Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society(2016. 6), Vol. 27, No. 3, pp. 256~263 DOI: http://dx.doi.org/10.7316/khnes.2016.27.3.256 ISSN 1738-7264 eissn 2288-7407 한국수소충전소건설의경제성분석 강병우 1 ㆍ김태현 2 ㆍ이택홍 2 1 호서대학교그린에너지공학과, 2 호서대학교화학공학과 Analysis of Costs for a Hydrogen Refueling Station in Korea BYOUNGWOO KANG 1, TAEHYUN KIM 2, TAECKHONG LEE 2 1 Department of Green Energy Engineering, Hoseo Univ. 20, Hoseo-ro 79beon-gil, Asan-si, Chungcheongnam-do, 31499, KOREA 2 Department of Chemical Engineering, Hoseo Univ. 20, Hoseo-ro 79beon-gil, Asan-si, Chungcheongnam-do, 31499, KOREA Abstract >> As the hydrogen era comes near future, hydrogen fuel cell vehicles are core of hydrogen economy. Until now, Korea has 17 hydrogen refueling stations but 9 hydrogen refueling stations have been retired already and 8 hydrogen refueling stations are still running. With a limited number of hydrogen refueling stations, it is very difficult to get scientific data for the economy of hydrogen refueling stations in Korea. Thus, based on NREL(National Renewable Energy Laboratory) study, we analyzed most recent data for the construction of hydrogen refueling stations in one specific site in Korea. The cost comparison data between Korea and USA shows 14% difference, saying higher costs of Korea. Korea looks 5 years delay compared to USA. This data will be an important tool for the investment from every industrial parties. Key words : Hydrogen refueling station( 수소충전소 ), Hydrogen Economy( 수소경제 ), Construction costs( 건설단가 ), Hydrogen Station Cost Calculation ( 통합예측모델 ), Economy analysis( 경제성분석 ) Subscripts GH2 : Gaseous hydrogen LH2 : Liquid hydrogen EL : Electrolysis SMR : Steam methane reformer H2A : Hydrogen Analysis (model) HSCC : Hydrogen Station Cost Calculation SOTA : State-of-the-Art Corresponding author : taecklee@hoseo.edu Received : 2016.6.10 in revised form : 2016.6.29 Accepted : 2016.6.30 Copyright c 2016 KHNES EC : Early Commercial DOE : U.S. Department of Energy NREL : National Renewable Energy Laboratory CSD : Compressor, Storage Tank, Dispenser 1. 서론 1.1 수소충전소개요 수소에너지는에너지안보, 환경, 경제적효과측면에서많은장점이있어세계적으로주목받고있다. 수소에너지는환경오염문제와에너지자원의지역 256
한국수소충전소건설의경제성분석 257 적인편중으로인한수급불안문제를동시에해결할수있다는가능성때문에, 1973년 1차석유위기를겪은이후 ʻʻ지속가능한수소경제사회ʼʼ에대한논의가시작되었다. 특히, 21세기들어화석연료고갈과지구환경문제가심각한문제로대두됨에따라미국, 유럽, 일본, 한국을중심으로나라별로로드맵을세우고수소경제진입을위해노력을기울이고있다. 주요국가와관련업체에서는 2030년이후를수소경제의도래시기로보고본격적으로대비하고있다 1). 하나의에너지가경제시대를온전히뒷받침하기위해서는생산- 저장- 소비의순환을적절하게이룰수있어야한다. 현재까지는석유가이에너지순환의매개체역할을해왔고이는지금까지석유경제시대를이루는근간이되었다. 그런데앞으로는수소가생산- 저장- 소비의에너지순환을대체할에너지원으로주목받고있다. 수소에너지는현재의에너지시스템에서사용되는거의모든분야에서이용될수있다. 수소에너지는그소비과정에서환경오염의문제를야기시키지않을뿐아니라기존의화석연료에너지시스템에대체하여사용할수있는가장적합한에너지로서의특성을갖고있다 2). 수소생산에서화석연료를사용한다는지적이있지만태양광이나풍력과같은신재생에너지원으로부터수소를생산하는기술이꾸준히개발되고검토되고있다. 전세계적으로연간생산되는수소는연간 3,800 백만톤으로추정된다. 각각북미 2,100백만톤, 유럽 660백만톤, 기타 640백만톤, 일본 180백만톤, 한국 130백만톤으로추산하고있다 3). 전세계의수소시장규모는산업용유통량만으로도총 $208억이며자체소비량 $230억포함하면 $438억로추산된다. 국내의수소생산시장규모는 6,000억원정도로알려져있다. 수소생산시장은지속적으로성장할것으로보고되고있다. 리서치앤마켓에서는 2014년 9월보고서에서연평균성장률이 5.9% 라는가정하에 2019년에는수소생산시장이 $1,382억에이를것이 라고추산하였다 4). 수소생산이지속적으로증가하는이유는전세계적으로환경관련기준이엄격해지면서환경친화적인연료에대한수요가상승하였고산업발전과인구증가등으로인해세계의에너지수요자체가빠르게증가하고있기때문인것으로분석되고있다. 수소생산의증가와더불어수소자동차와수소충전소의보급도본격적으로이루어지고있다. 미국시장조사기관 내비건트리서치 에따르면수소자동차시장은 2020년경 39만대에이를것이며세계연료전지시장은 2023년 38조 6,000억원으로급성장할것으로예상하였다 5). 수소자동차의근간이되는수소연료전지시장이확대됨에따라그동안실증사업형태로추진되던수소충전소의건설이미국, 유럽일본, 한국을중심으로본격적으로확대되고있다. 2013년 11월기준으로세계에는총 205개소의수소충전소준공되었고 133개의충전소가추가로건설되고있는것으로보고되었다 6). 미국의경우 CaFCP (California Fuel Cell Partnership) 프로그램을통하여캘리포니아지역에서만수소충전소 40개소가설치및실증중에있다. 현재실증 4단계로서 FCEV 승용 466대, 버스 21대를실증하고있다. 일본은 2020년동경올림픽과함께수소사회로진입하고자수소자동차및인프라구축을추진중이다. NEDO 의 WE-NET 프로젝트및 JHFC 프로젝트를중심으로수소제조, 저장, 공급스테이션실증에관한연구개발을실시하고있다. 수소충전소는 2015년까지 100개소구축, 2020년까지 1,000개소, 2030년까지 3,000개소를계획하고있다. 수소자동차의경우 2020년까지 140만대, 2030년까지 530만대의보급목표를설정하였다 7). 최근유럽연합은 2020 년까지 1,000개소의충전소와 50,000대의연료전지차를보급하는것을목표로 121억유로를투입할계획을수립한바있다 8). 대학, 산업계, 정부등에서 CUTE, CEP, H2 Mobility 등의다양한수소프로젝 제 27 권제 3 호 2016 년 6 월
258 강병우ㆍ김태현ㆍ이택홍 Table 1 Number of hydrogen refueling stations in the world, (2013.11) 6) Nation USA EU Japan Program CaFCP (Califonia Feul Cell Partnership), HFCIT (Hydrogen Fuel Cells & Infrastructures Technologies), CUTE (Clean Urvan Transportation for Europe), CEP, H2 Mobility WE-NET (World Energy Network) JHFC (Japan Hydrogen Fuel Cell) # of Station (Operating / Retired / Construction) 67 / 42 / 50 78 / 45 / 57 26 / 9 / 19 Canada NRCAN (Natural Resources Canada), H2 Highway 6 / 11 / 1 etc 28 / 7 / 6 Total 205 / 114 / 133 Fig. 1 Types of hydrogen products for hydrogen refueling stations 트들이추진중이다. 특히독일의경우 2020년수소자동차 15만대및충전소 379기를구축하는계획을발표하였다 9). 국내의경우 2015년관계부처합동 수소자동차보급및시장활성화계획 에따르면수소자동차의경우 2020년까지 9,000대, 2025년까지 1만대의보급목표를세우고있다. 이에발맞춰수소충전소를 2020년까지 80개소, 2025년까지 210개소를구축할계획을수립하였다 10). 1.2 수소충전소종류수소충전소는수소자동차의연료가되는수소를공급하는인프라이다. 현재국내에서설치되고실증되고있는수소충전소는대부분수소가스를압축하여전용트레일러로운송하는방식이운영되고있다 11). 일반적으로수소충전소는수소제조방식과연료가되는수소의운반방식에따라복합적으로나뉜다. 수소충전소는수소제조방식에따라화석연료 ( 천연가스, LPG, 나프타등 ) 개질방식, 물전기분해방식, 원자력을이용한수소생산방식, 태양광및 바이오매스등의신재생에너지원에서수소를제조하는방식등으로구분된다. 또한생산된수소를압축수소, 액체수소등으로저장하는방식에따라구별될수있다. 액체수소를이용하는방식은 LH2라약칭하고압축수소를이용하는방식은 GH2라약칭한다. 또한수소스테이션내에수소제조설비가포함되는지여부에따라일체형 (on-site형) 및 Off-site형으로구분된다. 일체형수소스테이션의설비는수소제조, 가압, 저장및충전기등으로구성된다. Off-site형수소충전소는액체상태의수소및압축된기체상태의수소를외부공장에서생산하여전용트럭등으로운반하여수소를공급받는다. Fig. 1은순서대로 GH2, LH2, SMR, EL 방식의충전소의흐름을모식도로나타내었다. 1.3 연구방법현재국내에서는정부주도의충전소보급이추진중에있다. 정부는 2050년까지수소충전소 1,500개소의보급을목표로추진중에있다. 그러나본격적으로수소충전소의보급이활성화되기위해서는민 >> 한국수소및신에너지학회논문집
한국수소충전소건설의경제성분석 259 간자본이유치되어야한다. 민간자본을유치하기위해서는투자를판단하고유도할수있도록수소충전소경제성에대한정보분석이필요하다. 그런데우리나라의경우현재까지모두 17기의충전소가건설되었지만, 폐기되고운영중지된곳이많아현재 8곳의충전소가운영중이다. 절대적인분석수량이부족하기때문에이를가지고경제성을분석할수는없다. 따라서이논문에서는미국의 DOE (Department of Energy) 산하 NREL (National Renewable Energy Laboratory) 에서작성한미국의수소충전소경제성분석자료를응용하였다. NREL 에서제시한수소충전소건설단가의동향과한국의건설단가를비교하여, 국내수소충전소의건설단가의변화를분석하였다. 본연구에서사용한데이터는 2014년공급용량 100 kg/day의 GH2 방식수소충전소건설에대해 4개업체에서제출한견적을사용하였다. 2. 수소충전소현황및적용 2.1 한국, 미국수소충전소건설단가현황 Fig. 2는 2009년부터 2014년까지미국과한국의수소충전소종류와공급용량에따른건설단가의동향을나타내었다. SMR( 수증기개질방식 ), Electolysis ( 물전기분해방식 ), GH2( 압축수소운송방식 ), LH2 ( 액화수소운송방식 ) 의네가지수소충전소의건설단가를나타냈으며시간의변화에따른건설단가의감소동향을볼수있다. 건설단가의감소폭에가장큰영향을주는것은수소충전소의공급용량규모이다. Fig. 3에서미국의건설단가와한국의건설단가를비교해볼때 2014년공급용량 100 kg/day 의 GH2 방식의국내수소충전소건설단가는미국의 2009년공급용량 100 kg/day의 GH2 충전소의건설단가와유사하다. 건설비용측면에서볼때한국은미국에대비하여 5년정도의시차를가지고가격이수렴하는것으로판단된다. LH2: LH2 Truck Delivery GH2: GH2 Truck Delivery EL : Onsite Electrolysis Fig. 2 Cost per capacity in recent years 12) Table 2 Summary by cost reduction as time change 13) State-of-the -Art Commercial Stations Station Type SOTA EC MS LS Time Frame 2009-2014 2015 < 2016 < 2017 < (kg/day) 160 450 600 1500 Cost ($/kg/day) 16,570 6,220 5,150 3,370 Reduction from SOTA 0% 62% 69% 80% 2.2 수소통합예측모델 (HSCC) 수소통합예측모델 (HSCC) 은 2013 년 11 월 NREL 이작성하여발표하였다. 통합예측모델은수소시장의성숙도및규모, 수소인프라발전단계등을반영하고모든종류의수소충전소의데이터를반영함으로서수소인프라전체의동향을예측한경제성모델이다. 통합예측모델은 GH2, LH2, EL, SMR 등수소충전소의각각의종류를구분하여적용할수는없다. 하지만수소전체인프라의전반적인추세가정량적으로어떻게변화하는지나타낸다. Table 2는통합예측모델에서수소인프라시장 제 27 권제 3 호 2016 년 6 월
260 강병우ㆍ김태현ㆍ이택홍 의성숙도와공급용량에따라건설단가의변화를나타낸것이다. 통합예측모델은크게실증단계 (SOTA) 와상업화단계 (Commercial stations) 로나뉘며상업화단계는다시초기 (EC), 중기 (MS), 후기 (LS) 의 3단계로나뉜다. 통합예측모델의가장큰특징은실증단계일때의건설단가와상업화단계일때의건설단가가서로큰폭의차이를나타낸다는것이다. Table 2에서보는바와같이실증단계와상업화진입후의건설단가는 62% 의가격하락이나타난다. 이런큰폭의변화는수소충전소의종류와상관없이공통적으로나타나는특징이다. 통합예측모델에서는수소인프라건설의 Value Chain 에속한각계의이해당사자들의의견을반영하여이런특징을도출해내었다. 각핵심부품과장비및관련시설들이표준화가이루어지고건설노하우가축적되면각단계에서가격의하락이나타나는데이를모두고려하면실증단계에비해약 62% 의단가하락이나타난다고분석하였다. 2.3 Hydrogen Analysis 모델 Hydrogen Analysis( 이하 H2A) 모델은 2012년에 DOE에서 2015년, 2025년, 2030년의각각의수소충전소의경제성을예측한모델이다. 수소충전소종류별각각의예측단가는 Table 3과같다. 실제미국에서 2014년에건설되었던수소충전소의건설단가와 H2A 모델의 2015년예측값을비교해보면상당히정확히예측한것을볼수있다. 공급용량 180 kg/day 의 GH2 수소충전소의건설단가는 2014년에12,702 $/kg 으로보고되었다. 이를 H2A의모델에근거하여 100 kg/day 으로환산하면 15,050 $/kg 이다. H2A에서는 2015년에공급용량 100 kg/day의 GH2 건설단가를 13,909 $/kg으로예측하였다. H2A의예측값은 2009년과는 77% 의편차가나타났지만 2014년에는 8% 의편차가나타났다. 시간이지남에따라 H2A의예측단가로수렴하고있음을알수있다. 따라서 Table 3 Estimations of H2A (kg /day) (kg /day) (kg /day) GH2 LH2 2015 2015 100 $13,909 $9,025 400 $5,111 $4,305 1,000 $4,079 $3,435 Electrolysis 2015 2025 100 $10,601 $7,871 400 $5,242 $3,811 1,000 $4,394 $2,950 SMR 2015 2025 100 $11,230 $7,321 400 $5,182 $3,482 1,000 $4,031 $2,711 H2A 모델은수소충전소건설단가의변화를예측하는모델로사용하기에적합하다. 또한앞서기술한통합예측모델과는달리수소충전소의종류별로시나리오가수립되어있어한국의데이터를비교하여적용하기에적합하다. 2.4 Hydrogen Analysis 모델적용 현재시점에서공급용량 100 kg/day GH2 수소충전소의한국의건설단가는 28,077 $/kg이고미국의건설단가는 13,909 $/kg이다. 단순비교할때미국은한국건설단가의 49% 에불과하다. 2015년을기준으로 69기의수소충전소를운영하고있는미국의건설환경에서의단가와 8기를운영중인한국의건설환경에서의단가를직접비교하기는적절하지않다. 따라서본연구에서는한국의 2014년공급용량 100 kg/day의 GH2 충전소건설단가와미국의 2009년공급용량 100kg/day의 GH2 충전소건설단가를비교군으로선정하였다. Table 4에서보면충전소의종류가 GH2 방식으로서같으며건설단가가한국 28,077 $/kg와미국 24,700 $/kg으로서서로유사하다. 또한건설시점의수소인프라도한국은 8기의충전소가 >> 한국수소및신에너지학회논문집
한국수소충전소건설의경제성분석 261 Table 4 Cost comparison of KOR and USA Nation HSCC Station Type Install ation (kg/day) Type Cost ($/kg /day) Number KOR SOTA 2014 100kg GH2 28,077 14기 USA SOTA 2009 100kg GH2 24,700 28기 USA EC 2015 100kg GH2 14,000 69기 SOTA : State-of-the-ART EC: Early Commercial station 운영중이고미국은 15 기의충전소가운영중이었다. 이는다른설치년도와비교하여충전소개소의편차가가장적다. 건설인프라와건설단가의측면에서볼때 2009년미국의수소충전소건설환경과 2014 년한국의수소충전소건설환경이서로유사하다고판단된다. 2009년이후의미국의충전소건설동향과한국의 2014년이후의충전소건설동향이서로일치하는지검증하기위해서는한국의추가적인건설정보가필요하다. 그러나 2015년충남내포의수소스테이션이건설된이후한국의수소충전소건설사례가없어서비교분석할수있는추가적인데이터가없다. 따라서본연구에서는건설환경과건설단가 2가지요소를사용하여 2009년미국과 2014년한국의건설단가를비교군으로선정하였다. 이는제한적인국내건설정보를가지고현시점에서적용할수있는합리적인가정이라고판단된다. 앞으로국내수소충전소건설정보가추가된다면더정교한비교와예측을하고자한다. 3. 결과및고찰 3.1 한국수소충전소건설단가예측모델 Table 5 Reduction retio from cost of GH2 (2009) (kg/day) HSCC Type 100 400 1,000 2009 SOTA GH2 100% - - 2015 EC GH2 56% 21% 17% 2015 EC EL 43% 21% 18% 2025 MS EL 32% 15% 12% Table 6 Cost per capacity in Korea (kg/day) HSCC Type 100 400 1,000 2014 SOTA GH2 $28,077 - - 2020 EC GH2 $15,811 $5,810 $4,637 2020 EC EL $12,050 $5,959 $4,995 2030 MS EL $8,947 $4,332 $3,353 상업화단계에서는 56% 의비용하락이있을것으로예측하였다. 초기상업화단계에서공급용량 400 kg/day와 1,000 kg/day 일경우에는각각 21% 와 17% 까지비용이하락할것으로예측하였다. H2A 모델에서예측한수소충전소의종류와공급용량, 그리고연차에따른각각의감소비율은 Table 5와같다. 2014년에공급용량 100 kg/day의 GH2 수소충전소의건설단가 $28,077는실제국내건설회사견적의평균값이다. 2014년의국내건설환경을실증단계로가정하고이평균건설단가를대입한후 H2A 모델에서제시하는연차별건설비용의감소비율을적용하였다. 이를통해국내수소인프라성숙에따른건설비용의동향을예측하였다. 그결과는 Table 6 과같다. 공급용량 100 kg/day의 GH2 충전소일때 2020년에는 $15,811으로비용이감소할것으로예측된다. 공급용량 400 kg/d와 1,000 kg/d 일경우에는각각 $5,810 $4,637으로하락할것으로예측된다. 미국의 H2A 모델과비교하여한국의 GH2와 EL 방식의수소충전소건설단가의변화를예측하였다. H2A 모델에서는실증단계에서공급용량 100 kg/day 의 GH2 충전소의건설단가를 100% 로했을때초기 3.2 한국수소충전소건설비용분석 2014년 GH2 방식의국내수소충전소의건설비용에대한분석을수행하였다. Fig. 3과같이국내수 제 27 권제 3 호 2016 년 6 월
262 강병우ㆍ김태현ㆍ이택홍 한국이미국의단가보다 14% 더높게나타났다. 기술격차는시간적으로 5년정도의차이가있는것으로사료된다. 한국에서상업적으로수소스테이션이설치가가능해지는시점은 2020년이후가될것으로예상된다. 한국이미국보다수소충전소건설단가의경쟁력이약한이유는첫째, CSD 등수소충전소의핵심부품을전량해외에서수입하기때문인것으로판단된다. 국내수소충전소의건설비용분석에서보면전체건설비용에서 CSD가차지하는비율은약 60% 이상이다. 국내의경우이핵심부품에서비용절감을 CSDOnly (Compressor, Storage Tank, Dispenser) Other equipment Installation & Permit Fig. 3 Analysis of construction cost in Korea 소충전소건설비용을분석한결과전체건설비용에서 CSD (Compressor, Storage Tank, Dispenser) 의비중이 54~86% 가량을차지하고있음을볼수있었다. 이를통해볼때전체건설단가는 CSD의가격단가에의한영향이크다는것을알수있다. 또한조사결과 CSD는대부분해외제품을수입하고있는것으로나타났다. 국내의저가형 CSD 제품들을사용하여가격하락을유도할수는있다. 하지만수소충전소의특성상절대적인안정성과신뢰성이담보되어야하므로대부분그신뢰성이검증된해외수입제품을사용하고있는실정이다. 이에따라수입에따른관세, 유통비등의비용이발생하여미국에비해가격경쟁력이약할수밖에없다. 수소충전소의건설단가를감소시키기위해서는 CSD 등의핵심부품요소의국내개발이필요하다. 또한검증을거쳐신뢰성확보가필요한것으로사료된다. 4. 결론 같은실증단계에서수소충전소의건설단가는 하지못하고모두수입함으로서가격경쟁력이떨어진것으로드러났다. 둘째, 수소인프라관련산업이미국에비해성장하지못하였기때문인것으로판단된다. 통합예측모델 (HSCC) 에따르면수소인프라관련산업은실증단계에서상업화단계로접어들때큰폭의건설단가의하락이나타나게된다. 현재미국은초기상업화단계 (EC) 이며한국은실증단계 (SOTA) 로서수소인프라의성숙도로인해미국의설단가의경쟁력이더높다. 따라서기술격차를극복하고가격경쟁력을회복하기위해서는 CSD 등수소충전소의핵심부품의국산화비율을높이는것이필요하다. 또한수소인프라관련산업전반이성장할수있도록중장기적인정책적지원이필요하다. 이러한경제성분석결과는향후민간자본으로하여금투자의적기를판단하고경제적인투자규모에대한정보를제공하여수소충전소보급을활성화할것으로기대한다. Reference 1. LEE TAECK HONG et al., Investigation of hydrogen industry ecosystem in Chungnam-do, Chungnam Techno Park, 2015, p. 8. 2. Se-Il Yang, Economic Analysis of Hydrogen Fueling Stations, J. of Advanced Engineering and Technology, Vol. 2, No. 1, 2009, p. 101. >> 한국수소및신에너지학회논문집
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