명확하다. 따라서차세대전지의장기과제개발은그기획단계에서부터대학의역할이중심적으로이루어져야한다. 대학은차세대전지의기술동향을파악하여그미래수요를예측하여차세대전지과제를개발하며이를통해차세대전지시스템혹은소재의원천특허를확보하는연구를진행할필요가있다. 또한대학은 79

83 Green_tech Reseach 산업이나연구소에서수행할수없는 2차전지의메커니즘에관한기초분석연구도수행하여야한다. 대학의연구개발을통해원천기술이확보된이후이러한기술의상업화가능성을타진하는단계에서연구소의역할이중요하다. 연구소는기업과대학의중간자적역할로써새로운원천기술의상용화기술, 예를들어차세대전극소재의경우대학에서개발된신소재의대량생산기술개발등대학에서할수없는대단위연구이면서기업에서하기에는투자위험요소가있는연구의기술스크린닝역할을수행하여야한다. 이러한역할은차세대전지산업의시장선점에매우중요한요소이지만, 현재의연구소에서는이러한역할이충실이이루어지는대신너무광범위한전체전지산업의개발기획과제에역할이치중되어있다고할수있다. 산업은그주어진상황에따라이익을내기위한최대한다양한노력을추구할수밖에없으므로그역할은항상변화의소지가있다. 다만그중에서새롭게개발된소재나전지시스템을평가하는역할로써의학 연과의협동개발은필수적이라고할수있다. 또한 2차전지는수요기업주문형산업성격이강하므로수요기업의요구사항을상시적으로반영할수있는분야별연구회참여등을통해 R&D 연구자문역할등을수행하여야한다. 나. [ 양극 + 음극 + 전해질 ] 전문가들로구성된팀단위프로젝트의필요 2차전지는매우복잡한시스템으로써 2차전지의한분야전문가가전체 2차전지를이해하기에는역부족이라고할수있다. 따라서 2차전지의다양한분야즉양극음극전해질분야의전문가들이서로유기적관계를유지하며공동연구를수행해갈때연구개발의효율이극대화되어질수있다. 그러나현재의대부분의정부과제는일부기관의일부특정분야전문가의기획과제를통해피라미스식으로과제가전달되는방식이라고할수있다. 이럴경우세부과제간의유기적관계를통한연구효과의극대화를기대할수없으며, 과제의방향이분야의이해관계에의해잘못된방향으로유도되어질수도있다. 따라서정부의과제들이세부과제를하향식으로전달되게하는시스템에서변화되어야한다. 먼저양극, 음극, 전해질전문가그룹들이하나의팀으로구성되어프로젝트를수행하는방식의과제가기획되어야한다. 특히차세대전지시스템의개발의경우에는이러한팀단위프로젝트가필수적이라고할수있다. 차세대전지시스템을개발할경우양극혹은음극등의한부분만의문제가해결된다고해서그러한시스템이제대로작동하는것이아니다. 한부분의문제해결은다른부분의문제발생을유도할수도있다. 따라서효율적인전지시스템의개발을위해서는팀단위프로젝트방식처럼한팀내에서유기적으로구성된여러분야의전문가들이하나의목표를향해공동연구를수행할수있는환경이제공되어야한다. 80

84 2 차전지기술개발동향및관련이슈 < 참고문헌 > 1. 전자부품연구원 (2009) 2차전지산업발전전략 2. 한국수출입은행 (2009) 리튬 2차전지산업동향및전망 3. IT총연 (2009) 1Q 보고서 4. 후지경제보고서 (2009) 5. Batteries conference (2009) 81

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86 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템 한국원자력연구원김영일, 이한수 저자소개 김영일 ( 金永一 ) - 서울대학교공과대학원원자력공학박사 - 한국원자력연구원책임연구원 - 고속로노심설계기술개발 yikim1@kaeri.re.kr 이한수 ( 李漢洙 ) - 한국과학기술원화학공학박사 - 한국원자력연구원책임연구원 - 파이로프로세싱전해정련기술개발 hslee5@kaeri.re.kr

87 요약 85 Ⅰ. 서론 87 Ⅱ. 시스템기술개요 정의 범위 세부기술 필요성및파급효과 94 Ⅲ. 주요국동향분석 파이로건식처리기술 소듐냉각고속로 97 Ⅳ. 국내동향분석 파이로건식처리기술 소듐냉각고속로 103 Ⅴ. 시사점및정책제언 104 참고문헌 107

88 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 요 약 현재운영되고있는국내의원자력발전소는 20개이며국가에너지위원회의에너지수급정책에의하면원자력발전은더욱증가하여향후 18개정도를더증설할계획에있다. 원자력발전소는탄소저감및에너지안보를위한최적의선택이지만해결해야할사용후핵연료문제를가지고있다. 사용후핵연료는특성상높은열과방사능을가지고있으며사용되지못한 94% 의자원을포함하고있다. 세계적으로원자력선진국들은이러한사용후핵연료를재활용하려는계획을가지고있으며국내의경우 255차원자력위원회에서장기적인연구개발프로그램으로소듐냉각고속로개발계획과함께파이로건식처리기술개발이승인된바있다. 국내에서개발하는파이로건식처리는고방열성핵종의분리로사용후핵연료처분부담을 1/100 로줄일수있을뿐아니라이를고속로의원료로재활용할경우우라늄활용율을 100 배증가시킬수있다. 세계각국도사용후핵연료재순환에대해관심을갖고연구개발에박차를가하고있는실정이다. 파이로건식처리공정은전처리및전해환원, 전해정련, 전해제련, 염폐기물처리공정으로이루어져있으며특히전해제련공정에서순수플루토늄을따로분리하지못해핵확산저항성이매우높은기술로알려져있다. 국내에서는 1997년부터개발을시작하여일부기술은세계최고의수준까지이룩하고있으며현재공학규모파이로일관공정시험시설인 PRIDE(PyRoprocess Integrate inactive DEmonstration facility) 구축을위하여활발한기술개발이진행중이다. 제4세대원자력시스템개념중하나인소듐냉각고속로시스템은액체금속로기술을바탕으로하고있으며, 지난 50여년간약 400원자로 / 년이상의운전실적을가지고있다. 국제공동기술개발을목표로 2000년부터추진하고있는 Gen IV 국제포럼 (GIF, Gen IV International Forum) 에서선정된 6개의원자력시스템중고속로가 3개로서, 이중많은기술개발이이미이루어져가장먼저상용화가가능한소듐냉각고속로에는한국, 미국, 일본, 프랑스, 유럽연합이참여하고있으며러시아와중국이추가로참여를추진중이며작년에는중국이, 최근에는러시아가참여하였다. 프랑스, 일본등은제4세대공동연구개발과병행하여 2020 년대에소듐냉각고속로를실증하고 년경에상용화할계획이다. 현재세계적으로건설계획, 운전및폐쇄된소듐냉각고속로의현황을그림 46에서정리하였다. 2010년현재 5기 ( 실험로 3기, 원형로 2기 ) 가가동중이며, 3기가건설중에있다. 85

89 Green_tech Reseach 우리나라는선진국보다늦은 1980년대에소듐냉각고속로에대한기초기술연구를소규모로수행해왔다. 그러다가 1997년부터원자력연구개발중장기계획사업을통해본격적으로연구개발에착수하여, 2001년에는소형소듐냉각고속로인 150MWe 급 KALIMER-150 설계개념을완성하였다. 2002년부터 2006년까지는중형소듐냉각고속로인 600MWe급 KALIMER-600 개념설계를개발하였다. KALIMER-600 은우리가독자적으로개발한것으로 2002 년에미국과일본의소듐냉각고속로개념과함께제4세대소듐냉각고속로국제공동연구의개념으로선정된바있다. 선진국과는달리국내에소듐냉각고속로건설경험이없지만국내고속로설계능력은상당한수준으로평가받고있다. 제255 차원자력위원회 ( ) 에서확정된미래원자력시스템개발장기추진계획상의제4세대소듐냉각고속로개발은궁극적으로 2028 년까지실증로건설 운영을목표로 2011 년까지소듐냉각고속로의설계개념을완료하고, 2017년까지실증로표준설계를완료하는것을제시하고있다. 이에따라한국원자력연구원에서는 2010년부터소듐냉각고속로 2단계연구가시작되었으며실증로개념설계및관련기술을개발하고있다. 원자력기술은안전성이최우선돼야하는특성상, 상용화이전에기술실증이반드시필요하며, 이를위해서는충분한연구개발예산및인력투입이필요하며이외에도기술실증부지의확보가필요하다. 이와아울러상기장기추진계획을일관되고체계적으로추진하기위하여 5년마다수립되는 원자력진흥종합계획 에구체화하여반영하고, 연구개발은핵비확산성을충분히확보해나가는방향으로추진하는것이필요하다. 86

90 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 Ⅰ. 서론 최근지구의온난화및이와관련된이산화탄소배출문제로기존의화석연료를이용한발전보다는원자력을이용한발전이관심의대상이되고있다. 우리나라도현재 20기의원자력발전소를가동하고있지만, 2008년에너지위원회에서원자력발전소가차지하는비울을발전설비기준으로 2030년까지 59% 로상향조정하기로의결한바있다. 이에의하면원자력발전소는 2030년까지약 18기가증가할것으로예측되고있다. 우리나라뿐만아니라세계적으로원자력의수요는꾸준히증가하여 2008년을기준으로전세계원자력발전소는 439기가가동중이고 2030년까지약 349기가추가될것으로전망하고있다. 그러나탄소배출문제해결및장기적안정적에너지원이라는원자력발전소의많은장점에도불구하고사용후핵연료문제는해결해야할숙제로남아있다. 2009년말현재국내의사용후핵연료발생량은약 10,761 톤으로향후발전소의증가와더불어사용후핵연료의발생량도증가하여그누적량이 2100년경에는 100,000 톤을상회할것으로예측하고있다. 사용후핵연료는약 94% 의유용한자원을포함하고있으며이를고속로의원료로재활용할경우처분부피를 1/20로감소시키고, 처분독성을 1/1000로감소시켜처분장관리기간을 30만년에서 300년으로줄일수있다. 또한유용한자원을재활용함으로서우라늄의자원이용율을 100 배증가시킬수있다. 특히사용후핵연료처분시가장문제가될수있는고발열성핵종들을따로회수하여관리함으로서처분장면적을 1/100 으로줄일수있으며, 이는우리나라와같은좁은면적의국토를가진나라에서사용후핵연료를최종관리할경우필수적으로고려되어야할장점이다. 이러한많은장점을활용하기위하여세계각국에서는사용후핵연료를재활용한고속로연계순환핵연료시스템구축을목표로기술개발에박차를가하고있다. 한편국내에서의사용후핵연료정책은, 2004년 12월에열린 253차원자력위원회에서 중간저장시설건설등을포함한사용후핵연료관리방침은국가정책방향, 국내의기술개발추이등을감안하여추후검토결정하기로하되충분한논의를거쳐국민적공감대하에추진할것 을결정하였다. 이와더불어 2016년사용후핵연료소내저장이포화되기시작한다는점을감안하고, 관련기술개발의완성에시간과노력이필요하다는점을고려하여 2008년 12월 255차원자력위원회에서미래원자력시스템장기추진개발계획을결정하였으며이내용에소듐냉각고속로와파이로건식처리기술을연계한 친환경고속로순환핵연료주기시스템 기술개발이포함되어있다. 따라서우리나라가파이로건식처리공정의핵심기술 ( 공정, 시스템및플랜트기술 ) 을집중적으로개발하여관련원천기술을선점하고기술을실증할경우, 건식처리기술을바탕으로한신규원자력시장을선점할수있을것이다. 87

91 Green_tech Reseach 그림 1. 친환경고속로순환핵연료주기시스템장기추진계획, 제 255 차원자력위원회 Ⅱ. 시스템기술개요 1. 정의 원자력발전소 ( 경수로 ) 에타고나온사용후핵연료를파이로건식처리공정을통해우라늄및초우란 (TRU) 원소를선택적으로분리 회수하고, 이를금속연료형태로제조하여액체소듐을냉각재와고속중성자를이용하는제4세대소듐냉각고속로에서재사용하며, 고속로에서타고나온사용후핵연료를또다시고속로에서재활용하는순환형원자력시스템기술이다. 파이로건식처리기술은사용후핵연료의탈피복부터전해제련등에이르는공정기술과이를구현하기위한엔지니어링기술을포함하며, 고속로기술은원자로 / 계통의설계 검증 건설기술과금속연료기술로구성되며, 고온재료및고속로냉각재취급기술을포함한다. 그림 2. 순환형원자력시스템기술 88

92 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 가. 파이로건식처리기술 파이로건식처리기술이란사용후핵연료속에들어있는초우라늄원소 (Pu, Np, Am, Cm) 는회수해서고속로에서연소시키고, 장수명, 고독성핵종 (Tc, I) 은열중성자로에서소멸시킴으로서고준위방사성폐기물의양과독성, 발열량을대폭줄일목적으로개발하고있는기술이다. 파이로건식처리기술은사용후핵연료내의금속들이용융염과반응하여염화물로전환될경우물질마다전환에필요한전위 ( 전압의차 ) 가다르다는원리를이용하는 " 전기화학적반응기술 " 이다. 파이로건식처리에서는금속으로전환시킨사용후핵연료를용융염속에넣고특정전위를걸어주면양극 (anode) 에위치한금속으로부터회수하고자하는금속이용융염내에염화물형태로용해되고, 이용해된염화물금속이음극 (cathode) 에달라붙게되므로사용후핵연료내에들어있는특정원소나핵종을분리해낼수있게된다. 이때액체금속인카드뮴 (Cd) 을음극으로사용할경우에는각물질들의전위차가미세하여용융염속에녹아있는초우라늄원소들이모두함께회수될수밖에없다. 파이로건식처리기술은위에설명한원리에따라사용후핵연료를처리하여장수명, 고독성핵종들을회수하는기술이며, 그핵심공정은전해환원, 전해정련, 전해제련및염폐기물처리공정으로이루어져있다. 전해환원공정은산화물형태의사용후핵연료를금속으로바꾸는공정이며, 전해정련공정은사용후핵연료금속으로부터우라늄금속만을회수하는공정이다. 약간의잔류우라늄을포함한플루토늄 (Pu), 넵트늄 (Np), 아메리슘 (Am), 큐리움 (Cm) 등은용융염내에잔류하며, 전해제련공정에서이들혼합물을모두함께회수한다. 각공정에서사용되는용융염은세슘 (Cs), 스트론튬 (Sr) 및희토류원소 (rare earth elements) 등불순물들을포함하고있는데염폐기물처리공정에서이들용융염을정제하여순수용융염을회수하여각공정으로되돌려보내재사용한다. 전해환원금속 (U, TRU, RE) 양 그림 3. 파이로건식처리공정의기본원리 89

93 Green_tech Reseach 파이로건식처리기술은사용후핵연료에포함된플루토늄만을단독으로분리해낼수있는기존의습식재처리 (reprocessing) 기술과달리공정특성상플루토늄과넵티늄, 아메리슘, 큐리움등사용후핵연료에포함된초우라늄원소들이함께추출될수밖에없어서핵확산위험성이비교적적은선진형사용후핵연료재순환기술로평가받고있다. 현재가동중인경수로에서나오는사용후핵연료의방사성독성이천연우라늄의독성이하로떨어지는데약 30만년이걸리는반면에, 파이로건식처리기술을이용하여장수명, 고독성핵종들을분리한다음고속로를이용하여소멸처리하면이기간을 300년이하로줄일수있게된다. 또한전해환원공정에서세슘, 스트론튬과같은고방열핵종을분리하여별도관리할수있으므로, 고준위폐기물처분장의면적을결정짓는요인이되는붕괴열을많이줄일수있어서고준위방사성폐기물처분장면적을크게줄일수있게된다. 그림 4. 파이로건식처리공정개략도 나. 소듐냉각고속로 상업운전중인경수로가물 (H2O) 을냉각재및감속재로사용하여낮은에너지의열중성자를이용하여핵분열을일으키는것과달리, 고속로는액체금속 ( 소듐, 납, 납-비스무스등 ) 을냉각재로사용함으로써경수로에비해높은에너지의고속중성자를이용하여핵분열반응을일으킨다. 액체소듐 (Na) 을냉각재로사용하는소듐냉각고속로는경수로와달리높은압력이요구되지않으며냉각재의열전달능력이매우우수하여출력밀도를높일수있어동일한출력의경수로에비해원자로크기를작게할수있는장점이있다. 90

94 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 고속중성자 U 238 Pu 239 FP FP U 238 Pu 239 Pu 239 Pu 239 FP FP 그림 5. 증식개념 소듐냉각고속로의주요핵분열물질은 Pu-239 로서고속중성자에의해핵분열이일어나는경우, 기존경수로에서열중성자에의한 U-235 핵분열반응에서보다더많은중성자가발생된다. 핵분열에의해발생된여러개의중성자중한개는다시핵분열을일으키는데사용되고나머지여분의중성자중일부가천연우라늄의 99.3% 를차지하고소듐냉각고속로핵연료의 70 90% 를차지하는 U-238 에포획되어핵분열물질인 Pu-239로변환된다. 따라서소듐냉각고속로에서는기존경수로에비해핵분열시발생하는중성자가많아소모된 Pu-239 보다더많은양의 Pu-239 를 U-238 핵변환을통해생산하는것, 즉증식 (Breeding) 이가능하다. 증식개념을이용하여경수로사용후핵연료를소듐냉각고속로에서재순환하는경우우라늄이용률은경수로에비해 100배이상이된다. 고독성, 장반감기물질 MA: Np,Am,Cm FP FP 고속중성자 FP I-129 Tc-99 Xe-129 Ru-99 비방사성물질 Pu 239 FP 핵분열생성물 Pu 239 FP FP 그림 6. 연소개념 91

95 Green_tech Reseach 반면경수로에비해더많이발생한고속중성자중일부는필요에따라서플루토늄과마이너악티나이드 (MA: 아메리슘, 퀴륨, 넵튜늄등 ) 와같이반감기가긴핵종을핵분열시켜반감기가짧은핵종으로변환시키거나중성자포획등에의해방사성이없는물질로변환시키는데활용될수있다. 경수로사용후핵연료에포함된, 수명이길고독성이매우높은플루토늄과마이너악티나이드를연소시키면훨씬관리하기가쉬운핵종으로변환되기때문에실제사용후핵연료의최종처분을용이하게할수있다. 이를위해최적화된원자로를연소로라한다. 이러한특징으로인해원자력이용의기술적측면에서보면소듐냉각고속로는경수로사용후핵연료의안전관리뿐아니라우라늄자원의추가확보라는일석이조의효과를거둘수있는유망한기술로각광받고있는것이다. 그렇지만사용후핵연료재활용을위해서는대중의수용성과국제사회의신뢰성등기술외적인측면도중요한영향을끼치므로이러한점도고려해야한다. 제어봉 열교환기 그림 7. 풀형소듐냉각고속로개념도 2. 범위 친환경고속로순환핵연료주기시스템기술은사용후핵연료를다루는건식처리기술과고속로기술로구성되며 파이로건식처리기술은사용후핵연료의탈피복, 고온공기산화, 전해환원, 전해정년, 전해제련등에이르는공정기술과이를구현하기위한실증시설의설계 구축, 안전조치, 유지 92

96 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 보수, 시스템분석등의엔지니어링기술등이포함된다. 소듐냉각고속로기술은원자로 / 계통의설계 건설기술, 개발된기술의실험및검증기술, 금속연료기술을포함하여, 고온을다루는특성으로인해고온재료, 고온구조설계그리고고속로냉각재취급기술을포함한다. 3. 세부기술 세부기술 건식처리공정기술 건식처리엔지니어링기술 고속로노심및계통설계 제작기술 고속로안전성및소듐기술 금속연료설계 제조기술 내용 - 사용후핵연료의 UO2 펠렛을 U3O8 으로변환시키는분말화기술 - 산화물사용후핵연료를금속사용후핵연료로환원시키는전해환원기술 - 금속화된사용후핵연료로부터순수한우라늄을금속상태로회수하는전해정련기술 - 용융염에남아있는초우라늄원소등의악티늄족원소를공회수하는전해제련기술 - 전해공정에서발생한염폐기물을재생하는염폐기물처리기술 - 건식처리시설설계기술 - 핵물질의계량및전용을감시하는핵물질안전조치기술 - 핫셀내에설치된공정장치를운전하고보수하는원격취급기술 - 최적의핵연료주기대안을도출하는핵연료주기시스템분석기술 - 노심설계기술 - 원자로 /BOP 계통, 성능해석 평가등의계통설계기술 - 구조설계 / 해석, 고온구조평가등기계구조설계기술 - 계측, 감시, 제어, 인간공학, 시뮬레이션등계측제어기술 - 고속로고유특성의기기및장치제작기술 - 고속로건설 운영기술 - 설계기준사고해석 / 중대사고분석기술 - 확률론적안전성평가기술 - 안전해석코드개발기술 - 소듐열유체특성및소듐화재방호기술 - 소듐 / 물반응방호기술 - 소듐순도관리및안전취급기술 - 소듐측정및설계검증기술 - TRU 금속연료제조기술 ( 연료심 / 연료봉 / 집합체 ) - 금속연료부품기술 ( 피복관, 제어봉 / 핵연료집합체등 ) - 성능시험및평가기술 ( 성능평가, 조사시험, 안전성시험등 ) 93

97 Green_tech Reseach 필요성및파급효과 전세계적인원전확대추세에따라우라늄수요증가와자원민족주의등으로우라늄가격상승및공급불안이상존하고있으므로이의안정적확보가필수적이다. 원자력이용확대에따라누증하고있는국내사용후핵연료의안전처리 관리가원자력이용의지속성확보에선결요인으로작용하게된다. 제4세대소듐냉각고속로순환핵연료주기시스템은사용후핵연료를폐기물로분류하지않고자원으로재활용하여우라늄자원이용의극대화와함께최종사용후핵연료처분량을최소화할수있는기술적인해결책이다. 사용후핵연료누적량 (kthm) 경수로직접처분고속로순환주기 8.9 만톤 10 5 천톤 연도 * 이용률 85% 가정 그림 8. 국내사용후핵연료누적예상량 그림 9. 국제우라늄가격변동추이 - NUEXCO Exchange Value ( 현물시장가격 ) - 고속로순환핵연료주기시스템도입의기술 경제적효과 - 사용후핵연료독성감소 : 관리기간 30만년 300년 (1/1,000로축소 ) - 사용후핵연료처분량감축 : 우라늄회수 활용으로 1/20로감축 - 폐기물처분공간축소 : 초우란핵종 (TRU) 및고방열핵종 (Cs, Sr) 분리를통해 1/100 로축소 - 우라늄자원활용률증대 : 우라늄및초우란핵종 (TRU) 재사용으로 100 배이상활용도증가 - 경수로사용후핵연료 (2009 년말 4,867 톤기준 ) 를제4세대소듐냉각고속로에서재활용할경우 2009년국내총소비전력량 (433.3TWh) 을향후약 100년동안공급할수있음 94

98 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 Ⅲ. 주요국동향분석 1. 파이로건식처리기술 가. 미국 미국은 1952년 EBR-II(Experimental Breeder Reactor II) 액체금속로프로그램의일환으로파이로연구를시작, 1984년에 IFR(Integrated Fast Reactor) 프로그램을착수하면서본격적인파이로연구를진행 [1] 하였다. 1990년중반부터현재까지 INL(Idaho National Laboratory) 에서 AFCI (Advanced Fuel Cycle Initiative) Program 의일환으로기존의 FCF(Fuel Conditioning Facility) 를개조하여 EBR-II 사용후핵연료의전해정련공정개발에활용 [2] 하였으며 2007년 5월기준으로 Driver Fuel은 0.83tHM, Blanket Fuel은 2.6tHM을처리 [3] 하였다. 미국 INL은 BR-3 연료를사용하여 ~50g HM/batch 규모의전해환원실증시험을수행 [4] 하였다. 정련의경우미국 INL은 EBR-II 연료의처리를위하여 Mark-IV 및 Mark-V 전해정련장치를가동중. 회분식조업의처리용량한계로인하여 ANL(Argonne National Laboratory) 에서는최근 PEER(Planar Electrode Electro Refiner) 를개발중 [5] 이다. AFCI(Advanced Fuel Cycle Initiative) 프로그램을통해폐기물감소및핵확산우려를최소화할수있는핵확산저항성핵연료주기기술개발을추진하고있으며, 이기술을바탕으로안전성, 에너지확보, 경제성, 지속성의원자력에너지확장이가능하도록핵연료주기의여러방안을개발하고있다 년까지상용연소로를도입하기로한계획은, 아직연구개발이성숙되지않았다는판단에의해취소되었으나, 그동안 EBR-I 이나 EBR-II 실험로의설계, 건설및운전을통해충분한기술을확보하고있으므로, 제4세대소듐냉각고속로국제공동연구등에참여하여외국동향을주시하고있으며핵연료조사시험이나전산코드개발및검증등의핵심연구개발은미국국내에서계속진행하고있다. 95

99 Green_tech Reseach 나. 일본 일본은 2005년도에 고속로사이클실용화전략조사연구 " Phase II를완료하고, 2006년부터후속프로젝트인 FaCT(Fast Reactor Cycle Technology) 를본격적으로착수하였으며 Phase II 연구의결론으로 NEXT(New Extraction systems for TRU recovery) 공정을기준으로한선진습식재처리기술을주개념, 그리고파이로를기준으로한금속핵연료주기기술을보조개념으로선정 [6] 하였다. 이를바탕으로사용후핵연료를재순환하는고속로주기기술을국가적중요기술로선정하고 Phase III(~2010 년 ) 에서는개념설계와핵심기술의실험적검증을실시하고, Phase IV(~2015 년 ) 에서는상세설계완료및 2025년까지실증고속로및관련핵연료주기시설의건설계획하였다. 파이로기반의시설개발을위해 2000 년도초부터 LWR MOX(Mixed Oxide) Fuel 에대한파이로시설을개념설계중이며, 시설의설계용량은 32, 48 및 192 톤 / 년의 3가지로설계하여건설비용은 192톤시설기준약 1조 7,200 억원을제시 [7] 하였다. CRIEPI(Central Research Institute of Electric Power Industry) 는약 1 kg 모의연료 /batch 규모의전해환원 cold 시험으로전해환원공정의 scale-up 에대한연구를수행중 [8] 이다. 또한실린더형철재음극과우라늄전착물의스크래핑회수공정을도입하여연간처리용량 3.16 ton-u 규모의공학규모전해정련장치를개발중 [9] 이며제련실험을위해서 stirrer 형 LCC(Liquid Cd Cathode) 를이용하여실험실규모 (15gHM/batch) 의전해제련실증시험을수행 [10] 하고있다. 다. 러시아 러시아는천연우라늄자원의부족에대비하여선진핵연료주기와연계된고속로도입을기본전략으로채택 [11,12] 하고있으며, 1950년후반부터 RIAR(Research Institute of Atomic Reactors) 연구소도독자적으로개발한 DDP(Dimitrovgrad Dry Process) 공정과진동충진법으로구성된독자적인파이로핵연료주기기술개발을추진하고있다. 라. 유럽 전통적으로사용후핵연료재처리인습식처리기술이많이다루어져왔으나최근들어 ACSEPT 프로그램에서건식처리를습식처리와같은연구대상으로확정지어두개의분과로연구개발이진행중에있다. 96

100 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 마. 인도및중국 인도및중국도사용후핵연료문제를해결하기위하여파이로건식처리기술개발을서두르고있다. 현재실험실규모의실험이진행되고있다. 2. 소듐냉각고속로 제4세대원자력시스템개념중하나인소듐냉각고속로시스템은액체금속로기술을바탕으로하고있으며, 지난 50여년간약 400원자로 / 년이상의운전실적을가지고있다. 고속로는고에너지의중성자를이용하여 U-238 을 Pu-239 로변환시킬수있어한정된우라늄자원을효율적으로활용할수있는장점이있으므로, 원자력에너지개발초기부터연구, 개발되어왔다. 그러나, 낮은우라늄원광가격, 소듐화재, 노심검사의어려움으로러시아를제외하고는실용화되지못하고있다. 일본, 프랑스, 중국등은 2050년경에는화석자원, 우라늄자원의고갈과경수로사용후핵연료의재활용을위해상용화가필요하다고보고집중적으로개발하고있다. 1990년대이후에는설계개념혁신에의한경제성확보를최우선고려사항으로연구개발을계속추진해왔다. 국제공동기술개발을목표로 2000년부터추진하고있는 Gen IV 국제포럼 (GIF, Gen IV International Forum) 에서선정된 6개의원자력시스템중고속로가 3개로서, 이중에서많은기술개발이이미이루어져가장먼저상용화가가능한소듐냉각고속로에는한국, 미국, 일본, 프랑스, 유럽연합이참여하고있으며러시아와중국이추가로참여를추진중이며작년에는중국이, 최근에는러시아가참여하였다. 프랑스, 일본등은제4세대공동연구개발과병행하여미래혁신기술선점을위해독자적인기술개발을추진하고있다. 이들주요국은 2020 년대에소듐냉각고속로를실증하고 년경에상용화할계획이다. 현재세계적으로건설계획, 운전및폐쇄된소듐냉각고속로의현황을그림 2에서정리하였다. 2010년현재 5기 ( 실험로 3기, 원형로 2기 ) 가가동중이며, 3기가건설중에있다. 97

101 Green_tech Reseach 미국일본프랑스러시아중국인도 실험로원형로실증로상용로핵연료 EBR-I (1963 폐쇄 ) EBR-II (1994 폐쇄 ) FFTF (1993 폐쇄 ) JOYO (2008 일시정지 ) Rapsodie (1983 폐쇄 ) BR-5/BR-10 (2000 폐쇄 ) BOR CEFR (20MWe) FBTR (13.5MWe) - CRBR (380MWe, 1983 계획중지 ) Monju (280MWe) Phenix (250MWe, 2009 수명종료 ) ASTRID (250~600 MWe) BN-600 (600MWe) PFBR (500MWe) - PRISM (155MWe, 1994 계획중지 ) 실증로 (500~750MWe) Super-Phenix (1,240MWe, 1998 폐쇄 ) BN-800 (880MWe) CDFR (800MWe) CDFBR (1,000~1,500 MWe) (1,500MWe) MOX 금속 MOX MOX 년대중반이후 CCFR (800MWe) CCFBR (1,000~1,500 MWe) CFBR (500MWe 6기 ) (1,000MWe) UO2 MOX 질화물 UO2 MOX 금속 MOX 금속 98

102 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 3. 전세계 CCS 프로젝트현황가. 미국 미국은원자력산업에의과거국제경쟁력의선두권탈환, 전문인력및지식기반유지등을목적으로 1999년 NERI(Nuclear Energy Research Initiative) 를시작하였으며, 2000년부터는제4세대원자력시스템국제공동개발프로그램인 Gen Ⅳ 프로그램을착수하였다. 미국오바마정부는미국내에서계획되고있던상용재처리시설의건설을사실상중지하였다. 금번결정은핵확산우려로 GNEP(Global Nuclear Energy Partnership) 프로그램관련사업의자금지원을일부중단하겠다는방침에따른후속조치중하나이다. 하지만고속로 (ABR) 를이용한재순환주기연구개발은 FCRD(Fuel Cycle R&D) 프로그램하에서지속적으로수행하고있고, 에너지부 (DOE) 의원자력에너지에대한 2010년예산은줄었으나고속로관련 R&D 예산은거의동일한수준으로투자하고있는상황이다. 또한 blue ribbon commission 을결성하여새로운사용후핵연료및폐기물관리정책을도출하기위한논의를진행중에있다. 나. 프랑스 프랑스는 2006년 1월시라크대통령이 2020년에제4세대고속로의원형로운전을개시한다는계획을발표하였다. 현재는소듐냉각고속로가기준이며가스냉각고속로를대안으로고려하고있으나가스냉각고속로기술은아직많이개발되지않았으며극복해야할기술이많이남아있어 2012 년에결정하기로되어있는고속로노형선정은소듐냉각고속로로될수밖에없는실정이다. 최근에는가스냉각고속로연구인력을재료개발등에일부만남겨두고전부소듐냉각고속로로투입하여연구에박차를가하고있다. 현재 2020 년까지건설할소듐냉각고속로원형로의후보개념으로 ASTRID 에대해연구를수행중이며전력공사 EdF, 산업체 AREVA, 원자력청 CEA 가협력하여수행중이다. 프랑스는 2040 년부터는제4세대상용고속로의도입을통해기존의경수로 ( 제3세대 ) 를대체하며, 2070년 ~2080 년경에는경수로를제4세대고속로로완전교체한다는계획이다. 다. 일본 일본은 2005년 12월원자력위원회가확정한제10차원자력이용개발장기계획에서경수로핵연료주기사업진척과고속증식로사이클실용화전략조사연구, 몬주등의성과를기초로우라늄수급동향등을감안하여경제성등의제반조건이갖추어진다는것을전제로 2050 년경부터상용로도입을계획하고있다. 일본은고속로연구에서제1후보로소듐냉각고속로 +MOX 핵연료 + 습식재처리, 제2후 99

103 Green_tech Reseach 보로소듐냉각고속로 + 금속연료 + 건식재처리개념과납냉각로, 가스냉각로등의후보개념에대한실용화개념비교평가를수행하였음. 2006년 3월완료된연구에서는주개념으로소듐냉각고속로 +MOX핵연료 + 선진습식재처리 + 간소화펠렛법핵연료제조를조합한개념을선정함. 일본원자력연구개발기구 (JAEA) 는고속증식원형로인몬주의후속기로서선정된주개념을사용하는 1,500MWe 급 JSFR 기술개발청사진을제시하고, 2015년경까지실용화를위한혁신기술을결정하여고속증식로사이클의실용화전망또는실용화까지의연구개발계획을제시할예정이다. 이후 2025년까지실증로건설을계획하고있다. 1999년 12월 2차측배관에서소듐누출로인하여가동이정지되었던원형로몬주는보수를끝내고정부의인허가를득한후최근에는오랜기간을끌어온지방정부의최종허가를획득하고마침내 2010년 5월 6일재가동하였다. 라. 중국 중국은후발국중가장원자력도입이활발한국가로 2050년까지필요로하는원자력수요를경수로로는모두충족시킬수없다는판단하에고속로개발을추진하고있다. 중국의고속로개발은실험로 (CEFR; China Experimental Fast Reactor, 2010년 ) 실증로 (CDFR; China Demonstration Fast Reactor, 2020 년 ) 상용로 (CCFR; China Commercial Fast Reactor, 2035 년 ) 의 3단계전략을채택하고있다. 현재실험로 CEFR 건설을완료하고핵연료를장전하기위하여허가를기다리고있는상태로이달말까지는핵연료장전허가를획득할수있을것으로전망하고있다. 마. 러시아 러시아는현재 BOR-60 실험로, 600MWe 급 BN-600 원형로를운전중이며, BN-800 실증로를건설중이며 2009년 9월고속로및순환핵연료주기기술을위한기본계획을승인한상태이다 년말 BN-600 운전종료이예정되어있었으며이에따라연장운전을신청한바있으면최근에 2020년 3월말까지 10년간연장운전허가를받았다. 실험로 BOR-60 역시 2009년말운전종료가예정되어있었으며역시 5년연장허가를획득하여 2014 년까지운전이가능하게되었다. 이의후속으로실험로 MBIR을 2019년까지걸설할계획을갖고있다. 바. 인도 인도는중국과함께소듐냉각고속로개발이가장활발한나라중하나로 2010 년에 PFBR(500MWe) 원형로를건설완료하고이후에 2020 년까지 500MWe급상용소듐냉각고속로 CFBR 6기를건설할예정이며, 2050년경에는 1,000MWe급의상용로를건설할계획이다. 100

104 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 Ⅳ. 국내동향분석 우리나라는 1992 년부터액체금속로기초연구에착수하여 150 MWe 규모의고유원자로개념을개발하여고이어서 2006년에우리나라고속로모델인 KALIMER-600 개념설계를완성하였다. KALIMER-600 원자로는제4세대원자력시스템의노형결정과정에서일본의 JSPR 고속로와함께후보노형으로선정되는등우수성을인정받고있다. 또한 2007년확정된제3차원자력진흥종합계획에서국내사용후핵연료관리와연계하여향후집중적으로개발해야할원자로형으로선정되었으며, 2011년까지국내고유모델의제4세대소듐냉각고속로노형을결정하고 2016년까지개념설계, 2021년까지기본설계를완성하고 2020년대에실증로건설을추진하고있다. 핵비확산성핵연료주기확립을위하여 1997년부터건식처리 (Pyroprocessing) 기술개발에착수하였고 2007년부터실험실규모건식처리핵심공정개발을추진중에있다. 2007년현재 20kgHM/batch 규모의사용후핵연료금속전환시설 (ACPF) 을위한핫셀과우라늄을회수하는 1kg 규모전해정련목업 (Mock-up) 시스템을구축함으로써기반기술을확보하고있고, 금속전환시설은현재 IAEA로부터사용후핵연료사용에대한합의를최종조율하고있고, 또한미국의사전동의 (JD, Joint Determination) 확보를위한절차를진행중이다 년한미원자력협력협정재개정전까지공학규모 Pyroprocessing 핵심공정에대한기술을입증하고, 우리나라사용후핵연료저장능력의포화가예상되는 2016년이전까지사용후핵연료공학규모실증시설이구축될예정이다. 1. 파이로건식처리기술 국내파이로기술개발은 1997년부터시작하여최근들어혁신적인기술개발을통해세계적으로기술우위를확보하고있으며, 미국과의공동연구, EU/ 일본과의정보교환, IAEA와의안전조치공동연구등파이로기술개발을선도하고있으며다음과같이각항목을정리하였다. 고효율공정을위한새로운개념창출 - Scale-up 기술 : 새로운개념, 새로운디자인, 새로운시도 - TRU 취급기술 : 한미협력으로해결예정 101

105 Green_tech Reseach 사용후핵연료의전해환원공정 [13] - 후속공정인전해정련공정과의연계성고려새로운개념도입 - 20kg/batch 반응기성능테스트 High-throughput 전해정련 / 제련공정 - 선진국장치성능대비 15배이상의처리속도를갖는연속식장치테스트 [14] - 염제거를위한 kiln형염증류장치성능평가 - Mesh stirrer 도입으로우라늄석출현상억제 [15] - 전해제련반응기모델링기술개발염폐기물처리 / 재순환공정 - 결정화법에의한 LiCl 용융염회수및재순환 [16] - 고온공기산화법에의한 LiCl-KCl 용융염회수및재순환 - 미국공정대비염폐기물발생량을 1/25 이하로저감가능사용후핵연료차세대관리실증시설 (ACPF; Advanced spent fuel Conditioning Process Facility)[17] - 세계최초의실험실규모전해환원일관공정시설확보비파괴적핵물질계량시스템 [18] - 파이로공정에적용된세계유일의비파괴적핵물질계량장치로 KAERI - LANL(Los Alamos National Laboratory)-IAEA 간공동으로장치성능평가완료파이로시설설계를위한시스템엔지니어링기반구축 - 파이로시설을위한부속장치설계, 부대설비설계및안전성평가기반구축 [19] - 파이로공정원격취급및유지보수를위한천정이동외팔서보조작기개발및 ACPF 현장활용 - 핵물질운반을위한핫셀운반용기및수평형접속시스템개념설계완료 102

106 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 2. 소듐냉각고속로 우리나라는선진국보다늦은 1980년대에소규모로소듐냉각고속로에대한기초기술연구를수행해왔다. 그러다가 1997 년부터원자력연구개발중장기계획사업을통해본격적으로연구개발에착수하여, 2001 년에는소형소듐냉각고속로인 150 MWe 급 KALIMER-150 설계개념을완성하였다. KALIMER-150 은미국 GE사와기술협력을통해개발한것으로국내최초의소듐냉각고속로개념설계이며미국의 PRISM 원자로에서출발한개념이다. 2002년부터 2006년까지는중형소듐냉각고속로인 600MWe급 KALIMER-600 개념설계 [20] 를개발하였다. KALIMER-600 은우리가독자적으로개발한것으로완전피동잔열제거계통등의우리고유개념이도입된원자로로서 2002년에미국과일본의소듐냉각고속로개념과함께제4세대소듐냉각고속로국제공동연구의개념으로선정된바있다. 선진국과는달리국내에소듐냉각고속로건설경험이없지만국내고속로설계능력은상당한수준으로평가받고있다. 2008년 10월에는미국 GE-Hitachi 사와한국원자력연구원간에기술공급 MOU (PRISM Support Services Agreement) 를체결함에따라, 한국원자력연구원이 2009년하반기에 GE-Hitachi 사개발 PRISM 원자로와국내개발소듐냉각고속로의설계특성에대한비교 분석결과를제공하기로하였다. 현재, 개발된 KALIMER-600 소듐냉각고속로개념설계를토대로, 제4세대원자로시스템기술목표인지속성, 경제성, 안전성, 핵확산저항성을향상시킨개념을개발중이다. 이를위해 2007년에는노심, 핵연료및계통측면에서복수후보개념을도출하였다. 2008년에는도출된복수의후보개념으로부터단일화된고유개념을설정하기위해원자로용량, 노심형태, 핵연료피복재및 barrier 후보, 냉각재루프수, 증기발생기전열관형식등의설계사양에대한기술적타당성평가를수행하였다. 이를통하여최상위설계요건과설계기준서상의주요설계제한치및설계목표를만족시킬수있는최적후보개념으로서 1,200MWe 자체순환로와 600MWe 연소로개념을각각확정하였다. 우리나라는선진국과함께제4세대소듐냉각고속로국제공동연구에도참여하고있다. 제4세대소듐냉각고속로는 Gen Ⅳ의 6개개발대상노형중에서가장국제협력이활발한분야이다. 현재우리나라를비롯하여미국 (DOE), 일본 (JAEA), 프랑스 (CEA), 그리고 EU가참여하고있으며, 본격수행을위한시스템약정이 2006년 2월발효되었다. 제4세대소듐냉각고속로국제공동연구는총 5개의세부프로젝트로구성되어있다. 핵연료, 기기및 BOP 분야는지난 2007년부터, 안전분야는지난 2009년 6월약정발효로수행되고있다. 한편시스템평가분야는약정을준비중에있다. 103

107 Green_tech Reseach 제255차원자력위원회 ( ) 에서확정된미래원자력시스템개발장기추진계획상의제4 세대소듐냉각고속로개발은궁극적으로 2028년까지실증로건설 운영을목표로 2011년까지소듐냉각고속로의설계개념을완료하고, 2017년까지실증로표준설계를완료하는것을제시하고있다. 이는경쟁국인미국 프랑스 일본등의개발일정에비해서는늦지만국내기술능력과사용후연료취급관련국제상황을고려한것이다. 2010년부터 2단계연구가시작되었으며실증로개념설계를포함하여다음분야에대한연구를수행하고있다. 소듐냉각고속로실증로설계 계통및기기성능검증 금속연료개발 설계및해석전산코드개발, 검증 Ⅴ. 시사점및정책제언 현재국내에서운전중인원자로는 20개이며향후 38개로늘어날전망이다. 이로부터발생되는사용후핵연료는 2100 년까지 100,000 톤이넘을것으로예상된다. 사용후핵연료는높은열과방사능을가지고있어이를직접처분하려면대규모지하처분부지가필요하게된다. 이는경주방사성폐기물처분부지마련의경험등국내상황을고려했을때매우어렵다고판단할수있다. 이문제를해결할수있는기술이고방열성핵종을따로분리하고, 우라늄및 TRU를공회수하여고속로의원료로사용할수있는파이로건식처리기술이다. 세계적으로도원자력선진국들은사용후핵연료의재활용에관심을가지고있으며, 파이로건식처리기술개발에많은투자를하고있다. 국내에서도 1997년기술개발을시작한이래많은기술개발이이루어져왔으며, 현재파이로일관공정시험시설구축을위한장치개발에주력하고있다. 2008년 255차원자력위원회에서는파이로건식처리및고속로기술개발의중요성을인식하여미래원자력시스템개발장기추진계획을마련한바있다. 이에의하면파이로건식처리기술개발의경우 2011년 PRIDE 구축을완성하고, 2016년까지공학규모파이로실증시설을구축할예정이다. 특히, 소듐냉각고속로는 2017년까지실증로에대한표준설계및검증을완료하고, 2020년까지표준설계인가를획득할계획이다. 104

108 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 이처럼연구개발방향은정해졌다. 하지만연구개발목표달성을위한재원확보계획은아직미흡한상태로안정적인재원확보방안이조속히마련되어야한다. 이와더불어최근요르단연구용원자로및 UAE 원전수출에힘입어원자력인력이많이필요한시점이며파이로건식기술개발분야에도인력이부족한실정이다. 더욱이 PRIDE 와같은대형시설을운영하려면연구인력이외에별도의운영인력이필요하게된다. 따라서이에대한인력예산지원이절실히요구된다. 파이로건식처리와소듐냉각고속로기술개발이새로운단계에접어드는 2012년부터는업무확대에따라대폭인력충원이필요하다. 이를위해연구원내부의충원뿐아니라신규인력충원이필요하다. 원내충원의경우스마트개발사업과연구용원자로수출사업진행에따라원내충원이원활히이루어질지에대한불확실성이높다. 계약직의경우는원칙적으로스마트사업과같이단기간에완료가가능한사업에대해일시적으로필요한인원을채용하는개념이므로본 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템 과같이장기연구개발과제에도적용가능한지에대한검토가필요하다 과제계약직정규직 소요인력 (MY) 연도 그림 10. 파이로건식처리소요인력추정치 105

109 Green_tech Reseach 과제계약직정규직 소요인력 (MY) 연도 그림 11. 소듐냉각고속로소요인력추정치 원자력기술은안전성이최우선되어야한다. 따라서상용화이전에기술실증이반드시필요하며, 이를위해서는적정수준의연구개발예산및인력투입이외에도기술실증부지의확보가필요하다. 이와아울러상기장기추진계획을일관되고체계적으로추진하기위해서는 5년마다수립되는 원자력진흥종합계획 에구체적으로반영되어야하며, 연구개발은핵비확산성을충분히확보해나가는방향으로추진하는것이필요하다. 106

110 친환경핵비확산성고속로및순환핵주기시스템친환경핵비확산성고속로순환핵주기시스템 < 참고문헌 > [1] Y.I. Chang, Nuclear Technology, 88, 129 (1989) [2] J.J. Laidler et al., Progress in Nuclear Energy, 31, 131 (1997) [3] S.X. Li et al., Nuclear Technology, 166, 180 (2009) [4] S. Herrmann et al., J. of Nuclear Science and Technology, 44, 361 (2007) [5] M.A. Williamson, 27th Actinide Separations Conference, USA ( ) [6] "Feasiblity study on commercialized fast reactor cycle systems", JAEA ( ) [7] T. Nishimura, "Conceptual Design Study of Advanced Pyro-reprocessing Facility for Recycling LWR Mixed-Oxide Fuel Using Electro-reduction and Electro-refining Techniques", Proceedings of GLOBAL 2005, Tsukuba, Japan, October, 2005, no [8] Y. Sakamura and T. Omori, 2008 IPRC, Korea ( ) [9] T. Inoue et al., Global 2007, USA ( ) [10] D.H. Ahn, ISTC-ACSEPT-KAERI Meeting, CIEMAT, Spain ( ) [11] A. V. Bychkov, "Feasibility Study of a Plant for LWR Used Fuel Reprocessing by Pyrochemical Methods", Proceedings of GLOBAL 2007, Boise, Idaho, September, 2007, pp [12] A.V. Bychkov et al., 2008 IPRC, Korea ( ) [13] J.M. Hur, ISTC-ACSEPT-KAERI Meeting, CIEMAT, Spain ( ) [14] S.B. Park et al., NUPYRO 2009, Korea ( ) [15] 권상운등, 대한민국특허제 호 [16] Y.Z. Cho et al., 2008 IPRC, Korea ( ) [17] G. S. You, "Development of an ACP Facility", Proceedings of GLOBAL 2007, Boise, Idaho, September, 2007, pp [18] Tae-Hoon Lee et al., "A neutron coincidence counter for non-destructive accounting for nuclear material and the handling method thereof," Patent No. 11/722,173 (USA), 2007 [19] I. J. Cho, "Safety Evaluation of the PyRoprocess Integrated Inactive Demonstration Facility", Proceedings of GLOBAL 2009, Paris, France, September, 2009 ( 발표예정 ). [20] 한도희외, KALIMER-600 개념설계보고서, KAERI/TR-3381/2007, 한국원자력연구원 (2007) 107

111

112 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 한국기계연구원강건용 저자소개 강건용 ( 姜建用 ) - 포항공과대학교기계공학박사 - 한국기계연구원책임연구원 - 그린카전략포럼기술개발분과위원회위원장 - Univ. of California-Berkeley, 연구교수 ( ) kykang@kimm.re.kr

113 요약 111 Ⅰ. 서론 112 Ⅱ. 그린카기술개요 전기자동차기술 하이브리드자동차기술 연료전지자동차기술 클린디젤자동차기술 119 Ⅲ. 주요국동향분석 총괄 주요국동향 121 Ⅳ. 국내동향분석 국내동향 132 Ⅴ. 시사점및정책제언 134 참고문헌 135

114 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 요 약 에너지위기와지구온난화대책으로자동차연비규제를만족하기위해다양한분야에서연구개발이진행되고있지만기존내연기관으로는세계각국의연비및온실가스규제를충족하기에는대폭적인원가상승없인거의불가능한것이현실이기때문에자동차동력패러다임의변화가불가피하다. 자동차친환경패러다임의변화는고효율무공해동력원의자동차를지향하는것이다. 미래시장을위한그린카기술은신내연기관기술, 대체연료엔진기술, 대체에너지기술로나누어질수있다. 신내연기관기술은엔진기술과후처리기술이대폭개선된고효율엔진을말하며, 대체에너지기술은하이브리드자동차, 플러그인하이브리드자동차, 순수전기자동차, 연료전지자동차기술이해당된다. 그린카의핵심기술로전기에너지저장부분인배터리의성능향상에있으며, 현재하이브리드차에적용되는배터리는출력밀도 1.2kw/kg, 에너지밀도 50wh/kg 수준의 Ni-MH 으로서가격은 20 만엔 /kwh 수준이며, 2010 년개량배터리는리튬이온으로가격이 1/2 수준이고에너지밀도가 wh/kg 으로발전하였다. 대표적인그린카는도요타프리우스하이브리드차로서 1997 년 1세대를양산한이래 2007 년누적판매량 100만대를돌파했고, 2009 년에는한층업그레이드된 3세대를출시하였다. 여기는경량화된전용차체와 134마력의 1.8리터엔진과 60kw 모터와 13kwh 용량의 Ni-MH 배터리를탑재하였다. 배기열회수기술적용과전동식 water pump 등신기술을적용하여연비를 38km/L 달성하였고차량가격도일반차량과큰차이없는 205만엔수준이다. 각국정부에서는그린카보급에적극적인정책을펴고있으며특히전기자동차의초기시장개척을위해서는필수적인내용이다. 유럽은 2016 년에 500만대, 미국은 2015 년 100만대, 일본은 2020 년 50만대보급을목표로하고정부가적극적으로지원정책을펴고있다. 하이브리드자동차는더이상친환경차가아닐정도로인식이변환되었으며세계시장대부분을일본도요타가점유하고있다. 본보고서에서는그린카관련국내외환경규제강화와시장전망, 정부의지원정책에대해조사하고, 그린카기술로서전기차, 하이브리드차 / 플러그인하이브리드차, 연료전지차, 클린디젤차로구별하여분석한다. 각그린카기술별해외기술현황및주요스팩을비교분석하고, 아직초기단계에있는국내그린카관련기술수준및향후계획에대해서도전망한다. 111

115 Green_tech Reseach Ⅰ. 서론 미국의연비, 온실가스규제내용은오바마정부들어연방정부차원의첫규제조치로서 2016년미국판매차량에적용되며승용차연비는리터당 16.6km, 소형트럭연비는리터당 12.8km 로서평균차량연비규제는리터당 15.1km 로발표되었다. 온실가스배출은 1/3 수준으로감축해야한다. 유럽의경우는 2012 년자동차이산화탄소배출기준을대폭강화하여 130g/km 로예고하는데현재국내유럽수출차의평균은 170g/km 수준이다. 초과되는이산화탄소에대해그램당 5유로의벌과금을부과하는것을담고있다. 우리나라의경우녹색성장위원회발표내용을보면연비 / 온실가스를선택적으로규제하는방안으로서 2015년까지연비는리터당 17km이상, 이산화탄소배출은 140g/km 이내로하고 2012년부터단계적으로상향한다. 제작업체에서선택적으로규제를택하고목표미달시과징금을부과한다. 일본의경우는자동차연비중심의규제안을제시하며 2015 년리터당 16.8km 이며, 2007 년일본의차량평균연비는리터당 15.7km이고, 평균이산화탄소배출량은 152g/km이다. 중국의경우는미국보다엄격한연비규제를추진중에있다. 2009년리터당 15.2g/km 에서 2015년리터당 17.9g/km 를달성하는내용인데중국은소형차시장중심이기때문에이를반영한것이다. [ 그림 1] 주요국의자동차이산화탄소배출량및예상치 이와같이엄격해지는자동차연비규제를만족하기위해다양한분야에서연구개발이진행되고있다. 우선동력발생 / 전달시스템기술향상분야에서는엔진의다운사이징, 디젤엔진연료인젝션시스템개발, 112

116 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 대체연료엔진개발, 동력전달계의다단화등이있다. 차체기술개발분야에서는신소재를이용한경량화, 공기역학을이용한차체설계, 그리고기타연비향상기술분야에서는에코드라이빙기술, IT기술과의융합, 조향, 제동장치의전자화등이다. 그러나이러한노력에도불구하고기존내연기관으로는세계각국의연비및온실가스규제를충족하기에는거의불가능한것이현실이기때문에자동차동력패러다임의변화가불가피하다고할수있다. 자동차친환경패러다임의변화는고효율무공해동력원의자동차인그린카를지향하는것이다. 당분간내연기관자동차와하이브리드자동차가공존하는시대가되는데이때는하이브리드자동차를얼리어뎁터들이사용하고플러그인하이브리드자동차에대해필요성이증가되며, 2차전지기술발전과더불어금명간정말다양한그린카의시대가된다. 플러그인하이브리드자동차에이어, 연료전지자동차가보급이확대되며배터리구동전기자동차가보급이확대되는시기이다. 자동차동력시스템패러다임변화대응을위한그린카기술은신내연기관기술, 대체연료엔진기술, 대체에너지기술로나누어질수있다. 신내연기관기술은엔진기술과후처리기술이대폭개선된고효율엔진을말하며, 대체연료엔진기술은저탄소연료인 DME, 바이오연료, GTL, 수소등을활용하는것이다. 그다음단계로석유에너지를대체하는개념인대체에너지기술은하이브리드자동차, 플러그인하이브리드자동차, 순수전기자동차, 연료전지자동차기술이해당된다. 본보고서에서는각그린카의기술에대해국내외현황및정부의지원정책, 핵심기술등주요이슈에대해기술하고자한다. Ⅱ. 그린카기술개요 그린카기술에대한각자동차제작사들의전략은궁극적으로전기차로의패러다임변화이다. 도요타는다양한에너지소스로운행되는다양한친환경차량이존재할것이라판단하고있다. 전기차는단거리용도로적합하고하이브리드및플러그인하이브리드차는기존승용차와같은운행거리차량에적합할것이라한다. 그리고연료전지하이브리드차는중장거리일정코스를갖는버스나트럭에적합할것이라고전망하고있다. 미국 GM의미래그린카전략은전기차로의발전전략이다. 전기에너지의초기버전은아이들 stop/go 간단한기능에서마일드하이브리드, 풀하이브리드를거쳐플러그인하이브리드차량으로발전한다. 여기서 Extended Range 전기차로발전하고배터리전기차를거쳐연료전지차량으로발전하는전략이다. Extended Range 전기차까지는석유에너지를이용하지만그이후는전기에너지만을이용하게되는것이다. 각그린카의기술별특징을알아본다. 113

117 Green_tech Reseach [ 그림 2] 자동차동력장치의전기에너지화 - Bosch 자료 1. 전기자동차기술 가. 기술의특징 소형단거리용으로적용이예상되는전기차는자동차동력시스템의패러다임쉬프트가이루어질경우내연기관자동차의연료탱크는배터리로대체되며, 변속기는인버터로, 엔진은모터로대체되는새로운개념이된다. 지금까지연료충전을위한주유소가전기차의경우충전소의형태로완전히변화될것이다. 현재거론되는방식은크게 3가지로서홈충전기, 완속충전기, 급속충전기이다. 홈충전기는출력이 1-2kw 로서주택이나회사에설치되며충전시간이 6-8시간정도이며, 완속충전기는출력이 2-15kw 로서도로나공영주차장에설치되며충전시간이 4-6시간정도가된다. 급속충전기는출력이 kw, 충전전압이 Dc 500볼트미만으로서쇼핑몰, 충전스테이션등에설치되며충전시간은 분정도소요된다. 충전기접촉방식은인덕티브방식과컨덕티브방식이있는데인덕티브방식은효율 80% 로서낮으나안전한것이특징이고컨덕티브방식은효율 95% 로서높은것이특징이나감전에대한위험성이있다. 현재예상되는전기차패러다임에서소형전기차의경우작은용량의배터리를장착한도시형자동차로서크기제한으로인한한계가있다. 하이브리드자동차는가솔린과배터리를직렬연결하고엔진은발전기로사용하는것으로서다양한크기의자동차에적용이가능한것이특징이다. 풀배터리자동차는배터리교체인프라구축이필요하고배터리효율성이증대되어야하며배터리임대및대여가될수있어야한다. 114

118 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 나. 핵심기술 전기자동차핵심기술은구동시스템 (Drive Systems), 에너지저장시스템 (Energy Storage), 동력전원시스템 (Power Electronics), 그리고부속품기술 (Auxiliaries) 로분류될수있다. 구동시스템은모터자체기술이핵심이며구동라인의전략, 구동트레인등이포함되며, 에너지저장시스템에는배터리자체의기술이핵심이며배터리충방전전략등이포함된다. 동력전원시스템은인버터 / 컨버터기술이핵심이며, 모터콘트롤과브레이크에너지재생및충전기술등이포함된다. 부속장치기술로는전기로구동하는고성능에어컨, 히터, 브레이크장치등이포함된다. [ 그림 3] 순수전기차인미쓰비시 I-MiEV 사양및핵심기술 다. 기술현황 순수전기차로가장대표적인것으로닛산에서 2010 년양산하는중형전기차인리프가있다. 엔진없이순수하게전기로만구동되며 80kw AC모터와 24kwh, 90kw출력을갖는 Li-ion 배터리를탑재하였다. 1회충전으로 160km를주행하며, 배터리충전시간은전용충전기에서는 30분이하, 가정용충전기에서는 8시간소요된다. 모두가염려하던배터리의수명은차량운행기간과같이보증하여중간배터리교체의걱정은없는수준이다. 올해말미국지역에판매예정이며현재 54,000 명이구매예약되어있는상태이다. 115

119 Green_tech Reseach 하이브리드자동차 기술 가. 기술의 특징 1997년 도요타에서 제1세대 프리우스 하이브리드차를 양산한 이래 가장 많은 보급댓수을 보이는 것이 하이브리드차이다. 현재 하이브리드차 및 개발 중인 플러그인 하이브리드차는 마이크로, 마일드, 풀 방식 등 다양한 형태의 하이브리드차가 출시될 것으로 전망된다. 차량에 공급되는 에너지 공급 시스템과 동력전달 시스템도 다양화 될 것으로 예상된다. 파격적인 기술의 하나로서 미국 Fisker에서는 2L엔진에 300kw 크기의 Li-ion (22.6kwh) 배터리를 탑재하고 태양전지로도 충전이 가능하게 해서 항속거리 80km 성능을 갖는다. 전기 동력전달계를 이용해서 최고속도 240km/h를 갖지만 약 9만 달러 고가인 점이 문제이다. 도요타 프리우스도 현재의 Ni-MH 배터리를 5.2kwh 용량의 Li-ion으로 대체하여 최대항속거리 30km 까지 주행이 가능한 플러그인 하이브리드차량을 2012년 출시 예정이다. 가정용 전원으로 230볼트에서 1.5시간 충전하는 것이 특징이며 3세대 프리우스 모델을 기반으로 한다. 유럽 폭스바겐은 골프 플러그인 하이브리드 컨셉트차로 1L 과급 가솔린엔진과 12kwh Li-ion 배터리를 이용하여 항속거리 48km 성능을 갖는 것으로 2010년 시험출시 예정이며, 변속기 없이 twin drive를 이용하며 30mph 이하는 전기차 모드로 후진은 전기모터로 작동하는 특징을 갖는다. [그림 4] 프리우스 플러그인 자동차 및 제3세대 탑재용 엔진 나. 핵심기술 하이브리드차량의 핵심요소 부품기술은 크게 배터리, 변속기, 회생제동, 모터/인버터 기술로 나눌 수 있다. 배터리 기술은 저장능력은 늘리면서 가격을 낮추는 것이 관건이다. 운전자 지원장치, 차량 보기부품의 전동화 등으로 전기수요가 증가하는 것에 대한 대응기술이 필요하다. 또한 배터리 시스템 116

120 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 및제조공정상에서발생하는유해물질규제가강화되는것에대한대응이필요하고, 에너지밀도가높고수명이긴전지의기본성능을만족해야한다. 그리고중요한것은저가전지개발을위한새로운재질의전극및전해물질의개발이요구된다. 변속기기술로는 AT, CVT, AMT, DCT 등의다양한변속기를기반으로발전하고있으며 2-모드시스템인두개의모터를이용하여저속 / 고속, 충전 / 방전을제어하는기술개발이요구된다. 회생제동은도요타하이브리드리콜문제의한부분으로서제어기술이중요하게부각되었으며콘티넨탈사는유압브레이크를응용하여개발중에있다. 이 In-wheel motor 기술을사용할경우변속기, 구동축, 기계적부품이불필요하게되는장점이있으며미쓰비시등이이시스템개발에적극적으로나서고있다. 또한모터자기장의유도현상을최소화하는스위치릴럭턴스머신개발도진행되고있으며기타혁신적인모터기술들이활발히개발중에있다. 다. 기술현황 2009 년부터시판되는일본의도요타프리우스 3세대는엔진과배터리를대등하게병렬로활용하는동력시스템으로서최대동력은 100kw 이며, 하이브리드차량으로의최적화를위해 2단식감속기어와배기열회수기술적용, 전동식워터펌프등이적용되었다. 1997년부터시장에서기술이입증되었고상대적으로저렴한가격이특징이다. 2010년양산예정인 GM의볼트는전기에너지에중점을더둔플러그인하이브리드차로서 16kwh 용량의 Li-ion 배터리를탑재하고있으며충전시간은 120볼트조건에서 8시간이소요된다. 가정용전원으로충전이가능하고외형은프리우스와비슷하지만엔진은발전목적으로만사용하며최고속도는 161km/h, 전기배터리최대항속거리는 64km 이다. 현재의전기요금을감안할때유지비는가솔린차의약 1/6 수준이라고한다. 3. 연료전지자동차기술가. 기술의특징 연료전지자동차는자동차유해가스배출이전혀없고효율이높은것이특징이지만스택의기술수준및가격측면에서많은개선의여지가남아있다. 각자동차제작사별로차량을제작하여시범운행중에있지만전기차나하이브리드차보급이후의일정으로보급시기를잡고있으며주로중대형차량에배터리전원을보조동력원으로적용하는계획을가지고있다. 117

121 Green_tech Reseach 나. 핵심기술 연료전지자동차핵심기술은크게연료전지기술, 보조전원시스템기술, 수소저장시스템기술, 전기동력구동시스템핵심기술로나눌수있다. 연료전지시스템핵심기술은연료전지스택기술이가장중요하며운전장치인 BOP 기술로서공기공급계, 수소공급계, 열및물질관리계등이있고, 이들을통합적으로관리하는시스템제어장치기술등으로나눌수있다. 보조전원시스템기술은배터리기술과슈퍼캐퍼시티기술이며이는전기차기술과같은것이다. 수소저장시스템핵심기술은수소저장탱크와수소안전장치등에관한기술이있으며, 차량설계핵심기술은차체안전기술과시스템패키징기술등이있다. 전기동력구동시스템핵심기술은 e-drive train 시스템, 감속기, 인버터, 에너지저장기술등이있다. 결론적으로연료전지시스템기술과전기차시스템기술이모두필요한것이되겠다. [ 그림 5] 연료전지자동차핵심기술계통도 다. 기술현황 현재시범운행중인몇가지모델에대한기술분석을보면, 혼다 Clarity 는언더플로어스택으로 100kw 모터출력과 100kw 연료전지출력을가지며보조전원으로 Li-ion 배터리를사용하여 160km/h 최고속도와최대주행거리 570km 성능을가지고있다. 수소저장은 350기압 3.92kg 무게탱크를사용하고차량중량은 1,635kg 이다. 도요타 FCHV-adv 는모터출력과연료전지출력이각각 90kw 이고보조전원은 Ni-MH 로서최고속도 155km/h, 최대주행거리 830km 를나타내며수소저장은 700기압조건의 6.3kg 용기에탑재하고차량중량은 1,880kg 이며, 연료전지의최고효율은 64% 를나타낸다. 118

122 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 다임러 B-클라스는 100kw 모터출력과 90kw 연료전지출력을가지며 35kw 배터리를사용하여하이브리드원리로구동되며최대주행거리 400km 를갖고있다. 현대기아차의모하비는모터출력 110kw, 연료전지출력 115kw 을가지며 super capacitor 방식의보조전원을가지며최고속도 160km/h, 최대주행거리 695km 를나타낸다. 수소저장은 700기압조건의 7.9.kg 탱크를탑재하고차량중량은 2,385kg 을나타낸다. 폭스바겐 Tiguan Hymotion 은모터출력 100kw, 연료전지출력 80kw, 22kw 출력의 Li-ion 배터리를보조전원으로사용하여최고속도 140km/h, 최대주행거리 260km를가지며차량총중량은 1,870kg이다. 4. 클린디젤자동차기술가. 기술의특징 클린디젤자동차는그린카중시장점유가가장높고가장가까운시기에보급이가능한것이특징이다. 현재유럽을중심으로기술수준이가장높으며 40% 수준의열효율을 50% 수준까지향상시키기위한연구가집중되고있다. 초고압분사기술과후처리기술의발전으로배기가스수준을일정수준으로낮추면서초고효율의성능을달성하고있다. 크린디젤자동차기술에는미래의대체연료인 CNG, GTL, 바이오연료등이포함되며이를바탕으로지속적인성장이전망된다. 나. 핵심기술 클린디젤자동차핵심기술로서 Euro-6 규제를만족하는초고효율디젤자동차기술은크게동력발생부품, 동력전달부품, 차체샤시 / 경량소재부품, 흡배기계기술로나눌수있다. 동력발생부품기술은엔진연소기술과연료분사장치기술이핵심내용이며, 흡배기계기술은과급시스템기술, EGR기술, 배기후처리기술등으로구성된다. 클린디젤자동차기술은 2030년궁극적인엔진효율을 50% 까지달성하는목표로하고있으며, 배기후처리기술은현재의 SCR, LNT 기술에서나노크기의입자를저감하는기술과새로운촉매기술로발전되어야할것이다. 그리고현재 40% 수준인엔진의열효율을높이기위해서 new concept EGR 기술과 ISG(Idle Stop & Go), Active combustion system 이요구되고, common rail 연료시스템의발전을기반으로한배기열회수시스템, Advanced turbo 시스템으로발전하고, 그다음은초단열엔진과 HCCI/LTC 등의 new concept combustion 기술이필요하다. 그리고궁극적으로는경량화재료, 초저마찰시스템, 전자식배기열회수시스템등이새로개발되어야한다. 119

123 Green_tech Reseach 다. 기술현황 다임러-벤츠는 BlueTec 기술로 Euro-6 규제를만족하고있으며이를하이브리드에접목한 Blue Hybrid 로발전시키고있다. 폭스바겐은 Blue Motion 기술로 CO2 배출을 99g/km 를달성하고있으며, 아우디는미래형 TDI 클린디젤기술로 2012 년까지 CO2 를 20% 저감목표로하고있다. 볼보는 C30 1.6D로서 CO2 배출량 99g/km 를달성하고있다. [ 그림 6] 클린디젤자동차의 CO2 배출량우위 Ⅲ. 주요국동향분석 1. 총괄 그린카기술은자동차기술의새로운패러다임변화를의미하기때문에자동차선진국들은각자가지고있는강점기술을극대화하고조기시장선점을위해정부의지원정책에힘입어기술개발에총력을집중하고있다. 향후에는하이브리드차와전기차비중도상당량시장형성될것을예측되는가운데유럽지역에서는현재의클린디젤차의높은비중을유지하면서가솔린차는직접분사가솔린차로대체되어가고다중연료차와하이브리드차의비중이점차커질것으로예상하고있다. 일본및중국에서는가솔린차가주종을이루지만점차클린디젤차량과하이브리드 / 전기차비중이늘어나는것으로전망되고있다. 미국에서는플러그인하이브리드차기술강점에이어배터리구동전기차개발에집중하고있다. 120

124 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 2. 주요국동향 가. 정책 1) 전기자동차 미국정부의전지자동차보급에대한지원정책은 2015 년까지 100만대의 PHEV/EV 보급을목표로최대 7,500 달러를보조금으로지급하고있다. 또한차세대 EV 및배터리제조및개발에 24억달러보조금집행계획을 2009년 8월발표하였으며, 배터리개발, EV 생산설비건설및실증사업등총 48개프로젝트를확정하고자금을지급하였다. 일본에서는 2020 년까지 50만대의 EV를보급목표로최대 139만엔의보조금을집행하고있다. NEDO 주관으로차세대배터리개발프로젝트를 2009년시작하여 2015년까지총 210억엔을지원하고있으며, 실증모델사업을위해 EV/PHEV 타운을도쿄외 7개소를선정하고있다. 유럽의프랑스, 독일, 영국에서도 EV 보급목표를설정하고차량구입비용보조및기술개발비용을대폭지원하고있다. 중국에서도친환경차량개발비지원에 100억위안을지원하고 2012년까지신차판매의 10% 를점유하는것을목표로하고있다. 2) 하이브리드자동차 하이브리드차에대한해외정부지원정책은직접적인지원보다는지구온난화가스규제와연계된내용이많다. 미국의경우 2006년부터 HEV 차량에대해최대 3,000 달러구매보조금을지급하고있으며, 2007년부터 CAFE 연비기준치를상향조정하였고 Freedom Car 사업 ( ) 을통해하이브리드및연료전지차개발에 27억불을지원하고있다. 일본에서는 1997년세계최초의하이브리드차프리우스를선보이고 2005 년부터보급을가속화하고있다 년승용차및화물차등에대한연비기준을상향설정하였으며, 2010년수송부문 CO2 배출량저감을확정하여발표함으로서 HEV 보급을활성화하고있다. 유럽에서는 2010 년까지 1990 년대비온실가스배출을 8% 감축하는것을목표로해왔으며, 2020 년까지승용차평균 CO2 배출량을 95g/km 로하는장기목표를설정하고 2012년부터배출량 160g/km 에서 120g/km 로제한하고초과시에는 1g/km 당 35유로벌금을부과할것을발표하였다. 중국에서는 2020년까지하이브리드차시장비율을 50% 로목표설정하고구입시대당 8,800달러보조금을지원할것을발표하고있다. 121

125 Green_tech Reseach ) 연료전지자동차 연료전지차보급을위한해외정부지원정책은보다장기적인안목에서목표를정하고단계적으로실행계획을보이고있다. 미국에서는 CCTP (Climate Change Technology Program) 으로정부의강력한에너지리더십으로 2020년연료전지차상용화를지원하고있다. 일본에서도 Cool Earth - Innovative Energy Technology Program 실행으로정부의적극적이고체계적인육성정책의지를보이면서연료전지차초기시장및기술표준을선도하고있다. 유럽은 SET (Strategic Energy Technology Plan) 프로그램실행으로 2005년연료전지기술플랫폼을발표하였고정부와민간의공동연구로서사용화조진추진을목표로하고있다. 4) 클린디젤자동차 클린디젤차에대한정부지원은대부분장기적이고연구개발을지원하는형태를나타낸다. 미국의경우는 Freedom Car and Fuel Partnership, 21st Century Truck Partnership, Clean Fuel Bus Program 등이 2015년까지장기적으로지원되고있다. 일본의경우는혁신적차세대저공해차종합기술개발, EFV21 (Environmental Friendly Vehicle), New ACE (Advanced combustion Engineerging) 등이지원되고있다. 유럽의경우는 6차 Frame Work Project, Car21 Initiative 등이 2015년까지지원되고있다. [ 그림 7] 클린디젤차해외연구개발사업현황 122

126 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 나. 산업및시장 세계자동차산업은상시적인공급과잉과신흥자동차강국의성장으로어려운상황에있다. 특히미국, 서유럽등선진국시장에서는금융위기에따른구매력저하및신용위축으로신규수요가급속하게위축되고있다. 미국에서는 2005 년 1895만대이래 2009 년 1320 만대로계속해서판매량이감소되고있으며, 유럽에서는 2007년까지 1450만대수준을유지하다가 2009년에는 1240만대로판매량이감소되고있다. 중국, 인도등신흥시장에서는글로벌금융위기의여파로그간의높은성장세가둔화되는모습을보인다. 중국에서는 2009년 932만대로판매량은소폭증가하고있지만판매증가율은계속해서감소되고있다. 인도의경우는 200만대수준으로판매증가율이둔화되는경향을보이고있다. 그린카보급은새로운시장형성으로볼수있는데이는그린카기술이기존자동차기술에비해 30-50% 새로운기술이적용되기때문이다. 1) 전기자동차 전세계전기차시장예측을각사별로나타난그림으로낙관적으로예측하는 IEA는 2020 년대에는 15%, 가장보수적예측기관의하나인글로벌인사이트는 3% 를전망하지만일반적으로 12% 대를보일것으로본다 년대후반에는 10% 전후의점유율을보일것으로예측하고있다. 글로벌인사이트에서는세계전력공급능력을기준으로충전가능전기차를산출했으며 2020년엔 600만대보급으로약 3% 의점유율을가질것으로예측하고있다. IEA 블루시나리오는 2050년세계자동차시장을 1억대로가정하고 2천만대를보급하여 20% 시장점유율을예측하고있다. 생산업체인르노-닛산에서는 2016 년 500 만대보급으로시장점유율이 7-15% 정도로예측하며유럽에서약 250 만대보급될것으로전망하고있다. 유럽에서의전기차시장전망을보면 2012년경에는 만대보급될것으로보며, 2012년이후낙관적인예측과비관적인예측의전망치가크게차이가나고있음을알수있다. 지역별전기차시장전망을살펴보면 2020 년경에는약 3백만대가보급될것으로예측되며미국의시장이가장크며, 그다음유럽, 일본, 중국순으로 HIEDGE 에서는전망하고있다. 전기차시장전망은예측기관에따라큰차이를보이고있으며차량제작기술뿐만아니라충전인프라및전력가용용량등여러가지가반영되어야함을알수있다. 123

127 Green_tech Reseach [ 그림 8] 전기차시장전망 2) 하이브리드자동차 하이브리드차량은 2008년 50만대시장규모이며도요타하이브리드차전세계누적판매량은 2007 년 1백만대를달성했다. 시장은주로미국이며, 일본, 유럽순으로나타나고있다. 하이브리차의메이커별점유율은도요타가 81.2% 로가장많고혼다가 10.7%, 포드가 3.9%, 닛산이 1.8%, GM이 2.5% 로나타나고있다. 하이브리드차의단기적인시장전망은점진적으로증가가예상되어 2015년에는 450만대수준이될것으로 HIEDGE 에서는전망하고있다. 플러그인하이브리드차는 2015년부터본격적으로성장할것으로예상되고 30만대규모가될것으로전망한다. 3) 연료전지자동차 연료전지차는 2025 년미국시장규모가 만대규모로미국 DOE 에서는예상하고있다. 현재연료전지차는미국 Freedom Fuel, Freedom Car DOE 프로그램에서시범운행되고있으며, 일본에서도연료전지버스시범운행사업, 유럽에서는 CUTE 프로젝트, 독일에서는 Clean Energy Partnership 뭰헨공항프로젝트, 중국에서는연료전지버스시범운행등을통해시장적응훈련을하고있다. 일본노무라연구소에따르면 2020 년에는하이브리드차가전세계에 1,400 만대시장규모가될것이며, 전기차를포함한연료전지차는 146만대시장이될것으로전망하고있다. 하이브리드차시장전망은예측기관에따라 2020 년 500 만대에서 1,400 만대규모로큰차이를보이고있다. 미국 DOE 는대체에너지개발, 신성장동력, 북미 ZEV규제등, 3가지상황을가정하여 2025 년엔최소 50만대, 최대 250만대시장이될것으로전망하고있다. 124

128 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 [ 그림 9] 연료전지차시장전망 4) 클린디젤자동차 클린디젤자동차는그린카중시장점유가가장높고지속적인성장이전망된다. 차종별시장규모를보면 2015년기준으로낙관적인예측을하더라도하이브리드차가 1,600 억불, 연료전지차가양산을시작하고, 클린디젤차는 4,207 억불수준이다. 각국의시장점유율현황및전망을살펴보면미국을비롯한아메리카대륙에서는현재가솔린차가주종이지만향후 CNG, LPG등다중연료차 (Flex-Fuel) 와직접분사가솔린차량, 클린디젤차량이지속적인증가세를나타낼것이다. 다. 기술개발 1) 전기자동차 현재전기차기술은도로주행이가시화되는수준이며, 이는 ZEV 규제시기의도래와배터리기술의발전, 그리고각국정부의지원확대가증가하고있기때문이다. 미국및일본주요메이커들설비투자비삭감에도불구하고전기차분야투자가확대되고있고현시점에서보면차량가격이나인프라측면에서연료전지차보다유리하다고판단하고있기때문이다. 125

129 Green_tech Reseach [ 그림 10] 플러그인하이브리드자동차및전기자동차용충전인프라 일본의전기차개발현황은주로경차급으로미쓰비시의 I-MiEV 는 2010 년 8.5천대, 2012 년 3만대생산예정이며, 스바루의 Stella EV는항속거리 100km, 최고속도 90km/h 성능을갖는다. 도요타에서는 IQ EV를 2012 년생산예정입니다. 닛산은전기차개발에집중하고있으며배터리리스비즈니스모델도검토중에있으며, 준중형인 Leaf는 2010년하반기 5만대, 2012년이후 20만대를생산할계획을갖고있다. [ 그림 11] 해외전기차개발현황 126

130 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 르노차는중형인 Fluenc 를르노삼성부산공장에서 2011년부터생산예정이며, 다임러는경차인 ForTwo 를 2인승으로 2009 년 1천대실증사업용으로생산했다. 미국에서는포드의 Focus, 특히 GM의볼트는 Extended Range EV로서 2010 년생산계획을가지고있다. 중국에서도준중형과소형SUV 에대해전기차를생산할계획을가지고있다. 이상에서각자동차사에서전기차생산계획을보면양산은저속 / 근거리용경차를시작으로준중형차종으로확대하며, 물량은대부분소규모인것이특징이다. 배터리가격및부피문제로주행거리는최대 200km 이내이지만 2015 년에는 400km 이상될것으로예상하고있다. 닷지서킷전기차는 200kw 모터와리튬이온배터리를탑재하여항속거리 마일, 최고속도 192km/h 성능을보인다. BMW 미니전기차는 150kw 모터와리튬이온배터리를탑재하여항속거리 150마일, 최고속도 152km/h 의성능을보인다. 벤츠의블로제로전기차는 100kw 모터와 35kwh 의리튬이온배터리를탑재하고항속거리 200km 와 2시간이내완충이가능한성능을가진다. [ 그림 12] 차세대배터리개발전략 - 일본 NEDO 자료 전기자동차의배터리기술개발방향을살펴보면, 배터리의성능은출력밀도 (kw/kg) 와에너지밀도 (kwh/kg) 로나타낼수있다. 출력밀도는최고속도와관련되고에너지밀도는항속거리와관련된다고할수있다. 일본 NEDO 2차전지개발로드맵에의하면, 현재하이브리드차에적용되는배터리는출력밀도 1.2kw/kg, 에너지밀도 50wh/kg 수준의 Ni-MH 으로서가격은 20만엔 /kwh 수준이다 년개량배터리는리튬이온으로가격이 1/2 수준이고에너지밀도가 wh/kg 으로발전하였다. 127

131 Green_tech Reseach 년선진배터리는가격이 1/7 수준으로떨어지고성능이 1.5배증가한사양으로에너지밀도가 200wh/kg 까지증가하게되어항속거리가 150km 인 4인승커뮤터전기차량에적용될수있게된다. 리튬이온배터리가에너지밀도 250wh/kg 까지진보할가능성이있지만이것이리튬이온배터리기술의한계이며 2020 년경에는가격이 1/10 이면서성능이 3배증가된현재연구중인신형배터리가탄생할것으로전망하고있다. 그리고 2030 년에는혁신배터리가등장하여가격이 1/40 로저렴해지고성능이 7배증가하게되면현재의내연기관과동등한수준인전지차용차세대배터리가가능하여 1회충전으로항속거리 500km 가되게된다. 2) 하이브리드자동차 하이브리드자동차기술개발은전반적으로일본이기술적으로선두를지키고있으며유럽과미국에서는업체간공동개발을통해기술차이를극복하고있는상황이다. 중국에서는상대적으로뒤진자동차산업의기술적만회를극복할기회로보고원재료수급선강화를국가적인강력한지원을받고있다. [ 그림 13] 해외하이브리드차개발현황 일본도요타가 1997 년 1세대프리우스를내놓은이래 2009 년 3세대를판매하고있으며, 하이브리드차량용전용차체와 1.8L 엔진에 60kw 모터를탑재하고 Ni-MH 배터리를이용해서연비 38km/L 를실현하고있다. 캠리와렉서스, RV에이르기까지다양한하이브리드카차종을시판하고있다. 혼다는 1999년인사이트 1세대를내놓은이래 2009년 2세대를판매하고있는데하이브리드전용차체와 1.3L 엔진과 10kw 모터를탑재하고 Ni-MH 배터리를이용해연비 30km/L 를실현하고있다. 128

132 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 2005 년부터판매한시빅 2세대는 1.3L 엔진에 15kw 모터를탑재해서연비 31km/L 를실현하고있다. 닛산의에쎈스는 2009 년발표한플러그인하이브리드차컨셉차량으로서 3.7L 엔진에 120kw 모터를탑재하고 Li-ion 배터리를장착하여연비 12.5km/L 를실현하고있다. 미국은일본에비해보다전기자동차에가까운플러그인하이브리드차에가있다. GM의볼트는 2010년시판예정인플러그인하이브리드차량으로 1.4L 엔진에 111kw 모터를탑재했으며 16kwh 용량의 Li-ion 배터리를이용하여 40마일 (64km) 를배터리만으로주행하는성능을가진다. 포드나크라이슬러도플러그인하이브리드차를 2010년생산할예정으로있다. 반면유럽에서는엔진을더많이이용하는마일드형하이브리드차에관심이있다. 다임러벤츠는 2009 년마일드하이브리드차인 S400 Blue를 3.5L 엔진과 15kw 모터를탑재하고 Li-ion 배터리를이용하여연비 12.6km/L 를실현하고있다. 포르쉐, BMW, 폭스바겐에서도보시는바와같이엔진배기량이 3L를초과하는대형엔진을탑재하여마일드하이브리드를구현하고있다. 중국은미국을겨냥하여플러그인하이브리드차에주력하며최대항속거리 100km 에이르는기술을보여주고있다. [ 그림 14] 해외하이브리드차기술비교 [ 그림 15] 프리우스플러그인차량에탑재 Li-ion 배터리팩 (3) 연료전지자동차 현재기술개발중인몇개회사의연료전지운행현황을통해기술동향을보면, 혼다는 2006년컨셉차량인 FCX Clarity 를출시해서소량생산으로 2009년현재리스판매중에있다. 도요타는 2005년주행거리 330km 의 FCHV 을성능향상을계속하여 2008년주행거리가 830km 로증가했다. 닛산에서는 2005년 X-trail 을선보였고스택출력밀도를증가시키는성능향상을하여 2008년출력밀도가 2배증가한금속분리판스택을개발하는데성공하였다. GM, 다임러, 폭스바겐에서도기존출시된차량의성능개선을계속함을알수있다. 129

133 Green_tech Reseach [ 그림 16] 해외연료전지자동차기술비교 미국 DOE 에서 2007 년발표한연료전지자동차핵심기술의달성목표를참조해서기술발전방향을전망할필요가있다. 연료전지자동차시스템의에너지효율은 50% 수준을만족해야하고 power density(w/l) 는 2015 년 650을목표로하는데문제가없어보이지만중요한것은코스트 ($/kw) 로서 2005 년 110에서 2015 년 30을목표로줄여나가야한다. 내구성은 5,000 시간냉시동조건은 -40 도를목표로하고있다. 시스템중핵심이되는연료전지스택의 2015년기술목표는 power density 가 2,000, 열효율은 55%, 코스트는 15를목표로하고있다. 에어콤푸레셔는입력전원과변환효율, 코스트및소음수준이중요목표로설정되어있다. (4) 클린디젤자동차 클린디젤자동차는가장엄격한 Euro-6 배출가스규제를만족하고지구온난화가스규제에대응할수있는초고효율디젤엔진을장착한자동차를말한다. 클린디젤자동차시장은유럽에서지속적인성장세를유지하고있으며각국의온실가스및연비규제에대비한가장가까운시일내보급이가능하기때문이다. 그린카를구분한다면클린디젤자동차는다음단계의그린카라할수있으며, 연료전지자동차와전기자동차는다음세대의그린카라할수있겠다. 130

134 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 [ 그림 17] 클린디젤자동차기술동향 [ 그림 18] 클린디젤자동차기술개발전망 클린디젤자동차의기술동향을살펴보면, 다임러-벤츠는 BlueTec 기술로 Euro-6 규제를만족하고있으며이를하이브리드에접목한 Blue Hybrid 로발전시키고있다. 폭스바겐은 Blue Motion 기술로 CO2 배출을 99g/km 를달성하고있으며, 아우디는미래형 TDI 클린디젤기술로 2012년까지 CO2를 20% 저감목표로하고있다. 볼보는 C30 1.6D로서 CO2 배출량 99g/km 를달성하고있다. 일본, 미국에서도유럽보다는뒤졌지만연구를계속하고있으며, 현대차에서도 Euro-5 규제를만족하는소렌토 R-엔진을개발하였다. 131

135 Green_tech Reseach Ⅳ. 국내동향분석 1. 국내동향 가. 정책 우리나라의경우녹색성장위원회발표내용을보면연비 / 온실가스를선택적으로규제하는방안으로서 2015년까지연비는리터당 17km이상, 이산화탄소배출은 140g/km 이내로하고 2012년부터단계적으로상향하는것이다. 제작업체에서선택적으로규제를택하고목표미달시과징금을부과하며, 정부에서는대상차량구입소비자에게보조금을지원한다. 그린카개발및정책마련을위하여지경부에서는 2010년 2월부터 9월까지 8개월간그린카전략포럼을운영하고있다. 세계자동차시장변화에능동적으로대응하여 2015년그린카 5대강국으로진입하기위해전략을만드는목적으로산학연전문가 500여명이참여하고있다. 위원장은지경부차관과서울대한민구교수가맡고있다. 포럼은크게 4개의전문분과로구성되어있다. 정책및제도, 기술개발, 보급및실증, 표준화및편의전문분과입니다. 기술개발분과에는전기자동차 WG, 하이브리드차 WG, 연료전지차 WG, 클린디젤차 WG, 상용차 WG으로구성되어있다. 나. 시장및산업 우리나라자동차산업은경제활동인구의 6.7%, 총취업자의 10.4% 를차지하고 160만명을직간접적으로고용하고있는국민경제의중추산업이다. 우리나라 1위수출품목은자동차, 반도체, 철강인데, 이중자동차무역수지가 317억불흑자로서전체무역수지 130억불적자에비해효자산업이라고할수있다. 또한국민경제적비중이매우큰산업으로서 4천여개의부품업체에서 2만여개의부품을생산함으로서우리나라전체제조업생산중 11.8% 를차지하는 108 조원규모를차지하고있다. 전후방연관효과가큰산업으로서 160만여명을직간접적으로고용하고있다. 그린카기술은우리나라자동차산업이세계 5대강국으로발전하는데좋은기회로서정부및제작업체를중심으로독자기술개발에집중하고있다. 132

136 그린카관련국내외기술동향및주요이슈 다. 기술개발 현대아반테 LPi 하이브리드자동차는 2009 년시판된현대차의첫그린카이며연비는 17.8km/L 를나타낸다. 또한소형전지차인 CT&T 는최고속도 70km/h, 최대주행거리 km 를갖는납축배터리와리튬폴리머배터리를이용한전기차를상용화했다. 아반테하이브리드자동차특징은모터, 인버터, 배터리등주요핵심부품을국산화했고리튬폴리머배터리를세계최초로적용한것이다. 2010년연말에출시되는쏘나타하이브리드자동차는독자개발시스템을적용, 동급세계최고수준의연비와가속성능경쟁력을확보하는것이목표라고한다. 플러그인하이브리드자동차는시범운행후하이브리드전용차탑재양산예정이다. 아반테하이브리드자동차의성능은최고속도 182km/h 이며가솔린환산연비는 22.3km/L, 동력시스템은 1.6L LPi엔진, 16kw 모터를탑재했다. 현대자동차는우리나라정부의전기차보급정책으로경승용전기차시범운행을 2010 년 8월부터계획중에있다. 한국전력과전기차충전인프라구축에대한 MOU 를작년에체결했고수도권과제주등지에서시범운행을실시예정이다. 주요제원으로서항속거리는 130km 이며, 충전시간은완속 7시간, 급속 30분이며최고속도는 130km/h이다. 장착된모터는 50kw AC 유도방식이며, 배터리는리튬이온폴리머이다. 현대기아차에서는 1995년부터그린카기술개발을진행해왔으며 2012 년친환경차풀라인업을구축하여도요타와기술경쟁체제가가능할것으로본다. 하이브리드차의경우엔 1995년컨셉카로출발하여 2009년아반테 LPi 양산에이어올해소나타급을양산하고 2012년에는플러그인하이브리드차량을양산한다는계획이다. 전기차의경우 2000 년산타페전기차시범운행을시작으로 2010 년 I-10 전용차시범운행을통해 2012 년전용전기차를양산할계획으로있다. 연료전지차의경우현재모하비차량을실증운행중이며 2012년소량생산예정이다. [ 그림 19] 국내 ( 현대기아차 ) 그린카개발로드맵 133