Hydrogen Gas의 제조 및 응용 - Daum

(1)

Hydrogen Gas 의 제조 및 응용

2006

i-Power, Inc.

www.ipowerfc.com

(2)

『21세기 청정 에너지 “ 수소 ” 』

지구의 온난화 가속화로 온실가스의 규제에 대한 대책과 이를 배출하지 않는 에너지원의 필요성이 대두되고 있다.

에너지의 공급 정책은 에너지 수요와 환경보전 문제

뿐만 아니라 세계시장에서의 경쟁력을 고려하여야 한다.

이에 대한 해결책은 국내에서 깨끗하고 재생 가능한

에너지 자원을 찾는 일이며, 그 해답의 하나가 수소 이다.

(3)

국가 프로그램 미국 : 5년간 17억불 EC : FP6 에서 20 억 유로

일본 : 300 억엔 / 년 캐나다 , 중국 , 독일 등

국제협력

IEA H2 Coordination Group IEA Implement Agreement 국제수소경제파트너쉽 (IPHE)

EU Technology Platform 양자간 협정

민간부문 : 30~40 억불 / 년 석유가스 및 석탄산업 전력사 및 발전설비업자

화학산업 자동차회사 연료전지 제조회사 하이테크 부품제조회사

< 수소 · 연료전지를 둘러싼 R&D 노력과 국제협력 >

(4)

수소경제

국민

정부

기업

수소과학 위원회 구성

수소에너지

EXPO개최

환경에너지 교육 연계

스테이션 위치 지역 주민 홍보

Leading group 별 접근

수소경제 수소경제

수소 재단 설립

Future Energy project - 대학생 대상 경진 대회

NGO 대상 교육 및 기행

수소 제품 다양화 일상 용품

수소 안전성 광고 제작

정부측면 기업 및 NGO

(5)

수소경제 실현에서의 정부와 민간의 역할

시장진입

시장 및 인프라 확대

RD&D

RD &D

2000년 2010년 2020년 2030년 2040년

1단계

2단계

3단계

4단걔

수소경제의 실현

I. 기술 개발단계

II. 초기시장 침투 단계

III. 인프라 투자 단계

IV. 시장성숙 및 인프라 완비

◆ 상업화 의사결정

<

수소경제 실현에서의 정부와 민간의 역할

>

◆ 자료: US DOE 2004, Hydrogen Posture Plan. An Integrated Research, Development, and Demonstration Plan, Feb 2004

(6)

수소에너지의 장점과 단점

단 점 장 점

• 무색으로 식별이 어렵다

• 화염의 위험

• 착화가 용이

• 연소시 소량의 질소산화물 발생

• 공해물질이 배출되지 않는 이상적인 에너지

• 수소를 얻을 수 있는 원료가 풍부하여 제약이 없다

• 대기오염 물질의 가소로 지구 온난화 방지에 기여

• 지속적인 에너지와 자동공급 가능

• 저장, 수송, 전기적 이용, 산업, 가정, 자동차, 비행기 공장 등 다양한 분야에 사용가능

• 저장이 용이

(7)

수소에너지 개발의 필요성

39억불(8%) 192년

9,845억톤 석탄 24%

66억불(13 67년 %)

176조㎡

천연가스 13%

229억불 (60%) 41년

1,567억톤 원 유 45%

연간수입액 (비중) 사용가능

가매장량 연수 국내에너지

에너지 의존도

◈ 세계 10위! 에너지 소비량 세계 6위! 석유 소비

세계 3위! 석유 수입

◈ 총에너지소비 관련 지표 추이 - 경제적 부담 가중

•국내 연간 총수입 중 에너지 수입비중 22.1%

•유가 60~80$ → GDP 1~2% 하락

주) 1인당 에너지 = 인구/총에너지 수요

GDP탄성치 = GDP증가율(%)/에너지수요증가율(%)

자료 : 에너지수요전망(2004~2009) 2004.12 에너지경제연구원

(8)

수소에너지의 Progress Diagram

•

신 동력시스템의 개발로 해외시장을 개척

•

분산형 전원 및

GHP

용 동력시스템의 국산화

•

수소 에너지 안전성 기술 확보

•

센서

,

제어

/

처치 시스템 기술 수출

•

주요 핵심기술 이전에 따른 기존 수소산업 시장의 확대

•

신 동력시스템의 개발로 해외시장을 개척

•

분산형 전원 및

GHP용 동력시스템의 국산화

•

수소 에너지 안전성 기술 확보

•

센서, 제어/처치 시스템 기술 수출

•

주요 핵심기술 이전에 따른 기존 수소산업 시장의 확대

• NG 자동차용 압축 천연가스 용기로 활용가능 대용량화,

저비용화, 산업화 발전에 크게 기어

•

수소이용 기술

(자동차, 연료전지) 산업의 인프라 발전에 크게

기여

•

수소저장화합물, 반도체, 전극 분야등 소재 산업기술의 발전에 기여

• NG 자동차용 압축 천연가스 용기로 활용가능 대용량화,

저비용화

,

산업화 발전에 크게 기어

•

수소이용 기술

(

자동차

,

연료전지

)

산업의 인프라 발전에 크게 기여

•

수소저장화합물, 반도체, 전극 분야등 소재 산업기술의 발전에 기여

•

신기술 산업에 기초한 고용창출 및 국민경제 향상

•

국내 연간 수소 시장 규모

(약 66억 N㎥)의

•

약

30% 충당 가능

•

이산화탄소 배출 없는 청정에너지원 확보

•

신기술 산업에 기초한 고용창출 및 국민경제 향상

•

국내 연간 수소 시장 규모

(

약

66

억

N

㎥

)

의

•

약

30%

충당 가능

•

이산화탄소 배출 없는 청정에너지원 확보

제 조 제 조

저 장 저 장

이 용 이 용

(9)

체계적 핵심 원천기술 개발

대학 연구소 산업체

•인프라구축, 정치형 연료전지 중소형 수소산업)반도체, 금속, 정밀화학, 제약산업 등

산업용 원료가스

•생태마을 단위의 에너지원

•태양, 풍력등의 이용으로 청정환경

•수소에너지 활용에 의한 온실가스 저감기술 확보

•NGV, FC등 자동차산업, 고압 수소용기 일부 대체, 화합물을 이용한 냉장·냉방 시스템 활용

•반도체 제조공정, 금속 열처리, 유지첨가, 유리공업, 로켓연료, 광섬유 제조분야 활용

•소형화, 경량화로 연료전지, 수소자동차 제작기술 촉진

•NT이용기술 촉진과 기반기술 확충

•분산형 전원, GHP, 자동차의 동력시스템으로 활용

•수소 안전관리기준 제정의 핵심기술 자료제공, 이용

•센서, 계측 및 제어, 안전관리 시스템 등 연구기반 구축

•외국과의 기술경쟁력 확보를 위한 기술의 고급화/첨단화

•수소에너지 이용 안전기술 보급의 구심적 역할

국제협력

수소에너지 제조 수소에너지 저장 수소에너지 이용

(10)

수소에너지의 적용분야

자동차, 연료전지,

수소스테이션, 석유화학, 전자, 재료, 반도체, 제철 공업, 우주항공산업 등 연료전지자동차, 연료전지,

복합재 압력용기,

화학수소화물, 금속수소화물, 이동형-정치형 수소스테이션, 나노재료 등

• 고압기체

• 금속수소화물

• 화학수소화물

• 나노재료

수소에너지 저장

적용가능 제품 및 분야 시장규모 요소기술

자동차, 연료전지, 복합발전, 수소 스테이션, 전자, 재료, 반도체 제철, 우주항공산업 등

• 연소동력시스템

• 수소검지

• 수소기술/안전 수소에너지 이용

2012년(산업용)

국내 : 3억불

국외 : 80억불

자동차, 연료전지,

수소스테이션, 석유화학, 전자, 재료, 반도체, 제철 공업, 우주항공산업 등

• 쳔연가스 이용

• 생물학적

• 광화학적

• 수전해, 열화학적 수소에너지 제조

(11)

수소경제 실현을 위한 로드맵

기술개발단계 도입단계 상용화단계

저거화, 고효율화, 내구성 향상을 위한 지속적인 Up-Grade

2020년 도입목표

연료전지 차량 195만대 발전용 연료전지 2GW 가정용 연료전지 75만대

2040년 도입목표

연료전지 차량 1,250만대 발전용 연료전지 17GW 가정용 연료전지 350만대 천연가스, 여유전력, 부생가스 석탄, 원자력... 신재생에너지

2020년 도입목표

총 수소량중 신재생에너지 비중 22%

2040년 도입목표

총 수소량중 신재생에너지 비중 60%

고압압축저장 등

조기상용기술개발[350→700bar]

액화저장 등 기술개발[10,000L/hr]

탄소나노튜브 등

신기술 확보[12-15Hwt/%]

ON-SITE[수소스테이션]의 단계적 확충 +OFF-SITE 병행 구축 [2020년 1,800개소 → 2040년 9,500개소]

인적자원관리체계(HRM) 확립 [글로벌 인력네트워크 구축]

수출 및 세계시장 공략지원 +인력 저변 확대

[해외 인력의 과감한 도입]

초기시장 형성전략 기존 인력의 고도화

[양적 확대, 질적 혁신]

핵심기술 R&D 및 실증

법령 및 지원조작[수소경제센타] 정비, 안전/표준화 및 공용화..

국제협력강화 및 교육/홍보..

수소 이용 [연료전지]

수소 제조

수소 저장 제조

제 도 및 정 책

인적지원

기반강화 제도정비

2010 2020 2030 2040

연구수준은 기초단계 기술수준운 선진국대비

30-50%

(12)

High pressure Gas cylinders

(액체저장

Solid Metal Hydrige (고체저장)

Chemical (화학저장)

수소 (H

₂

)

가정: 전기, 열

산업: 반도체, 전자

철강, 금속 기초화학 물질 (-NH₃, CH₃OH) 유리, 석영, 식품 고부가자치 의약품 산업: 반도체, 전자

철강, 금속 기초화학 물질 (-NH₃, CH₃OH) 유리, 석영, 식품 고부가자치 의약품

수송용 : 자동차,

버스, 트럭, 배, 제트기 수송용 : 자동차,

버스, 트럭, 배, 제트기

신재생에너지 태양광

지열 풍력 수력 바이오매스

석유 천연가스

광생물학적 광생화학적 광촉매

초임계수가스화 전기분해

자발적 물분해

(i-Power

특허기술

)

부생가스 분리 수증기 개질 반응

제조/분리 기술 저장 기술 응용 기술

안전대책기술

(13)

미국의 수소경제 이행을 위한 로드맵

•에너지안보

•대기오염

•기후변화

•H2 안정성

바이오매스/석탄가스화 재생에너지와 원자력 이용 물분해

최신천연가스 처리공정

•파이프라인

•트럭, 철도 바지선 가압탱크 (가스 및 액체)

화학적 저장(메탄올, 디젤)

•연료정체

•우주왕복선

•휴대용 전원

•공공부문

발전용 및 차량fleet

현지‘분산형’설비

금 속 (metal hydrides)

•연료전지

•최신 연소 기술 양산의 위한 성숙단계의 기술 양산을 위한 성숙단계의 기술

고체상태(탄소, 유리구조)

생물분해 원자력이용

열화학적 물분해 물의 광분해

중앙집중/분산형 통합네트워크

•분산형 전원

•버스fleet

•자동차fleet

•군용

•상업용fleet

•분산형CHP

•개인용 승용차 시장도입

•전력사용 발전시스텤

•통합형 연료/전원 시스템

홍보 및 국민수용 에너지 캐리어로서H2에 대한 신뢰구축

생 산

운 반

저 장

전 환

이 용 수

소

· 연 료 전 지 산 업

공공정책 기 조

2000~ 2010~ 2020~ 2030~ 2040~

*자료: USDOE 2004. Hydrogen Posture Plan, An Integrated Research, Development, and Demonstration Plan

(14)

EU 의 수소 · 연료전지 로드맵

~2050

~2040

~2030

~2020

~2010

? 35%

신규등록차량의5% 25%

FCV

항공부분의H2 수요창출 수소부문 및

분산형 전원, 소형발전 부문에서FC 기술의 독점적

지위 확보 제2세대

차량탑재 저장기술(장거리)

분산형 전원FC 보급확대

FCV의 주종연료로서

H2지위 확보 최초의H2 vehicle

fleets(제1세대 H2저장기술) Hybrid

상압

SOFC상업화(<10MW) FCV 경쟁력 확보 저비용 고온FC; 소형

설치형FC 상업화 가정상업용 저온FC

시스템(<50kw), 발전용(<50kw) 고온 MCFC/SOFC:H2 ICE개발;

FC버스fleets, 발전용 PEMFC(<30kw), FCV fleest(직접H2, 개질기

탑재) 생산 FC/H2

시스 템 개발/

보급

재생에너지 기반 직접H2생산 탈탄소H2경제

확립 H2생산의

탈탄소화 확대 재생에너지, 화석

연료의 탄소처리 새로운 핵반응로의

H2생산 H2 파이프라인

인프라 확충 H2 공급망의 지역

클러스터화, 탄소처리를 통한 화석연료기반H2생산 지역 공급망 상호연계:

재생에너지기반 수소생산 개시 천연가스의 연료개질과

물분해 수소생산, H2의 지역클러스터, H2tmxpdltus 건설 및

스테이션의H2 생산(연료개질, 물분해) 수소

생산 및 공급

공공 편익과 민간의 수익 공공 인센티브와 민간의 노력

*자료: EC 2004, Hydrogen Energy and Fuel Cells, A Vision of Our Future

(15)

21C 수소에너지 시스템 사회기반 구축 무공해 , 청정에너지 기술 확보

수소에너지 제조

수소에너지

저장 수소에너지

이용

¾학연주도 핵심기술 개발

¾수소스테이션 실증기술

¾자연에너지 이용 물분해

¾수소 제조 기술 실증화

¾기업체주도 실증화기술 개발

¾이동형, 정치용 등으로 개발

¾수소안전기술 확립

¾수소기술의code화, 표준화

¾수소연소 동력 시스템 실증

¾20 N㎥/hr급 수소 제조설비의 수소 스테이션 실증

¾자연에너지 이용 물분해 수소 제조기술 시스템화(5N㎥/hr)

¾수소연료자동차용 고압 기체용기 모듈화/시스템화

¾수소저장/방출 시스템 모듈화/시스템화

¾수소검지센터

¾수소 안전관리 기술

¾수소연소 동력 시스템

수소에너지의 활용방안

(16)

세라믹 파우치

(17)

Pouch

1. Put pouch to beaker

3. Vapor, hydrogen and heat are made after 20~30sec.

2. Put water to beaker that put pouch - 20g pouch : water 40ml

- 100g pouch : water 200ml

세라믹 파우치 수소 발생 간이실험

(18)

Ceramic Powder reaction bottle

Check valve

Moisture trap

& purifier Flow meter

Hydrogen gas outlet

수소발생장치 사진 -1

(19)

4. Hydrogen gas reservoir 1. Ceramic Powder

reaction bottle

2. Moisture Trap

3. Purifier

5. Regulator

수소발생장치 사진 -2

(20)

1. Ceramic Powder reaction bottle

6. Hydrogen gas reservoir - A

2. Moisture Trap 3. Chemical Trap

4. Purifier

5. Check Valve

7. Regulator

8. Hydrogen gas Outlet

Specifications;

-

최대 수소발생량

: 500 N

㎥

/hr

-

순도

: 99.999%

수소발생장치 <IP-500>

(21)

1. Ceramic Powder reaction bottle

4. Purifier

5. Check Valve 8. Regulator

9. Hydrogen gas Outlet

6. Hydrogen gas reservoir - A 7. Hydrogen gas

reservoir - B

Specifications;

-

최대 수소발생량

: 1000 N

㎥

/hr

-

순도

: 99.999%

A

B

(22)

1. Ceramic Powder reaction bottle

4. Purifier 5. Check Valve 7. Hydrogen gas

reservoir - B 9. Hydrogen gas

reservoir - D

6. Hydrogen gas reservoir - A

8. Hydrogen gas reservoir - C 10. Regulator

11. Hydrogen gas outlet

Specifications;

-

최대 수소발생량

: 2000 N

㎥

/hr

-

순도

: 99.999%

(23)

수소발생장치 구조도

(24)

수소가스 보일러

(25)

수소가스 보일러 스펙

80,000 B.T.U(20,000kcal)/h 80,000 B.T.U(20,000kcal)/h

Hot water output

8.3ℓ/min 8.3ℓ/min

Hot water supply ΔT40℃

Heating/hot water only Heating/hot water only

Usage

Compulsion exhaust Compulsion exhaust

Exhaust

More than 90%

88.1%

Hot water efficiency(%)

5 min 5 min

Elapsed time to 60℃

15℃

Initial water temperature 15℃

34,000kcal/kg 10,500kcal/LB(1,000ℓ)

Combustion calorie

600ℓ/h 1,904ℓ/h

Fuel consumption per hour

Hydrogen gas Fuel LNG

Spec

<수소 가스보일러 제품사양>

Basis : 100

㎡

(30

평

), 80,000 B.T.U./h