피카츄H

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 친환경차 시장에서 수소차의 지위 분석

영문 : Analysis of the Status of Hydrogen Cars in the Environment-Friendly Car Market

과제 팀명

피카츄H

지도교수

이두환 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 문**(팀장)

서울시립대학교 화학공학부·과 20173400** 안**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

수소차 (FCEV)와 전기차 (BEV)의 구동원리 및 효율 등을 여러 기준들을 종합하여 두 친환경차에서의 우위를 가려본다. 수소차와 전기차의 효율은 well-to-wheel (WTW) 분석으로 진행하여 원유 산지 (Well)부터 자동차 주행 과정 (Wheel)에 이르기까지 전체 과정에 거친 에너지 손실을 계산한 효율을 비교한다. 또한 CO2 배출 등의 환경 영향을 우리나라의 관점에서 해석하고, 원료 생산에서 부터의 비용을 측정하여 통합적 평가를 제시한다.

개발 과제의 배경

20세기 후반에 이르러 온실가스 배출에 따른 기후 변화, 공기 오염, 화석 연료 고갈 등 다양한 환경오염과 자원 고갈의 상황에 직면하면서 태양광, 풍력, 수력 등을 사용하는 재생 에너지와 연료전지, 수소 등을 사용하는 신에너지를 합친 신재생 에너지가 현 상황의 해결책으로 떠오르고 있다.

2019년에 정부가 발표한 수소 경제 활성화 로드맵의 양대 축으로 떠오르는 ‘수소 전기차’와 ‘연료전지’가 대두되면서 연료전지 산업이 새로운 전환기를 맞이하고 있다. 정부가 에너지전환정책의 하나로 수소 경제 정책을 펼치고 있는 가운데 수소 경제 내에서 연료전지가 친환경 분산발전원 역할을 해낼 것으로 기대된다.

또한, 정부의 수소 경제 활성화 로드맵에서 주가 되는 수소전기차와 함께 친환경 차로 전기차가 이목을 받고 있다.

미래 친환경 차로서는 다양한 후보들이 거론되고 있으며, 친환경 차 시장은 점차 확대될 것으로 기대됨. 친환경 차의 주요 대안인 수소전기차와 전기차를 비교하며 현재의 수준을 진단하고 전략적 투자를 위한 정책적 결론을 도출할 수 있다.

개발 과제의 내용 및 방법

수소전기차 (FCEV)와 전기차 (BEV)의 전 과정 효율비교

수소 연료전지 자동차(Fuel-Cell Electric Vehicle, FCEV)와 배터리 전기차(Battery Electric Vehicle, BEV)의 각 효율을 계산한다. 이 때 에너지 효율은 well-to-wheel (WTW) 분석으로 진행한다. well-to-wheel (WTW) 분석은 자동차 연료의 생애 전 과정 분석을 의미하며, 원유 산지(Well)부터 자동차 주행 과정 (Wheel)에 이르기까지 전체 과정을 나타낸다. 수소 연료전지 자동차의 전 과정에서는 수소 생산 및 운송과 저장 그리고 연료전지 자체에서의 에너지 손실 등을 통합하여 효율을 계산한다. 전기차의 경우에는 발전 및 송전과정에서 일어나는 손실과 충전과 모터 구동, 동력 전달과정에서 발생하는 손실 등을 통합하여 효율을 계산한다.

통합적인 지표를 적용한 평가

어떤 기술을 평가할 때는 한 가지 지표만으로 판단할 수 없다. 수소전기차와 전기차 자체만의 효율을 따지기보다 여러 가지 항목을 따져 보아야 한다. 일례로, 완충 주행거리, 완충 시간 등 성능적인 부분을 따져볼 수 있다. 또한, 두 기술 모두 CO2 감축을 위한 대안이라는 점을 들어 전 과정에서의 CO2 배출 등 환경 영향을 계산해보는 것도 필요하다. 우리나라의 경우 현재 발전전력량에서 기력(steam) 에너지가 가장 많이 차지하고 있다는 점[2]에서 전력생산과정에서의 CO2 배출을 무시할 수 없다. 따라서 현재 우리나라를 기준으로 계산을 해보고 정부의 그린뉴딜 정책에 맞추어 10년, 20년, 30년 후 발전 전력량 혹은 수소 생산 방식 변화 추이에 따라 수소전기차와 전기차의 통합적 지표를 적용하여 평가한다.

BEV 종류별 기본 데이터 [4]

FCEV 와 BEV 비교 데이터

FCEV(red)와BEV(blue) Gravimetric energy density

FCEV(red)와BEV(blue) Volumetric energy density

그래프로 보았을 때 FCEV의 전지가 BEV의 전지보다 질량 당, 단위 부피 당 에너지 밀도가 높은 것을 볼 수 있다. 여기서 질량 당 에너지 밀도가 높을수록 경량화가 가능해지고, 단위 부피 당 에너지 밀도가 높을수록 소형화가 가능하다. 현재에도 많은 분야에 수소 및 전기 배터리를 활용하려고 노력 중이고, 친환경 배터리에 관한 수요는 점점 늘어가고 있다. 이 때문에 친환경 배터리에 요구되는 기능이 많아지고 있는데 예시로는 초소형화, 고용량, 경량화, 고안정성, 장기수명 등 이러한 기능들이 있다. 그중 질량 당 단위 부피 당 에너지 밀도를 높인다면 소형화, 경량화에 도움이 되기에 FCEV의 전지가 이러한 기능에서는 우위를 보이는 것을 확인할 수 있다.

연료전지 및 전기 배터리의 효율 계산

WTW 효율 (TTW 효율 및 WTT 효율)[10]

전기자동차와 내연기관 자동차를 비교하기 위해서 Tank to Wheel 효율, Well to Tank 효율, Well to Wheel 효율, 세 가지 효율 관점을 제시하고자 한다. Tank to Wheel 효율은 연료탱크에서 차량주행에 따르는 소비까지를 의미하며, 연소에너지(Chemical energy) 혹은 전기에너지(Electrical energy)를 기계 에너지(Mechanical energy)로 변환하는 효율이라 할 수 있다. 전기자동차의 경우, 가솔린 자동차의 효율인 18%에 비해 약 60% 이상의 효율을 보인다. 즉, 가솔린 차량은 연소에너지 중 75~85%, 전기자동차는 전기에너지 중 10~20%의 열손실이 발생하는 것을 의미한다. 열손실을 최대한 줄이면서 기계에너지로 변환하는 관점에서는 전기자동차가 가솔린 차량에 비해서 월등히 효율적이다. Well to Wheel 효율 관점에서도 전기자동차는 가솔린 차량에 비해서 효율적이다. Well to Wheel 효율은 1차 에너지 채굴에서 차량주행에 따르는 소비까지를 의미하며, 전기자동차는 31%의 효율을 가지고, 가솔린 차량은 16%의 효율을 가진다. 하지만 1차 에너지의 채굴에서 연료를 제조하여 연료탱크에 충전할 때까지를 의미하는 Well to Tank 효율을 살펴보면 그 결과는 반대다. Well to Tank 효율 측면에서 전기자동차는 42%, 가솔린 차량은 88%의 결과를 가지며 이는 전기자동차가 1차 에너지 채굴로부터 연료로 변환되는 효율이 가솔린 차량에 비해 비효율적이라 할 수 있다.

결론적으로 Well to Tank 효율을 제외하고는 전기자동차는 내연기관 자동차에 비해서 에너지 변환 높은 효율을 가진다. 하지만 효율에 비해서 전기자동차가 내연기관에 비해서 가진 단점은 바로 주행거리이다. 전기자동차는 1회 완충으로 주행할 수 있는 거리가 차종마다 조금 차이가 있으나 보통 100km 내외이다. 이는 일반 가솔린이나 디젤 차량에 비하면 상당히 짧은 거리이다. 보통 일반 중형차의 연료탱크 크기를 60L로 잡고 L당 10km 주행으로 보아도 600km라는 주행거리가 나온다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 배터리 자체 기술 발전도 진행 중이지만 배터리 수를 늘려서 주행거리라는 단점을 보완한다. 배터리 수를 늘림으로 단점을 보완하지만 배터리 수가 늘어난 만큼 배터리가 차지하는 공간, 그리고 무게는 늘어나게 된다. 이는 Power density(출력 밀도), Storage density(저장 밀도) 면에서 내연기관보다 불리하다는 것을 의미한다. 즉, 밀도 측면에서 보았을 때는 같은 차체 크기라 가정하면 전기자동차는 내연기관 자동차에 비해서 훨씬 큰 Density(밀도)를 가지게 되며 비효율적이라 할 수 있다.

Vechicles 기관 별 효율

전기차는 리튬이온배터리에 이미 생산된 전력을 충전하고 방전하여 작동하는 방식이며, 수소차는 연료전지가 연료인 수소로 전력을 생산하는 방식이다. 이 둘의 발전 방식은 다르며, 따라서 당연히 전기차, 수소차의 작동 효율은 다르다. 각 효율을 계산한 값을 아래의 표와 같다.

에너지 자원별 효율

전력 생산

우리나라 전력생산 비율[16]

천연가스 (Natual gas)

천연가스의 발전 방식에는 복합화력(Combined Cycle Turbine)과 기력발전(Steam Turbine)이 있다. 하지만 한국전력공사의 ‘20년도판 한국전력통계(제89호)’에 따르면 2017년도 부터 천연가스의 기력발전 자료가 존재하지 않기 때문에 복합화력발전 시의 열효율만 고려하였다. 천연가스를 복합화 발전 시 송전단(Net) 열효율은 46.94% [13]이다. 복합화력발전은 연료를 연소하여 가스터빈에서 전력을 1차 생산하고, 가스터빈에서 발생된 폐열을 배열회수보일러를 통해 회수, 고온고압의 증기를 생산하여 스팀터빈을 가동하는 방식이다. 우리나라의 송배전 종합 손실률 3.54% [14]이다.

석탄 (Coal)

기력(Steam)으로 발전시 유연탄 송전단(Net) 열효율은36.73%[13]이다. 석탄의 종류에는 무연탄과 유연탄이 있는데 유연탄만을 선정하여 계산한 이유는 발전량이 유연탄이 더 많기 때문이다. 2019년 기준 연료사용량이 무연탄 1,164,840 ton 유연탄83,321,351ton이다[13]. 마찬가지로 송배전 종합 손실률은 3.54 %[14]이다.

신재생에너지

전기차와 수소차의 에너지원을 natural gas, coal을 이용했을 때의 효율을 계산해보았다. 이번에는 신재생에너지를 에너지원으로 하여 효율을 계산해보려고 한다. 2017년 산업통상자원부의 발표 ‘재생에너지 3020 이행계획’에 따르면 2030년까지 재생에너지 중 태양광과 풍력 발전량을 95%이상으로 공급하겠다는 목표를 발표한 바가 있다[15]. 따라서 신재생 에너지 중에서도 가장 큰 비율로 사용되리라 예측되는 풍력과 태양광에너지를 이용한 효율을 계산해보겠다.

수소 생산

우리나라 수소생산 비율[16]

우리나라의 수소생산은 97%가 나프타 개질공정에서 발생하는 부생수소이고, 3%가 천연가스의 SMR (Steam methane reforming)공정이다[16].

에너지원별 수소생산

부생수소

부생수소는 석유화학공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 나오는 것으로, 나프타를 전환하는 개질공정(정유공정)에서 발생한다. 예를 들어 프로필렌은 액화석유가스, 즉 LPG(Liquefied Petroleum Gas)에서 수소 분자를 제거한 것으로, 이를 생산하는 공정에서 수소가 발생하게 된다. 우리나라의 수소생산 방식의 97%가 나프타 분해로 나오는 부생수소 방식이다[16].

천연가스 (Natual gas)

수소생산을 위해 일반적으로 가장 많이 사용되는 산업 공정은 SMR공정이다[1]. SMR공정이란, 천연가스와 다른 탄화수소, 그리고 스팀의 촉매반응이다. 연속된 세 반응의 반응 생성물로 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물 등이 생성된다. 첫번째 reforming step은 식(1), 식(2)와 같다. 촉매반응을 하는 메테인과 스팀이 reformer furance에 들어오면 발열반응을 통해 수소와 일산화탄소가 생성된다. 이 반응은 일반적으로 800 - 1000℃과 14-20atm의 압력에서 반응한다[17].

그리고 reformer생성물은 WGS (water gas shift reaction) 반응기에 들어와 식(3)과 같은 반응을 따른다. 이는 발열 반응이다. SMR의 효율은 그 세부적인 공정의 차이에 따라 달라지게 된다. SMR 공정 중에서 H2생산량을 늘리기 위해 pre-reformer와 연소공기의 preheating 장치를 포함하는 방법인 SMRd이 가장 많이 사용된다[19]. 따라서 이 보고서에서는 천연가스의 SMRd 에 해당되는 효율인 73%를 선정하여 계산하였다. 생산된 수소는 가스 상태 (GH2)로 수송하여 압축하는 방식이 있고, GH2를 액화하여 액체상태의 수소 (LH2)의 형태로 수송하는 방식이 있다. GH2 상태로 수송할 경우 에너지 효율은 95%이며 압축효율은 88-94%정도이다. Electric compressors로 수소를 3,300psi까지 압축할 경우, 91%의 효율을 보인다[18].Centralized H2 plant에서 생산된 GH2를 액화하여 cryogenic liquid 상태로 저장되어 장거리 수송이 가능하다. 자동차 연료로써 LH2 사용했을 경우, 완충 시 주행거리가 늘어난다. 액화의 효율은 71%이다[12].

석탄(Coal)

일반적인 석탄으로부터 수소를 생산하는 공정은 다음과 같은 경우이다. 이산화 탄소 분리 및 포집 공정이 없는 경우가 그렇지 않은 공정(59%)보다 높은 효율(63.8%)을 보이기 때문에 그 효율값을 계산에서 사용하였다[20].

Conventional Coal to H2 (withoutCO2Recovery)—GE(ChevronTexaco)quench gasifier/WGS/Low-Temp.GasCleaning/GasTurbine/SteamTurbine Effective thermal efficiency = 63.8%

수전해

수소제조 분야에서 수전해 분야는 미래 사회에서 인류가 선호하는 기술의 위치에 있을 전망이다. 기존 수소의 시장 외에 미래에 확대될 수소 시장은 연료전지 자동차용 연료 및 재생전원을 이용한 분산전원 분야이다. 자동차용 연료로서의 수소 시장에서 수전해는 저렴한 탄화수소를 개질하여 수소를 생산하는 개질 방법과 경쟁을 하지만 탄소흔적(carbon-footprint)의 유무에 있어서 저탄소 흔적의 수소를 생산하기 때문에 경쟁에서 유리할 것이다. 비록 수전해에 공급되는 전기에너지가 탄소흔적이 있더라도, 수전해는 재생전원 또는 원자력과 연계가 가능하므로 저탄소 흔적의 수소를 생산할 수 있다. 수전해 수소는 저탄소 수소를 생산하는 일차 경로가 될 것이며, 수소가 수송연료로서의 기능을 하는 경우 저탄소 경제의 핵심이 될 것이다.

수소 저장 및 운송[21]

수소 저장

수소 저장 방식은 크게 압축저장, 액화 저장, 기타 소재 기반 저장기술로 구분될 수 있다. 표 는 이것을 요약정리한 것으로 전반적으로 압축저장은 상용화 수준에 있으나, 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있으며, 액화 저장은 기술 개발단계에 있어, 경제성 확보가 부족하지만, 기술이 완성되면, 향후 장거리 이송 시 잠재적인 경제성 확보가 가능할 것으로 생각한다. 다만, 수소이송 거리가 짧으면 수소 액화가 필요할지는 다양한 측면에서 경제성을 평가할 필요가 있다.

수소 저장방식의 비교

수소 운송

수소 운송기술은 가스를 운송하는 튜브 트레일러, 액화 수소 운송 트레일러, 파이프라인 등 크게 3가지 방법으로 구분되며, 전체 운송기술에 대해서는 전반적으로 효율 개선이 되어야 한다. 현재까지는 소규모 운송 시 튜브 트레일러가 가장 많이 이용된다. 표 3에 나타난 것과 같이 운송 거리가 멀수록 액화 기술이나 파이프라인 구축이 중요하다. 파이프라인은 특히 대량 운송과 경제성 확보가 가능하므로 향후 수소 도시 구축을 위해서는 필연적으로 요구된다. 현재 수소이송을 위한 파이프라인 중 천연가스와 함께 공급할 경우 FRP를 사용할 수 있으며, 이때 약 0.61$/ton/km의 비용이 소요되는 것으로 예상하여 가장 현실성이 있는 수단으로 고려되고 있다.

수소 운송방식의 비교

계산 결과

FCEV와BEV 기관별 효율

에너지 자원별 효울 비교

부생수소 수소생산

천연가스

석탄

태양광

풍력

아래의 표는 에너지원별 WTW 효율은 하나의 그래표로 표현한 것이다.

수소차 및 전기차의 이용편의성 측면 비교

충전 인프라

수소차 충전 인프라

글로벌 시장조사업체 IHS에 따르면 현대차의 지난해 1~10월 수소차 글로벌 판매량은 3666대다. 세계 1위다. 일본 도요타(2174대)와 혼다(286대)를 따돌린 것은 물론 전체 판매량의 60%를 차지했다. 국내 수소차 보급대 수도 지난해 말 기준 5097대로 1년 전(908대)보다 5배 이상 늘었다. 하지만 우리나라 수소충전소는 34곳에 불과해 미국(70곳), 일본(112곳) 등 경쟁국에 크게 뒤지는 것으로 나타났다. 이러한 인프라의 부족은 수소 자동차 보급이 늦어지는 이유 중 하나로 인식된다.

전기차 충전 인프라

우리나라에 있는 공용 충전기에는 공용 완속 충전기(6~7kW급), 공용 급속 충전기(50kW급)가 있고[22],테슬라에서 제공하는 테슬라 전용 충전기인 완속 충전기인 데스티네이션 충전기 (7~16kW), 급속충전기인 슈퍼차저(125kW, 250kW)가 있다. 2020년 12월 02일 기준, 우리나라에 슈퍼차처는 33대 있고, 데스티네이션은 141대 있다[23]. 테슬라충전기는 테슬라 모델만 가능하다. 또한 테슬라 차량이 기본 충전기를 사용할 경우 어답터를 사용해야하며 DC콤보는 어답터가 사용 불가능하다.

충전 시간

수소차 충전 시간

수소차의 충전시간은 전기차에 비해 상대적으로 짧으며 보통 5분 이내이다.

전기차 충전 시간

충전시간을 구하기 위해서는 배터리의 용량을 충전기 power로 나눠주면 된다. Charging time (hours) = battery energy added (kWh) ÷ charger power (kW) 아래의 표는 위에서 선정한 네 종류의 전기차를 충전기에 따라 충전속도를 계산한 값이다. 충전속도는 최대의 값으로 선정하고 계산하였다.

비용 측면 비교

비용계산은 LCA (Life cycle assessment)로 측정된다. 전기차, 수소차 각각의 배터리 시스템의 가격, 그리고 연료 공급 방식에 따른 가격을 총 합해서 통합적으로 판단한다.

배터리 시스템의 가격

전기차의 배터리 시스템 가격

현채 전기차의 LiB 배터리 시스템 가격은 250$/kWh 이며, 장기적으로 봤을 때 발전된 LiB기술 (Si 기반 anode 와 고용량 cathode)의 125$/kWh가 되리라 예측된다[25]. 이를 2020.12.10. 기준 환율, 1086원/$로 계산하였다. LiB는 주행거리가 100mile에서 200mile, 300mile로 늘어갈수록 배터리 시스템 무게가 늘어난다. 늘어난 무게에 따른 추가적인 구조 보충과 에너지 손실을 고려해야 하므로 LiB는 주행거리가 늘어날수록 값이 오르게 된다.

반면에 FCEV에서의 연료전지 시스템은 300mile의 주행거리에서 LiB에 비해 가격 경쟁력을 가짐을 알 수 있다.

연료 공급 방식에 따른 가격

에너지 종류 별로 1km를 갈 때 필요한 에너지의 가격을 구해보았다. 천연가스 및 석탄과 신재생 에너지의 가격을 비교해보면 수전해를 사용하는 신재생 에너지의 가격이 더 높은 것을 확인할 수 있었고 전기와 수소생산 가격을 비교해보면 대체적으로 전기를 생산하는 요금이 더 저렴한 것으로 확인 할 수 있다.

환경 측면의 비교

소차 (FCEV)와 전기차 (BEV)가 기존의 내연기관 차량 (ICEV)에 비해 가지는 가장 큰 장점은 차량 주행동안 온실가스를 배출하지 않아 친환경 자동차라는 점이다. 하지만 전기차를 구동하기 위해 충전 시 사용되는 전력의 생산단계, 그리고 수소차를 구동하기 위한 수소생산 단계에서의 온실가스 배출량을 고려하는 환경평가인 전과정 평가 (LCA)가 이루어져야한다.

위의 그래프를 보면 현재 우리나라의 주 전력 생산인 석탄(40%)과 천연가스(23%)의 온실가스 배출량은 각각 888ton/GWh, 499ton/GWh로 많은 양을 배출한다는 것을 확인할 수 있다. 반면 수소생산 시 온실가스를 가장 많이 배출하는 천연가스 338.66ton/GWh 로 전력생산에 따른 온실가스에 비해 낮음을 확인할 수 있다[26, 27].

고찰 및 결론

(파란선 : 1 이하 – BEV better, 1 이상 – FCEV better 주황선 : 1 이하 – FCEV better, 1 이상 – BEV better)

포스터

참고문헌

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피카츄H

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 내용 및 방법

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

관련 시장상황에 대한 분석

SWOT 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

구성원 및 추진체계

설계

FCEV (수소차)와 BEV (전기차) 기본 데이터 비교

연료전지 데이터

배터리 데이터

FCEV 와 BEV 비교 데이터

연료전지 및 전기 배터리의 효율 계산

WTW 효율 (TTW 효율 및 WTT 효율)[10]

Vechicles 기관 별 효율

에너지 자원별 효율

계산 결과

수소차 및 전기차의 이용편의성 측면 비교

충전 인프라

충전 시간

비용 측면 비교

배터리 시스템의 가격

환경 측면의 비교

고찰 및 결론

포스터

관련 사업비 내역서

참고문헌

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