` 안전한수소사회 Safety H2 Society
수소사회당위성수소이용및수소산업수소의안전성미래수소사회전망
수소란? 1793 년라부아지에 (A. L. Lavoisier) : Hydrogen 명명 수소색 : 보라파장길이 : 410 nm
수소의역사 (1) 수소의역사 1766. 1783. 1788. 1801. Henry Cavendish( 영국 ) Jacques Alexander( 프랑스 ) Antoine Lavoisier( 프랑스 ) Anthony Carlisle, William Nicholson( 영국 ) 1839. Christian Friedrich Schoenbein( 스위스 ) 1845. 1849. 1874. 1900 초 1912. 1920년대 1937년대 1958년대 William Grove( 영국 ) Samuel M. Kier( 미국 ) Jules Vernes 1766 년영국과학자 Henry Cavendish 아연금속과염산을반응시켜수소가스분리, 매우인화성이강한공기 풍선에수소를넣어 3km 비행 3 개월후유인수소풍선시현 Hydrogen balloon Hydrogen 은 물에서태어났다 은뜻의그리스어 hydor(=water), genes(=born of) 물에전기를인가하여수소, 산소발생발견 향후이과정을 Electrolysis 로명명 수소와산소를반응시켜물 (H 2 O) 과전류 (Electric current) 를생산 연료전지의기원 수소와산소가스를반응시켜전류를만들어내는논문발표 ( Gas Battery ) 소금사업을하다원유를알게되고이를정제하여불을밝히는등유생산 신비의섬 작가쥴베른 언제가물이연료로활용되고수소와산소가단독또는함께사용되어열과빛을제공할것이다. 라이트형제의휘발유엔진, 포드자동차의자동차엔진 세계최초로미국에현대식정유시설건설 ( 휘발유, 등유, 경유, 중유 ) ( 독일 ) 트럭, 버스, 잠수함의내연기관에수소또는수소화합물이용 ( 독일 ) 수소기체를이용한비행선 (Hindenburg). 독일에서미국횡단 ( 미국 ) NASA 에서우주선로켓연료와연료전지의연료로액체수소로활용 Source : 강원삼척 Forum 2017, 구영모, KATECH (2017, 06, 09)
수소의역사 (2) 수소의대량생산 8 세기 1744. 1800 년대 1800.~1900. 1908. 1913. 1930 년초반 1931. 1936. 다양한화학물질산소제거용등 암모니아 (NH 3 ) 를생산하기위해수소가필요 암모니아 연금술사의핵심연료중의하나 ( 염화암모늄 ) 염화암모늄에서암모니아를분리, 알칼리성공기 " 유럽인구의증가 식량문제제기 토양퇴비 ( 인분 질소화합물 ) Hydrogen balloon 질소화합물을생산하기위한다양한연구 ( 그중암모니아포함, N 2 +3H 2 2NH 3 ) 기술개발의화두 : 공기중의질소를포집하는것 200 기압에서액화기술개발 (1900 초 ) 독일 BASF 社의하버보쉬가고압 (200 기압 ) 에서질소, 수소를이용한암모니아기술특허 코트스 (coke) or 하이드로카본 (hydrocarbon) 과스팀 (steam) 으로수소의대량생산 ( 특허 ) 냉매 CFC HCFC, HFC 원유 (oil) 와스팀 (steam) 에서수소생산기술개발 메탄 (CH 4 ) 와스팀 (steam) 에서수소생산기술개발 석유정제시수소 (H 2 ) 로황 (S) 제거하는 plant 건설 1963. 국내최초의정유공장준공 ( 대한석유공사, 울산 ) 이후석유화학산업에수소활용 Methane-steam plant (Billingham, 1939) Source : 강원삼척 Forum 2017, 구영모, KATECH (2017, 06, 09)
수소에너지 ( 수소경제사회 ) 2 차에너지원 수소경제사회란? : 1. 에너지매체 2. Hydrogen Energy 특징 (3E) Ecological ( 생태학적관점 ), Energetic ( 에너지밀도 ), 단위무게당높은에너지밀도, Economic( 경제적 )
수소가치사슬 특징 1 : 다양한일차에너지원으로부터생산가능 특징 4 : 이용시 CO2 발생하지않음 특징 2 : 전력으로쉽게전환 특징 3 : 에너지저장매체
수소사회전환필요성 2030 년까지국내온실가스감축목표 COP 21 2015 Paris Adopt the Agreement of Post 2020 Regime based on INDC (2015.12.12)
온실가스대응방안 에너지효율향상, 발전부문저탄소화, 연료전환 3 개의큰축 Fuel cell Power System Renewable Energy Fuel cell Electric Vehicle (FCEV) Why Hydrogen? Contribute de-carbonization (Environment) Mitigate dependence on specific countries (Energy security) Enable to utilize low cost feedstock (Economic affordability)
수소사회전환필요성 Source : Bloomberg New Energy Finance 2015 태양광 풍력 2017 년기준 : PV 98 GW ( 누적 386 GW), Wind 47 GW ( 누적 514 GW) Source : IRENA 2018
수소사회전환필요성 Problem : 전력안정성저해계절별시간대별지역별 Solution : Hydrogen 전력저장장치필요성
수소사회당위성수소이용및수소산업수소의안전성미래수소사회전망
수소산업
수소생산 구분부생수소천연가스개질수전해 원료 생산방법 나프타 (Naphtha) 염수 나프타전환하는개질공정 ( 정유공정 ) CAA 공정 메탄 (CH 4 ) 물 (H 2 O) CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 4H 2 H 2 O H 2 + ½O 2 ( 지역분포 ) 울산 50%, 여수 34%, 대산 11%, 기타 5%
수소이송및이용 Pip line 250~350 원 /Nm 3 200~300 원 /Nm 3 카트리지 600~700 원 /Nm 3 부생수소생산업체부생수소정제및판매업체부생수소사용처
수소이용 ( 연료전지 ) 연료전지란? 화학에너지열에너지기계에너지전기에너지 화학에너지 전기에너지
수소이용 ( 연료전지 ) 연료전지개발역사
수소이용 ( 연료전지 ) 휴대용전원 ( 핸드폰, 노트북 ) 수송용 ( 자동차, 해양선박 ) 가정용발전 / 보일러 ( 건물용 ) 발전용 ( 분산발전, 중앙발전 ) 적용분야 삼성전자 현대차삼성중공업, 대우조선해양 두산, S- 퓨얼셀, 현대하이스코 두산, LG, 현대하이스코, 포스코에너지 10-100 W 100 kw - MW 1 kw - 100 kw 200 kw- 4.8 MW
수소이용 ( 연료전지 ) 자동차 스택 운전장치 전장장치 수소저장장치 하이브리드차, 전기차와유사
수소이용 ( 수소충전소 ) 자동차 수소공급장치, 압축장치, 저장장치, 충전장치, 운전장치로구성 수소공급장치 : 카트리지또는개질기통해수소를공급하는장치 압축장치 : 다이아프램또는승압장치를이용하여수소를압축하는장치 저장장치 : 압축된수소를대용량고압용기에저장하는장치 충전장치 : 저장된수소를디스펜서를통해 FCEV에충전하는장치 운전장치 : 각장치를연결하는고압밸브 / 배관, 센서및통합제어장치
수소이용 ( 수소전기차 )
수소이용 ( 수소전기차 ) 서울상암 (2010) 개질, 서울시 서울양재 (2016) 부생, 현대차 충남내포 (2015) 부생, 충남 TP 광주진곡 (2014) 부생, 그린카진흥원광주동곡 (2018) 부생, 그린카진흥원 울산북구 (2018) 부생, 경동가스울산울주 (2019) 부생, 신일충전소울산매암 (2012) 부생, 현대차울산남구 (2017) 부생, 옥동충전소 창원팔룡 (2017) 부생, 창원진흥원창원성주 (2018) 부생, 창원진흥원 국내수소충전소구축 : 17 곳 - 부생수소공급 : 14 곳 - 개질수소공급 : 3 곳 국내수소차량보급대수 - 수소차량대수 : 891 대 ( 18 년 ) - 수소전기차 889 대, 수소버스 2 대
수소이용 ( 발전용연료전지 ) Fuel processing system Thermal management system Frame Process blower Ventilation fans (100kW x 4ea) Controller Power distribution Inverter and grid connection
수소이용 ( 발전용연료전지 )
수소이용 ( 발전용연료전지 ) 전기효율 49%, 57.7 kg/mwh, 연간 454.9 ton ( 가동률 90%) : Hydrogenics 전기효율 48%, 65.4 kg/mwh, 연간 515.6 ton ( 가동률 90%) : Doosan FC
수소연료전지의역할 에너지전환 화석연료 ( 석유, 석탄등 ) [ 전환에따른변화 ] 재생에너지 수소에너지 : 에너지저장, 전달물질 태양광및풍력전력변동성유연화, 전기에너지의장기저장수소에너지의활용이필수적임 - 석탄등화석연료사용량감소 - 재생에너지 ( 태양광, 풍력등 ) 발전비중상승 (2030 년까지 20%) 태양광, 풍력전력변동성심화 계절및시간에따른대용량전기에너지저장필요
수소에너지와수소관련산업 온실가스감축정부정책 ( 환경규제 ) 에너지관련산업구조개편 ( 기술개발방향제시 ) 에너지신산업창출 기후변화 ( 환경규제 ) 산업구조개편 수송산업 건설, 기계산업 전기차 (BEV) 수소전기차 (FCV) 수소연료전지전철건설기계 ( 트렉터, 지게차등 ) 농업용기계 정부의대응방안 에너지전환확대 - 온실가스, 미세먼지감축등시대가요구하는에너지전환확대 ( 재생, 전기, 수소에너지 ) 미래신산업육성 - 미래신산업선점을위한정책수립 - 부품, 소재산업지원 - 원천기술확보를위한 R&D 개발 : 연료전지, 전기분해 - 인프라 ( 수소생산, 이송, 충전 ) 확보 - 재생에너지연계융합기술개발 조선해양산업 난방, 발전 기타 이동식연료전지발전기수소연료전지선박선박개조및수리조선소가정용연료전지건물, 발전용연료전지 UPS 용연료전지드론, 자전거, 오토바이등 Hydrogen Micro Grid
수소사회당위성수소이용및수소산업수소의안전성미래수소사회전망
- 수소에대한기본인식조사에서응답자 28.7% 가 수소는위험한물질로인식. - 한편 수소 = 미래에너지 라는시각과함께친환경이미지가전체응답절반상회 과연수소는그렇게쉽게폭발하고, 그렇게위험한물질일까? 1. 1937 년 5 월 9 일미국레이크허스트에도착한힌덴부르크호착륙시폭발 2. 1951 년미국에서개발된수소폭탄의수소 출처 : 수소에너지대국민인지도조사 _H2KOREA_2017 년
수소안전 수소는석유화학, 정유, 반도체, 식품등산업현장에서수십년간사용해온가스 과학적폭발은 1) 물리적, 2) 화학적으로구분 - 물리적 : 고압에의한저장용기의균열등에서발생 ( 자동차수소저장용기철보다 10 배강함 ) - 화학적폭발 : 연소반응으로누출 가스구름 발화원 3가지요소가충족시발생 ( 수소는가장가벼운기체, 누출시빠르게확산되어가스운생성이어렵고공기중에서쉬게희석되어 3요소충족이어려움 )
수소안전
수소안전 전문기관 ( 한국산업안전공단, 미국화학공학회 ) 의수소종합적인위험도분석수치에따르면도시가스보다위험도가낮다는것을확인 종합적위험도평가 : 가솔린 > 프로판 > 메탄 > 수소 주요평가요소 가솔린 LPG ( 프로판 ) 도시가스 ( 메탄 ) 수소 자연발화온도 4 3 2 1 연료독성 4 3 2 1 불꽃온도 4 2 1 3 연소속도 1 2 3 4 상대적위험도 ( 수소 = 1) 1.44 1.22 1.03 1
수소안전
수소사회당위성수소이용및수소산업수소의안전성미래수소사회전망
미래수소활용신산업 기존산업수소사용확대 식량자원, 화학원료, 태양광패널, 반도체등 기존산업대체수소원료온실가스유발냉매대체 (HFC HFO 등 ) 기존수소이용공정변화 철광산업의코크스활용 수소환원제철공정 3Fe 2 O 3 ( 산화철 ) + 5CO 6Fe + 5CO 2 3Fe 2 O 3 ( 산화철 ) + 9H 2 6Fe + 9H 2 O( 청정 ) 기존고로공정 수소환원제철공정 새로운신산업 수소를원료로하는산업 연료전지산업등 수소로 CO 2 를제거하는산업 Power to Gas 전기를저장하는산업 수소 ESS
미래수소활용 H2 Town at Onsan (195 kw FC ) 5 MW FC Demonstration,1 MW PEMFC test bed in Ulsan
미래수소활용신산업 Fuel Cell H2 Storage Electolysis
미래수소활용신산업
미래수소활용신산업 Source : Pyeongchang Forum 2018, Torsten Herbert NOW, Gmbh(2018, 02, 08)
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