KWC 수소 리포트

#16 연료전지 시장의 현황과 미래전망

안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 현재의 연료전지 실용화 단계에 관하여 알아보았는데요.​오늘은 연료전지 시장의 현황과 미래에 대한 전망에 대해 알아보겠습니다.​​1. 연료전지 시장의 현황과 전망: 국외  (1) 현황  전 세계 연료전지 시장은 최근 빠른 성장세를 보이고 있으며, 2017년 기준 50억 3,420만 달러를 기록하였습니다. 이는 2015년 총 17억 7,440만 달러 대비 184% 성장한 수치입니다.   용도별로는 고정형과 수송형의 전체적인 성장세가 두드러집니다. 특히, 2015년까지는 발전용 연료전지를 위주로 고정형이 전체 연료전지 시장의 약 68% 이상을 점유하였으나, 자동차용 시장의 급격한 성장으로 2017년 이후부터는 수송형의 시장 점유율이 크게 성장하여 고정형과 비슷한 규모로 시장이 형성되는 추세입니다(고정형 51.2%, 수송형 48.6%).   이에 비해 시장의 규모가 상대적으로 미미한 휴대형 연료전지 시장은 2013년 이후 빠른 성장세를 보이며 2015년에는 940만 달러로 전체 시장의 0.5%를 차지하였습니다.​   세계 연료전지 시장규모출처. Navigant Analysis   (2) 전망  해외 수소연료전지 사업도 마찬가지로 활발하게 전개되고 있습니다.   일본 후지경제에 의하면 2030년 연료전지시장은 4조9,275억엔(약 50조원) 규모로 2017년 대비 28배 성장할 것으로 알려졌습니다.   용도별 연료전지시스템 세계 시장 규모 전망(좌), 주요국 연료전지 시스템 시장 비중 전망(우)출처. 후지경제(2018), 월간수소경제, IBK투자증권  ​지역별로는 한국, 중국, 일본 등 아시아 비중이 2018년 45%에서 2030년 58%로 절반 이상을 차지할 것으로 전망되었습니다. ​2. 연료전지 시장의 현황과 전망: 국내 ​(1) 현황  국내 연료전지 시장은 2013년 1억 9천만 달러 규모에서 2015년 4억 1,350만 달러로 약 117% 증가하였습니다.   특히, 공공기관 신축 건축물에 대한 신재생에너지 설치 의무화 사업과 친환경 건축물 인증제도, 신재생에너지 이용 건축물 인증제도, 에너지 사용계획 협의 등으로잠재적 연료전지 보급 시장 또한 매우 넓은 것으로 평가받습니다.   국내 내수시장은 발전용 연료전지의 규모 확대로 인해 고정형 연료전지를 중심으로 시장이 크게 성장하고 있으며(‘13~’19년 연평균성장률 34.2%), 육상 교통분야의 온실가스 배출저감 요구에 따라 수송용 연료전지 시장은 연평균성장률 64.3%를 기록하며 가장 큰 성장률을 보일 것으로 예상됩니다.​​ 국내 연료전지 시장규모출처. Navigant Analysis ​국내 연료전지 시장은 총 보급량 기준으로 2014년 19만 3,369 TOE (ton of equivalent)에서2017년 31만 3,303 TOE 규모로 최근 5년간 연료전지 보급량은 빠르게 증가하고 있습니다.   연료전지가 신재생에너지 전체 보급량에서 차지하는 비중도2013년 1.2%에서 2017년 1.9%로 증가하는 추세입니다.   또한 연료전지 발전량은 2013년 579GWh로 전체 신재생에너지 발전량(21,438GWh)의 2.7%를 차지했으나,2017년 1,469GWh를 기록하며 전체 신재생 에너지 발전량(46,623GWh)의 32%를 차지하였습니다.   특히 RPS(Renewable Portfolio Standard) 정책에 힘입어 발전용 연료전지 누적 설치량이 313 MW 수준에 도달하였고 평균 이용률도 90 % 이상을 유지하고 있어 신뢰성이 높은 신재생에너지 수단임을 보여주고 있습니다.​     국내 연료전지 생산량출처. 한국에너지공단    (2) 전망  국내 수소연료전지 소비시장은 증가하는 추세입니다. IBK 투자증권의 발표로는, 2040년 발전용 연료전지는 15 GW (48배), 가정, 건물용은 2.1 GW (300배) 보급이 목표라고 합니다.     ​용도별 연료전지시스템 세계 시장 규모 전망(좌), 주요국 연료전지 시스템 시장 비중 전망(우)출처. 후지경제(2018), 월간수소경제, IBK투자증권   2019년 1월 발표된 한국 정부의 수소 경제 활성화 로드맵에 따르면 발전용 연료전지는 2018년 307.6 MW (41개소)가 보급되었으며 중소형 LNG 발전과 대등한 수준으로 발전단가를 하락시켜 중장기적으로 설치비 65%, 발전단가 50% 수준으로 하락을 목표로 하고 있습니다.또한, 중장기로는 2040년까지 15 GW (내수 8 GW)를 목표로 하고 있습니다.   또한 가정, 건물용의 경우 2018년 7 MW (3,167개소)가 보급되었고, 2022년과 2040년 보급목표는 각각 50 MW와 2.1 GW를 목표로 하고 있습니다.​​​​​참고문헌. 연료전지 시장의 현재와 미래(삼정KPMG 경제연구원)연료전지, 신재생에너지 시장의 다크호스를 꿈꾸다(IBK 투자증권)http://www.energycenter.co.krhttp://amenews.dadamedia.nethttp://www.horizonfuelcell.co.krhttps://ko.wikipedia.org​​​오늘은 연료전지 시장의 현황과 미래전망에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 연료전지가 실생활에 쓰이는 예시에 대해 소개해 드리겠습니다.​​  We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업  #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 

2020.08.04

#15 연료전지 실용화의 현재

  안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 과거의 연료전지 실용화에 대하여 알아보았는데요.  오늘은 현재의 연료전지 실용화에 대해 알아보겠습니다.​​1. 연료전지 실용화의 발달 정도: 국외   일본의 연료 전지기술은 상당한 수준으로, 이미 1996년 6월말 기준으로 약 3.0만kW의 연료 전지(인산형)가 가동되고 있습니다. 그러나 아직도 연구과제가 많기 때문에, 장래 많은 이용이 예상되는 호텔, 병원, 오피스 빌딩 등에서 현장시험과 연구가 계속 진행되고 있습니다.  일본은 1981년부터 6년 동안 에너지 절약기술 개발 계획(Moonlight Project)의 일환으로 연료 전지의 신뢰성 향상과 고효율화 기술의 개발을 추진하였고, 인산염형의 경우 1000 kW급 발전 설비의 독자 개발과 실증 실험, 200kW급 현지 설치형의 상용화를 목표로 하여 연구 개발을 추진하였습니다.   New Sunshine 계획에 의해 1996년까지 가압형 5 MW, 상압형 1 MW급 발전 설비의 실증 실험을 목표로, 9개의 전력 회사와 4개의 가스회사 및 전력중앙연구소로 구성된 연구 조합을 구성하고, NEDO 주관 하에 대규모 실용화 연구를 수행하고 있습니다.   현재의 기술 수준은 화력 대체와 분산 전원용으로 이미 1 MW급 실증 플랜트의 운전 시험을 완료하였으며, 동경전력은 11MW급 인산염형 연료 전지 발전소를 1991년 완공하여 운전시험을 계속하고 있습니다.    일본 동경전력의 연료 전지 발전소출처. http://dl.dongascience.com​ 연료 전지 기술을 선도하고 있는 미국은 1962년 제미니 계획에 의하여 우주 및 군용의 알칼리 연료 전지 연구를 처음 시작하였습니다.   그 후 1969년 28개 가스회사가 중심이 되어, 주거용 및 상업용 인산염형 연료 전지 기술 개발을 위한 9년 계획인 TARGET(Team to Advanced Research for Gas Energy Transformation) 프로그램을 수립하고, 이를 UTC(United Technology Corp. 현재 IFC : International Fuel Cell) 사에 개발을 위탁함으로써 시작되었습니다. ​최근에는 FCG-1 계획에 의해 IFC, WH(Westinghouse)사에서 전기 사업용 MW급 연료 전지 기술 개발 사업을 수행하고 있고, 25-400 kW급의 현지 설치형을 개발하여 200 kW급은 이미 상용화되었으며, 제조 단가를 현재의 약 3000 $/kW에서 1500~1000 $/kW 이하로 낮추고 수명을 40,000 시간 이상 지속시킬 수 있는 발전시스템을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.  유럽 연료전지 기술 개발은 미국과 일본의 기술 독점에 대한 방어적 개념에서 개발이 추진되고 있으며, 연료 개질기, 전력 변환 및 System Engineering 관련 기술을 기업이 보유하고 있습니다.   네덜란드는 1986년부터 PEO주도로 미국의 IGT에서 핵심기술을 도입하여 네덜란드의 신재생에너지 연구단체인 네덜란드에너지연구센터 ECN에서 용융탄산염 연료전지(MCFC)를 개발하고 있습니다. ​​ 용융탄산염 연료전지(MCFC)출처. http://www.horizonfuelcell.co.kr​ 이탈리아는 1986년부터 국립신기술자원환경공사(ENEA) 주도로 VOLTA 계획을 추진하여 PAFC, MCFC, SOFC를 개발하고 있습니다.   캐나다는 자동차용 고분자 전해질형 연료 전지 개발을 주도하고 있으며, Ballard Power System Inc.에서 연료 전지 버스와 승용차를 개발하고 있습니다. Ballard Power System의 수소연료전지버스출처. https://www.ballard.com​​2. 연료전지 실용화의 발달정도: 국내    국내의 연료전지 기술 개발은 1985년부터 한국에너지기술연구소와 한전기술연구원 공동으로 5.9 kW급 인산염형 연료 전지 본체를 수입하여 국내 최초로 발전 시스템을 구성하여 성능 실험을 실시한 것이 그 시작입니다.   이를 계기로 국내에서도 연료 전지 개발의 중요성을 인식하게 되었으며, 최근에는 연구 개발 사업이 활성화되어 인산염형, 용융 탄산염형, 고체 전해질형 및 고분자 전해질 연료전지도 개발하고 있습니다.  한국에너지기술연구소는 1987년부터 6년 동안 과기처 국책 연구 사업을 주관하여 연구소, 대학 등이 공동으로 참여하는 인산염형 연료전지 개발 연구를 수행하였으며, 1992년도에는 1kW 인산염형 연료전지 본체를 성공적으로 개발한 바 있습니다.   이 사업은 1993년부터 시작된 국가 선도기술 개발사업으로 연계되어 산·학·연 공동 참여에 의해 실질적인 50kW급 인산염형 연료전지의 실용화를 위한 요소 기술을 개발하고 있으며, 2000년까지 200kW급 인산염형 연료전지 발전 시스템 개발을 목표로 설정하고 있습니다.  또한 1989년부터는 통상산업부의 대체 에너지 기술개발 사업으로 40kW급 인산염형 연료전지 발전시스템의 개발 사업을 수행하였습니다.   연료전지 본체 개발은 호남정유(현 GS칼텍스), 연료 개질기는 유공(현 SK이노베이션), 전력 변환 장치는 금성산전(현 LG산전), 계통 연계 기술개발은 한국전기연구소가 담당하고 가스공사가 사업을 주관하는 공동연구체제를 구성하였습니다.  또한 1987년부터 수소자동차 연구에 들어간 성균관대학교 기계공학과 이종태 교수와 대학원 및 학부생 등 10여명으로 이루어진 내연기관 연구실팀이 1993년 6월 아시아 타우너 밴을 기초로 한 국내 최초의 수소자동차인 성균1호를 만들었습니다.     국내 최초의 수소자동차 성균1호출처. http://global-autonews.com​​현재 국내의 기술 수준은 전반적으로 기초 연구 단계이나, 연료전지 본체를 포함한 연료개질, 전력 변환 장치 등의 소규모 시제품 개발을 목표로 하여 추진 중이며 최근 10kW급 인산형 발전시스템과 5kW급 고체고분자 발전시스템이 한국에너지기술연구소에 의해 개발되었으므로이러한 발전추세로 보아,단기간 내 현재의 선진 기술 수준에 근접할 수 있을 것으로 전망됩니다. ​​ 참고문헌. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 국내외 동향(송근수)미래 항공용 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능향상 연구동향(한창환, 김근배)http://amenews.dadamedia.nethttp://www.horizonfuelcell.co.krhttps://ko.wikipedia.org ​​오늘은 연료전지 실용화의 현재에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 연료전지 실용화의 미래에 대해 소개해드리겠습니다.   We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​​#수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #

2020.07.28

#14 과거의 연료전지 실용화 기술

    안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 연료전지의 특성과 종류에 관하여 알아보았는데요.  오늘은 과거의 연료전지 실용화 기술에 대해 알아보겠습니다.    1. 과거의 연료전지 실용화​PEM 연료전지가 발명되기 전에는 고체산화 연료전지(SOFC)와 같은 기존 연료전지 유형이 극한 조건에서만 적용되었습니다. 그러한 연료전지는 매우 비싼 재료가 필요했고, 차지하는 크기 때문에 사용에 제한이 있었습니다.   PEM 연료전지는 1960년대 초 General Electric사(社)의 Willard Thomas Grubb와 Leonard Niedrach에 의해 발명되었습니다.​  Leonard Niedrach(좌)와 Willard Thomas Grubb(우)출처. https://americanhistory.si.edu​  초기에는 전해액으로 황화 폴리스티렌 막을 사용하였으나, 1966년에 황화 폴리스티렌보다 성능과 내구성이 우수하다는 것이 입증된 Nafion ionomer로 대체되었습니다.  PEM 연료 전지는 NASA Gemini 우주선들에서 사용되었지만, 아폴로 계획과 우주 왕복선에서는 알칼리성 연료 전지(Alkaline fuel cells)로 대체되었습니다.  GE사는 1960년대 초 제미니 우주 임무를 위한 최초의 양성자 교환막 연료전지(PEMFCs)를 개발하였습니다. PEMFC를 사용하는 첫 번째 임무는 Gemini V였습니다. 그러나 아폴로 우주 임무와 그에 따른 Apollo-Soyuz, Skylab, 우주왕복선 임무는 Pratt&Whitney사(社)의 Bacon의 설계에 기반한 연료전지를 사용했습니다.     Gemini V출처. https://www.honeysucklecreek.net​ 하지만 극도로 비싼 재료가 사용되었고 연료전지는 매우 고순도의 수소와 산소를 필요로 했습니다. 또한 초기 연료전지는 높은 작동온도가 요구되어 많은 용도에서 문제가 되는 불편함이 있었습니다.   그러나 연료전지는 이용 가능한 연료(수소 및 산소)를 사용하는 점에서 바람직한 것으로 간주되었습니다.  우주 프로그램에서의 성공에도 불구하고, 연료 전지 시스템은 높은 비용을 충당할 수 있는 우주 비행 사업에 제한되었습니다.   이후 1980년대 후반과 1990년대 초반에 이르러서야 연료전지는 보다 넓은 적용기반을 위한 실용성을 갖추게 되었습니다. 낮은 백금 촉매량과 필름 전극 등의 혁신을 통해 연료 전지 비용을 낮추어, PEMFC 시스템의 개발을 더욱 실용적으로 만들었습니다. 그러나 수소연료전지가 자동차나 다른 운송수단에서 사용할 수 있는 현실적인 기술이 될 것인지에 대해서는 아직 상당한 논쟁에 있습니다.  PEMFC 생산의 상당 부분은 도요타의 수소연료 전기차인 도요타 미라이(Toyota Mirai)가 차지합니다.     도요타 사의 도요타 미라이출처. https://www.caranddriver.com​​  참고문헌. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 국내외 동향(송근수)미래 항공용 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능향상 연구동향(한창환, 김근배)http://www.horizonfuelcell.co.krhttps://en.wikipedia.org​​​ 오늘은 과거에 실용화했던 연료전지의 사례에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 연료전지 실용화의 현재에 대해 소개해드리겠습니다.         We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​​  #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션   

2020.07.24

#13 연료전지의 종류와 특성

  안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 실생활 속 수전해에 관하여 알아보았는데요.  오늘은 연료전지의 종류와 특성에 대해 알아보겠습니다.  앞서 알아봤듯이 연료전지(Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치입니다. 이 화학 반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능합니다.  전지와의 비교를 통해 더 자세히 알아보자면,전지는 닫힌 계에 화학적으로 전기에너지를 저장하는 반면 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산합니다. 또한 전지의 전극은 반응을 하여 충전/ 방전 상태에 따라 바뀌지만, 연료전지의 전극은 촉매작용을 하므로 상대적으로 안정된 상태입니다.  연료와 산화제로는 여러 가지를 이용할 수 있습니다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화염소 등을 산화제로 이용할 수 있습니다.  오늘은 연료전지 중에서도 수소연료전지의 종류와 그 특성에 대해 알아보겠습니다.  1. 연료전지의 종류  수소연료전지는 수소와 산소를 사용하는 것으로서, 수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 이용합니다.    (1) PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 양성자 교환 막 연료전지)  고분자 전해질 막 연료전지로도 알려진 양성자 교환 막 연료전지는 고정 연료전지 응용 및 휴대용 연료전지 응용뿐만 아니라 수송 응용을 위해 주로 개발되고 있는 연료전지의 한 유형입니다.   (2) SOFC(고체산화물 연료전지)  SOFC(고체산화물 연료전지)는 연료 산화로부터 직접 전기를 생산하는 전기 화학 변환 장치입니다. 연료 전지는 전해질 재료로 특징되는데요,SOFC는 고체산화물 또는 세라믹 전해질을 갖습니다.   2. 연료전지의 특성   (1) PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 양성자 교환 막 연료전지)   수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단합니다.   또한, 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템입니다.   이와 같은 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양합니다.   (2) SOFC(고체산화물 연료전지)  고체산화물 연료전지는 지르코니아 등 수소 혹은 산소 이온의 통과가 가능한 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지입니다. 따라서 연료의 융통성, 비 귀금속 촉매, 완전한 고체상의 전해질 등의 장점을 가지고 있습니다. 하지만 고온에 따른 시스템의 복잡성 증가, 고온 밀폐의 어려움, 상대적으로 고가인 전지요소와 재료 비용 등의 단점도 있습니다.​​  참고문헌. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 국내외 동향(송근수)미래 항공용 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능향상 연구동향(한창환, 김근배)http://amenews.dadamedia.nethttp://www.horizonfuelcell.co.krhttps://ko.wikipedia.org ​​ 오늘은 연료전지의 특성과 종류에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 연료전지 실용화의 과거에 대해 소개해드리겠습니다.        We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​​ #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션  

2020.07.13

#12 실생활 속 수전해

  안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 미래 수전해의 전망에 관하여 알아보았는데요.  오늘은 수전해가 실생활에 쓰이는 사례에 대해 알아보겠습니다.​ 앞서 알아봤듯이, 수전해(Water Electrolysis)란 물의 전기화학반응을 통해 수소와 부산물로 산소를 생산하는 기술을 일컫습니다.   이산화탄소 같은 온실가스는 물론이고 오염물질 없이 수소를 생산할 수 있는 청정기술이기 때문에 에너지신산업 도약에 있어 핵심이 되는 기술입니다.  이러한 수전해는 다양한 분야에서 실생활에 쓰이고 있습니다. 그중에서도 수전해를 이용한 수소연료전지의 이용기술과 그 사례에 대해 알아보겠습니다.   1. 수소연료전지  연료전지란 말 그대로 연료를 사용하여 전기를 만들어내는 장치로서, '3차 전지'라고도 부릅니다. 연료나 재질에 따라 PEMFC, SOFC, MCFC 등의 다양한 종류가 존재합니다.연료전지는 연료를 태워서 발전기를 돌리는 것이 아니라 연료의 화학반응에서 직접 전기를 얻습니다.   수소연료전지는 수소와 산소를 사용하는 것으로서, 수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 사용합니다.    (1) PEMFC(고분자 전해질 연료전지)  PEMFC(고분자 전해질 연료전지)의 경우 수소와 산소를 사용하는 연료전지의 음극(anode)에서는 H2인 수소가 2개의 수소 이온과 2개의 전자로 분해됩니다. 전자는 도선을 타고 양극(cathode)로 이동하고, 수소 이온은 전해질(electrolyte)를 통과하여 양극으로 이동하게 됩니다. 양극에서는 이동해온 수소 이온과 전자, 산소가 반응하여 물이 생성됩니다.     PEMFC의 구조출처. https://www.ksakosmos.com​​이와 같은 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양합니다. PEMFC에 대한 연구는 1955년 미국의 GE에서 처음으로 시작되어 1962년에 이미 1kW급 PEMFC 스택 2개로 이루어진 모듈을 Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용하였습니다. ​  Gemini 1호부터 12호까지 발사장면출처. Wikipedia​이후로 PEMFC를 연료전지자동차 등 민간용으로 응용하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있습니다.​㈜케이워터크레프트에서도 PEMFC를 이용하여 다양한 제품의 전력원으로 개발 중입니다.㈜케이워터크레프트에서는 고도정수처리된 물로 수전해 시스템을 통해 수소에너지를 생산하고 저장하고 있습니다. 이때 100% 태양광을 사용하여 수전해를 통해 수소를 생성해냅니다.이렇게 생산된 수소에너지는 연료전지를 통해 ㈜케이워터크레프트의 에너지자립형 수소발전시스템인 워터스테이션와 수소선박인 워터보트, 공기청정기 워터에어 등의 제품을 가동시킵니다.    ㈜케이워터크레프트의 워터스테이션출처. http://kwatercraft.com ​    ㈜케이워터크레프트의워터에어출처. http://kwatercraft.com  ㈜케이워터크레프트의워터보트출처. http://kwatercraft.com  ​ (2) SOFC(고체산화물 연료전지)  SOFC(고체산화물 연료전지)의 경우 양극(anode)에서 산소가 산소이온과 전자로 분리되고 음극에서 산소이온, 수소, 전자가 반응하여 물이 생성됩니다. 이 과정에서 존재하는 전자의 이동을 전력으로서 사용한다는 것이 기본 개념입니다.     SOFC의 구조출처. https://h2news.kr​​이와 같은 SOFC의 주요 응용분야는 정치형 연료전지와 이동형 연료전지로 나눌 수 있습니다.​정치형 연료전지는 가정용, 건물용 및 분산발전용을 말하는데 SOFC의 시스템 소형화가 가능한 장점과, 고효율 친환경 특성을 이용하여 가정용 같은 경우 전기와 온수(열)에 대한 수요를 충족시키고 전력수요지 근처에 배치되고 있습니다. ​     STX중공업이 개발한 1kW급 SOFC 시스템 ‘encube’출처. 월간수소경제​​그리고 이동형 연료전지는 수송장치의 보조전원 및 군사 목적용입니다. 차량 혹은 선박과 같은 운송 수단은 고효율, 친환경, 소형화 등의 특성을 갖고 있는 SOFC의 좋은 적용처이고, 냉장설비를 계속 가동시켜야 되는 특장차, 군용의 전차 등 전력이 많이 소요되는 차 또는 디젤연료 사용 트럭 등에 보조 전원으로 적합합니다.  현재 항공분야에서 SOFC는 일부 제한적으로 적용되고 있으나, 기술발전과 더불어 작동온도가 낮아지고 성능이 향상되면 응용분야가 증가할 것으로 전망됩니다. 대표적으로 대형여객기 제작업체인 Airbus와 Boeing은 항공기 보조동력장치(APU)에 SOFC를 적용한 하이브리드 방식으로 효율을 높이는 기술을 개발하고 있으며, 향후 소형항공기에 적용하기 위한 시도가 가시화될 전망입니다. ​    SOFC APU system출처. https://www.researchgate.net​​​SOFC의 항공기 적용은 연료소모율 감소와 더불어 유해한 배기가스를 저감시킴으로서 미래 친환경 고효율 항공기 개발에 기여하게 될 것입니다.     참고문헌. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 국내외 동향(송근수)고효율 수전해 기술(우상국, 유주현, 문상봉)미래 항공용 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능향상 연구동향(한창환, 김근배)수전해 수소제조기술, 기후변화대응기술로 주목해야(김창희)수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)http://amenews.dadamedia.nethttp://kwatercraft.comhttp://www.horizonfuelcell.co.kr​​​​오늘은 수전해가 실생활에 쓰이는 사례에 대하여 알아보았습니다. 다음 시간에는 연료전지의 특성과 종류에 대해 소개해드리겠습니다.​    We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​ #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션   

2020.07.06

#11 수전해의 미래

 안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 현재 수전해의 이용에 관하여 알아보았는데요.  오늘은 수전해의 미래 전망에 대해 알아보겠습니다.   1. 수소시장 전망​지난 2017년 맥킨지의 세계 수소시장 전망 보고서(Hydrogen scaling up, 2017)에 따르면 세계 수소시장 규모는 2017년 1,292억 달러에서 연평균 6% 성장해 2050년 2조5,000억 달러 매출, 누적 3,000만 개 일자리 창출이 가능할 것으로 전망되었습니다.또한 2050년 전 세계 수소 수요는 연간 78EJ(석유로 환산 시 약 132억 6,000만 배럴) 규모에 이를 전망입니다.    2050 글로벌 수소 소비량 전망출처. https://tech.hyundaimotorgroup.com  보고서는 수소가 지금은 주로 산업용 원료로써 활용되고 있지만, 수소 활용 분야의 기술 발전과 함께 수소 소비량이 가파르게 늘어날 것이라 예상합니다. 특히, 수소전기차 분야가 수소 수요 확대를 이끌고, 이후 연료전지가 다양한 분야에 보급돼 수소 소비가 점차 늘게 될 것으로 전망했습니다.​국내 수소시장도 지속 성장할 것으로 전망되는데요, 맥킨지는 2018년 한국 수소시장 전망 보고서를 통해 2050년 70조 원 매출과 누적 60만 개의 일자리 창출이 가능할 것으로 전망했습니다. ​​2. 수전해 기술의 가능성  과거 공업용으로만 사용되던 수소는 이제 화석연료를 대신할 새로운 에너지원으로 주목받고 있습니다. 수전해를 통한 수소생성은 화석연료를 사용하지 않는 수소경제의 최종적인 목표입니다. 하지만 수전해는 수소를 생성하는 데 전기를 필요하게 되므로, 상대적으로 전력의 가격이 높아져 경제성의 문제가 나타납니다. 따라서 태양광, 태양열, 풍력 등의 신재생에너지를 통해 얻어진 전력이 수전해에 사용될 때에야 비로소 상업적 사용을 기대할 수 있습니다.​ Central hydrogen production vs. distributed hydrogen production via electrolysis출처. 수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향(이재영, 이영미, 엄성현)     Major Components of PEM-electrolysis Fueling Systems출처. 수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향(이재영, 이영미, 엄성현)​ 수전해기술의 최대쟁점은 전극에서의 과전압에 따른 에너지 손실입니다. 아래의 표에서 확인되듯이 산소발생전극인 anode의 경우 두 시스템 모두 비슷한 값의 과전압(0.3 V)을 가집니다. 반면에 수소발생전극인 cathode의 과전압은 알카라인 전해질을 사용하는 경우, 고체고분자전해질을 이용하는 경우보다 약 10배 이상의 과전압이 필요하며,이러한 이유로 인해 전체 cell 전압도 높게 나타납니다. 즉 같은 양의 수소를 발생하기 위해서 더 많은 양의 전력이 필요하다는 것을 의미합니다. 알카라인 물 전기분해 시스템에서 현재 널리 사용 중인cathode는 Ni, NIS, Mild Steel 등이며, 백금에 비해 수소발생에 대한 높은 과전압을 나타내는 문제점을 나타내고 있습니다.​   Comparison of Overpotential in Water Electrolysis출처. 수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향(이재영, 이영미, 엄성현)  또한 정제되지 않은 물을 사용할 경우 미량의 금속이온에 의해 형성되는 금속수산화물로 인해 전극의 내구성을 감소시키는 단점도 지니고 있습니다. Anode 측에서의 전압 손실을 감소시키기 위해서는 전기화학 촉매의 성능을 향상시켜야 하며, 작동 온도를 더 증가시켜야 합니다. 물 전기분해를 통한 수소의 가격의 경제성을 위해서, 즉 보다 효율적인 셀 구성을 위하여 분리 막과 전기전도체의 개발도 병행되어야 합니다.이와 더불어 비연속적인 에너지원(태양력, 풍력 등)을 통한 물 전기분해 시스템 운영 시, 공급에너지 변환에 따른 시스템의 개발도 고려해야 할 부분입니다. 원심력 및 초음파력을 이용한 물질전달 향상 연구를 통하여 시스템의 성능 제어에 이용할 수 있습니다. 나아가 연료전지 차량이나 이동형 연료전지에 이용할 수 있는 차량용이나 이동형 수소공급장치를 위하여 장치의 경량화와 소형화 연구도 필요합니다. 국내외 연구기관들은 셀 구성 재료의 저 가격화를 중심으로 하여 연구를 진행하고 있으며, 내구성 등 기계적 안정성면에서 실용화를 위해 한층 더 개선이 필요한 상태입니다.  참고문헌. 고온수증기전기분해(HTSE) 공정(신영준)고효율 수전해 기술(우상국, 유주현, 문상봉)수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향(이재영, 이영미, 엄성현)수소 혁명의 시대(김미선)수전해 수소제조기술, 기후변화대응기술로 주목해야(김창희)수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)http://amenews.dadamedia.net​ 오늘은 수전해의 미래전망에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 수전해가 실생활에 쓰이는 예시에 대해 소개해드리겠습니다.      We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​ #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션  

2020.06.29

#10 수전해의 현재

  안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 과거 수전해의 발견과 발전에 관하여 알아보았는데요.  오늘은 현재 수전해의 이용에 대해 알아보겠습니다. 수소의 생산 방법 중 수전해는 비교적 간단하고 신뢰성이 높으며 고순도의 수소를 대량으로 생산할 수 있는 방식입니다.   현재 활용되고 있는 수전해의 대표적인 방법은 고온 수증기전해법(HTE, High Temperature Electrolysis), 알칼리 수전해법(AE, Alkaline Electrolysis), 양성자 교환막전해법(PEM, Proton Exchange Membrane) 등이 있습니다. ​​1. 고온 수증기전해법의 개발  개발 시작 이후 독일의 Dornie 사는 실용적인 전해요소를 만들어 997℃에서 6.8NL/h의 수소를 제조함과 동시에,이 전해요소를 복수로 합한 전해 모듈을 만든 바가 있습니다.  또한, 일본 원자력연구개발기구 (JAEA)에서도 두께 3mm의 얇은 yttrua-stabilzied zirconia를 전해질로 하는 평판형 전기 분해 셀을 가공하여 850℃의 조건에서 실험을 하여 2.4NL/h의 수소를 생산한 바 있습니다.  미국의 INL(Idaho National Laboratory)에서는 고온 수증기 전기분해법 공정 개발관련 장기 연구 프로그램을 진행하였으며,단위 전기 분해 셀에 관한 성능 등 실험적 결과를 발표하였습니다.    미국 INL 고온 수증기전기분해 시설출처. 고온수증기전기분해(HTSE) 공정(신영준) 국내에서는 고등기술연구원에서 Ni/YSZ전극의 개발 및 셀 제작과 시스템에 대한 최적화 연구가 진행되고 있습니다.  또한 SOFC의 연구와 맞물려 regenerative fuel cell로 이용하는 연구도 추진되고 있습니다.    2. 알칼리 수전해법의 개발  알칼리 수전해법은 알카라인 수용액으로 인해 전극촉매의 높은 내구성이 요구되므로 그에 대한 연구가 진행되고 있습니다. ​니켈과 전이금속의 합금(Ni-Co, Ni-W, Ni-Zn, etc.)을 통해 높은 수소발생 활성도와 내구성을 가지는 전극 촉매를 연구하고 있으며, 또한 니켈과 비금속인 인, 황 합금을 통한 연구도 진행되고 있습니다.   최근 높은 표면적을 통한 높은 활성도를 얻기 위하여 나노 기술을 물 전기분해 전극촉매에 적용하고 있습니다. 미국의 Quantum Sphere사에서는 나노 사이즈와 마이크로 사이즈 니켈의 혼합을 통해 85%의 수소발생 효율을 가지는 촉매를 개발하였습니다.이로 인해 최근 개발되고 있는 방법에서는 알카라인 수용액의 농도를 40%까지, 그리고 40기압 정도의 고압의 수소를 생산하고 있으며, 기존의 에너지 변환효율과 전류밀도가 77∼80%와 0.13∼0.25A/cm²에서 80∼90%와 0.2∼2.0A/cm² 까지 증대하고 있습니다.  국내에서는 1980년대까지 가스제조 업체에서 단극식 알카라인 물 전기분해 장치를 자체 제작하여 수소를 생산하기도 하였으나 효율 및 경제성의 문제로 운전을 중단하였습니다. 1980년대 말부터 수소와 산소의 혼합가스인 속칭 브라운가스 발생기를 제조하는 업체들이 용접 및 절단용의 알카라인 물 전기분해 장치를 제조하기 시작하였으며, 현재 이들 제품이 제작, 시판되고 있습니다. 2000년 이후 수소와 산소의 분리형 알카라인 물 전기분해 장치에 대한 기술개발이 이루어져 현재 수소제조 용량 8Nm³H₂/hr까지의 물 전기분해 장치가 제작 판매되고 있으며, 대용량의 장치개발을 준비하고 있습니다.​  알칼리 수전해 장치(지엔씨 제작)출처. 수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)   3. 양성자 교환막전해법의 개발  고체고분자전해질(PEM) 수전해 기술은 1966년 General Electric에 의해 첫 번째 전해시스템이 개발되었습니다.   고체고분자전해질(PEM) 수전해 기술은 셀을 구성하는 재료들 즉 귀금속의 촉매들과 고분자막, 내부식성 분리판 등의 사용으로 인해 알칼라인 수전해에 비해 비싸다는 단점이 있습니다.또한 셀 구조도 비교적 복잡해서 대면적화에 어려움이 따릅니다.   하지만 높은 전류밀도 운전이 가능하고 소형화가 가능해 부하변동 대응에 빠른 응답 특성을 보이는 장점을 갖고 있습니다.  이 같은 특성에 따라 현재 많은 국가에서 귀금속 대체를 통해 가격을 낮추고 대면적화하는 기술개발 연구를 진행하고 있습니다.  최근에는 대용량의 수전해시스템이 개발되고 있으며, 미국 Hogen에서 6Nm³H₂/hr의 용량으로 15기압까지의 제품이 생산되고 있습니다.     Hogen사의 H6m - Hydrogen Generator출처. https://www.fuelcellstore.com 일본의 경우 WE-NET Project에서 단위셀 면적 2500cm²의 5단 스택을 개발하였으며, 1기압 80℃, 1A/cm²의 전류밀도에서 94.4%의 에너지 변환효율을 달성하였다고 보고하였습니다.   독일 Ulm 대학교 Kibler팀에서는 금과 팔라듐의 결정성과 표면상태에 따른 수소발생능력에 대한 연구를 하였습니다.  덴마크 Nørskov팀에서는특히 기존 백금보다 높은 수소발생을 나타내는 백금과 비스무스 표면 합금 전극촉매를 개발하였습니다.  국내에서는 1990년대 초에 고체고분자전해질을 이용한 물 전기분해 기술의 기초연구가 시작되었으며, 2000년도까지 물 전기분해에 대한 연구는 미미하였습니다. 태양광이나 풍력 등의 신재생에너지가 실용화되면서 물 전기분해를 통한 수소생산의 경제성 부분을 어느 정도 해결할 수 있게 되면서 관심을 갖기 시작했습니다. 이후 2003년 10월부터 시작된 수소 프론티어 사업단의 한국에너지기술연구원에서는 자연에너지를 이용한 3Nm³H₂/hr 규모의 고체고분자전해질을 이용한 물 전기분해 장치의 개발연구가 수행 중입니다.  ​참고문헌. 고온수증기전기분해(HTSE) 공정(신영준)고효율 수전해 기술(우상국, 유주현, 문상봉)수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향(이재영, 이영미, 엄성현)수소 혁명의 시대(김미선)수전해 수소제조기술, 기후변화대응기술로 주목해야(김창희)수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)http://amenews.dadamedia.net ​ 오늘은 현재의 수전해 이용에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 수전해의 미래전망에 대해 소개해드리겠습니다. ​   We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​  #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션   ​ 

2020.06.22

#09 수전해의 과거

  안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다.  지난 시간에는 수전해란 무엇이며 다양한 수전해방법에 관하여 알아보았는데요. 오늘은 수전해의 과거에 대해 알아보겠습니다.​​수소는 공해가 없는 청정에너지이며, 미래 원천 에너지입니다.연료전지의 상용화를 통해 수소의 수요가 높아질 것이 예상됨에 따라 수전해는 비 화석 연료로부터 고순도의 수소를 얻을 수 있는 유력한 방법으로 주목을 받고 있습니다. 이러한 수전해가 과거에 어떻게 발명되고 개발되었는지 알아보겠습니다.​​1. 수전해의 발견  수전해는 네덜란드의 Jan Rudolph Deiman과 Adriaan Paets van Troostwijk에 의해 최초로 소개되었습니다. 얀 루돌프 데이먼과 아드리안 P. 트루스트위크는 1789년에 정전기 발생장치를 사용해서, 물에 담근 두 개의 금 전극 사이에 정전기 방전을 일으켜 물의 분해를 설명했습니다.  Adriaan Paets van Troostwijk(좌)와 Jan Rudolph Deiman(우)출처. https://chg.kncv.nl / https://wellcomecollection.org     이후 1800년 Alessandro Volta가 볼타파일(Voltatic pile)을 발명했고, 몇 주 후 영국 과학자 William Nicholson과 Anthony Carlisle은 그것을 이용해서 물을 전기분해 했습니다.​특히 독일의 의사이자 화학자인 Johann Wilhelm Ritter는 볼타파일의 기술을 이용하여, 물의 전기분해를 통해 산소와 수소 가스를 분리하였습니다.   Johann Wilhelm Ritter(좌)와 요한 빌헬름 리터가 물의 전기분해를 개발하기 위해 발명한 장치(우)출처. https://thewonderlist.net   아래 그림과 같은 볼타파일은 세계 최초의 전지로,서로 다른 금속 사이에 염류 용액을 삽입하면 이 두 종류의 금속 사이에 기전력이 생긴다는 것을 알게 된 전지의 시초라는 점에서 의의가 있으나, 대공업의 동력원으로서는 한계를 가지고 있습니다.   Voltaic Pile출처. https://nationalmaglab.org     2. 수전해의 발전  1800년 최초로 물의 전기분해가 성공한 이후, 수전해는 화학, 전기공학 등 여러 분야에서 이용되고 발전되었습니다.  우리에게 웃음가스(laughing gas)로 널리 알려진 아산화질소를 발견해낸 영국의 화학자 Humphry Davy는 수전해를 통해 알칼리금속을 발견해낸 과학자이기도 합니다. 1806년 험프리 데이비는 용해된 대기 질소가스의 양극에서 질소의 산화물이 생성되었다는 결론을 내고 증류수 전기분해 실험의 결과를 보고했습니다. 그는 질소의 산화물, 특히 아산화질소를 연구하고 1807년부터 전기분해에 의해 알칼리금속 및 알칼리토금속류의 단리(시료로부터 단일한 물질을 순도가 높게 분리해 내는 것)에 성공했습니다.   Humphry Davy출처. Wikipedia    벨기에에서는 Zénobe Gramme이 1869년에 그람 발전기를 발명했는데, 더 낮은 비용으로 수전해를 통해 수소를 생산할 수 있도록 해주었습니다. 그람 발전기는 제노베 그람의 이름을 따서 만들어진 직류를 생산하는 발전기이며, 업계에서 상업적 규모로 전력을 생산하는 최초의 발전기였습니다. 1869년에 그람이 발명한 이 발전기가 전동기로도 사용할 수 있다는 사실이 알려지면서, 전원의 제약에서 해방되었으며 이후 전기공학의 급격한 발전이 이루어졌습니다.     Hand Gramme Machine(좌)과 Zénobe Gramme(우)출처. https://m.gettyimagesbank.com / Wikipedia   전기분해를 통한 수소와 산소의 합성 방법은1888년 러시아의 물리학자이자 기상학자 Dmitry Lachinov에 의해 개발되었고, 이 기술에 의해 1902년까지 400개 이상의 산업용수 전해조가 가동되었습니다.   Dmitry Lachinov출처. Wikipedia  이렇듯 과거에는 1800년대부터 전 세계적으로다양한 과학자들에 의해수전해가 발견되었고, 발전되어 나갔습니다.​   참고문헌.   Wikipedia니콜라 테슬라 평전(W.버나드 칼슨)Storing Energy: with Special Reference to Renewable Energy Sources(Trevor M. Letcher)https://chg.kncv.nlhttps://m.gettyimagesbank.comhttps://nationalmaglab.orghttps://wellcomecollection.org​ ​​오늘은 과거 수전해의 발견과 발전에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 오늘날의 수전해의 이용에 대해 소개해드리겠습니다.     We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업    #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션   

2020.06.15

#08 수전해의 정의

   안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 수소사회 구현에 앞장서고 있는 규슈대 캠퍼스에 관하여 알아보았는데요. 오늘은 수전해란 무엇이며 다양한 수전해방법에 대해 알아보겠습니다.   1. 수전해(Water Electrolysis)란  지구온난화와 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지의 연구개발에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있는 가운데 실용가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 유일한 대안으로 수소에너지가 주목받고 있습니다.  현재 독일, 미국, 일본, 캐나다 등 여러 선진국에서 수소 생산방법 개선 및 생산효율 증대를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.  수전해(Water Electrolysis)란 물의 전기화학반응을 통해 수소와 부산물로 산소를 생산하는 기술을 일컫습니다. 이산화탄소 같은 온실가스는 물론이고 오염물질 없이 수소를 생산할 수 있는 청정기술이기 때문에 에너지신산업 도약에 있어 핵심이 되는 기술입니다.  수전해는 알칼리 전해액을 이용하여 수소를 생산하는 알칼라인기술이 처음 발견된 후 산업계에 사용된 지 100년 이상 되었습니다.신기술이 개발되면서 현재 수전해 수소제조 기술은 크게 고온 수증기전해법(HTE, High Temperature Electrolysis), 알칼리 수전해법(AE, Alkaline Electrolysis), 양성자 교환막전해법(PEM, Proton Exchange Membrane)으로 구별됩니다.  수전해의 원리출처. https://en.wikipedia.org/wiki/File:Electrolysis.svg  2. 수전해 방법  수전해법의 대표적인 방법은 고온 수증기전해법(HTE, High Temperature Electrolysis), 알칼리 수전해법(AE, Alkaline Electrolysis), 양성자 교환막전해법(PEM, Proton Exchange Membrane)이 있습니다.    (1) 고온 수증기전해법 (HTE, High Temperature Electrolysis)  고온 수증기전해법은 물을 분해하기 위해 필요한 전기에너지가 고온에서 더 낮아지는 현상을 이용한 방법입니다.   따라서 적은 전기에너지로 고효율의 물 분해가 가능하고,고체산화물전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells)와 그 구조 및 원리가 같은 장치이기 때문에 양방향 운전이 가능하고 전력 저장을 위한 시스템으로 구성이 가능합니다.또한, 고체상의 전해질을 사용함으로써 부식에 대한 내구성이 뛰어나고, 전해액을 사용하는 수전해법과 달리 전해액을 보충하지 않아도 돼 유지 및 보수가 용이하다는 장점도 갖습니다.  그러나 수증기를 700℃ 이상으로 가열하는데 추가열원을 필요로 하며, 고온의 작동조건을 가지기 때문에 고온에서 충분한 내구성을 가지는 고체전해질에 대한 연구와 개발이 필요합니다. 이러한 이유로 다른 수전해법에 비해 그 기술적 성숙도가 떨어집니다.    고온 수증기전기분해법의 원리출처. https://en.wikipedia.org​  (2) 알칼리 수전해법 (AE, Alkaline Electrolysis)  알칼리 수전해법은 알칼리 전해액을 이용하는 물 전기분해법으로 단극식 전극을 사용해 직렬로 구성하는 방법과 양극식 전극을 병렬로 연결해 사용하는 방법이 있습니다.   단극식의 경우 설계와 유지보수가 용이하나 낮은 전류밀도를 가지며 낮은 온도에서 사용되기 때문에 그 효율이 낮습니다.​반면 양극식의 경우 분리막과 전극을 적층으로 만들어 병렬로 연결하기 때문에 높은 전압과 전류밀도를 갖고, 수소를 고압으로 생산할 수 있으며,80~90℃ 정도의 적당한 온도에서 운전이 가능하다는 장점이 있습니다.  알칼리 수전해 장치의 대략적인 공정은 크게 초순수제조 장치와 전해액 제조를 위한 교반탱크, 전해조, 수소 및 산소의 저장탱크로 구성돼 있습니다. 알칼리 수전해 장치공정은 전해액 제조에 필요한 초순수를 공급해 전해액을 제조하며, 주로 사용되는 전해액은 NaOH(수산화나트륨)와 KOH(수산화칼륨)를 사용합니다.전해조에 사용되는 전극은 주로 탄소강에 Ni(니켈)를 도금시켜 사용하며, 음이온 교환막에는 주로 음이온 교환이 가능한 다공성 석면이나, 테프론 계열의 고분자체가 사용된다.다공성석면은 가격이 저렴하고 90℃까지 내구성 문제 없이 사용이 가능하나, 이후 더 높은 온도에서는 침식에 의한 내구성 저하의 문제를 갖고 있습니다. 고분자계열의 교환막은 고온고압에서 안정적인 성능과 내구성을 보유한다는 장점이 있으나, 가격이 비싸다는 단점이 있습니다.​ 알칼리 수전해법의 과정출처. https://www.researchgate.net​ (3) 양성자 교환막전해법 (PEM, Proton Exchange Membrane)  양성자 교환막전해법은 전류밀도가 높아 에너지 효율이 매우 높은 방법으로 작은 크기로도 제작이 가능합니다.   또한, 수전해 Cell을 적층형식으로 제작할 수 있어 제작 공정을 단순화할 수 있고, 전해액을 사용하지 않고 순수한 물을 원료로 하기 때문에 순도가 매우 높습니다.이와 함께 전해액으로 인한 장치 부식 문제가 없으며, 작동 압력을 수백 기압으로 설계가 가능합니다. ​하지만 사용되는 분리막이 매우 고가이고, 그 자체가 강력한 부식성을 가지고 있어 내구성이 좋은 귀금속 계열의 전극이 사용된다는 점, 또 분리막의 수명이 짧아 전체적인 유지비용이 많이 든다는 점 등 여러 단점이 있습니다.  그러나 저온수전해 방법 중 알칼리 전해는 가격이 저렴한 반면, 저 전류밀도(장치가 10배 PEM 보다 큼)에서 운전되기 때문에, 향후 가격 및 성능경쟁에서 양성자 교환막전해법보다 불리하게 될 전망으로 주로 양성자 교환막전해법을 이용한 개발이 이루어지고 있습니다. ​  양성자 교환막전해법의 원리출처. https://en.wikipedia.org​참고문헌. 고온수증기전기분해(HTSE) 공정(신영준)고효율 수전해 기술(우상국, 유주현, 문상봉)수소 혁명의 시대(김미선)수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)http://amenews.dadamedia.net   오늘은 수전해란 무엇이며, 다양한 수전해의 방법에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 수전해의 과거 이용에 대해 소개해드리겠습니다.     We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​ #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너?

2020.06.08

#07 수소사회 구현: 수소연료전지 실증프로젝트 거점 ‘규슈대’

   안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다.  저번 시간에는 수소경제란 무엇이며 수소경제의 핵심을 이루는 수소연료전지에 관하여 알아보았는데요. 오늘은 수소사회 구현에 앞장서고 있는 일본 규슈대 캠퍼스에 관하여 알아보겠습니다.​​1. 일본의 수소경제시대 준비​화석연료 시대 종말론이 점차 현실화되고 있는 가운데 수소에너지에 대한 관심이 더욱 높아지고 있습니다. 수소 경제 시대를 가장 적극적으로 준비하는 국가는 바로 가깝고도 먼 이웃나라인 일본입니다.  일본은 1980년 설립된 정부 산하 신에너지산업 기술종합개발기구(NEDO)를 중심으로 수소 경제 시대를 준비해 왔습니다. 1970년대에 세계를 강타한 두 차례의 오일쇼크 여파로 에너지의 다양화가 요구된 가운데서둘러 새로운 에너지 개발에 착수한 것입니다.​  일본 수소 연료전지 시장 규모 예측출처. http://magazine.hankyung.com           일본에서 수소경제 시대의 밑그림이 가장 먼저 그려지고 있는 곳은 후쿠오카현입니다. 일본 4대 공업지역 중 하나인 ‘기타큐슈 공업지대’가 자리한 후쿠오카는 제철소에서 철광석을 제련할 때 수소가 발생합니다.이 때문에 이미 오래전부터 수소를 어떻게 활용해야 할지에 대해 고민해 왔습니다.  후쿠오카는 2004년 일본 최초로 산·학·관 연계 ‘후쿠오카 수소에너지 전략 회의’를 설립해 ‘후쿠오카 수소 전략 프로젝트(Hy-Life 프로젝트)’를 전개하고 있습니다. 해당 프로젝트에서는 수소에너지 관련 연구·개발을 비롯해 인재 육성, 사회 실증, 산업 육성 등에 대한 작업을 추진 중입니다. 이와 관련해 후쿠오카 수소에너지 전략회의의 한 관계자는 “전략회의에서는 그동안 산·학·연이 일체가 되어‘수소에너지 사회의 시각화 및 구체화’를 위해 노력해 왔다”며 “앞으로도 규슈대를 중심으로 수소에너지 연구에 집중하면서 수소·연료전지 분야의 시장 확대와 지역 산업으로서의 육성에 힘을 쏟을 계획”이라고 했습니다.   2. 수소연료전지 실증프로젝트의 거점 ‘규슈대’  후쿠오카 수소에너지 전략 회의 관계자가 수소 경제를 설명할 때 빠지지 않고 등장하는 곳이 있습니다. 바로 규슈대학교입니다. 규슈대는 수소분야의 연구에서 독보적인 위치를 차지하고 있습니다.  규슈대가 처음 수소에너지 연구에 착수한 것은 2003년입니다.당시만 해도 다른 일본 대학들은 수소에너지 연구에 큰 관심을 보이지 않았는데요,여기에는 앞서 언급한 후쿠오카의 지역적 특수성이 그 배경입니다.공업지대에서 발생하는 수소 활용에 대한 후쿠오카의 고민을 해결하기 위해 지역 거점 대학인 규슈대가 나선 것입니다.   (1) 고체 산화물 연료전지(SOFC) 개발  규슈대는 2005년 이토캠퍼스를 새롭게 조성하고 ‘수소에너지 연구센터’를 출범했습니다.   이를 중심으로 다양한 수소에너지 관련 프로젝트를 진행하면서 수소 경제 실현에 앞장서겠다는 계획을 지니고 있었습니다. 특히 최근 규슈대는 수소 경제의 핵심이라고 할 수 있는 수소·연료전지 분야, 그 중에서도 고체산화물 연료전지(SOFC) 개발에 집중하고 있습니다. SOFC는 수소와 공기만으로 전기를 발생시키는 친환경 전지입니다. 일반적으로 전력을 저장해 사용하는 전지에 비해가격이 저렴하고 연료의 연소과정이 없어 유독 물질을 배출하지 않는 것이 특징입니다.이와 관련하여 모리 아카리 규슈대 수소에너지 국제연구센터 주임교수는 “SOFC는 빌딩이나 마을 정도 규모의 큰 발전을 일으킬 때 그 위력을 발휘할 수 있을 것으로 기대한다”며  “자동차 연료전지는 어느정도 완성 단계에 들어섰지만 SOFC에 대해서는 앞으로도 연구해야 할 부분이 많다”고 했습니다.   SOFC의 가장 큰 고민거리는 내구성입니다. 섭씨 영상 1000도 이상의 고온으로 구동하기 때문에 어떤 재료를 사용해 내구성을 얼마나 높일 수 있는지가 핵심 과제입니다.  현재 275ha에 달하는 이토캠퍼스는 수소경제 실현의 실증 실험 캠퍼스로 활용되고 있습니다. 캠퍼스 내에서 사용하는 모든 에너지를 수소에너지로 대체하여이를 통해 생활하도록 하는 콘셉트입니다. 실제로 2015년 3월부터 차세대 연료전지를 캠퍼스 인근에 설치 후 가동 중입니다. 이곳에서 생산한 전기로 교내 전력 개통을 시험 운행하고 있는 것입니다.   (2) 캠퍼스 내 수소 스테이션  캠퍼스 내 수소 스테이션도 마련돼 있습니다. 2009년 연구를 목적으로 만든 규슈대 수소 스테이션은 규모는 크지 않았지만 기본적인 수소 스테이션의 모습과 성능을 보유하고 있었습니다. 압력이 낮아 충전 시간이 오래 소요되긴 하지만 큰 문제 없이 이용하고 있다는 게 수소 스테이션 관리자의 설명입니다.   규슈대 수소에너지 국제연구센터 산학연계연구원 하수오 박사는 “이처럼 규슈대 전체를 실험 대상으로 삼아 수시로 수집한 데이터를 반영해 피드백을 주다 보니 연구의 성과가 남다를 수밖에 없다”며  “수소 경제에 대한 관심도 높아지고 있는 만큼 규슈대의 수소에너지 연구는 더욱 속도가 붙을 것으로 보인다”고 했습니다.     규슈대 이토 캠퍼스에 설치된 수소 스테이션 내·외부 모습출처. http://magazine.hankyung.com 한편 일본 정부는 2009년 후쿠오카에 ‘수소 타운’을 구축하고 연료전지 민간 보급을 빠르게 확대해 나가고 있습니다. 일본 후지경제연구소는 세계 연료전지 시장이 2025년 66조원 규모로 성장하며 이 중 30.3%에 해당하는 20조356억원을 일본이 차지할 것이라고 전망했습니다. ​ 참고문헌. 100% 수소로 움직이는 규슈대 캠퍼스(한국경제매거진)日 수소·연료전지 실증프로젝트 거점 '규슈대학'(에너지데일리)​​​오늘은 수소연료전지 실증프로젝트 거점으로서의 규슈대 캠퍼스 사례를 중심으로 수소사회의 구현에 대해 알아보았습니다. ​다음 시간에는 수전해란 무엇인지에 대해 소개해드리겠습니다.       We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​ #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션   [이 게시물은 최고관리자님에 의해 2020-06-08 18:26:11 알기쉬운수소이야기에서 이동 됨]

2020.06.01

#06 미래에너지 혁명: 수소경제

   ​안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다.  저번 시간에는 수소사회 진입을 위한 세계 각국의 동향에 관하여 알아보았는데요. 오늘은 수소경제란 무엇이며 수소경제의 핵심을 이루는 수소연료전지에 관하여 알아보겠습니다.   1. 수소경제란  수소경제는 수소를 주요 에너지원으로 사용하는 경제산업구조를 말합니다. 즉 화석연료 중심의 현재 에너지 시스템에서 벗어나, 수소를 에너지원으로 활용하는 자동차, 선박, 열차, 기계 혹은 전기발전, 열 생산 등을 늘리고, 이를 위해 수소를 안정적으로 생산- 저장- 운송하는 데 필요한 모든 분야의 산업과 시장을 새롭게 만들어내는 경제시스템입니다.​미국은 2003년 ‘수소 경제(Hydrogen Economy)’라는 함축적인 말로써 수소를 미래의 에너지원으로 전망하고, 이를 전 세계적으로 확산하기 위한 기점을 마련하였습니다. 이러한 국제적인 에너지 동향에 발맞추어 국내에서도 2004년을 수소에너지와 이의 전력화 응용 기술인 수소 연료전지 기술의 개발 원년으로 하여, 에너지 선진국으로 가기 위해 향후 보다 적극적이고 지속적으로 투자를 확대해간다는 방침입니다.   2. 수소경제의 핵심: 수소연료전지  수소에너지를 이용하는 기술에는 연료전지와 수소용 엔진(내연기관) 등이 있습니다. 이 중에서도 수소연료전지는 수소이용기술 중 가장 저비용으로 단기 내에 실용화시킬 수 있는 기술로 평가되고 있습니다.  (1) 연료전지란  연료전지는 수소와 산소로부터 전기 및 열을 발생하는 전기화학적 장치입니다.   H₂ + 1/2O₂ → H₂O + 전기, 열   또한 전기와 동시에 열이 발생하게 되므로 이를 이용하면 열, 전기를 동시에 얻을 수 있습니다. 또한 연료전지와 터빈을 조합해도 높은 효율로 발전하는 것이 가능하게 됩니다.연료전지는 전지라는 이름 때문에 배터리와 같은 개념으로 전기를 저장하는 것으로 생각하는 사람이 많은데, 연료를 주입하는 한 전기를 지속적으로 생산해내는 발전기에 해당한다고 볼 수 있습니다. ​  (2) 연료전지의 원리와 구성  연료전지는 연료를 태워 열에너지 → 역학적에너지 → 전기에너지 순으로 얻는 화력발전과 달리, 연료가 가진 화학에너지를 이용하여 직접 전기에너지를 얻습니다. 이런 점에서 연료전지는 기존의 내연기관에 비해 월등히 높은 효율을 보이는 것입니다.연료전지의 기본 구성은 연료극/전해질층/공기극으로 접합되어 있는 셀이며, 다수의 셀을 적층하여 스택을 구성함으로써 원하는 전압 및 전류를 얻어낼 수 있습니다.​​ 연료전지 발전 시스템 구성출처. http://www.doosanmobility.com  이에 발맞춰 ㈜케이워터크레프트에서도 물로 구동하는 연료전지 발전시스템인 워터스테이션을 개발하고 현재 상용화단계에 있습니다.㈜케이워터크레프트의 워터스테이션은 외부전력의 공급 없이 수소연료전지를 통해 에너지를 생산하고 저장합니다. 이는 환경개선은 물론이고, 지구온난화에 따른 기후변화에 대응하는 기술이라고 할 수 있습니다. 물로 구동하는 수소연료전지 발전 시스템 구성출처. kwatercraft.com  다시 연료전지의 원리로 돌아가서, 일반적으로 연료전지에서는 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위하여연료인 수소가스를 연료극 쪽으로 공급하고 전극의 촉매층에서 수소이온(H⁺)과 전자(e⁻)로 산화됩니다. ​반대편 공기극 쪽으로는 산소 또는 공기가 공급되어 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자와 함께 산소가 결합하여 물을 생성시키는 환원반응이 일어나게 됩니다. ​여기서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시키는 것입니다.  ​   각 전극에서 일어나는 산화/환원 반응출처. R.Dervisoglu at wikimedia.org ​2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻ (연료극)O₂ + 4e⁻ + 4H⁺ → 2H₂O (공기극)   (3) 연료전지의 효율   연료전지의 효율 관련이론은 복잡한 수학적 계산식에 의하여 계산되고 있지만 이론적인 효율은 83%입니다.이는 종래의 카르노식 열기관에 비하여 1.5~2배가량 높은 편입니다. 이에 따라 동력원으로서의 연료전지는 현재 우리가 사용하는 열기관을 대체할 수 있는 획기적인 새로운 에너지 기술인 것입니다. ​​오늘은 수소경제와 수소연료전지란 무엇인지에 대해 알아보았습니다. ​다음 시간에는 수소연료전지 실증프로젝트 거점인 규슈대 캠퍼스 사례를 중심으로 수소사회의 구현에 대해 소개해드리겠습니다.   We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​  #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션 [이 게시물은 최고관리자님에 의해 2020-06-08 18:26:11 알기쉬운수소이야기에서 이동 됨]

2020.05.25

#05 수소 사회로의 진입

    안녕하세요. 알기 쉬운 수소이야기를 전해드리는 수전해/수소연료전지 기반 발전시스템을 개발하는 ㈜케이워터크레프트입니다. 저번 시간에는 탈탄소화를 위한 수소 인프라가 세계 각국에서 어떻게 구축되고 있는지에 관하여 알아보았는데요.​오늘은 수소사회로의 진입에 대하여 알아보겠습니다. ​환경적, 경제적 측면에서 긍정적인 영향을 가져다 줄 것으로 기대되는 수소 사회로의 진입은 전 세계적인 프로젝트로, 분야를 막론하고 전방위적인 협력이 필요합니다. 각 국가와 기업들은 수소 사회의 주도권을 가져가기 위해 끊임없는 연구를 진행 중입니다. 다만 이런 노력만으로 수소 사회에 진입할 수 있는 것은 아닙니다. 수소 에너지 활용에 대한 인식 개선, 주요 인프라의 선행 구축, 수소 에너지 관련 기술의 보편화 등 민감한 사항들도 해결해야만 합니다.  실제로 대부분의 사람들은 수소가 가진 잠재력에 대해서는 공감하지만, 안전성이나 화석연료 대비 효율성에 대해선 의문을 갖습니다. 수소 기술을 선도하고 있는 그룹은 수소 에너지에 대한 불안감 해소를 위해 수소 에너지의 다양한 활용 사례를 대중에게 더 많이 노출시킬 필요가 있습니다. 불안감의 해소는 대중의 관심과 사용 욕구를 불러일으키고, 이는 정부와 금융계를 비롯한 각 투자 그룹의 인프라 투자로 이어지는 선순환 구조를 만듭니다. 이를 위해서는 기술의 독점보다는 파트너십 구축을 통한 협력도 활발히 이뤄져야 합니다.    우리나라는 2018년 수소경제 활성화 관련 법안을 발의하고 2019년 수소경제 로드맵을 발표하여, 수송 및 발전분야에서 수소산업이 전방위적으로 발전 할 것을 예측하며, 준비하고 있습니다. ​독일, 미국, 일본 등 세계 선진국들은 이에 앞서 2000년대 초반 수소타운, 수소선박, 수소발전 등에 많은 투자를 하며 실증단계에 이르러왔습니다.  먼저 유럽은 재생에너지 중심 수소정책을 추진해오고 있습니다. 독일의 경우, 2060년 재생에너지 비율 목표치가 60%로, 재생에너지 활용 수소를 생산하고, 대용량 수소 저장소를 구축하여 그리드를 통해 공급하는 계획을 세워 추진하고 있습니다. EU FCH JU (Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking)를 중심으로 이루어지고 있는데,독일은 2023년까지 수소충전소를 400개, 수소전기차 27만대 보급하여 수소전기차의 초기시장 진입을 지원하는 정책도 진행하고 있습니다.  미국은 지자체, 연방정부 및 민간기업이 협력체계를 구축하여 민관 파트너십을 결성하여 수소자동차, 수소충전소 및 수소발전기 등의 수소에너지 정책을 추진 중에 있습니다. (수소경제 활성화 로드맵, 2019) 또한, 2050년까지 Carbon Free 5000 만 톤의 수소생산을 통해 50%의 온실가스를 저감할 계획입니다. 특히, 캘리포니아는 2050년까지 자동차의 87%를 친환경차로 보급하는 계획을 세워 추진하고 있습니다. 수소전기차는 2023년까지 123개 충전소 구축 및 6만대 차량보급을 지원할 예정입니다. 미국은 이와 같은 수소 연료전지 보급을 다른 지역으로 확대해 나가는 정책을 추진하고 있습니다.  마지막으로 일본은 2016년 수소연료전지 전략로드맵을 세워 수소전기자동차 및 가정용 연료전지 보급을 추진하고 있습니다. 수소전기차는 2030년까지 30만대, 충전소 900기 건설을 추진하고 있으며, 이미 일본 내 4개 도시에 총 100여개 충전소가 운용되고 있습니다. 또한, 일본은 수소를 국가에너지 탈 탄소정책 중심이 되도록 2014년 에너지기본계획 내 수소에너지 사회 구축을 넣어 추진하고 있습니다. 이는 2040년까지 CO2 없는 수소공급 시스템을 구축하고, 2020년 도쿄올림픽에서 그 가능성을 보여준다는 계획입니다. 특히 일본은 카본 프리 에너지 사회 구현을 위해 전 세계 풍부한 재생에너지 자원을 수소로 전환하여 이를 수입, 일본 내 보급하는 프로그램을 국가적 차원에서 진행하고 있습니다.   수소연료전지 발전시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트에서도 국제적 흐름에 발맞춰 수소연료전지 제품의 개발에 집중하고 있는데요. 대표적으로 수소연료전지 발전기, 이동수단 및 수소/전기 충전소가 있습니다.  ​  수소 사회를 위한 전방위적인 협력이 필요한 것은 수소가 인류의 숙제인 환경보호와 에너지원 공급의 trade-off 관계를 풀기 위한 해결책이 될 수 있기 때문입니다. 깨끗한 공기, 언제 어디서나 활용 가능한 경제적인 에너지, 새로운 일자리 창출까지... 수소 사회로의 진입은 선택이 아니라 필수라고 보여집니다.​ 참고문헌. 수소산업 동향 및 산업발전 전망(임희천)​​오늘은 수소 사회로의 진입에 관하여 알아보았습니다.​다음 시간에는 미래에너지 혁명: 수소 경제에 대해 소개해드리겠습니다.       We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업   #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션       [이 게시물은 최고관리자님에 의해 2020-06-08 18:26:11 알기쉬운수소이야기에서 이동 됨]

2020.05.18