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2020년 12월 16일 (수) 02:50 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 00000000..

영문 : 00000000..

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

 1) 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.

 2) 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.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1) 연료전지 기술이 가져올 기대효과
 연료전지는 수소를 사용해 전기와 열을 생산하는 친환경 기술로써, 정부가 에너지 전환정책의 하나로 수소 경제 정책을 펼치고 있는 가운데 수소 경제 내에서 친환경 분산발전원 역할을 수행할 것으로 기대되고 있다.
 현재의 화석연료 기반 산업구조에서 수소 기반 산업구조로 변화시키기 위해서는 많은 시간과 비용이 필요하다. 이러한 과도기적 상황에서 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 역할이 중요해지고 있다. SOFC는 수소뿐만 아니라 천연가스도 연료로 이용할 수 있기에 기존의 화석연료 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 점 때문이다. 추후 수소연료로도 발전할 수 있기에 수소와 천연가스 공급 및 가격 변동에도 유연하게 대처할 수 있는 장점이 있다. 발전효율이 높은 SOFC는 연료전지 시장을 선점∙확대하고 이후 수소 경제에서의 연료전지 산업 생태계를 형성할 수 있는 중요한 연결고리 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다

  2) 연료전지 성능 영향 인자 파악으로 개선 방향 제시
 수소에너지가 무한정에 가까운 친환경 연료에 많은 분야에 쓰이는 것은 분명 명백한 장점이다. 하지만 아직 보완해야 할 점 또한 많다. MCFC와 SOFC는 고온에서 운전되는 만큼, 고온에서 견딜 수 있는 소재 개발에 대한 어려움이 있으며, DMFC는 전해질 막을 통한 메탄올의 투과 현상 문제 해결을 위한 소재 기술개발이 필요한 실정이다. 반면, PEMFC와 PAFC는 시스템 분야 설계 및 운영에 관한 기술의 장벽이 높은 것으로 인식되는데, 이는 부품 및 소재에 관한 기술은 어느 정도 고도화가 이루어졌다는 것을 보여주는 한편, 아직 보급 확산이 이루어지지 않아 운전 및 운영에 대한 경험이 부족하다는 것을 보여준다. 이것들의 문제를 세부적으로 알아보고 개선 방향을 제시함으로 기술의 상용화에 이바지 할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

  1) 연료전지의 경제적 및 사회적 파급효과
 연료전지 시장은 우리나라, 미국, 일본 등을 중심으로 초기 시장이 형성되는 단계이다. 국내 연료전지 시장의 규모는 2013년 1억 9,000만 달러에서 2015년 4억 1,350만 달러로 약 117%의 큰 폭의 성장률을 기록했다. 성장률 수치를 기준으로 국내 연료전지 시장을 예측해보면, 2030 년 약 2조 5,718억 원 규모로 성장할 것으로 전망된다[4].
 연료전지의 고용계수는 MW당 30.0명으로 태양광(9.5명), 해상풍력(32.0명), 수력(24.9명) 등 신재생에너지 중에서 상위권을 차지함을 알 수 있다[5]. 또한, 연료전지의 고용창출 계수 (명/10억원)는 6.0명으로 다른 신재생에너지, 태양광 (6.3명), 해상풍력 (6.4명), 수력 (7.1명) 중에서는 낮은 위치를 차지하지만, 화력, 원자력과 같은 전통에너지 (2.54~3.00명)에 비해서는 높은 수준을 갖는 것을 알 수 있다[5].

  2) 과제 설계를 통한 경제적 및 사회적 파급효과
 이번 과제에서는 연료전지의 효율을 계산해보고 성능 영향 인자를 파악하여 개선 방향을 제시해 볼 뿐만 아니라 수소차 (FCEV)와 전기차 (BEV)의 효율을 well-to-wheel(WTW) 분석으로 진행하여 계산한다. 환경 영향을 고려하여 우리나라의 관점에서 해석한 통합적 평가를 제시함으로 투자자들과 정부 정책 경정 로드맵에 영향력을 끼칠 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

참고문헌

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