BSPE99632-11992-2
해수전지 시스템 및 해양 IoT 활용 기술 개발
Development of Sea-water Battery System and Its Application
2019. 02
한 국 해 양 과 학 기 술 원
제 출 문
한국해양과학기술원장 귀하
본 보고서를 “ 해수전지 시스템 및 해양 IoT 활용 기술 개발”과제의 최종보고서로 제출 합니다.
2019. 02. 28
총괄연구책임자 : 백승재
참 여 연 구 원 : 송유재, 임성훈, 송유재, 박용주, 명정구, 오승용, 최희정, 이형곤, 양 현, 박흥식, 이은경, 권오순, 김윤칠, 이대원, 백원대, 정원무, 서정민, 김지영, 이영욱, 장석일, 안찬미, 윤보배, 박진우, 정유경, 구성민, 김태환
보고서 초록
과제고유
번호 PE99632 해당단계
연구기간
2018. 1. 1 -
2018. 12. 31 단계 구분 개발
연구사업명 중사업명
세부사업명
연구과제명 대과제명 안전한 바다 만들기
세부과제명 해수전지 시스템 및 해양 IoT 활용 기술 개발
연구책임자 백승재
해당단계 참여연구원수
총 : 27 명 내부: 17 명 외부: 10 명
해당단계 연구비
정부: 275,000 천원
기업: 천원
계 : 275,000 천원 총연구기간
참여연구원수
총 : 27 명 내부: 17 명 외부: 10 명
총 연구비
정부: 275,000 천원
기업: 천원
계 : 275,000 천원 연구기관명
및 소속부서명
한국해양과학기술원
해양ICT융합연구센터 참여기업명
국제공동연구 위탁연구
요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 보고서
면수
ㅇ 연구목표 : 해양에서 운용되는 모든 장비와 이동체에 적용 가능한 해수전지 시스템의 세계 선도 원천 기술 확보 및 해수전지 시스템 기반 활용 기술 개발
ㅇ 1차년도 연구목표: 소형 해수전지 시스템 기반 해상 전력 허브 개발 - 350Wh급 소형 해수전지 시스템 개발
- 친환경 부착생물 제거 장치 개발
- 해수전지 시스템 기반 전력 허브 부이 개발 ㅇ 1차년도 연구결과:
- 350Wh급 소형 해수전지 시스템 2세트 (600Wh) 개발 완료
- 부착 생물 감소 (80%) 및 탈색 방지 (최소 20년 이상)가 가능한 해양환경에 무해한 HDPE 플 라스틱 기반 부이 플랫폼 설계 및 제작 완료
- 전기충격기 기반 부착생물 제거장치 시작품 개발 완료(최대 400V, 10A의 전류를 20~255초 간격 으로 설정 가능)
색인어 (각 5개 이상)
한 글 해수전지, 해양 IoT, 무충전, 무소음, 무인
영 어 Sea-water battery, Maritime IoT, Chargeless, Noiseless, Unmanned
요 약 문
1. 연구목표
ㅇ 해양에서 운용되는 모든 장비와 이동체에 적용 가능한 해수전지 시스템의 세계 선 도 원천 기술 확보 및 해수전지 시스템 기반 활용 기술 개발
2. 연구내용
ㅇ 1차년도: 소형 해수전지 시스템 기반 해상 전력 허브 개발
ㅇ 2차년도: 중형 해수전지 시스템 기반 연안 전력 허브 및 연안 관측 기술 개발 ㅇ 3차년도: 대형 해수전지 시스템 기반 해수 자원화 기술 개발
2. 1차년도 연구목표
ㅇ 350Wh급 소형 해수전지 시스템 개발 ㅇ 친환경 부착생물 제거 장치 개발
ㅇ 해수전지 시스템 기반 전력 허브 부이 개발
3. 1차년도 연구결과:
ㅇ 300Wh급 소형 해수전지 시스템 2세트 (600Wh) 개발 완료
ㅇ 부착 생물 감소 (80%) 및 탈색 방지 (최소 20년 이상)가 가능한 해양환경에 무해 한 HDPE 플라스틱 기반 부이 플랫폼 설계 및 제작 완료
ㅇ 전기충격 장치 기반 부착생물 제거장치 시작품 개발 완료(최대 400V, 10A의 전류 를 20~255초 간격으로 설정 가능)
S U M M A R Y & KEYWORDS
Ⅰ. Objectives of research
ㅇ Development of world leading technology on sea water battery systems for maritime equipments including remote unmanned vehicles and underlying maritime IoT technologies.
Ⅱ. Research projects and scope
ㅇ 1st year: Small volume sea water battery based maritime IoT systems
ㅇ 2nd year: Medium volume sea water battery based coastal observation system ㅇ 3rd year: Large volume sea water battery based energy storage and recycling
system
Ⅲ. (1st year) Research goals
- Development of a 350W class sea water battery system - Development of an eco-friendly electronic anti-fouling system - Development of sea water battery based eco-friendly bouys
Ⅳ. (1st year) Research results
ㅇ Two 300Wh class sea water battery systems (600Wh)
ㅇ Eco-friendly HDPE plastic based buoy platform (80% reduction in bio fouling, 20 year of anti bleaching)
ㅇ Prototype development of electric shock based anti biofouling device (Max’ 400V, 10A)
C O N T E N T S
1. Introduction···1
2. Environment and capability analysis··· 2
2.1 Sea water battery ···2
2.2 Energy storage system ···3
2.3 Alternative battery ···12
2.4 Buoy and coastal application ···16
2.4.1 Smart buoy ···16
2.4.1 Smart street light ···19
2.5 Markets trends ···23
2.5.1 Markets trends ···23
2.5.2 Energy storage system trends ···27
3. R&D project contents & results··· 37
3.1 Small volume sea water battery system ···37
3.2 Small volume sea water battery system test ···49
3.3 Environment friendly anti-biofouling ···52
3.4 Sea water battery based power hub ···58
4. Research achievements··· 60
3.1 Research goals ···60
3.2 Research achievements ···62
5. Field applications of research achievements··· 64
목 차
제 1장 서론
···1제 2장 국내외 기술개발 현황 ··· 2
2.1 해수배터리 ···2
2.2 전력 저장 시스템 ···3
2.3 대체 배터리 ···12
2.4 등부표 및 연안 활용 ···16
2.4.1 해양 등부표 ···16
2.4.2 스마트 가로등 ···19
2.5 국내외 시장동향 및 전망 ···23
2.5.1 국내외 시장 동향 ···23
2.5.2 에너지저장 산업의 현황과 특성 ···27
제 3장 연구개발 수행 내용 및 결과
··· 373.1 소형 해수배터리 시스템 개발 ···37
3.1.1 해수배터리 셀 ···37
3.1.2 해수배터리 셀 관리 시스템 ···40
3.1.3 해수배터리 케이스의 개념설계 ···43
3.1.4 해수배터리 적층구조 설계 ···45
3.1.5 해수배터리 시스템 내부 전장을 위한 수밀내압 케이스 ···46
3.1.6 해수배터리 시스템 외형선정 및 최종설계 ···47
3.2 소형 해수배터리 시스템 테스트 ···49
3.2.1 해수배터리 시스템 실내테스트 ···49
3.2.2 해수배터리 시스템 실해역 테스트 ···51
3.3 친환경 부착생물 제거 기법 ···52
3.3.1 셀 표면 mud 제거 기법 ···52
3.3.2 전기전 부착생물 제거 기법 ···53
3.3.3 부착생물 방지장치 실해역 검증 ···53
3.4 해수배터리 시스템 기반 전력 허브 ···58
3.4.1 해수배터리 시스템 기반 전력 허브 부이 시작품 제작 ···58
제 4장 과제 목표 달성도
··· 604.1 핵심개발 과제 성과지표 ···60
4.2 정량 목표 자료 ···62
제 5장 기대효과 및 활용 방안
··· 645.1 기대효과 ···64
5.2 활용방안 ···66
제 1 장 서론
○ 해수배터리는 사실상 무한 자원인 해수를 이용하여 전력 에너지를 저장 및 생 산하는 친환경, 저비용의 안전한 배터리 시스템으로써, 해수에 녹아있는 나트 륨 이온과 물의 화학 반응을 통해 전기에너지를 저장하고 필요시 사용할 수 있는 배터리이다. 리튬-이온 등 현재 광범위하게 사용되고 있는 기존 배터리 대비 2배의 용량 혹은 절반의 크기에 동일한 전력을 공급하는 것이 가능하며, 반복적인 충․방전에 의한 성능저하가 유발되지 않음
○ 해수배터리 셀은 세계 최초로 UNIST에서 개발되어 시제품 제작까지 완료되었 으며 현재 고집적화, 대규모 자동생산을 위한 파일럿 시설 등에 대한 연구가 진행 중이다. 이에 KIOST는 UNIST와 MOU를 체결하였고 대용량 해수배터리 시스템 및 이의 활용 기술에 대한 원천 기술을 확보하고자 함
○ 이에 따라 본 과제에서는 강력한 파급효과를 가지는 친환경 해수배터리 시스 템 및 이에 기반한 다양한 해양 IoT 시스템을 개발하고자 함
❙그림 1-1❙ 해수전지 시스템 기반 해양 IoT 시스템
제 2 장 국내외 기술개발 현황
○ 해수전지
Ÿ 해수전지 셀은 세계최초로 UNIST에서 개발되어 시제품 제작까지 완료되었으며 현재 셀 자체의 고집적화, 대규모 자동생산을 위한 파일럿 시설 등에 대한 연구가 진행되고 있는 미래 기술임
Ÿ KIOST는 UNIST와 MOU를 체결하고 대용량 해수전지 시스템 제작 원천 기술 및 활용기술에 대한 연구를 활발히 수행하고 있음
Ÿ 2차전지로써의 해수전지는 유사 사례를 찾을 수 없는 세계 최초 기술임
○ 해수활용 연료 셀
Ÿ MIT는 OpenWaterPower라는 이름의 해수를 활용한 연료 셀을 발표한 바 있음 Ÿ 해당 기술은 Aluminium과 해수(H2O)의 화학반응을(Al-H2O) 활용한 1차 전지로써
UUV를 위해 고안됨.
❙그림 2-1❙MIT OpenWaterPower
○ 일 본 : 2012년부터 360억엔 규모의 보급사업 추진
Ÿ 2012년 3월부터 에너지저장 시스템 설치 보조금 사업을 추진
Ÿ 60.6만kWh (2011) à 126.8만kWh (2015) à 1,150만kWh (2020) 예측.
Ÿ 신재생에너지 발전용, 가정용 등 다양한 분야에서 기술개발을 추진하여 NaS, 리 튬이차전지 등에서 앞선 기술력을 확보.
Ÿ 공공성이 강한 시민회관, 학교, 정부기관 등에 우선적으로 ESS보급을 추진할 예 정이며, 2020년 peak shift용이 전체의 20%를 차지할 것으로 전망.
Ÿ 파나소닉, NEC 등 일본 주요 전자회사가 에너지저장시스템 시장에 뛰어들어 다 양한 제품을 출시하고 있음.
회사명 연구 내용
파나소닉 - ECO Solution을 위한 ESS 실증강화
(2011년부터 1.6MWh 실증 진행 중)
NEC - 가정용 리튬이차전지 ESS 판매개시
(2012년 1만대 판매 목표)
미쯔비시 - EV용 배터리 활용을 위한 스마트 그리드 실증
GS Yuasa - 백업용 전원 등 산업용 리튬이차전지 사업 강화
(미국 애틀란트에 ESS 제조 거점 신설)
❙표 2-1❙ 일본의 기술개발동향
○ 미 국 : 대형 전력회사를 중심으로 기술 개발 및 실증연구 집중 추진 Ÿ 에너지저장시스템 설치 의무화 법안 발표. (캘리포니아주 전력회사) Ÿ 2014년부터 공급전력의 2.25%, 2020년 5% 설치 공급
Ÿ 미국 AES사는 화력발전 설비에 20MW급 에너지저장 시스템 설치
회사명 연구 내용
A123 풍력발전과 연계한 ESS 프로젝트 진행
(50MW 규모 이상 계획 중)
AES PGE 전력회사와 Peak 시간대 안정적 전력공급을 위한
200MWh급 ESS 검토 중.
IBM 혼다, PG&E는 전기차와 전력계통 연계를 통한 ESS 실증 연구
S&C 중국 BYD와 4MW급 리튬이차전지 ESS 설치(2012년 5월)
❙표 2-2❙ 미국의 기술개발동향
○ 유 럽 : 국책과제로 스마트그리드와 연계한 에너지저장기술개발
Ÿ 프랑스 SAFT사와 독일 Conergy사 등이 참여하여 국채과제인 Solion 프로젝트를 추진 중
Ÿ Solion 프로젝트를 통해 에너지저장 신기술 및 이를 제어 할 수 있는 관련 기술개 발을 서두르고 있음.
Ÿ 2020년까지 유럽 내 태양광발전 시설의 12%(390GW 규모)에 설치하는 것을 목표 로 추진
○ 호주 : 축전지 수입액 2억7천7백만불(2009) à 4억6천7백만불(2011) GAGR 29.8% 2012년 7월 탄소세 시행으로 수년 내 1조원 시장 예상.
Ÿ 탄소세 시행에 따른 전기료 인상분 중 일부는 소득세 감면을 통해 일부 해결. 나 머지는 소형 신재생에너지 관련 산업에 재투자될 듯.
Ÿ 2012년부터 리튬이온전지가 수입되고 있으며, 중국산이 전체 리튬이온전지 수입액 의 30%이상으로 중국 업체의 약진이 돋보임.
○ 러시아 : 총 발전량 104만GWh(2011), 발전시설 노후화로 2030년까지 173.4 GW 발전소 추가 건설 시 ESS 적극 도입 추진.
Ÿ 10%에 달하는 송전 손실을 줄이기 위해 지역별로 풍력과 태양광 연계형 ESS개발 에 집중
Ÿ Liotech사는 컨테이너식 LIB를 개발하여 2014년 소치동계올림픽 인근 변전소의 보조전원 으로 설치 예정
Ÿ 중국 : 국영기업주도형 프로젝트 추진, LIB 비중 점진적 증가 추세
Ÿ 세계 최대 규모인 36MWh급(이중 140MW는 신재생에너지와 연계) 허베이성 장베 이에 설치 운영 중(2011년 BYD와 SGCC사 합작)
○ 국내 연구 동향
Ÿ 상용화 정도, 원천 및 소재기술, 실증경험 측면에서 선진국 대비 경쟁력이 약세인 상황임.
Ÿ 국내 ESS기술은 안정된 전력망, 낮은 전기 요금, 낮은 자연 재해 발생률등 시장 개발 유인 부족에 따라 선진국 대비 기술발전 수준이 열위 함.
Ÿ 주로 KEPCO 주관 하에 삼성SDI, LG화학 등 기존의 리튬 2차 전지 생산업체들이 참여하는 형태로 시제품 생산 및 각 분야별 실증사업이 진행 중임.
Ÿ POSCO는 ’5년 사업화를 목표로 NaS 전지 개발을 추진하고 있으며, 현재 시제품 을 만들기 위한 개발 단계임.
Ÿ 국내 다수의 스마트 그리드 ESS 실증사업이 진행 중이나, 대부분 사업 개시 1~2 년 수준으로 향후 최소 2~3년간의 검증 기간이 소요. 또한 시험평가 및 안전 인증 등 인프라도 부족한 실정임.
구 분 단계 선두업체 주요
국내업체
기술수준(최고:100)
원천 부품소재 제조
리튬이온 실증 GS-Yuasa(日) 삼성SDI
LG화학 55 70 95
NaS 초기개발 NGK(日) 포스코 35 35 30
레독스 초기개발 Prudent
Energy(中)
에너지
기술연구원 40 40 45
수퍼
캐패시터 개발완료 파나소닉(日)
MAXWELL(美) 네스캡 50 55 80
플라이휠 초기개발 보잉(美) 전력연구원 70 60 70
자료: 스마트 그리드 기술동향, 지능형전력망협회(2012.09)
❙표 2-3❙ 에너지 저장 시스템 주요 업체별 기술수준
○ 대용량 에너지 저장 시스템
Ÿ 태양력과 풍력과 같은 재생가능 에너지에 대한 관심이 증가함에 따라 재생에너지 를 안정하게 사용 할 수 있는 고용량 에너지 저장장치의 필요성이 증가하고 있음.
Ÿ 에너지를 저장하는 많은 종류의 시스템은 Pumped Hydroelectric Storage, Compressed Air Energy Storage (CAES), Fly Wheels, Electrochemical Storage 와 같은 방법들이 고안됨.
Ÿ 시스템의 활용에 따라 각각의 전지 디자인은 효율, 생명력, 방전 시간, 무게, 이동 도에 더 적합하게 맞춰져 있음. 표 Ⅱ-.1은 전기적 에너지 저장(ESS) 기술로 일반 적으로 고려되고 있는 장치임. 이런 다양한 저장 장치들 중에서 배터리와 같은 전 기적 저장은 Pumped Hydroelectric 과 CAES 저장과 비교했을 때 효율 면에서 장 점을 가지고 있음.
Ÿ 그림 Ⅱ-2는 대용량 에너지 저장 시스템의 저장 용량을 나타냄. CAES나 Pumped Hydro와 같은 Bulk Power MGT는 많은 에너지를 저장 할 수 있지만 큰 부피를 차지하고 시공에 많은 경비가 든다는 단점이 있음.
Ÿ 전지는 화학적 반응에 의해서 직접적으로 화학적 에너지가 전기적 에너지로 변환
되는 장치를 말함. 많은 음극과 양극, 전해질 물성의 다른 조합들은 리튬이온과 납 -산, 나트륨-산, 바나듐 산화환원 전지와 같이 다양한 종류의 전지들을 구성함. 현 재 리튬 이차전지는 무게나 부피에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 충 방전 효율 이 좋기 때문에 휴대용 전자기기에 가장 일반적으로 이용되고 있는 전지임.
Ÿ 그러나 리튬 전지를 대용량 에너지 저장장치로 이용하기에는 높은 비용이 들어 장 애가 되고 있음.(1000$/KWh). 비용, 수명, 효율, 전압, 에너지밀도, two 전지 시스 템, Na-S 전지, 산화환원전지를 포함한 여러 가지 방법이 대용량 에너지 저장장치 로서 고려가 되고 있음.
❙그림 2-2❙ 2020년까지 에너지저장 시스템 시장 전망
❙그림 2-3❙ 대용량 에너지 저장 시스템의 용량
○ Pumped Hydroelectric storage (PHE)
Ÿ PHE는 대규모 에너지 저장 시스템으로 가장 널리 알려진 장치임. 그림 2.3는 PHS의 기본적인 구조를 보여줌. 이 장치에서는 기본적으로 고도가 다른 위치에 두 개의 저수지가 있음.
Ÿ 충전을 할 경우 펌프를 이용해 낮은 고도의 물을 높은 고도의 저수지로 이동시킴.
Ÿ 방전을 할 경우 높은 고도의 물을 낮은 고도로 흘려보내면서 터빈을 이용해 전기 를 생산해 냄.
Ÿ PHE는 큰 부피를 요구하지만 저장기간을 길게 유지할 수 있고 높은 효율을 보임.
❙그림 2-4❙ Pumped Hydroelectric Storage
○ Compressed Air Energy Storage(CAES)
Ÿ CAES는 현재 상업적으로 이용이 가능한 대용량 에너지 저장용 기술임. 그림 2.4 는 CAES의 기본적인 구조를 보여줌. 이 장치는 기본적으로 몇 개의 부분을 가지 고 있음. 첫 번째는 잉여 전기를 이용하여 모터로 공기를 압축함. 두 번째로 압축 공기를 차갑게 식혀 수분을 제거함. 세 번째로 터빈을 이용하여 전기를 생산해 내 는 부분이 있음. 네 번째는 지하에 압축공기를 저장하는 탱크가 있음. 다섯 번째 는 이 모든 장치와 열과 같은 부분을 제어하는 보조적인 장치가 있음.
Ÿ CAES에서 압축공기를 배출하여 전기를 생산해 낼 때 압축공기에 연료기체를 혼 합하여 폭발을 시킴. 폭발하는 기체의 탄성력을 이용하여 터빈의 효과를 극대화함.
Ÿ 초기 구축 비용이 굉장히 비싸고 지리적 조건에 따라 설치를 하지 못하는 경우도 있다는 단점이 있음.
❙그림 2-5❙ Compressed Air Energy Storage
○ Fly Wheel
Ÿ Fly Wheel은 잉여 전기를 회전하는 운동에너지로 저장하고 이 운동에너지를 다시 전기에너지로 전환하는 시스템임. 그림 Ⅱ-6는 Fly Wheel의 기본적인 구조를 보 여주고 있음.
Ÿ 높은 에너지 효율과 20년 정도의 긴 수명을 가지고 있음. 분 단위의 급속 충전이 가능하다는 장점도 가지고 있음.
Ÿ 초기 구축에 드는 비용이 굉장히 비싸고 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있음. 같은 말로 저장용량이 낮음.
❙그림 2-6❙ Fly wheel storage System
○ SC(Supper Capacitor)
Ÿ 슈퍼캐패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단 순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용.
Ÿ 캐패시터는 기본적으로 2장의 전극판을 대향시킨 구조, 여기에 직류전압을 걸면, 각 전극에 전하가 축적되며, 축적하고 있는 도중에는 전류가 흐르고, 축적된 상태 에서는 전류는 흐르지 않음.
Ÿ 교류의 경우에는 +, -가 계속해서 바뀜에 따라, 앞서 언급한 테스터의 측정봉을 항상 교대로 바꾸어 접속하는 것과 같으므로 그 때마다 전류가 흐르게 됨.
Ÿ 낮은 에너지 밀도(일반적인 배터리의 1/10)를 보이며 셀 전압이 낮기 때문에 직렬 연결이 필요하며 3개 이상 직렬시 전압 벨런싱의 필요와 높은 자가 방전율(약 50%/월)의 특징이 있음.
❙그림 2-7❙ Supper capacitor 구조
Pumped hydro storage
원리: Off-peak load시 물은 높은 곳에서 저장, Peak load 시 저장된 물을 이용하는 발전
장점: 대용량 저장에 우수, 성숙된 기술로 높은 안정성, 75~80%의 효율
단점: 지리적 제약, 지질에 따른 설계의 어려움, 대규모로 초기투자 비용이 큼
Superconducting Magnetic Energy Storage
원리: 초전도 코일에 직류전류를 흘려 자기에너지형태로 저장 장점: 높은 변환효율(>95%), 빠른응답시간, 저에너지손실 단점: 고비용, 낮은 에너지밀도
LIB (리튬이온전지)
원리: 리튬이온이 양극과음극을 오가며 전위차 발생 장점: 높은 에너지밀도, 높은 에너지효율, 폭넓은 적용 단점: 안정성·수명 미검증, 높은 비용
NaS (나트륨 황전지)
원리: 300~350℃의 온도에서 용융상태의 나트륨 이온이
전해질을 이동하면서 전위차 발생
장점: 높은 에너지밀도, 낮은비용, 대용량화 용이
단점: 높은 생산비용, 소재부족과 높은 방전율,낮은 에너지효율
RFB (레독스 흐름 전지)
원리: 전해액 내 이온들의 산화/환원 전위차를 이용하여 전기 에너지를 충.방전
장점: 저비용, 대용량화 용이, 장시간 사용가능, 고출력 가능 단점: 낮은 에너지 밀도, 낮은 에너지 효율
Supe Capacitor
원리: 전극과 전해이온사이에 형성된 electric double layer로 이루어진 두 직렬 capacitor에 에너지를 저장
장점: 높은 출력밀도, 긴수명, 높은 효율, 안정성 단점: 낮은 에너지밀도, 높은 비용, 용량에 한계가 있음
Flywheel
원리: 전기에너지를 회전하는 운동에너지로 저장했다가 다시 전기 에너지로 변환
장점: 높은 에너지효율, 긴수명, 단위용량당 저비용
단점: 초기구축비용과다, 낮은 에너지밀도, 투자효율성 검증어려움
CAES
(압축공기저장시스템)
원리: Off-peak load시 공기를 동굴이나 지하에 압축,
Peak load 시 압축된 공기를 가열하여 터빈을 돌리는 방식 장점: 대규모로 장시간 저장가능, 낮은 발전단가, 빠른가동시간 단점: 초기구축비용 과다, 지리적제약, 화석연료사용불가피
*자료: 지식경제부, 우리투자증권 투자정보센터, 구글, 과학동아
❙표 2-4❙ ESS용 시스템의 원리 및 장단점.
기술구분 단주기 장주기
플라이휠 LIB NaS Flow Battery
$/kW
$/kWh 전력변환효율
1,250~2,500 5,000~10,000
90%
1,000 4,000 96%
25,000 347 78%
4,154 692 70%
장점
고출력 장수명 고온 내구성
상용화 쉬움 친환경 높은 변환효율
NGK社 실증사례 투자비 낮음
단점
이동불가 높은 투자비
폭발위험
실증사례없음. 환경유해
고온환경유지
환경유해 낮은 변환 효율
❙표 2-5❙ ESS 종류별 가격 및 장단점
Ÿ 대용량 전력저장 시스템은 미래 친환경 에너지 시스템의 핵심이 될 것이며, 이를 상용화하기 위해서는 시스템의 저가격화, 높은 에너지 밀도 및 효율, 친환경화, 안 정성 등이 확보 되어야함. 특히 석유생산국이 아닌 한국의 경우, 향후 에너지를 둘 러싼 국제 갈등에 능동적으로 대처하기 위한 신재생 에너지 저장 기술개발 노력이 절실함.
○ 리튬이온전지
Ÿ 전세계 ESS용 리튬이온 배터리 시장은 현재 6천 억원 수준에서 2020년 약 12조원 수준으로 연평균 35%이상의 폭발적인 성장세를 이어갈 것으로 예상.
Ÿ 리튬 이온 전지(-電池, Lithium-ion battery, Li-ion battery)는 이차 전지의 일종 으로서, 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전시 에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 되는 충전 및 재사용이 가능.
Ÿ 리튬 이온 전지는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눔, 다양한 종류의 물 질들이 이용가능.
Ÿ 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연, 양극에는 층상의 리튬코발트 산화물(lithium cobalt oxide)과 같은 산화물, 인산철리튬 (lithium iron phosphate, LiFePO4)과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등이 이용, 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐 에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀜, 최근에는 나노기술을 응용한 제작으로 전지의 성능을 높이고 있음.
Ÿ 시중의 휴대용 전자 기기, 방산산업이나 자동화시스템, 그리고 항공 산업 분야에서 도 사용 빈도가 증가하는 추세임.
Ÿ 전지의 용량은 mAh또는 Ah로 표시하는데, 휴대폰에 사용하는 전지는 800~1000mAh가 가장 많이 쓰이며, 스마트폰에는 1100~1950mAh도 사용, 노트북에 사용되는 전지는 2400~5500mAh가 가장 많이 사용되며 대용량 전지의 용량은 최 소한 수십 kWh 이상임.
Ÿ 가격이 비싸고 폭파의 위험이 있어 생산 비용의 감소와 안정성이 확보 되어야함.
❙그림 2-8❙ 리튬 이온전지 구성
○ Na-S Battery
Ÿ Sodium-Sulfur 배터리는 나트륨을 이용한 음극과 황을 이용한 양극, 세라믹 나트 륨 베타 알루미나를 고체전해질로 이용하는 전형적인 Na-S 전지이다. 1900°C 의 높은 녹는점을 갖는 전해질인 고체 β-Al2O3와 좋은 전기화학적 접촉을 제공함으 로써 나트륨과 황이 녹아 액체가 되는 200°C 를 넘는 온도에서도 작동될 수 있음.
Ÿ 상온에서 β-Al2O3의 나트륨 이온 전도도는 10-3 S/cm이고 이것은 높은 나트륨 이온 전도도를 갖는 다른 세라믹 물질들(10-5 ~ 10-7 S/cm) 과 비교했을 때 200 도 보다 높은 온도에서 10-2 S/cm 보다 높은 성능을 보임. 2.0V 의 전압은 다음 의 화학반응에서부터 얻을 수 있음.
(1) 2Na + 4S →Na2S4 , Ecell = ~2.0 V
Ÿ 이 전지는 150~240 Wh/kg 근처의 에너지밀도를 가지고 70~80%의 효율을 유지하 면서 2500회를 충 방전 할 수 있음. Na-S전지의 중요한 문제점은 작동하는 온도 가 200°C를 넘도록 고온이라는 것임.
Ÿ 이 전지를 사용하기 위해서는 온도를 유지하기 위한 열원이 필요함. 이것은 Na-S 전지의 효율을 굉장히 저하시키는 요인이 됨. 더욱이, 이러한 높은 작동온도를 유 지하는 것은 Na-S전지를 이루고 있는 물질들의 수명을 저하시킴. 이것을 막기 위 해 셀의 비용이 비싸지고 열을 조절하기 위한 구조 때문에 복잡한 셀이 됨. 이 모 든 것은 높은 작동 온도의 필요성으로 인해 대용량과 운송에 대한 시장에서 굉장 한 단점으로 작용함.
❙그림 2-9❙ Sodium-Sulfur Battery System
○ Redox Flow Battery
Ÿ 정치형 에너지 저장기기에 이용되는 다른 종류의 충전형 배터리는 redox flow battery(RFB)임. 이 배터리에서는 전해질이 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시 켜주는 power cell을 통과하여 흐르는 전기 활성 물질들을 하나 혹은 그 이상으로 함유하고 있다. redox flow battery의 종류는 전기 활성 물질들 혹은 용매에 의해 분류되어 질 수 있음.
Ÿ 그림 2.8은 redox flow battery 중 가장 잘 알려지며 널리 사용되는 vanadium redox flow battery(VRB)의 기본적인 구조를 보여줌. 이 배터리는 vanadium redox couple 와 각각을 anode과 cathode 활성 물질로 이용함.
이 셀의 전압은 1.4V-1.6V이며 효율성은 75%까지 나타남. 시제품의 전력이 3 MW 범위까지 나타남.
Ÿ RFB의 주요 이점은 전력과 에너지를 분리할 수 있다는 특성임. 전력은 함께 쌓여 있는 셀의 수에 의하여 통제될 수 있음. 에너지 용량은 얼마나 많은 전해질 탱크 들이 전원 장치의 입/출력 부분에 연결되어 있는지에 의해 결정됨. 그림 2.9는 이 러한 redox flow battery의 장점들을 이용하여 실제 생활에서 이용되고 있는 사례 를 보여주는 그림임. 에너지 밀도가 정치형 과 grid application에서 반드시 중요한 것은 아니지만, RFB 에너지는 전해질에 있는 전기 활성 물질들의 용해성에 한계 가 있음.
❙그림 2-10❙ Redox flow battery(VRB) System
○ Na 재충전 배터리의 문제점
Ÿ 작동온도의 문제점: 현재 사용되는 Na 재충전 배터리의 주요 문제점은 작동 온 도가 너무 300℃로 너무 높음. 그러므로 배터리에 저장된 에너지를 이용하기 위 해서 열원이 필요함.
Ÿ 이것은 배터리를 작동시키기 위해선 추가적인 에너지가 소모된다는 것을 의미함.
더욱이, 고온의 필요성 으로 인하여 배터리 재료의 내구성 향상과 비용과 효율이 높은 셀과 재료의 사용 그리고 열관리가 어려움.
Ÿ 게다가, S의 용융은 부식성이 매우 높으며 셀이 작동할 때 고체 전극을 분해함.
그리고 이로 인하여 대략 2년에서 5년으로 배터리의 수명이 짧아짐.
Ÿ 작동 시 고온이 필요하다는 것은 정치형과 휴대용 기기 시장 모두에 있어 상당한 약점으로 작용함. 하지만, 이러한 전지 가격은 여전히 비싼 편임. (>
~$1000/kWh).
❙그림 2-11❙ Vanadium Redox flow battery (VRB) 적용사례
Ÿ 항해하는 선박에게 암초나 수심이 얕은 곳의 소재를 알리거나 또는 항로의 경계를 알리기 위하여 해상의 고정위치에 띄워놓은 구조물로서 등화가 설치된 것을 등부 표, 등화가 없는 것을 부표라 함
Ÿ 현재 국내에서 뉴마린엔지니어링, 한국해양환경기술, 우리해양 등의 회사가 등부표 를 제작하고 있음
Ÿ 표준형 등부표와 비표준형 등부표로 구분됨
❙그림 2-12❙ 표준형 등부표의 예
❙그림 2-13❙ 비표준형 등부표의 예
Ÿ 각 지방 해양수산청에서 다수의 등부표를 활용하고 있음
❙그림 2-14❙마산지방해양수산청의 등부표 활용 현황
○ 프로젝트
사례 설명
바르셀로나
w 바르셀로나 smart city project의 12개 지역 중 일부
w Urban lap pilot on IT-enabled lighting (2009~2010년): 새로운 LED 조명 설치 시 도시의 fiber-optic 망에 연결
w 원격제어 street-level lighting을 50개 거리 1,100대 이상의 lampposts에 확대 적용 계획 (2012년도 city master plan)
w 가로등은 WiFi 라우터 역할 및 소음, 움직임, 공기 오염도를 통해서 인구 밀집도까지 파악.
자동 조명 조절하여 에너지 절약
코펜하겐 (덴마크)
w 도시 목표 : World’s first carbon-neutral capital by 2025
w 20,000개 외부등 교체 중 w 램프에 통신모듈 내장
w 코펜하겐 시 중앙 관리시스템에서 관제 w Dimming, 자전거 주행 편의 기능 등
암스테르담
w “Amsterdam Smart City programme” 중의 하나인 Flexible street lighting
w 목적 : 지속가능하고 효율적인 도시(‘10) &
기후변화 중립적인 도시(‘15)
w 2025년까지 1990년 대비 이산화탄소 배출량 의 40%, 에너지 사용량 20% 감축을 목표 w 2013년도 초반, 50개의 스마트 가로등으로 파
일롯 진행
w 센서 및 원격 운영을 통해, 보안을 강화하고 비용을 절감
w 스위치 및 조명 기구를 제어하는데 있어, 제 품 중립적인 구조
바이사흐 (독일)
w 도시의 여러 구역에 산재해 있는 1,700 개 가 로등에 대해 개별적으로 dimming level 조절 w 장애 시 자동 email 전송 기능
w 도로, 보행로 및 광장에 대해 On-demand 및 상황별 조명 조절
w 수천개의 조명 points를 한 개의 모니터링 화 면에서 처리
○ GE
Ÿ Lightgrid outdoor wireless lighting control system Ÿ 도로 가로등을 위한 무선 제어 시스템
Ÿ LED 시스템에 내장된 sensor, control, 무선 통신 및 microprocessor는 city-changing technology로의 필수 기술
❙그림 2-15❙ GE 스마트 가로등 시스템 (출처: GE)
오션사이드
(미국) w GPS 및 무선 제어 기능이 포함된 7,700 LED 가로등 설치
w 도시 전체의 가로등 상황을 실시간으로 모니 터링 기능
w Web 기반의 interface를 통하여 모니터링하 고, 유지보수 필요 시 즉각적으로 대처
(사우디아라비아) w 2012년 중순 시작하여 25,000 controller 및 206 RTU 설치
w 모든 가로등에는 고객 요구에 부응하여 open door sensor 장착
○ CISCO
Ÿ Smart+Connected City Lighting solution 은 Smart+Connected City Multi-Sensor Node와 결합하여 LSN(light-sensory network)을 형성
Ÿ 수집된 다양한 정보(습도, CO2/O2, 자외선, 분진, 지진, 소음 등)는 LSN을 통해 수 집/전송
Ÿ LED 제어를 Control 차원이 아닌 IT 차원에서 접근, 유럽의 Carandini 제품을 OEM하여 Sensity Brand로 판매 시작
❙그림 2-16❙ CISCO 스마트 가로등 시스템
○ Philips
Ÿ CityTouch 는 모든 가로등을 연결하여, 비용을 절감하고 보안을 강화하고 운영 효율성을 제고하는 옥외조명용 SW 플랫폼
Ÿ 무선/원격으로 가로등을 제어할 수 있는 CityTouch connect application 과, 가로 등 자산을 명확하게 관리할 수 있는 CityTouch workflow application의 두가지 웹 기반 어플리케이션 제공
Ÿ 전등 사업의 전통 강자로 LED가로등 시장에서도 강자. NEMA 표준에 부합하는 제품을 일찍부터 미국시장에 진출
Ÿ 미국에서도 이미 GE에 버금가는 LED 가로등 시장 점유율 보유
❙그림 2-17❙ Philips CityTouch eco system
○ InteliLiGHT
Ÿ inteliLight (remote street lighting control solution)는 원격 가로등 제어 솔루션 Ÿ Sensor를 이용한 자료 수집, Grid를 통한 통신 등을 통하여 전체 인프라를 제어
(가로등 점멸, 디밍조정 등)하고 유지관리하는 솔루션
❙그림 2-18❙ InteliLiGHT 스마트 가로등 시스템
○ OSRAM
Ÿ SLC(Street Light Control)는 Smart City 솔루션의 한 부분으로써, 수천 개의 가 로등을 개별적으로 모니터링하고 제어할 수 있는 시스템
Ÿ 전등 사업의 전통 강자, 가로등 시장은 진출이 상대적으로 늦어 LED가로등 사업 관련 M&A를 통한 진출 모색중인 것으로 파악
❙그림 2-19❙ OSRAM 스마트 가로등 시스템
○ 해양 등부표
Ÿ 국제항로표지협회(IALA)는 등대와 등부표 등 항로표지의 기술 개발 및 표준화를 위해 1957년 설립된 기구로 프랑스 파리에 본부를 두고 있음. 1962년 IALA에 가 입한 한국은 2006년 이사국, 2014년 부의장국으로 선출됨
Ÿ 해양수산부는 스티로폼에 깃발을 꽂아 경계구역을 표시했던 어장과 양식장을 적정 규격의 항로 표지로 표준화 시행계획임. 이는 IALA가 항해선박의 야식장 침벅사 고 방지를 위해 일정 규모 이상의 어장과 양식장에 항로표지를 배치하도록 권고함 에 따른 것임
Ÿ 해양수산부는 오는 2024년까지 향후 8년간 175억원을 투입해 ‘항로표지 관리운영 시스템’ 고도화에 사업을 수행하고 있음.
Ÿ 해양 등부표를 포함한 해양모니터링시스템이 가장 발달된 미국에서는 2006년부터 2010년까지 1.8~2.2억달러의 해양모니터링시스템 설치 및 운영 관련 예산이 책정되 었으며, 관련 사업의 경제, 사회, 군사 및 과학적 측면으로의 파급효과가 매우 방 대함
Ÿ 해양모니터링시스템의 시장은 고성장세에 있으며 특히 아시아 시장에서는 아직 초 기단계이기 때문에 해양모니터링시스템 구축의 필요성 및 발전 가능성은 매우 높 음
Ÿ 북미와 유럽을 비롯한 해양선진국에서는 현재 부이 등 고정 플랫폼을 이용한 구축 기술은 상당히 진행되어 왔으나, 고효율/저비용 관리기술, 높은 신뢰도의 데이터 처리 기술 및 예측판단기술에 대한 연구가 진행 중임
Ÿ 최근 IT 및 Blue 에너지 기반 등부표를 포함한 항로표지 기술 경쟁력 제고 및 산 업화 바람이 불고 있음. 이를 위한 항로표지 후보 4대 전략분야는 아래와 같음 - 친환경 에너지 기반 항로표지용 차세대 전력생산시스템
- IoT 기반 항로표지 설치, 운용 및 관리 시스템 - IT기반 다기능 복합(광파, 음파, 전파) 항로표지 - 전자항법 (e-NAV) 대응 기술
○ 스마트 가로등
Ÿ 세계적으로 2억 8천만개의 가로등은 2025년에 3억 3천만개로 증가 예정 Ÿ 스마트 가로등 시장은 2016녀에서 2022년 사이에 CAGR 40.3% 증가 추정 Ÿ 독일, 영국, 미국이 스마트 가로등 시장 선도 국가, 이어서 인도, 중국, 필란드 Ÿ Key player: GE lighting, Philips lighting, Acuity Brands, Osram and
Honeywell lighting
Ÿ ABI research 발표 자료에 따르면 스마트 가로등 시장은 2014년 6.5억 달러에서 2018년 16억 달러로 연평균 25% 성장률을 보일 전망임
Ÿ 국내 시장의 경우, 한국조명협동조합은 2014년에 561억원에서 연평균 18% 성장 하여 2018년에는 1,081억원으로 성장 전망
❙그림 2-20❙ 세계 스마트 가로등 시장 전망
(출처: ABI research, 2015, KISTI 재작성 자료)
❙그림 2-21❙ 한국 스마트 가로등 시장 전망
(출처: 한국조명협동조합, KISTI 재작성 자료)
Ÿ 스마트 조명 시장은 2013 년 10 억불 이하의 규모였지만, 앞으로 스마트폰과 결 합된 기능확대 및 IoT와 연결된 기능ﾷ시장의 확대가 예측되므로 2016년 20억불 규모에 이를 것으로 예상되며, 더 나아가 2017년에는 40억불 규모, 2018년에는 60억불 규모, 2019년에는 90억불 규모 2020년에는 100억불 이상 규모의 시장으 로 확대될 것으로 예상되고 있음
❙그림 2-22❙ 세계 스마트 조명 시장 전망(출처: NanoMarkets 2013)
○ 전력저장 시스템 (가) 세계시장
Ÿ 2010년을 기준으로 미국, 일본 등 일부 선진국을 중심으로 2조원 규모의 초기 시 장이 형성되었음
Ÿ Global 전력 수요의 증가 및 신재생 에너지 보급 확대에 따라, 중대형 에너지 저 장 수요가 급속도로 확대될 전망. 세계 전력수요는 ’10년 21.0조 kWh에서 ’20년 27.5조 kWh로 연 2.7% 증가 예상
Ÿ 50년까지 세계적으로 189~305GW 수준의 에너지 저장시설 수요가 예상됨
Ÿ 향후 10년간 시장이 급팽창하여 ’20년에는 47.9조원에 달할 전망이며, 저장수요는 약 16배 성장 예상(’11년 1,206MW → '20년 20,105MW)
Ÿ 2011~2020 대용량 저장 누적 세계시장규모는 총 70조 (2020년 연간 시장규모 20.6 조)로 예상(신재생에너지 관련 저장시장규모는 신재생에너지의 30% 예상)
Ÿ 지속적인 성장으로 ’30년에는 120조원 규모의 에너지 저장 시장이 형성될 것으로 전망됨.
(나) 국내 시장
Ÿ 10년 기준 국내 ESS 시장 규모는 세계시장 대비 약 1% 수준이나, 투자 확대를 통해 ’20년 세계시장 점유율 30%(약 14조원)를 목표로, 총 6.4조원 규모의 R&D및 설비 투자를 추진할 계획임.
Ÿ 12년 9.15 정전사태를 계기로 업계가 국가 인프라로 ESS 구축을 요청하는 등 국 내시장 창출이 촉진될 전망.
Ÿ 2012년 국내 에너지저장기술 시장 규모는 약 710억 원으로 추정
Ÿ 15년에 5조원 규모의 ESS 시장이 형성되고 지속적인 성장으로 ’20년에는 14조원 규모에 달할 것으로 전망됨
Ÿ 현재는 시장 형성전의 실증단계이나, 향후 전력 소비량 증가 및 신 재생 에너지 확대에 따라 중장기적으로는 수요가 급팽창할 것으로 전망되고 있음
Ÿ 지식경제부의 ESS 수요 예측(에너지저장 기술개발 및 산업화 전략, K-ESS 2020) 에 따르면 ’15년까지 960MW, ’20년까지 1,680MW규모의 에너지 저장 시스템이 필 요할 것으로 예측됨.
Ÿ 국내의 경우, 미국, 유럽 및 일본 등에 비하여 ESS의 중요성에 대한 인식이 낮기 에 자발적 으로 ESS 시장이 활성화되기에는 상당한 시간이 소요될 것이라는 전망 도 있음.
❙그림 2-23❙ ESS 시장규모 비교
○ 산업구조 현황 및 추이
Ÿ 환경/에너지 기술 관련 국내의 현황은 개발된 기술이 자동차, 소재, 제조 등 주요 산업에 활용되기 시작하는 상황으로 2015년 6조원에 달하고, 2020년에는 14조원에 달하는 등 비약적인 증가가 예측됨
연 도
분 야 2000 2005 2010 2015 2020 연평균 증감률(%)
‘01~10 ‘11~20 전자통신 5,069 18,277 56,449 151,484 333,465 27.3 19.4
의료 238 726 2,792 6,978 14,694 27.9 18.1
환경/에너지 333 813 2,725 6,255 14,673 23.4 18.3
생명공학 730 1,342 3,103 5,873 10,920 15.6 13.4
소재/제조 2,591 9,4686 22,113 45,473 97,869 23.9 16.0 항공우주/수송
기계 692 2,389 8,876 26,625 66,176 29.1 22.2
국방/기타* 500 2,354 8,853 22,277 55,227 33.3 20.1 합 계 10,153 35,387 104,910 264,966 593,024 26.3 18.9
❙표 2-6❙ 분야별의 국내 시장 전망 (출처: 나노기술영향평가보고서, KISTEP (2005) (단위: 10억원))
*기타는 행정/금용/사업서비스 등을 경제적으로 환산한 것임
○ 에너지/환경산업의 분포
Ÿ 우리나라 에너지 산업은 종업원 수 300인 미만의 중소기업이 전체의 91.1%를 차 지하고 있으며, 500인 이상의 기업은 10.7%를 차지하는데 대부분 공기업과 전방 산업에 해당하는 기업임
Ÿ 매출액 규모로 보면 1000억 이상의 기업은 전체의 7.7%를 차지하고 있으며 주로 전방산업의 대기업 및 공기업이 이에 해당됨. 전체기업의 57%가 100억 미만의 매 출액을 보이고 있음
Ÿ 에너지 산업과 관련된 기업체의 경우 주로 서울 경기지역에 전체의 절반 이상이 편중되어 있으며, 전체 598개의 에너지 기업 중에 7개 업체가 울산 지역 내에 위 치하는 것을 알 수 있음
Ÿ 에너지 관련기업의 주력제품 기술과 신기술간 기술융합을 추진하는 에너지 기업은 공기업 및 대기업에서 40% 이상으로 높게 나왔으나 전체적으로 27.7%에 불과함.
특히 나노기술과의 융합을 시도하는 에너지 기업은 전체의 10.6%로 집계됨
❙그림 2-24❙ 조사 대상 기업에 대한 지역별 분포
○ 에너지환경산업의 분야별현황 및 발전전망 (가) 태양전지 분야
Ÿ SNE리서치는 전세계 태양광 설치시장이 2011년부터 2020년까지 연평균 15.2%의 성장을 지속할 것으로 보고 있음. 2020년까지 전세계 태양광 누적은 477GW에 이 를 것으로 예상됨
Ÿ 하지만 태양전지 시장은 2011년부터 공급과잉과 유럽에서 시작된 재정위기로 2013년까지 매우 어려운 시기를 겪고 있음
Ÿ 따라서 태양전지 산업의 구조조정이 꾸준히 진행되고 있으며 태양전지 수요가 중 국, 일본을 중심으로 아시아지역에서 급격히 늘어나고 있음
Ÿ 일본은 원전줄이기의 대안으로 태양광을 크게 장려하고 지원도 늘리고 있고, 중국 또한 자국의 태양전지 산업을 지속적으로 성장시키기 위해 향후 3년간 매년 10GW에 이르는 태양전지 내수시장을 공언하고 있음
Ÿ 2013년 전세계 태양전지 시장규모는 35.4GW이고 2014년은 43.6GW로 23%의 성장 률을 보일 것으로 전망됨. 2013년 중국은 8.5GW의 태양전지 설치로 전세계 1위의 태양전지 수요국가로 발돋움하였고, 뒤를 이어 일본 6.6GW, 미국 4.5GW를 설치 하고 있음. 독일은 3.7GW로 시장이 축소되었음
Ÿ 태양전지 시장은 과거 4-5년간 압도적인 수요시장을 창출해 온 유럽이 2013년을 계기로 중국, 일본, 미국 등에 세계 최대 수요시장 자리를 넘겨줌
Ÿ SNE리서치는 글로벌 태양전지 설치시장이 2020년까지 연평균 15%의 성장을 지 속할 것으로 보고 있음
❙그림 2-25❙ 중장기 전세계 태양전지 시장전망
Ÿ 2013년 기준으로 9개 태양전지 소재, 부품의 시장은 약228억불 규모로 집계되었고, 향후 부품시장은 태양전지 설치시장의 확대에 따라 비슷한 비율로 성장할 것으로 예상됨.
❙그림 2-26❙ 2013년 태양전지용 부품소재 시장 규모
Ÿ 국내 태양전지 산업은 한국이 1등하는 반도체, 디스플레이, 2차전지와는 확연히 다 른 위상을 가지고 있으며, 수요는 물론이고 공급 또한 비중이 크지 않음. 수요 측 면에서도 1% 이하의 비중을 차지하고 있고, 공급에서도 폴리실리콘을 제외하고는 1% 이하의 비중을 차지하고 있음.
Ÿ 국내 태양광 시장은 정부지원 사업에 크게 의존하고 있어, 당분간 정부의 신재생 에너지 보급계획에 따라 변화할 것으로 전망됨.
Ÿ 한국 태양전지 기업들은 태양전지 산업에서 속속 철수하고 있음. 2010년 태양전지 산업이 글로벌 불황기로 접어들 무렵, 경쟁적인 투자에 나섰다가 누적된 부실을 견디지 못한 채 백기를 들고 있는 형국임
Ÿ 한국 기업은 폴리실리콘 3위인 OCI와 셀 생산규모 3위인 한화그룹 정도가 글로벌 경쟁력을 가지고 있음
Ÿ 울산은 일조시간이 타 지역보다 많아 태양광 발전에 유리하다는 분석결과가 있지 만 아직 태양전지 관련 에너지 기업의 수가 타 지역에 비해 미미한 수준임.
Ÿ 울산의 태양열에너지 사업은 주로 공공기관과 일반가정용에 보조금을 지급하여 설 치 사용함
○ 이차전지 분야
Ÿ 이차전지 시장은 모바일 IT중심의 소형에서 자동차용, 에너지 저장설비 등의 중대 형으로 급속 재편 중에 있음
Ÿ 이차전지시장은 리튬이온전지와 니켈수소전지가 대부분을 차지하고 있으며, 2008 년 기준 리튬이온전지는 39.9%의 시장점유율을 보였으나 오는 2015년에는 53%로 높아질 것으로 예상됨
❙그림 2-27❙ 세계 리튬이차전지 시장 동향 [지식경제부, 기술표준원]
Ÿ 리튬이차전지 시장은 향후 10년간 연평균 15%로 성장하여 2018년 이차전지 시장 의 대부분을 차지할 것으로 보임
Ÿ 리튬 이차전지는 니켈수소전지에 비해 무게가 가벼우며 부피는 작고, 수명은 더 길기 때문에 향후 전기자동차용 리튬이차전지 시장이 급격히 커질 것으로 예측되 고 있음
Ÿ 전기차 시장의 확대와 함께 리튬이온 이차전지 시장의 주도권은 IT용 소형전지에 서 중대형전지로 이동할 것으로 예상되는데 이러한 흐름은 에너지저장시스템 시장 의 성장과 함께 더욱 가속화될 것으로 예상됨
❙그림 2-28❙ 전기자동차와 리튬이온전지 시장 예상치
Ÿ 글로벌 리튬이온전지 시장에서 한국, 일본, 중국이 차지하는 비중은 절대적인데, 글로벌 Top 10 업체 중에서 미국의 Maxwell을 제외한 9개 업체가 위 3개국 소속 임.
Ÿ 2012년 기준으로 한국의 시장점유율은 36% 수준으로 글로벌 1위이며 업체별로는 삼성SDI와 LG화학이 각각 22%, 15%의 점유율을 확보하고 있음.
Ÿ 그러나 최근 중국 업체들의 약진이 두드러지고 있고, 중국 업체들의 시장점유율은 2012년 기준으로 35%를 차지하고 있음.
❙그림 2-29❙ 리튬이온전지 업체별 출하량 및 시장 점유율
Ÿ 리튬이차전지 시장에서 중대형전지가 차지하는 비중은 2012년 기준으로 10% 이하 인데, 이는 중대형전지의 전방산업인 전기차, 에너지저장시스템(ESS) 시장이 본격 적인 성장 단계에 진입하지 못했기 때문임.
Ÿ 전기차용 중대형전지 시장은 2012년 기준으로 26억달러 규모이지만 이중 리튬이 온전지 시장은 8억달로 규모임. ESS 시장은 2012년 기준으로 61억 달러이지만 이 중 리튬이온전지가 차지하는 시장은 4억달러 규모임.
Ÿ 울산은 지역 내에 리튬이차전지 소재 관련 업체가 아직 없는 실정임.
❙그림 2-30❙ 리튬이온전지 소형 및 중대형 비중 비교 및 전기차 시장과의 상대비교
○ 연료전지 분야
Ÿ 화석연료의 고갈 및 환경오염 문제 등으로 인하여 무한한 에너지원이자 환경 친화 적인 수소에너지에 대한 관심이 증폭되고 있으며, 화석연료부터 생산된 수소를 직 접적으로 전기에너지로 바꿀 수 있는 연료전지에 관한 기술개발이 활발히 이루어 지고 있음
Ÿ 연료전지는 수송용, 가정/상업용, 발전용, 휴대용 전자기기 등에 사용될 수 있으며 고분자전해질 연료전지는 수송용 및 가정/상업용, 용융탄산염 연료전지는 발전용, 고체 산화물 연료전지는 발전용 및 가정용, 직접메탄올 연료전지는 휴대용 전자기 기에 사용될 수 있음
Ÿ 전세계 연료전지 시장을 보면 우주선, 잠수함 등 특수 용도에선 상업화 단계에 진 입하였으나, 그 외의 응용분야에서는 아직까지 시장 형성이 미숙한 단계임
Ÿ 하지만 글로벌 연료전지 출하량은 2012년 45,700개, 2013년 67,000개로 전년대비 각각 100%, 46% 성장하였는데 portable과 stationary 시장 확대에 기인함
Ÿ 연료전지 설치 용량 역시 stationary 시장을 중심으로 가파르게 성장하고 있는데 2012년 설치용량은 전년대비 52% 증가한 166,7MW, 2013년은 30% 성장한 215.3 MW를 기록하였음
❙그림 2-31❙ 응용분야별 글로벌 연료전지 용량(MW) 추이
Ÿ 수송용 연료전지는 Pike Research사의 조사에 의하면 2015년 13억 달러, 2020년에 는 83억 달러에 달하는 시장을 형성할 것으로 전망함
Ÿ 수송용 연료전지는 미국 에너지성에서 2005년부터 5년간 6천만달러 규모의 시범 운행 사업을 추진한 사례가 있고 일본에서는 혼다와 도요타에서 2015년부터 일반 을 대상으로 판매 계획을 세우고 있음
Ÿ 일본, 유럽, 국내 자동차회사를 중심으로 2015년부터 시장이 활성화되기 시작하여 2020년에는 연간 50-250만대 정도가 판매될 것으로 전망됨
Ÿ 또한 CO2 배출 문제, 환경규제 강화, 기존 에너지 자원의 고갈 등으로 인하여 친 환경 자동차인 연료전지 자동차의 수요가 급증할 것으로 예상됨
Ÿ 따라서 전 세계적으로 자동차 제조업체를 중심으로 연료전지 기술을 개발하고 있 으며 국내에서도 현대자동차 및 기아차 등이 친환경 연료전지 자동차를 개발하여 현재, 수도권, 충청권, 전라권, 제주권, 경상권에 연료전지 승용차 30대와 연료전지 버스 4대가 운행 중임. 경상권인 울산(울산대, 울산정밀화학센터)에는 2대의 연료 전지 승용차가 2009년 4월부터 모니터링에 참여하고 있는 실정임
Ÿ 국내 연료전지 관련 기업을 살펴보면 포스코파워, GS EPS, 두산중공업 등이 발전 용 연료전지 수요처로서 자리잡고 있으며 퓨얼셀파워, GS퓨얼셀, CNL에너지 등이 부품 및 모듈 등을 공급하고 있음
구분 주요 국내 기업
건물용 퓨얼셀파워, GS퓨얼셀, 효성
발전용 포스코파워, GS EPS, 두산중공업, 삼성에버랜드, STX중공업
수송용 현대자동차, 기아자동차
부품 CNL에너지, 동진쎄미켐 등
❙표 2-7❙ 연료전지 분야별 주요 국내 기업
Ÿ 2011년 기준 전국적으로 총 62,589kW의 설비용량이 보급되어 있으나, 울산광역시 는 2007년 2kW의 시설이 도입된 이후 추가 설비는 보급되지 않은 것으로 조사됨
○ 풍력발전 분야
Ÿ 풍력발전 산업은 스펙트럼이 넓기 때문에 고용효과가 큰 산업이며 직접고용과 하 도급 간접고용으로 분리할 수 있음
Ÿ 울산지역은 자동차, 조선에 있어 이미 세계적인 수준을 갖추고 있으므로 자동차, 조선 산업에서 파생된 풍력발전기의 주요 부품인 날개, 증속장치, 제동장치, 대형 구조물에 집중하는 것은 단기간 내에 접근이 용이함
Ÿ 울산지역은 바다와 인접해 있으므로 해상 풍력발전이 가능하며, 또한 에너지원으 로도 사용하고, 바다 및 주변 환경도 개선할 수 있는 산업이 될 수 있음
단계별 구분 특성 기술수준(%)
기술 완숙기 및 시장 확대기
해외시장에서 경쟁력이 입증되며, 새로운 기술개발 요구에 독자적이고 능동적으로
대처
81-100 기술 실증 및
상업화
개발된 기술이 상업화되어 현장에 적용되어
성능의 실증 연구가 이루어짐 61-80
기술의 응용 연구 개발된 기술의 실증을 위하여 Pilot Plant
규모의 연구가 이루어짐 41-60
기술 도입 및 기초기술 습득
도입기술을 통하여 운영기술을 습득하고 독자적인 기술개발을 위하여 실험적 규모의
기술을 개발함
21-40
개념 정립기 기술개발의 필요성이 인식되고 그에 필요한
요소기술을 파악함 0-20
❙표 2-8❙ 풍력 발전 단지개발의 단계별 구분 및 특성
Ÿ 단지개발기술과 타워, 축 구동계 부분은 거의 국제적 수준이지만, 블레이드 (국제 수준 대비 71%), 증속장치 (70%)와 시스템 설계 및 평가 (68%), 운용 및 유지보 수 (71%), 감시 진단, 하이브리드 (70%) 분야는 국제 수준과 비교하여 상당한 격 차가 있다고 평가됨 (2007년 산업자원부 자료)
Ÿ 개발이 가장 시급하다고 생각하는 기술은 시스템 설계 및 평가 (36%), 블레이드 (29%), 증속기 기술 (14%), 단지설계 (11%), 계통연계 (10%) 순이었으며 제작기술 보다는 설계 및 해석기술의 확보가 보다 시급한 것으로 평가됨
Ÿ 블레이드 기술의 경우 주요 핵심기술개발을 위해 높은 필요성이 제기되나 아직 국
외기술대비 국내 기술수준이 현저히 낮아서 시급한 보완 대책 필요함
Ÿ 풍력발전의 수용성 확대를 위해서는 계통연계 기술의 확보가 선행되어야 함. 국내 계통은 대륙과 연계되지 않고 섬과 같이 고립되어 있으므로 풍력발전의 보급 확대 를 위해서는 계통안정화를 위한 연구기반이 사전에 갖추어져야만 함
Ÿ 2006년도 추정 국내 풍력관련 기업의 수출액은 3500억원에 달함. 국내의 풍력산업 의 호황에 따라 2030년까지 풍력관련 산업과 고용은 대폭적으로 확대되고, 국내 보급량과 수출 역시 비약적으로 증대될 것으로 예상됨
Ÿ 울산의 풍력에너지 이용은 전국 대비 보급률 0.41%로 미미한 수준임
○ 환경 분야
Ÿ 환경산업에 대한 정의는 매우 다양한데, 환경부에 따르면 포괄적으로는 환경적 유 해요인을 측정, 예방, 제어하거나 환경피해를 최소화하고 복원하기 위한 제품 생산 또는 서비스를 제공하는 산업활동으로 정의내리고 있음.
Ÿ 세계 환경산업 시장은 2000년도부터 10년간 연평균 4% 가량의 성장을 기록하였으 며, 2011년도부터 향후 10년간 3.2%의 성장률을 유지하여 2020년에는 시장규모가 1조 865억 달러에 달할 것으로 전망하고 있음.
Ÿ 국가별 시장규모를 보면 미국이 36%를 차지하며 가장 크고, 다음이 서유럽(27%), 일본(12%), 아시아(9%, 일본 제외)의 순을 보이고 있음
Ÿ 독일 Roland Berger 자료에 의하면, 2005년 세계 환경기술시장 규모는 약 1조 유 로를 기록하였으며, 2020년까지 약 2조 2,000억 유로로 두 배 이상 증가가 예상됨.
Ÿ 2000년에서 2010년까지 분야별 성장률은 대부분 2-3% 이나, 에너지 관리 및 재생 가능 에너지 분야는 7.5%, 청정기술 및 공정분야는 18.0%의 성장을 보여 향후 전 망이 밝은 것으로 분석됨
Ÿ 환경부 집계에 따르면 국내환경산업은 환경오염방지 시설업 등 17여종에 1만 1,600여개 업체가 등록되어 있으며, 이중 수처리 시설 설게 및 시공, 대기오염 방 지시설 설계 및 시공 등의 2개 분야가 전체의 90% 이상을 점유하고 있음
Ÿ 국내 환경산업의 매출 규모는 2011년도 59조 3,632억원으로서 전년대비 약 6.9%
증가하였음
Ÿ 수출증가율을 놓고 보았을 때는 2007-2011년도 사이 연평균 28%를 기록, 타 산업 대비 높은 성장률을 보이고 있으나 수출규모로 평가할 때는 전체 산업 대비 1%
내외로 아직 미미한 수준임.
제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과
Ÿ 해수배터리는 사실상 무한 자원인 해수를 이용하여 전력 에너지를 저장 및 생산하 는 친환경, 저비용의 안전한 배터리 시스템으로써, 해수에 녹아있는 나트륨 이온과 물의 화학 반응을 통해 전기에너지를 저장하고 필요 시 사용하는 배터리이다.
Ÿ 리튬-이온 등 현재 광범위하게 사용되고 있는 기존 배터리와 달리 양극을 해수로 대체한다. 이를 통해 리튬-이온 배터리 대비 2배의 용량 혹은 절반의 크기에 동일 한 전력을 공급하는 것이 가능하며, 반복적인 충․방전에 의한 성능저하가 유발되 지 않는다. 또한, 전량 수입에 의존하고 있는 리튬을 사용하지 않음으로 인한 기술 독립성 확보가 가능하다.
Ÿ 한편, 해수배터리는 해수에서 Na+ 이온을 선택적으로 투과함으로써 충전을 수행 한다. 이는 해수배터리 충전 과정에서 해수 담수화가 가능함을 의미한다. 또한, 해 수배터리 방전시엔 NaOH가 생산되는데, NaOH는 CO2와 결합하여 Na2CO3를 형 성한다. 이는 해수배터리 방전을 통해 CO2 capture, 즉 CCS(Carbon Capture &
Storage)의 기능을 수행할 수 있음을 의미한다.
❙그림 3-1❙ 해수배터리 개념
Ÿ 해수배터리는 세계최초로 UNIST에서 개발되어 현재는 고집적화, 대규모 자동생 산을 위한 파일럿 시설 연구를 진행 중이다. 본 과제에서 사용할 해수배터리 셀은 UNIST 연구진이 셀 생산을 위해 설립한 ㈜포투원에서 제작한 3Wh 용량의 셀이 다. 해당 셀의 크기 및 정량 규격은 아래 그림과 같다.
❙그림 3-2❙ 해수배터리 셀 용량 및 규격
❙그림 3-3❙ 해수배터리 셀 ❙그림 3-4❙ 해수배터리 셀 외형
❙그림 3-5❙ 해수배터리 셀 용량 실험 결과
❙그림 3-6❙ 해수배터리 셀 용량 (3Wh) 시험 성적서
Ÿ 해수배터리 셀의 정상적인 사용을 위해서는 다음과 같은 셀 관리 시스템이 필수적 이다.
Ÿ 셀 간의 직렬/병렬 연결 기능 Ÿ 각 셀의 fault check 기능 Ÿ 과전류 입력 방지 기능 Ÿ 과전압 입력 방지 기능 Ÿ 과충전·과방전 방지 기능
Ÿ 이를 위해 각 셀별로 fault check가 가능하며, 과전류입력으로 인한 과충전 방지 및 정전류 회로를 설계하였다. 이 회로는 해수배터리 셀 상단에 부착된다.
❙그림 3-7❙과충과방과전류 방지 회로도
Ÿ 한편, 각 셀간의 연결을 위해 수밀 커넥터 암/수 한 쌍을 통해 연결/분해가 용이 한 수밀 셀 연결 기법을 제안하였다. 제안된 기법의 연결구조는 그림 3-8과 같다.
이러한 구조는 셀의 손쉬운 직렬/병렬 적층을 가능케 하며, 상기 fault check 회로 를 통해 확인된 결함셀의 효율적인 교체가 가능한 장점을 가진다.
❙그림 3-8❙회로 및 적층을 위한 케이블 연결구조 개념도
Ÿ 수밀 커넥터의 핀맵은 그림 3-9와 같다. 그림의 각 핀맵을 통해 입력/출력부를 구 성할 수 있으며, 해수배터리 셀의 직렬/병렬 적층이 가능하다. 다만, 해수배터리는 양극(+)을 해수로 공유하기 때문에 직렬연결 시에는 독립된 해수 공급, 단방향 순 환 해수 공급 혹은 셀 간 일정 거리 이상 이격이 필요하다.
❙그림 3-9❙케이블 연결에 따른 상세 연결도
Ÿ 그림 3-7의 회로의 artwork 작업 및 PCB 제작을 수행하였으며, 수밀 암/수 커넥 터와 조립 후, 회로 자체의 수밀을 위해 몰딩을 실시하였다. 조립 및 수밀 몰딩이 완료된 해수배터리 셀은 그림 3-11과 같다.
❙그림 3-10❙회로 및 케이블 조립도 ❙그림 3-11❙회로 및 케이블 몰딩
