Transcript 연료전지

연료전지
FUEL CELL
1. 개요 I

연료전지란?

수소, 천연가스, 알코올, 휘발유, 석탄 등 연료의 화학에너지를 전
기에너지로 직접 변화 시키는 고효율의 무공해 발전장치

대규모 발전소 건설 대안으로 차세대 분산형 에너지원
미래형 초저공해 자동차 기술의 핵심기술
주요 사용처
가정용전원 및 온수공급
빌딩 및 아파트 분산형 전원 및 온수 및 식수공급
비상전원, 도서지역 전원공급, 무공해 자동차



차세대 국가성장 동력 산업 내 중점기술




2003. 8. 22일 대통령 보고자료
에너지 고갈 및 기후변화협약 등 환경문제를 극복할 수 있는
무공해 차세대 산업
자동차에 대한 환경규제 극복 및 연관산업의 경쟁력 확보가능
가장 유망한 대체에너지 산업
2
Residential Power Generation
Plug Power - GenSys5C(5kW PEM)
미육군 Fort Jackson내 RPG 시범설치
Configuration of RPG Fuel Cell
3
Fuel Cell Vehicles
Bus에 장착된 Fuel Cell
Hydrogen Station in Reykjavik, Iceland
4
1.1. 개요 II


국가 대체에너지 개발·보급 계획

대체에너지 보급현황 :
덴마크(10.8%), 미국(5%), 일본(3.2%), 한국(1.4%)

대체에너지 활성화를 위한 보급사업
「대체에너지 개발 및 이용보급 촉진법」(2002.3)
공공기관 대체에너지이용 의무화, 인증제도, 대체발전 차액보전제도
대체에너지 시범보급사업, 대체에너지 세제지원제도
연료전지 보급 계획
구분
목표
1단계
(2003-2005)
-상용화 핵심기술
확보
2단계
(2006-2008)
-RPG 및 이동전원 연료
전지 보급
-발전용 및 수송용
연료전지 실증
3단계
(2009-2012)
- 연료전지 기술의
상용화 완성
(출처 : 차세대 성장동력 추진계획, 2003.8.22)
5
연료전지의 에너지경쟁력
60
FUEL CELL SYSTEMS
40
DIESEL
ELECTRIC
Efficiency
Percent
20
STEAM AND
GAS TURBINE
SYSTEMS
GASOLINE
ELECTRIC
0
1
10
100
1000
10,000
100,000
Power output - Kilowatts
6
Zero Emission of Fuel Cell
Source : UTC Estimates
7
화력발전과 연료전지 비교
구분
화력발전
연료전지
효과
발전
효율
35 %
50 ～ 60 %
에너지 절약, 온실가스
저감
연료
석유, 석탄
수소, 석유, 석탄,
천연가스, 바이오가스,
매립지 가스 등
에너지원 다변화
배출
질소화합물, 황화합물,
탄화수소, 소음
물, 무소음
무공해
(도심지 건설)
입지
310 평/MW
120 평/ MW
분산형 가능, 토지 효율
적 활용 및 송배전 투자
절감
건설
기간
6년
3년
경제적 건설
8
2. Fuel Cell 이란?


수소를 연료로 공기와 산화시켜 직접 전기를 생산하고
물을 배출하는 신에너지 기술
원리
9
2.1. Fuel Cell의 종류
PEMFC(고분자전해질막 연료전지)
SOFC(고체산화물 연료전지)
PEMFC
SOFC
연료가스
수소
수소, CO, Methane 혼합물
효율
40%
40~60%
개질기
수증기 개질, 부분산화
부분산화, 수증기 개질
적용처
자동차, 가정용,
빌딩, 아파트
자동차, 빌딩, 아파트
복합발전소
10
회사별 개발 Fuel Cell Type
May 2003, Chicago Center for Green Technology
11
Fuel Cell System Configuration
Concept Design of Fuel Cell System for Residential Power Generation
12
Fuel Cell System Configuration for Automobile
Concept Design of Fuel Cell System for Automobile,
Ballard Power System
13
2.2. 연료전지 개발사례
Plug Power
GenSys
5kW PEMFC
Plug Power
Fuel Cell Plant
50kW PEMFC
14
GE HomeGen 7000
7kW PEMFC
UTC FC
Energy Center
5kW PEMFC
15
Ballard Power System
250kW PEMFC Stationary Generator
Siemens Power Generation
220kW SOFC Cogeneration System
16
On-Board vs. H-Storage of FCV
17
2.2. Fuel Processor 란?



LNG, LPG 및 휘발류 등 기존연료를 연료전지에서 사용 가능한
고농도 수소연료 또는 수소 및 CO 혼합가스로 전환시키는 기술.
Fuel Processor의 핵심기술은 연료개질기(Reformer) 및
수소농도를 높이는 후속 처리기술(수소분리막, WGS, PrOx 등) .
Fuel Cell 종류에 따라서 다른 기술이 필요함.
Fuel Processor
연료
개질기
(촉매)
열교환기
연료전지
DC/AC
Convertor
전기
공기
18
PEM Process Schematic
19
Fuel Processor 공정도
20
2.3. Fuel Processor 주요 기술

Reformer




Water Gas Shift



CO + H2O  H2 + CO2
HTS(400℃), LTS(200℃)
CO Clean-up



Steam Reformer : CH4 + H2O  H2 + CO2 + CO (흡열반응)
Partial Oxidation : CH4 + O2  H2 + CO2 + CO (발열반응)
Autothermal Reformer : CH4 + H2O + O2  H2 + CO2 + CO (발열반응)
Preferential Oxidizer(PrOx) : CO + O2  CO2
Methanation : CO + H2  CH4 + H2O
Desulfurization & DI Water System
21
3. 연료전지 기술현황
3.1. 연료전지 종류별 현황
PAFC
인산형
연료전지
MCFC
용융탄산염
연료전지
PEMFC
고분자막
연료전지
SOFC
고체산화물
연료전지
발전소용
복합발전
중대형 자동차
빌딩, 아파트용
주요
대상
중형 발전소용
중대형 발전소용
승용차
중대형 자동차
가정용발전
개발
현황
200kW이상 상용발전
1993년 이래 11MW급
시운전 완료
장기운전시 효율저하문제
분산형 발전소용
2MW급 발전소 시운전
한전, 두산중공업 개발
승용차용 75kW
버스용 250kW
상용화단계
1~5kW 고정형 상용화
100MW급 복합발전
시운전
IFC/ONSI(UTC)
Bharat 중공업
Fuji Electric
Fuel Cell Energy
Ansaldo Fuel Cell
IHI
MTU
Ballard(Alstom)
Plug Power
Benze-Chrisler
GM
Honda
GE
Siemens Power
Cummins
Delphi/PNNL
주요
개발사
22
3.2. 연료전지 기술현황
종류
기업(국가)
SOFC
비고
UTC Fuel Cell(미)
200kW급 236대 판매
($1.8억)
IFC/ONSI 인수합병
구입비 30% 정부지원
Fuji/Toshiba(일)
50~100kW급 61대 판매
(80억엔)
2002년 시판
Fuel Cell Energy(미)
MTU(독)
300kW~1MW
실증운전
2005년 실용화
IHI(일)
300~750kW급 개발중
2005년 IG-MCFC
Siemens-W.H.(미)
200kW 시험중
복합화력
2008년 상용화
Sultzer-Hexis(스위스)
1~3kW RPG
2002년 시판
Global Thermoelectric
1~3kW RPG
전극기술 선두
FCT Inc.(캐나다)
5kW RPG Prototype
2004년 시판예정
PAFC
MCFC
현황
23
종류
PEMFC
DMFC
기업(국가)
현황
비고
Ballard(캐나다,미국)
Ford,Daimler-Chrysler
Toyoda, Honda(일)
자동차용 75kW보급
시험차량 운행중
2003년 양산계획
현재 자동차용은 수소저장
기술 사용
Alstom-Ballard(프)
EbaraBallard(일)
250kW 보급
RPG 개발보급
2005년 양산예정
Plug Power
1~7kW RPG 보급
UTC FC/현대차
자동차용 PEM 개발
2008년 국산화
AvistaLab., Nuvera(미)
100kW 이동형
2003년 Prototype
Manhattan Sci.(미)
Medis Tech.(미)
휴대폰 및 군수용
2005년 상용화
Mitsubishi, SONY(일)
PDA용 개발
NEC(일)
노트북용 개발
2003년 상용제품 발표
24
3.3. Fuel Processor 기술현황
종류
Fuel
Processor
기업(국가)
현황
비고
HydrogenSource Inc.(미)
5,50kW급 FP(PEM용)
POX,WGS,PrOX 기술
UTC FC, Shell 투자
Hydradix Inc.(미)
1.5kW(ATR,수소 45%)
50kW급(PSA정제)
UOP FP Team Spin-off
SUD-Chem, CDP 투자
IDATech LLC.(미)
MeOH/CH4 Reformer
Stack 통합시스템 판매
(Stack : BPS)
IDA Corp., Idaho 전력
자회사
McDermott Tech. Inc.(미)
SOFC용 FP 개발로 시작
LNG,Gasoline,Diesel개질
McDermott International,
Bobcock & Wilcox 자회사
InnovaTeK Inc.(미)
Microchannel Reactor
H2 Membrane 기술개발
FP Concept Design 수준
Johnson-Metthey(미)
ATR, WGS기술
5kW(PEM용)
JM Gas Processing Tech.
CO 50ppm 이하
Chevron-Texaco(미)
7.5kW(PEM용)
수소 40%이상
Osaka Gas(일)
0.5kW, 1.0kW FP
SR FP 개발
Millennium Cell(미)
NaBH4(Boron Hydride)
수소저장기술 개발
Ballard, Ford 등 투자
25
3.4. 연료전지 기술 국내 현황
대상기술
참여업체
기술개발 현황
PAFC
현대중공업, 가스공사
한국전력
LG-Caltex
200kW급 2기와 1기를 수입하여 운전(ONSI)
50kW급 1기 수입하여 운전(ONSI)
50kW급 스택개발(2002)
MCFC
한국전력
삼성엔지니어링
스택개발, 발전시스템, 2010년 상용화 목표
리포머, 시스템 설계
PEMFC
CETE, LG-Caltex, FCP
가스공사, LG화학,SK
한전, 한국타이어
현대자동차
1kW, 50kW 스택개발, RPG 실용화 연구
리포머, 수소제조장치 개발
가정용 5kW 스택개발, 실용화 연구
UTC 기술제휴, 자동차용 개발, 수소저장
한국전력,KIST,포철
1kW급 중온용 시스템 개발 연구
전극물질 및 스택개발
LG화학, LG전자
삼성전자, WOWTech
노트북, 휴대폰 용 이동형 전원 개발
100W급 기술개발
SOFC
DMFC
26
4. 현기술의 문제점

PEMFC
Fuel Processor
기술적 문제



SOFC
Fuel Processor
기술적 문제


Fuel Cell 기술은 완성단계
Fuel Processor 기술 미완성단계
Reformer, HTS, LTS, PrOX 등 최소 4개 반응기 필요
높은 반응온도로 연속운전 안정성 확보 난이
Fuel Gas 조건이 제한적(H2 :70% 이상, CO < 10ppm)
Stack기술의 미완성
Stack의 운전온도가 높음(800~1000℃)
고온소재기술 및 운전온도 낮추는 연구 진행
안정적인 Fuel Processor 기술 필요
열적으로 안정한 고효율 촉매기술 요구
27
8. 연료전지 시장

세계 연료전지 시장 예측
 전력사업용 연료전지 : 12~22GW(2005년부터 본격보급)
 가정용발전(RPG) : 세계 240억$(2012년 예상)
 휴대용 연료전지 : 16억$(한국 5,600~9,400억원)
 자동차용 연료전지 : CAA에 따라 2010년 전체자동차의 10%
2010년 FCV 60만대 예상(ABI예측), 68억$
전력산업용 연료전지 세계시장 예측(ABI)
28
8.1.연료전지 용도별 국내 및 세계시장 예측
용도
2012 년 (백만불)
국내
세계
중앙집중형 발전
550 (KEPCO, 1% share)
12,000 ∼ 24,000 (ABI)
분산형 발전
50
24,000 (BCI, 20% share)
수송용 동력원
230 (현대차)
6,800 (5% share)
이동용 전원
800 (Merrill Lynch )
12,000
(출처 : 차세대 성장동력 추진계획, 2003.8.22)
29
8.2.차세대 성장동력 추진계획에 따른 연료전지 시장

기후변화협약 대응 기술력 확보 이산화탄소 발생량 저감

SOx, NOx 등 도심 공해 요인 발생 저감을 통한 환경개선 효과

2010년 세계 연료전지 시장 (400 억불) 의 20 % 점유 :
80 억불 수출 및 1 만명의 고용효과 창출

2008년 세계 2～3위의 연료전지 기술 보유국 진입

관련산업의 기술적 파급효과 기대

NT 분야 등 소재 부문의 기술 향상

System engineering 에 의한 plant 설계 기술 향상

고품질전력공급에 의한 반도체 등 초정밀가공공정의 부가가치 제고

고성능 이동전원 활용에 의한 군사 장비의 현대화
30
8.3.국가별 연료전지 보급 계획

미국 : 전력사업용, 수송용 및 군수용 등 분야별로 국가 주도





일본 : 실용화에 미국 추월 노력






전력산업용 : Vision21, 연료전지자동차:PNGV, 이동전원:DARPA
연구비 : $144.4백만(2003)
PEMFC, SOFC, PAFC 등 주요기술 선두
자동차용 및 가정용 상용화 단계
자동차용 : CAA에 따라 2003년부터 무공해차 도입
New Sunshine Program(연구비:$188백만)
PEMFC 10개년 개발보급계획 착수
자동차용 : 2003년 시판
가정용 : 2004~2005년 실용화(2010년 1.2GW 보급목표)
건물용 : 2010년 0.9GW 보급목표(30~50kW규모)
유럽 : 건물난방겸용 RPG 우선추진


Joule Program : 연구비:$27.8백만(1999~2002)
시스템기술 중점개발
31
Production Feedstock/Process Options
Water: Photolytic Production


Supply: Unlimited
Central Production Utilizing Photosynthetic Organisms (Algae)




Cost: Current ~$200/kg
Projected: <$5.00/kg
Requires breakthroughs in biotechnology and systems engineering
Land area requirements or ocean operations
Central or Distributed Direct Photoelectrochemical Production




Cost: Current: N/A
Projected: <$3.00/kg
Requires breakthroughs in materials
Intermittent: diurnal cycle
The ultimate system if successful: renewable, unlimited, simple
32
Production Feedstock/Process Options
Coal




Supply: 5,780 Quads recoverable reserves
Process options: central production from gasification
Cost: Current: $0.90-1.80/kg
Projected: $0.50-1.10/kg
Requires sequestration and near-zero other emissions
33
Production Feedstock/Process Options
Natural Gas

Supply:



188 Quads proven reserves
Currently importing 15% of our needs
Process Options

Central Reforming
−
−
−

Cost: Current: $0.60-1.00/kg
Requires sequestration
Lowest cost current route
Projected: $0.40-$0.90/kg
Distributed Reforming
−
−
−
−
Cost: Current: $4.00-$6.00/kg
Projected: $1.50-$3.00/kg
Lowest cost current route for delivered hydrogen
Very sensitive to NG price
GHG emissions unavoidable
34
Production Feedstock/Process Options
Biomass
 Supply




6-10 Quads/yr. currently possible
Could be much more with biotech advancements
Feedstock Cost and Infrastructure are Key Issues
Central Production Process Options

Gasification


Projected: $1.00-$3.00/kg
Fermentation


Cost: Current $2.00-$4.00/kg
Relatively unexplored
Anaerobic Fermentation




Methane
Hydrogen
Agriculture, MSW or industrial sites
Existing biomass “collection” infrastructure
Co-Gen power and hydrogen possible
Sensitive to scale of operations and required distribution infrastructure
35
Production Feedstock/Process Options
Biomass

Central/Distributed Process Options


Trades hydrogen delivery costs for liquid carrier costs plus reforming
Fermentation
Ethanol
Hydrogen





Fungible transition from ethanol fuel
Cost ??
Gasification
Syngas
Methanol (Ethanol)
Hydrogen
Pyrolysis
Bio-Oil
Hydrogen
Sugar Hydrogenation
Sugar Polyols (e.g., Sorbitol)
Hydrogen
36
Production Feedstock/Process Options
Water: Electrolysis
 Distributed and central production
 Requires non-GHG emitting clean power:
wind, solar, geothermal, hydroelectric,
nuclear, fossil with sequestration
 Supply:


Essentially unlimited
Need purified water
37
Production Feedstock/Process Options
Distributed Electrolysis



Cost: Current: $4.00-$8.00/kg Projected: $2.50-4.50/kg
Electricity cost is the driver/controlling
Eliminates hydrogen delivery costs and infrastructure
Central Electrolysis





Cost: need better analysis
Enables more efficient use of intermittent renewables
Enables more efficient use of off peak power availability
High temperature steam electrolysis may be more efficient
Requires hydrogen delivery
38
Production Feedstock/Process Options
High Temperature Thermochemical Water Splitting
 Process Options





High temperature (500-1000 C) central production utilizing advanced nuclear
energy heat source (or other source) and S-I or CaBr (or other) cycles
Ultra-high temperature (1000-3000 C) water splitting chemical cycles utilizing
concentrated solar energy
Direct water splitting
Unproven Chemical Cycles
Materials Issues
39
Summary
$/kg
Current
$/kg
Projected
%EE
WTP1
GHG
WTW Reduc.1,2
$0.90-1.80
$0.50-1.10
_
High
W/Sequest.
_
_
_
Low-Medium
NG: Central Reforming
$0.60-1.00
$0.40-0.90
62%
61%
NG: Distributed Reforming
$4.00-6.00
$1.50-3.00
60%
High
Biomass: Central Gasification
$2.00-4.00
$1.00-$3.00
_
High
Biomass: Central Fermentation
_
_
_
High
Biomass: Central Ferm./Methane/Hydrogen
_
_
_
High
Biomass: C/D Gasification/Methanol or Ethanol/Hydrogen
_
_
_
High
Biomass: C/D Pyrolysis
_
_
_
High
Biomass: C/D Ferm./Ethanol/Hydrogen
_
<$3.00
Biomass: C/D Sugar Hydrogenation/Polyols/Hydrogen
_
_
Route
Coal: Central Gasification
Coal: C/D Gasification/Reforming
41% Total
92% Fossil
_
98%
High
40
Summary
Route
Water: Electrolysis: Distributed
$/kg Current
$/kg
Projected
$4.00-8.00
$2.50-4.50
% EE
WTP1
28% Grid
68% Renew.
GHG
WTW Reduc.1,2
(22%) Grid
~100% Renew.
_
_
Low: Grid
High: Renew.
~$200
<$5.00
_
High
Water: Central or Distributed Photolytic:
Photoelectrochemical
_
<$3.00
_
High
Water: Central HT Splitting Chemical Cycles
_
<$2.00
_
High
Water: Central U-HT Splitting Chemical Cycles
_
_
_
High
Water: Direct Water Splitting
_
_
_
High
Water: Electrolysis: Central
Water: Central Photolytic: Organisms (e.g. algae)
1.
2.
The estimates, except for the distributed water electrolysis case using renewable electricity, are from “Guidance for Transportation
Technologies: Fuel Choice for Fuel Cell Vehicles, Final Report prepared by Arthur D. Little for U.S. Department of Energy,
February 6, 2002, http://www-db.research.anl.gov/db1/cartech/document/DDD/192.pdf. The distributed water electrolysis
estimates are from Wang, M., “Fuel Choices for Fuel-Cell Vehicles: Well-to Wheels Energy and Emissions Impacts,” Journal of
Power Sources, 112(1): 307-321, October 2002.
GHG well-to-wheels reduction is the reduction of GHG emissions as compared to the emissions from standard/today’s gasoline
41
ICE.
Production Strategies/Creating Options
−
−
−
Multiple feedstocks
End Game
• Coal with sequestration
• Renewable feedstocks: biomass and derivatives, water
• Renewable/non-carbon emitting energy use: biomass, wind,
solar, nuclear, hydro, geothermal
• Central and distributed production are likely
Transition
• Distributed production (NG, electrolysis, biomass derivatives)
• Brownfield central production expansions
• Greenfield central production as risk is reduced
42
Potential Scenarios
Short Term
−
−
−
−
−
−
Distributed: NG, Liquids (including biomass
derivatives), Electrolysis
Central NG, Coal and Biomass
Renewable Power: Wind, Solar, Hydro, Geothermal
Central Coal with Sequestration
Photolytic: Photoelectrochemical, Photosynthetic
organisms
Thermochemical Water Splitting Nuclear, Solar,
Other
Long Term
43