수소에너지기술 I – 수소저장, 응용 및 산업현황

10주차

대구가톨릭대학교 에너지신소재공학과

한윤수

■ 과목명: 연료전지이론

목 차

1. 수소 저장

2. 수소 응용

3. 수소에너지 산업현황

1. 수소 저장

4 연료전지이론

1. 수소저장

■ 고압수소로 저장

○ 현재 가장 널리 사용되고 있는 고압 기체수소 저장방법은 수소를 15MPa 내외로 저장 ○ 보다 많은 양의 수소를 저장하기 위하여 철강재료가 아닌 복합재료를 이용하여 30MPa 이상까지 저장할 수 있는 초고압 저장기술이 연구 개발되고 있음

■ 액체수소 저장

○ 액체수소의 저장에는 20K 정도의 매우 낮은 온도가 필요하므로 성능이 우수한 단열재가 요구 ○ 단열방법으로는 진공단열 등이 적용 ○ 액체수소의 저장을 위한 초단열재의 개발, 저장에 따른 비용의 저렴화, 장치의 안전성 확보 등에 대한 기술 개발이 필요

5 연료전지이론

■ 수소 저장 합금(hydrogen storage alloy)에 의한 저장 ○ 실용화 단계에 있는 기술로서, 보다 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 합금 개발 중 - 무거운 고압봄베(고압수소) 혹은 극저온의 액화(액화수소)가 불필요한 방법 - 현재 가장 널리 사용되는 LaNi계 및 FeTi계 합금의 수소저장량은 1∼2wt% 수준 - 온도를 낮추거나 압력을 높여주면, 수소를 흡수하여 금속 수소 화합물로 되면서 열을 방출, 온도를 올리거나 압력을 낮추면 다시 수소를 방출하는 원리를 이용하여 저장하는 방법(고체저장) - Mg계 합금의 경우 수소저장량은 5∼7wt%에 달하고 있으나, 수소의 흡수/방출속도가 LaNi계 및 FeTi계 합금보다 훨씬 느리고, 고온영역에서 수소의 흡수/방출이 일어나므로 실용화를 위한 개선 연구가 요구됨 ○ 수소저장 재료로서 수소저장합금의 요구조건 - 수소의 저장능력이 클 것, 수소의 흡수 및 방출속도가 클 것 - 사용온도에 적합한 생성열(반응열)을 가지고 있을 것 - 수소의 반복적인 흡수와 저장에 따라 열화되지 않을 것, 불순가스에 대한 내피독성이 클 것 - 합금의 가격은 저렴하고 가볍고 내구성이 우수할 것 - 온도를 낮추거나 압력을 높여주면, 수소를 흡수하여 금속 수소 화합물로 됨 (발열) - 반대로 온도를 올리거나 압력을 낮추면 다시 수소를 방출 (흡열)

1. 수소저장

6 연료전지이론

■ 화합물에 의한 저장

○ 수소를 포함하는 다른 화합물 즉 암모니아, 메탄올, 싸이클로헥산, 메틸싸이클로헥산, 데카린 등으로 저장하는 방법 - 수소 필요 시에 이들 화합물의 분해반응으로 수소를 회수하여 이용

■ 제올라이트에 저장

○ 제올라이트(Na2O, Al2O3, xSiO2, yH2O : Sodium Alumonosilicate)는 3차원 골격구조를 가지고 있으며, 이들의 미세 결정체들은 전체부피의 약 50%가 빈 공간(Void volume)인 동공(Cavity)으로 구성 - 동공들은 3차원으로 연결되어 각종 분자차원의 입구(Opening)를 가진 Channel과 Window들을 형성하므로 분자체로서도 현재 많이 사용 - 이러한 제올라이트의 물리화학적 특성과 분말이라는 물리적인 특성을 이용하여 수소의 저장시스템 으로 활용하고자 하는 연구들이 1960년대 초부터 시작

1. 수소저장

7 연료전지이론

■ 탄소나노튜브에 저장

○ CNT(carbon nano tube)를 질산 혹은 초음파를 이용하여 옆구리에 흠집을 내어 수소가 쉽게 들어갈 수 있는 구조를 형성시킨 후 수소 저장하는 방식 - 화학적 결합에 의한 저장이 아니라 물리적 저장 방식임 (저온에서 흡착/탈착이 용이함) - 물리적 결합이므로, CNT와 수소간의 인력이 약하여 수소가 쉽게 떨어져 나가는 문제로 인해 저장의 한계가 있음

※ 탄소의 동소체(allotrope)

※ 동소체(allotrope): 같은 원소로 이루어져 있으나 형태가 다른 것 ※ 동위원소(isotope): 원자번호는 같지만 질량수가 다른 원소

1. 수소저장

8 연료전지이론

■ 수소저장 방식별 부피 비교

4 kg 수조 저장 부피비교

1. 수소저장

2. 수소 응용

10 연료전지이론

2. 수소응용

■ 화학공업 이용기술

○ 현재 생산되는 수소의 대부분은 화학공정에 이용되고 있음 - 단일 이용공정으로 암모니아 제조용 수소의 수요가 제일 크며, 나머지의 대부분이 석유화학공업에 이용되고 있다. - 석유정제 공업에서 탈황공정, 중질유의 수소화 분해 등에 수소가 이용

■ 연료전지 발전기술

○ PEMFC, SOFC, PAFC, AFC, MCFC 및 DMFC에 수소가 연료로 이용

■ 수소 자동차

○ 수소를 연료로 사용하는 수소자동차는 가솔린을 사용하는 것보다 열효율이 우수하며, 기존의 내연 기관을 조금만 개량하여도 수소를 연료로 사용할 수 있음 - 극소량의 질소산화물을 발생하는 것 외에 연소생성물은 물뿐이므로 환경오염의 염려가 없음 - 수소자동차는 기존의 연료탱크를 수소저장탱크로 바꾸어 주어야 하므로 수소를 저장하는 기술이 요구되며, 현재로서는 액체수소 저장의 경우가 제일 적합한 것으로 알려지고 있다. - 현재 일본의 Musashi Institute of Technology와 독일의 BMW 등에서 액체수소 저장탱크를 장착한 수소자동차가 연구, 개발되고 있다.

■ 기타 이용기술

○ 수소이용 히트펌프: 화학반응에 수반되는 반응열을 이용하는 히트펌프 ○ 반도체 제조 등 전자산업에의 이용: 환원분위기를 조성하기 위해 사용 (5N~6N의 고순도로 활용)

※ Ammonia 제조 - N2 + 3H2 → 2NH2 ※ SNG(Synthetic or Substitute Natural Gas) 제조 - CO + 3H2 → CH4 + H2O ※ Methanol 제조 - CO + 2H2 → CH3OH

11 연료전지이론

■ 수소 스테이션 예시

2. 수소응용

12 연료전지이론

○ 전기생산 분야 - 수소 연료전지는 깨끗하고 조용할 뿐만 아니라 효율도 높아 다용도로 사용될 전망 ○ 자동차 - 수소의 성질은 수소 내연기관용과 전기 동력의 자동차 모두의 연료가 될 수 있으며, 현재 실증이 활발이 이루어지고 있는 분야이다. ○ 해군에서의 활용 - 독일 해군은 차기 잠수함 연료 동력을 위해 수소연료전지 공장을 합병시키기로 결정 - 호주, 캐나다, 이탈리아 해군에서는 잠수함에 수소연료전지 이용을 실험하고 있다. ○ 우주 개발 프로그램 - 1974년 이전에 이미 수소가 다른 것에 비해 월등하다는 이유와 비교되지 않는 수소의 성질(가장 가벼운 원료) 때문에 각국의 우주개발프로그램에서 주연료로 수소를 이용하고 있다. ○ 항공 우주선 - slush hydrogen(액체와 고체 수소의 혼합물)의 효과로 기대되는, aerospike 로켓 엔진을 사용하여 기존의 1/3크기의 우주선 제조가능 ○ 비행기 - 수소의 가벼운 무게와 우수한 연소 성질 및 환경 친화성 때문에 수소는 비행기에게 이상적인 연료이다. - 독일과 러시아는 수소를 연료로 쓰는 항공 수송의 개발에 협력 하기로 동의

■ 수소 이용기술에 대한 현황 및 전망

2. 수소응용

3. 수소에너지 산업현황

14 연료전지이론

■ 국내 기술개발 현황

3. 수소에너지 산업현황

○ 1980년대 후반까지 신재생에너지로서의 수소에너지 기술개발에 대한 인식 부족으로 인하여 전반적인 연구 수준은 기초 단계 ○ 수소 제조 - 천연가스로부터 수소제조 기술을 일부 확보하였으며, 저가의 대용량 수소 제조에 대한 기술 개발이 진행 중 - 천연가스로부터 대량 수소 제조 및 저장(한국가스공사) - 탄화수소 촉매반응에 의한 연속적 수소제조(성균관대) ○ 수소 저장 - 실험실 규모의 액체저장법(-253℃) 및 고체저장법인 MH(수소저장합금)의 소재 개발을 수행 하였으며, 탄소나노튜브를 이용 수소 저장 기술을 개발 중 - 핵심소재 기술개발을 위한 탄소나노튜브 이용 수소저장(전북대) - 연료전지 차량용 고압수소 저장 기술개발 추진(현대차) ○ 수소 스테이션 기술 개발 및 실증연구(30N㎥/hr급) - 천연가스 이용한 수소스테이션 건설 및 실증연구(한국가스공사) - 액체연료(LPG)를 이용한 수소스테이션 건설 및 실증연구 (GS칼텍스) - LPG를 이용한 수소 스테이션 국산화 기술개발(SK에너지) - 제주도(수전해) 및 울산,여천(이동식 충전소)에 수소 스테이션 건설 예정

※ N㎥/hr : The N stands for Normal. It means it was measured at standard temperature and pressure. Standard pressure is 1 atmosphere. Standard temperature varies between industries, usually 0 ºC or 20 ºC.

15 연료전지이론

■ 국내 기술개발 현황

○ 수소제조 관련 개발 예시

○ 수소스테이션 실증연구 예시

3. 수소에너지 산업현황

16 연료전지이론

■ 해외 수소 스테이션 설치 현황

3. 수소에너지 산업현황

17 연료전지이론

■ 우리나라 수소경제 장기 비젼

3. 수소에너지 산업현황

18 연료전지이론

■ 수소 시장 전망

○ 2020년 1400억 달러 이상의 시장이 형성될 것으로 전망

3. 수소에너지 산업현황

19 연료전지이론

■ 자동차용 연료 중 수소 점유율 전망

3. 수소에너지 산업현황

20 연료전지이론

■ 미래 수소에너지 사회 예시도

3. 수소에너지 산업현황

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