Transcript 수소·연료전지

1. 화학공학 기술 패러다임의 변화
Environment- Friendly Technology
Fusion Technology (NT + IT + BT)
Customer-oriented production
21세기
NT-based
융합기술
화학/화학공학 기반
20 세기
화석원료 중심의
중화학 산업구조
0
Chemical Plants
Energy consuming industries
Mass production
Environmental problems
예1) 유비쿼터스 네트워킹 사회 (ChemE+IT+NT)
Plasma Chemistry and Engineering
Thin Film Processing
Surface & Interface Chemical Kinetics
Nanomaterials & Nanochemical Processing
Semiconductor Chemical Processing
Chemical Reaction Engineering
Process Control and Optimization
Semiconductor Devices Fabrication Processes
Organic Chemistry
Inorganic Chemistry
Thin Film Processing
Display Materials Processing
Display devices Fabrication Processes
Nanochemical Processing
1
예2) 건강한 생명 사회 (ChemE+IT+NT+ BT)
Microfluidics and
MEMS processing
Nanomaterials &
nanoprocessing
Organic materials and
materials processing
Molecular biology and
genetics
2
예3) 지속발전 가능한 사회 (ChemE+ET+NT)
Functional polymer
Hydrogen production
Fluid dynamics
Process system eng.
Electrochemistry
Fuel cell vehicle
Catalysis
3
교토의정서 주요 내용
< 교토의정서 주요내용 >
◆ 선진국(협약부속서 1국가, 한국 제외)은 1차 이행기간 중(2008~2012년)
‘90년 대비 온실가스를 평균 5.2% 감축(국가별 감축량은 상이, 일본은 6%)
◆ 온실가스 감축 위한 시장 체제 (교토메카니즘 : 배출권거래제, 공동이행제도, 청정개발체제) 인정
◆ 교토의정서 발효 이후의 일정
2005년
교
토
의
정
서
발
효
4
2008년
2013년
2018년
2차 이행기간에
선진국
한국도
대한 감축 협상 진행
온실 가스
한국에 대한
감축 개시
감축압력 가중
참여 불가피
전 세계 에너지 장기 수요 전망
◆ 신·재생에너지 시대의 도래 (← 천연가스시대 ← 석유시대)
◆ 세계에너지환경의 변화에 따른 신·재생에너지의 중요성 부각
<단위:EJ>
< 전세계 에너지 장기수요전망 (에경연) >
EJ: Exa Joule (10
1,400
1,200
신재생에너지
1,000
800
석 탄
600
석 유
천연가스
400
200
1990
2000
2010
2020
2030
2040
2050
2060
2070
2080
◆ 온실가스 감축부담의 본격화
* EU의 배출권 거래제도(ET) 시행(’05, 1월) 등 본격적인 환경경제시대 도래
⇒ 환경비용을 최소화할 수 있는 청정에너지의 관심 고조
5
* 우리나라는 2차 이행기간(’13~’17)중 온실가스 감축의무 부담 예상
2090
2100
18)
감축 의무 부담의 경제적 파급효과
• 한국의 경우
- 2차 이행기간 (2013-2017)중 1995년 대비 5% 감축의 경우
실질 GNP 성장률이 2015년 약 0.78% 감소 전망
- 2000년을 기준으로 5% 감축의무의 경우
실질 GNP 성장률이 2015년 약 0.45% 감소 전망
• 일본의 경우
2008 ~ 2012년 동안 1990년 대비 6% 의 온실가스 감축의무
매년 2조 엔의 관련 비용 예상 (GDP의 0.4% 해당)
• 유럽의 경우
2005년도 1월부터 EU 25개국을 대상으로 유럽 배출권 거래제 (EU-ETS) 개시
2006년도 EU-ETS의 탄소 거래액이 220억 유로 (약 27조원)을 초과 할 것으로 추정
* ETS: Emission Trading Scheme
6
60
55
50
WTI
BRENT
DUBAI
$/b
45
40
35
30
25
20
Feb Apr Jun Aug Oct Dec Feb
7
Year (2004.2 - 2005.3)
nonrenewable energy
8
renewable energy
◈ 신재생에너지 실용 예
신재생에너지:석유.석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지 11개분야
재생E: 태양열/태양광, 바이오E, 풍력, 폐기물E, 지열, 소수력, 해양E
신에너지: 연료전지, 수소E, 석탄액화/가스화
태양광발전 시설
9
연료전지
◈ 에너지 절감형 반도체/디스플레이
신호등: LED 대체시 E절감 ~90%
가로등: 백색 LED 대체시 E절감 ~85%
10
미래 에너지 흐름 계통도
태양
풍력
연료전지
태양열
e(에너지)
조력
수소저장
전기분해
수소생산
에너지
11
수소·연료전지의 중요성 : 국가 정책적 측면
정부의 에너지 정책 해법
국민 경제의 지속가능 발전
지속 가능한
에너지 정책
안정성
경제성
환경성
사회성
주요 정책 과제
안정적인 에너지 수급기반 조성
에너지 저소비형 경제구조 구축
친환경적 에너지 공급체계 확충
사회적 지속 가능한 에너지 정책
고유가 및
수급불안
교토의정서
환경 규제
에너지 다소비형 경제
12
출처: 국가에너지자문회의 대통령 보고(’05.03)
시민 참여
에너지의
요구 증대 Mega Trend
해외 의존형 에너지 수급
수소·연료전지의 중요성 : 산업 및 경제적 측면
 한국 에너지 현황:
- 97%의 에너지를 해외에서 수입(중동: 81%): 전체 수입의 25% 차지
- 세계 10대 에너지 소비국(10개 경제강국), 세계 4대 원유 수입국,
LNG 세계 최대 수입국
 에너지 소비 현황:
- 산업 : 55%; 건물(집+사무실): 25%; 수송: 20%
-> 에너지 없이는 산업 활성화 어려움
-> 경제에 가장 큰 영향
 연료전지 중요성(에너지원으로):
- 수송용(자동차) 동력원, 소형(전자제품) 전원, 분산형(가정 및 사무실) 발전
->미국 : 세계 CO2 생산의 1/4 차지(자동차 CO2 배출에 지대한 영향)
->이동형 에너지원은 모든 차세대 산업을 이끌어갈 핵심 부품산업
13
수소·연료전지의 중요성 : 사회적 측면 - New Paradigm
전세계적 배경
지구 온난화
석유자원 고갈
성장동력
- 10대 차세대 성장동력산업
- 정부의 에너지 정책
(2012년까지 세계 연료전지
시장의 20%)
석유 무기화
환경 오염
- 고부가가치 및 신고용 창출
(2012년 까지102조, 147만명)
국내의 에너지 소비
에너지의
해외 의존도
(97.3%)
14
석유소비량
세계 6위,
수입량 3위
수소경제 사회
조기 실현
국제 사회의 정책방향
이산화탄소(CO2) 거래 시장 형성
15
• 신 세계경제 패러다임 형성
→ 한국경제에 지대한 영향을 미칠 것임
국제 사회의 정책방향 : 세계 각국의 수소·연료전지 개발 의지
왜 세계 각국이 수소
연료전지 기술개발과
산업화에 적극적일
까???
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* IPHE (International Partnership for Hydrogen Economy):
- 수소·연료전지 국제정책결정기구
- 2003년 Washington에서 17개국 장관서명으로 창립
- 회원국: 미국, 유럽연합, 한국, 일본, 캐나다, 독일, 영국, 중국,
아이슬란드,호주, 인디아, 노르웨이, 브라질, 프랑스,
이탈리아, 러시아, 뉴질랜드
중앙 정부의 수소·연료전지 정책 방향
 정부의 3대 중점 신재생에너지 개발 기술: 풍력, 태양광, 수소·연료전지
- 3대 중점사업단 구성: 풍력사업단(에기연), 태양광사업단(고려대),
수소·연료전지사업단(KIST)
 신재생에너지 예산 :
- 1,964억원(2004년), 3,242억원(2005년), 4,095억원(2006년) 지원
- 수소·연료전지 지원 비율: 38.85%(’88-’05 기술개발)
 수소·연료전지: 10대 성장동력사업 중의 하나로 추진
 대통령의 선언(2004년) : … “전라북도가 신·재생에너지 분야에 대한
연구를 집중해주면 중앙정부에서 지원하겠다.”
 전문가들의 목소리: “이제 수소·연료전지는 전북에서 하겠구나…”
(수소·연료전지사업단 2006년 워크샵(전주 코아호텔)에서..)
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휴대용 전자기기의 전력 요구량
동영상
카메라
칼라액정
메일
통화전용
Source: FC Expo 2005
KITECH
Korea Institute of
Industrial Technology
Nano Surface Technology Team
분야별 연료전지 활용
휴대용
수백 W 이하
가정용
3 kW
수송용
75 kW
발전용
250 kW 이상
응용분야
PEMFC
대상
연료전지
DMFC
수소 저장 기술
수소
에너지
MCFC
SOFC
SOFC
(고압수소, 액체수소, CNT, 화학수소화물)
수소 생산 기술
(화석연료 / 신재생 에너지)
수소 인프라 구축 (수소 스테이션)
KITECH
Korea Institute of
Industrial Technology
Nano Surface Technology Team
MFC의 주용도
(단위:억원)
Wireless Handset
MFC
Laptop MFC
PDA MFC
Digital Camera
MFC
World Market
MFC
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Moderate
1.0
6.0
30
180
720
4,420
18,600
Aggressive
3.6
65
350
1,540
4,700
10,015
47,250
Moderate
5.0
30
90
500
1,200
2,400
6,000
Aggressive
25
140
530
1,750
5,005
7,113
9,375
Moderate
0.2
0.6
1.0
10
20
60
120
Aggressive
0.2
2.0
8
60
200
400
640
Moderate
0.4
0.8
0.8
2
20
40
100
Aggressive
0.6
2.0
40
120
300
600
1,360
Moderate
6.6
97.4
122
692
1,960
6,920
24,820
Aggressive
29.4
209
928
3,470
10,205
18,128
58,625
• Micro Fuel Cell End-Use Markets, ABI(2003)
• 연료전지 가격을 $10~$50 예상
KITECH
Korea Institute of
Industrial Technology
Nano Surface Technology Team
Category of Portable Fuel Cell
Power
<5W
5 ~ 50 W
100 ~ 500 W
Cellular Phone, PDA
Digital Camera
Laptop PC, Camcorder,
Electric tools
Military power,
On-site power
Application
Market
Technical
Difficulty
Large
Small
Difficulty
Ease
KITECH
Korea Institute of
Industrial Technology
Nano Surface Technology Team
휴대용 연료전지의 종류
연료전지형태
사용연료
직접메탄올
연료전지
메탄올
고분자전해질
연료전지
(PEMFC)
장점
단점
사용편리,
저성능, 가격 , 전해질막, 촉
매성능
연료공급용이
연료개질기
(메탄올, 휘발유)
연료공급 용이
고온
CO
제거 문제
화학적 수소화물
(NaBH4)
연료공급 용이
반응조절 어려움
메탄올
NaBH4
H2
부탄, 프
로판
H2 generator
Fuel Cell
KITECH
Korea Institute of
Industrial Technology
Nano Surface Technology Team
PEFC원리 및 DMFC
Backing
Layer
Polymer
Electrolyte
Membrane
(PEM)
Catalyst
Layer
-
 고분자전해질 연료전지는 폭넓은 응용이 가
능하며, 휴대용으로도 가장 적합
 연료는 수소(PEMFC)와 메탄올(DMFC)을 사
용 가능
 DMFC
+
• 연료 개질기가 필요없고 운반이 수소보다 상
대적으로 용이하여 사용상의 위험요소가 적음
O2 (Air)
(Fuel) H2
H+
H2O
e-
e-
• 기술적 장애
: 촉매의 낮은 메탄올 산화성능
전해질 막을 통합 메탄올의 크로스 오버
일산화 탄소의 촉매 피독 현상
Load
KITECH
Korea Institute of
Industrial Technology
Nano Surface Technology Team
수소에너지 밀도 비교
Borohydride, NaBH4 … LOW COST per Watt-Hour:
For 30% Borohydride in Water = ~ $10/gallon
At 25% System Efficiency, Cost < $0.01/Watt-Hour
NaBH4
Safe, High E-density, Room
temperature H2 generation
3.33 liter
30 ml
3.3 Liter
4 ml
H2-uncompressed
Liquid
H2
6 ml
3 ml
Solid AB5
Chemical
Hydride
NaBH4-30%
2 ml
50%
MeOH
0.3 ml
Graphite
Li-ion
Battery
Volumes of different Fuels equivalent to ~10-hours
Watt of Electrical Energy
at 100% Chemical to Electrical Conversion Efficiency.
KITECH
Korea Institute of
Industrial Technology
Nano Surface Technology Team