Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 20, No. 12 pp. 730-736, 2019 https://doi.org/10.5762/kais.2019.20.12.730 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 이종원 1, 지상훈 2* 1 한국건설기술연구원국민생활연구본부, 2 한국건설기술연구원국토보전연구본부 Trend Evaluation of Self-sustaining, High-efficiency Corrosion Control Technology for Large-scale Pipelines Delivering Natural Gas by Analyzing Patent Data Jong-Won Lee 1, Sanghoon Ji 2* 1 Department of Living and Built Environment Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 2 Department of Land, Water and Environment Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 요약친환경에너지원으로고려되고있는천연가스의수요가증가하고있고이와동시에천연가스의공급을위한대규모파이프라인의시장규모또한지속적으로증가하고있다. 하지만, 이러한대규모파이프라인의부식은천연가스운송의효율성을저하시킨다. 이에본연구는천연가스공급용대규모파이프라인을위한에너지자립형고효율부식방지기술에대한특허의정량분석을통해관련기술의특허권확보을위한전략을수립하는데목적을두고있다. 본특허기술동향조사에서는, 2018년 6월까지출원, 공개및등록된한국, 미국, 일본및유럽특허를대상으로분석하였으며, 전문가토의를거쳐기술분류체계및분류기준을마련하였다. 천연가스대규모파이프라인의부식방지를위한외부전원으로연료전지를이용하기위해, 1) 파이프라인의분기구조와설비설계 ( 감압기 / 압축기 / 열교환기 ) 그리고 2) 고압천연가스의감압 / 예열과가압 / 냉각기술을구비하는에너지제어시스템및방법으로권리화를시도해볼수있을것으로기대된다. Abstract The demand for, which is considered an environmentally friendly energy source, is increasing, and at the same time, the market share of large pipelines for supply is increasing continuously. On the other hand, the corrosion of such large pipelines reduces the efficiency of natural gas transportation. Therefore, this study aims to establish a strategy for securing the patent rights of related technologies through quantitative analysis of patents on energy-independent high-efficiency corrosion prevention large-scale pipelines for supply. In this patent technology trend study, Korean, US, Japanese, and European patents filed, published, and registered by June 2018 were analyzed, and a technical classification system and classification criteria were prepared through expert discussion. To use fuel cells as an external power source to prevent the corrosion of large-scale pipelines, it is believed that rights can be claimed using an energy system and methods having 1) branch structures of pipeline and facility designs (decompressor/compressor/heat exchanger) and 2) decompression/preheating and pressurization/cooling technology of high pressure. Keywords : Patent Data Analysis, Energy System Technology, Corrosion Control, Natural Gas, Pipeline 본논문은한국건설기술연구원주요사업연구과제로수행되었음 (20190129-001, 20190158-001). *Corresponding Author : Sanghoon Ji(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) email:sanghoonji@kict.re.kr Received October 4, 2019 Revised November 12, 2019 Accepted December 6, 2019 Published December 31, 2019 730
1. 서론 배기가스감축등에대한정부규제의확대, 셰일가스합성천연가스의개발, 산업용도의수요증가등으로인해천연가스의시장규모는 2022년 4조입방미터를넘어서고, 2023년까지연평균 1.6% 성장할것으로예상되고있다 [1]. 국제적천연가스거래는 2017년 1.2 Tcm 규모이며파이프라인거래는전체거래의약 70% 를차지하고있다 [2, 3]. 국제에너지기구는 2019년 6월수소동향평가보고서를통해친환경수소공급촉진을위한천연가스파이프라인공급의중요성을명시하였고 [4], 이와동시에천연가스공급용파이프라인의시장규모또한급증하고있다. 천연가스는수송이슈로인해생산된가스를구매할시장이나파이프라인, 발전소등의인프라가근거리에위치할필요가있다. 2010년기준으로전세계에걸쳐아직발견되지않은가스매장량은 120 Tcm 으로추산되며이중약 85 Tcm 은파이프라인이나수요처로부터멀리떨어져있어서경제성이충분히높은천연가스의생산이어려운한계가스전에매장되어있는것으로예측된다. 이러한지리적한계로인해러시아와알제리등일부국가에서만파이프천연가스사업이이루어지고있는실정이다. 국내에서주로개발하고있는기술은인프라핵심기술보다는응용요소기술이주를이루고있고, 선박, 파이프라인설치, 플랜트기술과더불어정보통신, 모니터링, 배치, 관측, 설치, 전기전자제어등에강점을가지고있으며, 이러한관련기술들을활용하여 천연가스공급용대규모파이프라인을위한에너지자립형고효율부식방지기술 의개발에있어서우위를점할수있을것으로예상된다. 본특허기술동향조사는 천연가스공급용대규모파이프라인을위한에너지자립형고효율부식방지기술 에대한특허정량분석을통해특허데이터에대한객관적인의미와 R&D 방향을제시하며나아가지식재산권확보전략을구축하는데목적을두고자한다. 2. 본론 2.1 분석범위 본특허기술동향조사는 2018년 6월까지출원공개및등록된한국 (KIPO), 미국 (USPTO), 일본 (JPO) 및유럽 (EPO) 의특허를대상으로분석하였다. 본조사는 WIPSON 검색데이터베이스를주요하게사용하여특허 검색을실시하고, 해당기술에대해유럽내특정국가에서원천및선두기술을보유하고있는것으로판단되는경우, 유럽내해당국가특허청검색을실시하였다. 2.2 분석대상특허검색데이터베이스및검색범위 2.2.1 기술분류체계및분류기준 본특허기술동향조사에서는기술경영, 기계 / 에너지분야등다양한관련분야전문연구진들과의논의를거쳐확정된중분류및소분류기술체계를마련하였다. 이를기준으로정량분석및지표분석을실시하였으며, 선정한기술범위는 Table 1과같다. 첫번째, 외부전원을활용한부식방지기술 (AAA) 의기술범위는천연가스파이프, 부식, 동력원을핵심키워드로 다양한종류의동력원을이용한음극방식부식방지기술 로한정지었다. 두번째, 천연가스를수소극연료로사용하는연료전지 ( 이하천연가스연료전지 ) 를위한연료공급기술 (AAB) 의기술범위는고압천연가스, 공급, 연료전지를핵심키워드로 연료전지에고압천연가스를공급하는공급기술 로한정지었다. 세번째, 고압천연가스의감압을위한예열기술 (ABA) 의기술범위는고압천연가스, 분기, 예열을핵심키워드로 고압의천연가스를감압하고예열하는기술 로한정지었다. 압축기스테이션 Table 1. Technology classification Category Division Section Definition Development of energy independent, high efficiency corrosion technology for large-scale pipelines delivering (A) Next-generatio n power corrosion (AA) Energy transport of high pressure (AB) Corrosion technology using external power systems (AAA) Fuel supply fuel cells using (AAB) Preheating high pressure (ABA) Heat exchange compressor station cooling (ABB) Cathodic corrosion technology using various kinds of power sources Technology for supplying to fuel cells Technology to decompress and preheat high pressure Cooling of temperature elevated in compression units 731
한국산학기술학회논문지제 20 권제 12 호, 2019 Table 2. Patent selection results Core Data Category Division Section KIPO USP JPO EPO Total TO AAA 66 43 77 4 270 AA AAB 33 26 41 5 105 Total 99 69 118 9 295 A ABA 25 23 24 11 83 AB ABB 25 37 18 12 92 Total 50 60 42 23 175 Total 149 129 160 32 470 을통해가압되는천연가스의냉각을위한열교환기술 (ABB) 의기술범위는천연가스가압, 압축기스테이션, 냉각을핵심키워드로 압축장치에서승온된유체를냉각하는기술 로한정지었다. 2.2.2 유효특허선별기준및결과본특허기술동향조사의각기술분류별특허검색을위한핵심키워드는예비타당성조사대상사업에서제출한기획내용을기준으로전담기관과의논의를거쳐도출하였으며, 도출한키워드를조합하여각소분류기술별검색식을작성하였다. 최종검색식을검색데이터베이스에적용하여얻은원본데이터의건수는한국 1,262건, 미국 1,736건, 일본 2,262건및유럽 622건으로총 5,882건으로검색되었다. 도출된키워드와검색식을적용하여얻은원본데이터에서본특허기술동향조사의대상이되는기술과무관한내용의특허는분석에서제외하기위해노이즈제거및중복건기준설정을위한전문가논의를거쳤다. 이를기준으로 Table 2 에서보는바와같이각소분류별국가별유효특허를추출하였으며추출한전체검색결과에서총 470건의유효데이터를대상으로정량분석을진행하였다. 3. 연구결과및고찰 3.1 특허기술동향분석 3.1.1 주요국가별연도별출원동향 특허기술동향분석은특허기술분야와주요출원인분석, 세부기술별분야로나누어분석하였다. Fig. 1에서가로축은출원연도를, 세로축은출원건수를나타낸다. 전체검색결과에서노이즈및중복건을제외한총 470건의전체연도별출원동향을살펴보면, 출원건수가점진적 Fig. 1. Analysis of KIPO, USPTO, JPO and EPO data (years) 으로증가하는경향을보이다가 2000년대이후부터출원건수가급격히증가하였다. 특히, 2000년대중반이후미국셰일가스생산의급격한증가는천연가스의효율적이송과관련된출원건수의급격한요인일것으로고려된다 [5]. 2010년부터 2016년까지꾸준하게다수의출원이이루어졌고상대적으로최근연도 (2017년) 에는적은출원건수가나타났다. 여기에서, 최근의관련특허출원건수의감소는세계천연가스수요의증가경향을고려했을때기술성숙도의향상에따른것으로고려된다 [2]. 한국은전체출원의약 32% 를차지하고있으며 1990년대말부터출원건수가증가하고, 2007년 ~2008년, 2011 년 ~2013년에출원건수가증가함을확인하였다. 미국은전체출원의약 28% 를차지하고있으며 2000년이후출원건수가꾸준히유지되는경향을보였다. 또한, 일본은전체출원의약 34% 를차지하고있으며 2000년대에다수의출원건수가나타나며, 2010년대이후에도출원건수가꾸준히유지되었다. 유럽은전체출원의약 6% 를차지하고있으며소수의출원으로유지되는경향을보였다. 3.1.2 특허기술성장단계 Fig. 2 에서보는바와같이전체출원중최근의출원동향을 5개구간으로나누어기술의위치를살펴보면, 출원건수가지속적으로증가하는경향을나타내고있다. Fig. 2 에서가로축은출원인수를, 세로축은출원건수를나타낸다. 특히 2000년대에들어서며출원건수가대폭증가하는경향을나타냄으로써, 전체적으로성장기에해당하는기술로분석된다. 최근의출원동향을 5개구간으로나누어기술의위치를살펴보면, 한국은 5구간 (2012~2016) 을제외하고는매구간별출원인수및출원건수가지속적으로증가하는성장기에해당됨을알수 732
x-axis : Applicant number, y-axis : Application Number (a) TOTAL (b) KIPO (c) USPTO (d) JPO Fig. 2. Patent technology growth stage (a) Total (b) KIPO (c) USPTO (d) JPO (e) EPO (e) EPO 있다. 미국은 4구간 (2007년 ~2011년 ) 에출원인수및출원건수가소폭감소하였을뿐지속적인성장기에해당되며, 일본은 3구간 (2002년 ~2006년 ) 에다수의출원인수및출원건수가나타난후, 4구간 (2007년 ~2011년 ) 에출원인수및출원건수가감소하였다가다시증가하는경향을나타내며, 유럽은출원인수및출원건수가전체적으로많지않은가운데, 지속적인성장기에해당되는것으로분석된다. 3.2 주요출원인분석 3.2.1 주요출원인현황주요출원인중가장많은건수를나타내고있는기업들을추출한결과, SHINKO ELECTRIC IND가전체다출원인 1위 (10건) 로나타나고, NAKABO TEKKOSHO, FUJITSU, CARRIER, 두산중공업이 2위 (8건) 으로나타나며, 그뒤로, ARAMCO SERVICES, AIR LIQUIDE, 733
한국산학기술학회논문지제 20 권제 12 호, 2019 Fig. 3. Number of applications by major applicant country by major applicant 외부전원을활용한부식방지기술 (AAA) 관련출원은 2001년, 2008년, 2011년에최다특허출원건수를나타내며, 1990년대후반부터꾸준한출원경향을보였다. 천연가스연료전지를위한연료공급기술 (AAB) 관련출원의경우, 1990년대후반부터꾸준한출원경향을나타내며, 2006년에최다특허출원건수를나타낸다. 고압천연가스의감압을위한예열 / 열교환기술 (ABA) 관련출원의경우, 2007년에최다특허출원건수를나타내며, 소수의특허출원건수가꾸준히나타난다. 압축기스테이션냉각을위한열교환기술 (ABB) 관련출원의경우, 2011년에최다특허출원건수를나타내며, 소수의특허출원건수가꾸준히나타난다. Fig. 6에서각기술별다출원인현황을살펴보면, 외부전원을활용한부식방지기술 (AAA) 관련출원은 NAKABO TEKKOSHO사가, 천연가스연료전지를위한연료공급기술 (AAB) 관련출원은 SHINKO ELECTRIC IND사가, 고압천연가스감압 Fig. 4. Number of applications by major applicant (years) 삼성중공업, ATLAS COPCO AIRPOWER, 한국에너지기술연구원, 대우조선해양순으로나타났다. 주요출원인 Top10 은독보적인출원건수를나타내는기업은없는것으로파악되며, 골고루소량의출원건수를나타내는것으로분석되었다. Fig. 5. Number of applications by category (years) 3.2.2 주요출원인출원동향 Fig. 3과 Fig. 4에서보는바와같이 SHINKO ELECTRIC IND, FUJITSU와같은일본기업은 2000년대중반까지다수의특허출원을하다가최근에는관련특허출원이미미한것으로나타났다. 최근에는, 두산중공업, 삼성중공업, 대우조선해양과같은한국기업을중심으로특허출원건수가꾸준히나타나고있는것으로나타난다. 3.3 세부기술별특허동향 전체기술별연도별출원동향을 Fig. 5 에서살펴보면, Fig. 6. Number of multi applications by major applicant 734
을위한예열 / 열교환기술 (ABA) 관련출원은한국가스공사, 대우조선해양이, 압축기스테이션냉각을위한열교환기술 (ABB) 관련출원은 CARRIER 사가주도하는것으로나타난다. 3.4 세부기술별개발방향제시본연구에서는천연가스공급용대규모파이프라인의부식방지에이용되는외부전원으로연료전지를활용하기위한관련기술을특허동향조사를통해살펴보았다. 세부기술을살펴보면아래와같다. 첫번째, 외부전원을활용한부식방지기술분야에서는외부전원으로연료전지를이용하는기술그리고파이프라인을통해흐르는천연가스를바로연료전지의발전연료로사용하는기술은검색되지않는다. 이와관련하여, 연료전지를외부전원으로사용하면높은빈도로기존에사용되는열기관에비해높은연료-전기변환효율을가지기때문에 ( 최소 10% 이상 ) 상대적으로낮은운영비용을보일수있을것으로기대된다 [6]. 두번째, 천연가스연료전지를위한연료공급에있어서천연가스파이프라인분기구조제작기술에관해서는검색되지않는다. 이와관련하여, 천연가스를연료로이용하는연료전지에천연가스를바로공급하기위한방안으로기존의 hot tapping 기술이응용될수있을것으로기대된다 [7]. 세번째, 고압천연가스감압에의한냉각방지를위한연료전지기반예열기술에서는파이프라인의분기구조, 열교환기의구체적인구성은검색되지않는다. 이와관련하여, 연료전지의폐열을이용하여감압시발생하는냉각효과로부터파이프라인부품의파괴를막는개념이응용될수있을것으로보인다 [8]. 네번째, 압축기스테이션을통해배출되는가압천연가스의냉각을위한연료전지기반열교환기술에서는열교환기, 라디에이터등의구체적인구조, 파이프라인의분기구조는검색되지않는다이와관련하여, 가압천연가스로부터발생되는열에너지를연료전지시스템의시동 / 정지사이클성능을향상시키기위한열로사용할경우승압천연가스의열관리비용을줄일수있을것으로기대된다 [9]. 스파이프라인의분기구조와감압 / 압기 / 열교환설비설계를통해천연가스감압 / 예열그리고가압 / 냉각기술을동시에구비하는고압천연가스의활용을위한에너지제어시스템및방법으로출원하여권리화를시도해볼수있을것으로판단된다. References [1] Korea Petroleum Association Future Strategy Team, IEA midterm gas demand prospect 2018~2023, Technical Report, Korea Petroleum Association, pp.1-8. [2] IEA, Natural Gas Information 2018, Technical Report, pp.2-8. [3] S. R. Lee, N. J. No, Korea Energy Economics Institute, A Study on Strengthening Natural Gas Industry Competitiveness in Response to Structural Changes in the Global Natural Gas Market, Technical Report, pp.5-23. [4] IEA, The Future of Hydrogen 2019, Technical Report, pp.1-2. [5] Z Wang and A Krupnick, US Shale Gas Development 2013, Technical Report, pp.1-2. [6] G. Brunaccini, M. Ferraro, G. Squadrito, L. Di Giovanni, V. Antonucci, SOFC's Anode Protection by Bias Current Application: First Experimental Results on a Short Stack, Journal of the Korean Ceramic Society, Vol.17, No.5, pp.716-722, Aug. 2017. DOI: https://doi.org/10.1002/fuce.201600213 [7] J. A. McElligott, J. Delanty, B. Delanty, Use of Hot Taps for Gas Pipelines Can Be Expanded, Oil and Gas Journal, Vol.96, No.48, pp.66, Nov. 1998. [8] T. Lee, J. H. Choi, T. S. Park, K. B. Yoo, and Y. S. Yoo, Development of kw Class SOFC Systems for Combined Heat and Power Units at KEPRI, Journal of the Korean Ceramic Society, Vol.45, No.12, pp.772-776, Oct. 2008. DOI: https://doi.org/10.4191/kcers.2008.45.1.772 [9] R. Beith, Small and Micro Combined Heat and Power (CHP) Systems, p.560, Woodhead Publishing, 2011, pp.250-251. 4. 결론 본특허기술동향조사의정량적분석결과로부터천연가스공급용대규모파이프라인의부식방지를위한외부전원으로연료전지시스템을이용하기위해고압천연가 735
한국산학기술학회논문지제 20 권제 12 호, 2019 이종원 (Jong-Won Lee) [ 정회원 ] 2012년 2월 : 한양대학교공과대학건축공학과 ( 공학사 ) 2014년 8월 : University of Southern California School of Public Policy, Urban Planning ( 도시계획석사 ) 2019년 2월 ~ 현재 : 한양대학교공과대학원건축공학과 ( 박사과정 ) 2016년 11월 ~ 현재 : 한국건설기술연구원전임연구원 < 관심분야 > 기술경영정책, 건물에너지, 건축물빅데이터, 건설정보관리 지상훈 (Sanghoon Ji) [ 정회원 ] 2007년 8월 : 서울과학기술대학교자동차공학과 ( 공학사 ) 2015년 8월 : 서울대학교지능형융합시스템학과 ( 공학박사 ) 2015년 8월 ~ 2016년 12월 : 한국과학기술원응용과학연구소연수연구원 2017년 1월 ~ 현재 : 한국건설기술연구원수석연구원 < 관심분야 > 연료전지재료 / 시스템, 수소에너지인프라 736