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May, 2019
Byungil Choi
Korea Institute of machinery and Materials
Contents
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* 수소경제활성화로드맵(2019.1)
- (IMO) 2025년 이후 40% 감축
전기에너지 저장기술
PHS : Pumped Hydro StorageCAES : Compressed Air Energy Storage
2020 2040
HFO + MGO MGO + LNG LNG + LH2
2022 20252013 2015
Phase 4Phase 3Phase 1 Phase 2
PLD
V s
tock
, m
illio
ns
ICE & Hybrid
28%
PLDV Stock in 2DS High H2 (EU)
Battery ESS (5억원/1MWh)*1MWh 전기에너지 가격 : 10만원 (산업전기 100원/kWh) 우리나라 하루 사용 전력 저장 배터리 ESS의 가격 : 750조
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[LAES] 지역적 제한조건 없는 대용량 에너지 저장 : 액체공기
에너지저장 (Liquid Air Energy Storage) 시스템
[P2F] 변동성이 심한 재생에너지의 잉여전력을 통해 수전해로
수소를 생산하고, 친환경연료로 변환 및 저장하는 시스템
(Power to Fuel), 재생에너지 발전비율 확대 및 CCS 연계를
통한 이산화탄소 활용 기반 마련
[CAES] 변동성이 심한 재생에너지의 잉여전력을 활용, 공기를
고압으로 압축 저장, 공기터빈을 사용하여 전력 생산, 대용량
저장이 가능하고 효율이 높으나, 압축공기 저장 동굴 등의
지리적 제한 요건이 심함
[PHS] 재생에너지의 변동성을 극복하기 위한 양수발전((PHS,
Pumped Hydroelectric Storage), 대용량 저장이 가능하고
효율이 높으나, 댐 건설 등 환경/지리적 제한 요건이 심함
[Battery ESS] 재생에너지 전력을 Battery에 저장, 활용,
응답성이 좋고, 그리드 연계성이 좋으나, 저장용량이 타 저장
방식에 비해 현저히 낮은 단점을 지님. 또한 단위 에너지
저장에 필요한 초기 투자비가 매우 큼 (5억원/1MWh)
*1MWh 전기에너지 가격 : 10만원 (산업전기 100원/kwh)
스마트폰배터리용량 : 20Wh
* 우리나라 하루 사용 전력 저장 배터리 ESS의 가격 : 750조
The problem with the all-renewable scenarios (South Korea example)Scenario: 50% solar + 50% wind (Source: Clean Air Task Force, Cambridge, MA, January 2019)
국내 발전설비 용량 ~100GW
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REF : WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a, JRC85329, EUR 26236 EN, 2014
▪ 1차에너지원이 채굴(Well)되고, 수소를 생산, 운송, 저장, 분배하여 최종적으로 연료전지차가운행(Wheel)할 때까지의 전체 에너지 소모량 및 지구온난화가스 배출량
▪ LNG로부터 수소를 생산하여 운행하는 경우에도 일반 엔진구동 자동차에 비해 우위
Steam MethaneReforming
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수소의 대용량 저장 및 운송, 수요가 많은 도심지 저장 및 운송, 안전문제 고려 필수
- 액체수소(-253 oC) – 기체수소대비 부피 1/800, 고압수소(200bar) 대비 4.5배의 저장/수송효율, 설치부지 1/10
- 해외 수소충전소 액체수소 공급 비율 (LINDE) : 미국(87%), 일본(63%), 유럽(12%), 국내(고압기체수소)
- 운송관점에서는 Pipeline이 최적이나, 저장측면에서는 액화가 필요, 선박, 우주항공 연료 활용 시 액화 필수
LiquidStorage
GaseousStorage
2bar, 4.7 ton
300bar, 4.4 ton
용량 및 안전 문제
300kg @ 200barGaseous Tube Trailer
3,500 kg @ 1.3 barLiquid hydrogen Trailer
인천 LNG 인수기지
Courtesy of Linde Korea
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❖수소 충전소 수소 공급 방식에 따른 경제성
공급방식 생산․운송 형태경제성
시설비 운송비 부대비용1) 가격변동성 안전성2)
On-site
(기체 수소)
NG, LPG, 납사 등개질
전력수전해중 하 상 안정 상
Off-site
(기체 수소)
파이프라인 상 하 하 불안정 중
튜브트레일러 하 상 하 불안정 하
1) 전기요금, 인건비 등 수소제조를 위한 생산 및 운영 비용
2) 파이프라인 방식은 수소배관(중압), 튜브트레일러 방식은 고압수소가스 운송 및 저장 에 대한 안전관리 필요
❖ 300kg/day, 700bar Hydrogen Station의 경제성 분석 결과
초기투자비 수소 공급/생산 비용스테이션비용
수소판매가격
Tube Trailer
Hydrogen Station1.86 M$
5.90 $/kgH2
(Tube Trailer공급)8.35 $/kgH2 14.26 $/kgH2
Onsite SMR
Hydrogen Station4.43 M$
11.87 $/kgH2
(SMR 수소 공급)8.41 $/kgH2 20.23 $/kgH2
Onsite Electrolysis
Hydrogen Station3.45 M$
13.38 $/kgH2
(Electrolysis 수소 공급)8.41 $/kgH2 21.74 $/kgH2
* 출처 : SAND2017-2832, Comparison of conventional vs. modular hydrogen refueling stations, and on-site production vs. delivery, Sandia National laboratories, NREL, USDOE, 2017
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HDSAM (H2A Delivery Scenario Analysis Model, Ver. 3.1, DOE, 2017,수소생산/액화/운송/충전 등 전주기를 고려한 수소스테이션에서 차량에 공급하는 가격을 예측, 경인지역 대상 (수소 생산비는 제외)
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Continent/Country Location Operated by Capacity(TPD) Commissioned inStill in operatio
n
America
Canada Sarnia Air Products 30 1982 Yes
Canada Montreal Air Liquide Canada Inc. 10 1986 Yes
Canada Becancour Air Liquide 12 1988 Yes
Canada Magog, Quebec Linde 15 1989 Yes
Canada Montreal BOC 14 1990 Yes
French Guyane Kourou Air Liquide 5 1990 Yes
USA Ontario Praxair 20 1962 Yes
USA Sacramento Union Carbide,Linde Div 54ª 1964 NO
USA New Orleans Air Products 34 1977 Yes
USA New Orleans Air Products 34 1978 Yes
USA Niagara Falls Praxair 18 1981 Yes
USA Sacramento Air Products 6 1986 Yes
USA Niagara falls Praxair 18 1989 Yes
USA Pace Air Products 30 1994 Yes
USA McIntosh Praxair 24 1995 Yes
USA East Chicago, In Praxair 30 1997 Yes
USA CaliforniaFirstFuelElement
(Air Liquide)30 2019 Plan
Subtotal 300
⚫ 국외 : 전세계에서 30개의 상용급 수소액화 플랜트 운영 중, 총 생산용량은 355 ton/day (2010년 기준)
- 4대 Major 회사(Air Liquide, Linde, Praxair, Air Products)만 상용화 기술 확보
⚫ 국내 : 대용량 수소액화 플랜트 전무
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Continent/Country Location Operated by Capacity(TPD) Commissioned in Still in operation
Europe
France Lille Air Liquide 10 1987 Yes
Germany Ingolstadt Linde 4.4 1997 Yes
Germany Leuna Linde 5 2008 Yes
Netherlands Rosenburg Air Products 5 1987 Yes
Subtotal 24.4
Asia
China Beijing CALT 0.6 1995 Yes
India Mahendragiri ISRO 0.3 1992 Yes
India India Asiatic Oxygen 1.2 - Yes
India Saggonda Andhra Sugars 1.2 2004 Yes
Japan Akita Prefecture Tashiro 0.7 1985 Yes
Japan Oita Pacific Hydrogen 1.4 1986 Yes
Japan Tane-Ga-Shima Japan Liquid Hydrogen 1.4 1986 Yes
Japan Minamitane Japan Liquid Hydrogen 2.2 1987 Yes
Japan Kimitsu Linde 0.3 2003 Yes
Japan Osaka Iwatani (Hydro Edge) 11.3 2006 Yes
Japan Tokyo Iwatani, built by Linde 5 2008 Yes
Japan Yamaguchi Iwatani 5.0 2013 ○
Japan Yamaguchi Iwatani 5.0 2017 ○
Japan Kobe KHI 5.0 2018 ○
Japan Osaka Iwatani (Hydro Edge) 5.0 2019 Plan
Subtotal 40.6
Worldwide 365
Songwut Krasae-in, Jacob H. Stang, Petter Neksa, “Development of large-scale hydrogen liquefaction processes from 1898 to 2009”, international Journal of Hydrogen Energy, Vol.35, pp.4524 – 4533.
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2019-2024년 (5년)
380 억원정부280억원(74%), 민간100억원(26%)
국토교통부
사업범위
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❖ 목적 : 수소액화 플랜트 공정기술 및 수소액화 핵심설비, 액체수소 저장탱크
기술개발을 통해 수소의 대용량 생산‧저장‧운송‧활용 기반마련
⚫ 상용급 (0.5 ~50 ton/day 급) 고효율 수소액화 플랜트 설계기술 확보
- LNG 냉열 활용 고효율 공정설계 기술 개발(효율 : 11.4 kWh/kgH2, 5 ton/day)
- LNG 냉열 활용 Pilot (0.5 ton/day급) 수소액화 플랜트 구축 운용
(효율 : 14.3 kWh/kgH2, 운전시간 100hr × 5회)
⚫ 수소액화 핵심 기자재 개발 (0.5 ton/day급, 5 ton/day급)
- 수소액화용 극저온 Turbo Expander
- 수소액화용 극저온 열교환기
- 수소액화용 Cold Box
- 수소액화용 극저온 밸브
⚫ 액체수소 저장탱크 개발
- 35m3급 저장탱크 (Boil off ratio : 1%/day)
- 350m3급 저장탱크 (Boil off ratio : 0.3%/day)
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❖ 4대 Major 회사 : Air Liquide, Linde, PraxAir, Air Products & Chemicals
⚫ 용량 : 0.5 – 35 ton/day LH2
⚫ Specific power consumption : about 10 ~ 15 kWh/kgLH2
⚫ Cycle : LN2 Pre-cooled liquefaction cycle (Claude Cycle, He Brayton Cycle)
* Songwut Krasae-in et als., Development of large-scale hydrogen liquefaction processes from 1898 to 2009, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, pp. 4524~4533, 2010
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이론효율(kWh/kgH2) 실제효율(kWh/kgH2) 비고
Liquefaction 2.8 10.0~15.0 From 22bar GH2 to 2bar LH2
Liquefaction with LNG Precooling 1 2.5 8.5Feed H2 precooling only
(3.2kg LNG/kgH2)
Liquefaction with LNG Precooling 2 1.4 3.6Feed H2 precooling+RecycledH2
cooling (25.7kg LNG/kgH2)
❖ LNG 냉열활용수소액화플랜트건설 (LNG 활용수소생산, LNG 냉열활용액화)
Andres Kuendiget. als, Large scale hydrogen liquefaction in combination with LNG re-gasification, Proc. of the 16th World Hydrogen Energy Conference, Lyon, France, 2006
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이론효율(kWh/kgH2) 실제효율(kWh/kgH2) 비고
H2 Liquefaction 2.8 10.0~15.0 From 22bar GH2 to 2bar LH2
Liquefaction with LNG Precooling 1 2.5 8.5Feed H2 precooling only
(3.2kg LNG/kgH2)
Liquefaction with LNG Precooling 2 1.4 3.6Feed H2 precooling+RecycledH2
cooling (25.7kg LNG/kgH2)
❖ 수소액화를위한LNG 냉열활용량검토
Andres Kuendiget. als, Large scale hydrogen liquefaction in combination with LNG re-gasification, Proc. of the 16th World Hydrogen Energy Conference, Lyon, France, 2006
출처 : 산업통상자원부 (한국가스공사, 관세청 자료) 2015 2016 2017
국내 LNG 도입량 (톤/year) 31,410,000 31,895,000 37,537,000
수소차 (대) 수소 수요량 (ton/year)LNG 개질 수소 생산시LNG 소요량 (ton/year)
LNG 냉열 수소액화시LNG 소요량 (ton/year)
2030년 630,000 132,000 343,200 422,400
근거
• 수소차보급 : 수소차 보급 및 시장 활성화 계획 (관계부처 합동, 2015. 12)• 수소차 연비: 86km/kgH2(55mpgge), 연간주행거리 : 18,000km/year• 대용량(50,000Nm3/hr = 108 ton/day) 천연가스 개질기 기준 NG 소모량 : 2.6 kg NG / kg H2• LNG 냉열 활용 조건 : 아래 표의 LNG Precooling 1 조건 (3.2kgLNG / kgLH2)
2030년 기준 수소차 보급계획에 따른 수소수요량을 액화하기 위한필요 LNG 량은 국내 LNG 도입량(2017년기준)의 1.1% (=422,400/37,537,000) 수준
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사양 선정
세부과제
High Efficiency Hydrogen
Liquefaction Process
TurboExpander
개발 기간
5차년도4차년도1차년도 3차년도2차년도
설계 및 제작 기술 개발
LH2 StorageTank
내압 및 단열기술 개발
설계 및 제작 기술 개발
사양 선정CryogenicHeat Exchanger 설계 및 제작 기술 개발
사양 선정Cold-Box
설계 및 제작 기술 개발
사양 선정Cryogenic
Valve 설계 및 제작 기술 개발
LNG 냉열 활용 최적 수소액화 공정 기술 개발
0.5 TPD pilot 플랜트 설계/구축/시운전
0.5 TPD 급 시작품 제작
성능평가
35 m3 시작품제작, 평가
0.5 TPD 급 시작품 제작
성능평가
0.5 TPD 급 시작품 제작
성능평가
0.5 TPD 급 시작품 제작
성능평가
0.5 TPD 수소 액화기 운영기술(국산설비 실증)
LNG 냉열 활용수소액화플랜트스케일업설계기술 개발 (5~50 TPD)
스케일업기술개발
5 TPD 급 Turbo Expander시작품제작
스케일업기술개발
350 m3 급 저장탱크시작품제작
스케일업기술개발
5 TPD 극저온열교환기 시작품제작
스케일업기술개발
5 TPD 급 Cold-box 시작품제작
스케일업기술개발
5 TPD 급 극저온밸브시작품제작
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* TPD : ton/day
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❖LNG 냉열활용 고효율 수소액화 공정 구현 / 실증
Compressioncooling
Comp.
SMR
Compressioncooling
GH2
Comp.
O-P Conv.
LNG
Re-liquefaction
LNG Tank
He
HX1
HX2 HX3
Expander Expander
HX4 HX5
O-P Conv.
LH2 Tank
J-T valve
LH2 Bath
NG P
SMR : Steam Methane Reformer)HX : Heat ExchangerO-P Conv. : Ortho-Para Converter
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LNG저장탱크(40ton)
LN2탱크
KIMM, LNG and Cryogenic Technology Center (Gimhae City, Gyeongsangnam-do)
한국기계연구원, LNG극저온기계기술 시험인증센터(김해)
5
* KIMM : Korea Institute of Machinery & Materials
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With CCUS
* CCUS : Carbon Capture, Usage and Storage
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❖ 후보지 : LNG 생산기지(가스공사, POSCO, SK&GS 등) 주변 지자체 연계
인천생산기지
평택생산기지
통영생산기지
삼척생산기지
당진 생산기지 예정
보령 LNG 터미널
광양 LNG 터미널
통영생산기지
삼척생산기지
평택생산기지
인천생산기지
* LNG Import Countries(2017) : 1. Japan(84M ton), 2. China(39M ton), 3. Korea(38M ton)
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Simulation using HDSAM (Hydrogen Delivery Scenario Analysis Model) V3.1, US DOE, 2017
• 서울경인지역 대상• 수소차 315,000대 (2030년 국내 보급계획의 50%)
• 연비 : 86 km/kgH2, 연간주행거리 : 18,000 km• 총 수소수요량 : 180,000 kg/day = 65,700 ton/year• 수소생산기지와 도시와의 거리 : 100km• 수소스테이션가동률 80%• Pipeline 건설비 : 도시가스 배관 건설비의 1.1배• Pipeline Land Cost : 미국의 2배 가정• 환율 : 1,150원/$
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City Gate
City
City
Centra
lized G
H2
Pro
ductio
n S
iteCentra
lized G
H2
Pro
ductio
n S
ite
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Transmission
& Distribution
Method
H2
Production
(원/kg)
Storage &
Distribution
(원/kg)
Refueling
Station
(원/kg)
Dispensing
Price
(원/kg)
Initial Capital Investment (억원)
Pipeline 2,500 6,600
6,600
(500kg/day)
(449 site)
15,700
Pipeline compressor 134
Transmission Pipeline 906
Storage (Geological) 258
Distribution Pipeline 17,526
GH2 Refueling Station 15,384
SUM 34,208
Pipeline
(to City Gate)
Tube Trailer
(Inside the City)
2,500 3,400
5,000
(500kg/day)
(449 site)
10,900
Pipeline compressor 135
Transmission Pipeline 906
Storage (Geological) 259
GH2 Terminal 3,874
Tube Trailer 2,833
GH2 Refueling Station 11,888
SUM 19,895
4
28/35
Transmission
& Distribution
Method
H2
Production
(원/kg)
Storage &
Distribution
(원/kg)
Refueling
Station
(원/kg)
Dispensing
Price
(원/kg)
Initial Capital Investment (억원)
Tube Trailer
2,500
3,700
(250bar,
600kg)
5,000
(500kg/day)
(449 site)
11,200
Storage (Geological) 312
GH2 Terminal 3,989
Tube Trailer 3,225
GH2 Refueling Station 11,888
SUM 19,414
2,500
3,400
(540bar,
1042kg)
4,800
(1,000kg/day)
(225 site)
10,700
Storage (Geological) 312
GH2 Terminal 4,703
Tube Trailer 3,651
GH2 Refueling Station 11,644
SUM 20,310
Liquid Truck
2,500 3,900
5,000
(500kg/day)
(449 site)
11,400
Liquefier 5,710
LH2 Terminal 1,605
LH2 Truck 784
LH2 Refueling Station 11,814
SUM 19,913
2,500 2,800
4,100
(1,000kg/day)
(225 site)
9,400
Liquefier 5,673
LH2 Terminal 1,594
LH2 Truck 674
LH2 Refueling Station 7,680
SUM 15,621
4
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Transmission
& Distribution
Method
H2
Production
(원/kg)
Storage &
Distribution
(원/kg)
Refueling
Station
(원/kg)
Dispensing
Price
(원/kg)
Initial Capital
Investment (억원)
Pipeline
2,500 6,6006,600
(500kg/day)15,700 34,208
2,500 4,8006,100
(1,000kg/day)13,400 28,137
Pipeline +
Tube Trailer
2,5003,400
(250bar, 600kg)
5,000
(500kg/day)10,900 19,895
2,5003,300
(540bar, 1,042kg)
4,800
(1,000kg/day)10,600 20,427
Tube Trailer
2,5003,700
(250bar, 600kg)
5,000
(500kg/day)11,200 19,414
2,5003,400
(540bar, 1,042kg)
4,800
(1,000kg/day)10,700 20,310
Liquid Truck
2,500 3,9005,000
(500kg/day)11,400 19,913
2,500 2,8004,100
(1,000kg/day)9,400 15,621
• 1,000 kg/day 수소스테이션 활용 시 (버스, 트럭, 선박 등 대용량 충전 필요성 증가)• 액체수소 활용시 자본투자가 가장 적고, 수소 충전가격이 가장 저렴
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AustraliaKorea
HySTRA (CO2-free Hydrogen Energy Supply-Chain Technology Research Association) 2015~2020, Japan
5
Courtesy of KAIST
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5
Export PortSea
LH2 Barge Terminal
Import PortSea
LH2 Barge Terminal
Courtesy of KAIST
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- 혁신성장 보고대회- 에너지신산업, 미래차, 드론 등 8대 핵심사업에서 일자리 30만개 창출 (‘18.5)
- 8대산업 : 초연결 지능화, 스마트공장, 스마트팜, 핀테크, 에너지신산업, 스마트시티, 드론, 미래자동차
Industry development
Mark
et
deve
lopm
ent
Sweden
NL
Canada
France
UK
China
Denmark
Norway
US Germany
KoreaJapan
Hydrogen Mobility Hydrogen Stationary
* Policies of countries leading hydrogen development and implications for Korea, International Energy Forum-Korea National Assembly, Seoul, 6 Feb. 2018, Bernd Heid, Mckinsey&Company
1
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1
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- 수소경제
1
36/35
Naro Space Center, KOREA
Courtesy of KARI (Korea Aerospace Research Institute)
감사합니다.
Thank you for your attention.
Byungil Choi, Ph. D.Head/Principal ResearcherDept. Plant Technology, KIMM+82-42-868-7405 [email protected]
