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논문 기본 정보
- 자료유형
- 연구보고서
- 저자정보
- 발행연도
- 2008.12
- 수록면
- 1 - 251 (251page)
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1. 연구필요성 및 목적
에너지전문가들은 수소와 연료전지를 중심으로 하는 수소경제 체제가 지속가능한 미래에너지시스템의 핵심으로 대두될 것으로 예상하고 있다. 수소는 화석연료, 원자력, 바이오매스, 풍력, 태양 등의 다양한 에너지원으로부터 얻을 수 있으며 전기와 마찬가지로 2차 에너지 또는 에너지캐리어(energy carrier)로 분류된다. 지속가능한 수소경제 체제의 구축을 위해서는 신ㆍ재생에너지를 이용한 수소 제조의 비중이 높아야 한다. 그러나 신ㆍ재생에너지에 의한 수소 제조비용은 화석연료에 의한 수소 제조비용보다 비교적 비싸기 때문에 획기적인 기술개발을 통하여 화석연료에 의한 수소 제조비용과의 격차를 크게 줄이는 것이 관건이다.
수소경제 시대로의 진입을 앞당기기 위한 또 하나의 중요한 과제는 비용효과적인 수소공급 인프라의 구축이다. 수소는 제조, 저장, 운송 등의 단계를 거쳐 이용되므로 수소의 제조분야부터 이용분야에 이르기까지의 시스템적인 접근을 통하여 비용효과적인 수소경제 인프라를 구축 할 필요가 있다.
본 연구는 에너지경제연구원(2005년)의 연구보고서인 “수소경제의 국가비전 및 실행계획 수립 연구”에서 제시한 장기전략과 로드맵에 기초하여 수소운송에 대한 구체적인 방안을 마련하고자 한다. 이전의 연구에서는 수소의 공급과 수요 측면에 중점을 둔 반면, 수소의 공급과 수요를 연결하는 저장 및 운송에 대해서는 충분한 검토가 이루어지지 않았다. 본 연구는 수소의 분야별 기술특성 및 비용을 분석하고, 수소의 제조로 부터 이용에 이르기까지의 모든 단계를 시스템적인 관점에서 파악하여 최적 수소운송시스템을 구축하는 것을 연구주제로 선정하였다.
2. 주요 연구내용 및 방법론
가. 주요 연구내용
본 연구는 경제사회연구회가 기획연구과제로 발주한 3개년 연구프로젝트인 “수소경제 실현을 위한 기반구축 연구”의 3차년도 과제로서I 1차년도 연구과제“수소경제 실현을 위한 수소 수요량 산정 및 공급방안 연구 (2006)"와 2차년도 연구과제 “수소경제 도래에 대비한 수소공급의 시스템적 접근 (2007)"에 이어 1단계의 최종년도 연구과제로서 추진되었다. 1차년도 연구과제에서는 수소경제의 미래상에 입각한 장기 에너지믹스, 에너지공급 및 소비구조와 행태의 분석과, 목표지향적 전략에 기초한 수소필요량의 산정, 그리고 수소제조방법의 최적믹스 도출을 통한 수소시나리오를 설정하였다. 2차년도 연구에서는 1차년도 연구결과를 기초로 하여 중점 연구사항으로서 수소경제 이행을 위한 단계별, 분야별 목표설정 및 이의 달성을 위한 최적 시스템의 구축을 목표로 하여, 비용효과적 수소 제조와 운반, 저장 인프라 구축을 위한 시스템적 접근을 시도 하였다. 본 연구에서는 1, 2차년도 연구결과를 종합하여 수소경제로 이르기 위한 최적이행경로를 개발, 제시하고자 하였다. 더 나아가서 수소 경제로의 다양한 이행경로에 대한 비교분석뿐만 아니라 경로별 비용편익 분석을 통한 최적의 이행경로에 대한 대안제시도 필요하다.
따라서 본 연구는 다음과 같은 주요 내용으로 구성되어 있다.
우선, 수소경제에로의 다양한 이행경로에 대한 비용ㆍ효과 분석이다. 본 연구원에서 수행한 선행연구에서 제시한 수소수요량과 공급방안, 그리고 시스템 구축에 입각한 수소경제로의 이행경로 분석을 실시하였다.
다음으로, 효율적인 수소경제 이행체제 구축을 위한 해외 벤치마킹이다. 이 부분에서는 미국의 이행체제 구축을 위한 연구분석 방향 및 성과 분석과 함께 EU 및 회원국의 이행체제 구축 경로별 분석 결과, 그리고 캐나다, 일본 등의 수소경제 이행경로 구축 실태 분석이 실시되었다.
셋째, 시스템적 접근을 통한 수소경제 이행경로의 추적이다. 여기에서는 1) 수소경제 부문별 수소경제 이행 시스템 분석, 2) 수소경제의 다양한 이행경로 간 비교분석, 3) 수소경제 부문을 통합하는 이행경로의 시스템적 접근이 시도되었다.
넷째, 수소경제에로의 다양한 이행경로에 대한 비용/편익 분석이다. 비용편익분석을 위해서 수소제조 부문에서의 최적 믹스 도출과 함께 수소저장 부문에서의 기술적 평가 및 최적 시스템을 도출하고, 이에 기초하여 수소공급 인프라별 기술 및 경제성 평가에 기초한 최적 시스템을 도출하는 한편, 수소의 이용 및 변환기술 (직접 연소 및 연료전지 포함)의 이용부문별 최적 이행경로를 도출하도록 하였다.
다섯째, 최적 수소공급시스템 구축을 위한 최적화 모형 개발에서는 수소공급시스템 최적화모형의 해외연구 벤치마킹을 위해 미국 DOE, NREL, ANL, ORNL 등의 관련 연구결과를 활용하였고, 미국 DOE의 Hydrogen & Fuel Cells, Infrastructure Technologies Program 중 수소 경제분석팀 연구결과도 이번 연구 분석에서 활용되었다. 그리고 수소 공급자원 가용성 분석에서는 수소 제조원 및 제조방법의 비용 및 특성 분석과 수소 공급자원 자원량 및 입지 분석이 실시되었다. 또한 최적 수소 공급시스템 구축을 위한 최적화모형 개발에서는 선형계획법(Linear Programming: LP) 등의 최적화기법을 이용한 수소공급 최적화모형 개발에 주력하였고, 개발된 모형을 활용하여 수소 공급자원, 수요, 비용 등을 고려한 최적 수소공급시스템 구축 방안을 제시하였다.
마지막으로 수소경제 분야별 최적 시스템 구축을 통한 비용ㆍ효과적 수소경제 이행체제의 구축에서는 부문별 수소경제 이행 시스템의 최적화를 위한 비용편익 분석과 더불어 부문 통합형 최적 이행 경로에 대한 비용편익 분석, 그리고 최적이행 경로 구축을 위한 지원체제의 구축방안이 제시되었다.
나. 연구방법론
본 연구는 수소경제의 실현을 위한 지역별 수소수요량을 파악하고, 산정된 수요량을 어떻게 최소의 비용으로 운송할 것인가를 주제로 하여, 수소운송시스템의 최적화모형을 개발하고 최적 수소운송시스템을 구축하는 방안을 제시하고자 하였다. 본 연구에서 채택한 연구방법은 크게 세 가지로 구별된다. 첫째는 수소 제조시스템을 집중형과 분산형으로 나누어 분석하는 것이며, 둘째는 지역별 연료전지의 보급과 제조원별 수소 공급량의 산정을 위한 시나리오 접근이다. 셋째는 수소운송 최적화를 위해 적용한 최적화기법인 수송계획법이다.
수소제조를 제조장소의 관점에서 분류하면 대규모의 수소 제조공장에서 생산하는 집중형과 수소의 이용 현장에서 생산하는 분산형으로 구분할 수 있으며, 수소운송은 집중형으로 생산한 수소를 수소스테이션 등의 수소 이용 장소로 이동하는 것을 의미한다. 분산형 수소제조에서는 수소의 제조 원료가 운송되며 수소운송은 발생하지 않는 특성을 갖고 있다. 수소 제조형태에 따라 수소 제조비용, 에너지원 믹스, 수소공급 인프라 등이 크게 달라지므로 수소 제조형태에 따른 적정 에너지원, 수소 제조비용 등을 분석하고 평가한다.
본 연구에서는 수송부문을 대상으로 하여 최적 수소운송시스템을 구축하는 문제를 다룬다. 다수의 수소공급지에서 다양한 수소수요처로의 최적 수소운송을 위해서는 지역별 수소수요량과 지역별 및 제조원별 수소공급량에 대한 추정이 필요하므로, 전국을 248개의 시군구 단위로 세분하고 지역별 수소수요량은 해당 시군구의 총 차량수에 비례하는 것으로 설정한다. 지역별 및 제조원별 수소공급량은 에너지경제연구원(2006년)의 연구보고서인 “수소경제의 실현을 위한 수소의 수요량 산정 및 공급방안 연구”에서 제시한 제조원별 수소공급량 전망l 지역별 수소수요량, 수소 운송거리 등을 고려하여 시나리오를 구성한다.
수소운송시스템의 최적화모형은 선형계획법의 일종인 수송계획법을 이용하여 구축한다. 수송계획법은 다수의 공급지에서 다수의 수요처로 제품을 수송하는 경우에 총 수송비용을 최소화하는 방안을 도출하는데 적합한 최적화기법이다 수송계획법을 이용한 최적 수소운송시스템 구축 방안은 상용화된 최적화 프로그램인 LINGO를 이용하여 도출한다.
3. 연구결과 및 정책건의
첫째, 국내에서 신ㆍ재생에너지에 의한 수소공급에는 한계가 있는 것으로 나타났다. 2006년의 선행연구과제인 “수소경제 실현을 위한 수소수요량 산정 및 공급방안 연구”에서는 2040년 신ㆍ재생에너지에 의한 수소공급량이 405.2만 톤으로 전국 수소수요량인 776.9만 톤의 52.1 %를 차지할 것으로 예측하였으나, 국내 수소제조원을 이용한 수소 공급가능량을 분석한 결과 신ㆍ재생에너지를 이용하여 405.2만 톤의 수소를 공급하는 것은 거의 불가능한 것으로 나타났다. 비용효과적인 방법을 선택할 때 신ㆍ재생에너지를 이용한 최대 수소공급량은 전국 수소수요량의 22.7%인 177.79만 톤 정도인 것으로 분석되었다.
둘째, 권역별로 수소 공급용량과 수소 수요량을 분석한 결과 수도권 및 강원도의 수소 수요량은 많은 반면에 수소 공급용량은 상대적으로 부족한 것으로 나타났다. 따라서 수도권의 부족한 수소 공급용량을 보충하기 위하여 다른 권역에서 생산된 수소를 수도권으로 운송하여 사용하는 것이 필요한 것으로 분석되었다. 한편 경상권은 수소 수요량에 비교 하여 풍부한 수소 공급용량을 갖고 있는 것으로 나타났다.
마지막으로, 2040년의 집중형 수소 공급비용은 원자력이 수소제조원으로 포함되면 $2.69/㎏H₂, 원자력이 제외되면 $2.94/㎏H₂이 될 것으로 예측되었다. 또한 파이프라인에 의한 수소운송이 본격화되는 2040년의 집중형 수소생산지에서 수소수요지까지의 평균 수소 운송거리는 원자력이 포함되면 55.1㎞, 원자력이 제외되면 49.6㎞인 것으로 예측되었다. 수소의 1㎏당 평균 운송 및 저장비용은 원자력이 포함되면 $0.275, 원자력이 제외되면 $0.248로 추정되었다.
본 연구의 분석 및 논의 결과에 따른 정책건의 사항은 다음과 같다.
첫째, 에너지 안보, 기후변화, 에너지 가격 및 비용, 경제적 및 기술사회적 파급효과, 사회적수용성 등을 종합적으로 고려하여 수소도입에 따른 에너지믹스의 최적조합을 찾아내야 할 것이다 원자력에 의한 수소생산은 사회적수용성 등의 문제로 인하여 기준안에서 제외되었으나, 최근 에는 환경과 비용 측면에서 원자력에 의한 수소생산의 장점이 부각되고 있으므로 이에 대한 충분한 검토가 필요할 것이다. 또한 물의 전기분해에 의한 수소생산은 유력한 분산형 수소생산방법이 될 것으로 전망되므로 수전해 수소제조에 대한 지속적인 기술개발 및 비용분석이 수행되어 야 할 것이다.
둘째, 수소 수요량이 급격히 증가할 것으로 예상되는 2030년 이후에는 집중형 수소생산이 도입되고, 집중형으로 생산된 수소는 대부분이 수소 파이프라인을 이용하여 수소 수요처로 운송될 것으로 전망된다. 따라서 집중형 수소제조시스템과 수소 파이프라인 운송시스템을 연계하여 분석하고 투자계획을 수립할 필요가 있다. 2030년 이전에는 수소스테이션과 수소운반 트럭 등과 같은 수소인프라 구축이 중요하고,2030년 이후에는 수소 파이프라인과 같은 대규모 수소운반시스템의 인프라구축이 중요할 것이다. 수소인프라는 장기간에 걸쳐 대규모의 투자를 필요로 하기 때문에 지금부터 분산형 수소스테이션 뿐만 아니라 수소 파이프라인과 같은 대규모 수소운송시스템에 대한 비용효과적인 구축방안 수립이 필요하다.
마지막으로 이미 언급한 바와 같이 수소경제로의 효율적 이행을 위한 시스템적 접근이 필요하다. 수소경제의 시스템적 접근을 통하여 수소의 제조, 저장, 운송, 이용 등의 단위 시스템을 유기적으로 결합하고 전체 시스템의 목표를 효율적이고 효과적으로 달성할 수 있다. 미국 DOE는 수소경제 시스템의 모델링과 분석을 위한 시스템 분석틀을 개발하고 있으며, 시스템 분석모형은 요소 모형, 통합 모형, 거시시스템 모형 등을 포함한다. 시스템 분석모형 도구는 각 대안에 대한 시스템, 기술, 비용, 성능, 위험 등에 대한 분석 및 평가 기준을 제공한다. 우리나라도 국내 수소경제시스템에 적합한 수소시스템 분석모형의 개발을 추진해야 할 것이다.
4. 본 연구의 한계 및 향후 연구방향
본 연구에서는 수소의 제조로부터 이용까지의 모든 단계를 시스템적인 관점에서 파악하여 최적 수소공급모형을 개발하고 최적 수소공급시스템을 구축하는 방안을 수립하고자 하였다. 그러나 시간상의 한계와 자료부족 등으로 인하여 석탄과 원자력 등의 제조원에 대하여 수소 공급 입지를 기존 발전소에 국한하였고, 국내 수소 제조비용에 대하여 충분한 분석이 부족한 것은 아쉬운 점이다. 향후에는 국내 에너지원별 수소 제조비용에 대한 추가연구와 관련된 자료에 대한 데이터베이스 구축이 필요한 것으로 판단된다.
둘째, 향후에는 수소인프라에 대한 구체적인 분석과 계획을 수립하는 수소인프라 분석이 필요한 것으로 사료된다. 수소인프라 분석에서는 수소운송시스템과 수소스테이션에 관한 사항을 결정하고 수소인프라의 확장계획 및 투자계획을 수립한다. 또한 수소인프라 도입에 따라 기존 에너지원 및 인프라에 미치는 영향 및 잠재적 변화를 파악한다.
마지막으로 수소경제 도입에 따른 파급효과 분석이 필요한 것으로 사료된다. 수소에너지는 수송부문, 가정ㆍ상업부문, 산업부문, 발전부문 등의 여러 부문에서 사용되며 수소에너지 도입에 따른 에너지산업의 잠재적 변화를 파악하고, 수소경제에 따른 사회경제적 파급효과를 분석하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
1. Background and Research Questions
It is a common view among energy experts that hydrogen economy based on fuel cell technologies will emerge as a core of the sustainable future energy system. Hydrogen can be extracted or produced from fossil fuel, nuclear power, biomass, wind, and solar energy and categorized as an energy carrier like electricity. Renewable energy's share in production of hydrogen should be raised in order to build a sustainable hydrogen economy. However, because production cost of hydrogen based on renewable energy is higher than those based on fossil fuels, it is a paramount concern whether hydrogen production cost of renewable energy can be greatly reduced by technological innovation.
Another issue for an early advent of hydrogen economy is the building of a cost-effective infrastructure. Hydrogen is produced, transported, and stored until it is delivered to end-users. Accordingly, cost-effective infrastructure for hydrogen economy through systemic approach from production to application.
This study aims at providing a specific approach to hydrogen transportation based on long-term strategies and roadmap suggested in the 2005 report, "A National Vision of a Hydrogen Economy and Action Plan." The previous two studies(2006 and 2007) focused on the aspect of supply and demand for hydrogen, but not really took into a serious consideration the stages of storage and transportation which connects supply sources and end-users. In this context, main theme in this study is to build-up an optimal hydrogen delivery system by taking a systemic approach to the multiple stages from production to end-users based on analyses of technical properties and costs in each sector of hydrogen application.
2. Methodology
This study adopts three approaches: First, production system is categorized into central off-site and distributed on-site. Second, scenario approach to calculating regional fuel cell deployment as well as hydrogen supply by energy sources. Third, transportation plan (LP) to optimize the transportation system of hydrogen.
Hydrogen production, if seen in terms of production location, can be categorized into a central off-site plant of large scale hydrogen production and a distributed on-site station. In addition, hydrogen transportation implies that hydrogen produced in a central off-site plant is delivered to end-users, that is, a hydrogen filling station. For a distributed on-site production of hydrogen, the object to be delivered is feedstock such as natural gas, naphtha, LPG, etc., but not hydrogen.
The 2007 study constructed an optimization of hydrogen delivery system with hydrogen production location predetermined. Extending the scope of the 2007 research outcomes, this study includes the sources of feedstock for hydrogen production as variable factor, resulting in a more realistic model. The optimization model for the hydrogen supply system is formulated as an integer programming. The objective is to determine the schedule of the hydrogen supply locations and amounts that minimizes the total hydrogen production and transportation cost while satisfying supply and demand limits. The optimal hydrogen supply plan is obtained by applying the well-known LINGO optimization software.
3. Major Findings and Policy Implications
Major findings of this study are as follow:
First, the maximum hydrogen production from new and renewable energies in 2040 is estimated as 1,778 thousand tons if we adopt a cost effective hydrogen supply system. The previous study estimated the hydrogen production from new and renewable energies in 2040 was 4,502 thousand tons, but this hydrogen supply plan is difficult to achieve because of the lack of the potential domestic resources of new and renewable energies.
Second, the average hydrogen supply cost by central off-site hydrogen production in 2040 is estimated as $2.69/㎏H₂, if nuclear power is included for hydrogen production. If we do not utilize nuclear power as a source of hydrogen production, the average hydrogen supply cost in 2040 is increased to $2.94/㎏H₂. Also, the average hydrogen transportation distances including nuclear power and excluding nuclear power are estimated as 55.1km and 49.6㎞, respectively.
Lastly, an optimal mix of energy resources for hydrogen production should be sought by considering climate change, energy security, energy cost, economic impact, and public acceptance. Nuclear power can be an influential energy source for the off-site hydrogen production. Despite the public acceptance of nucler power, it is desirable to include nuclear power as an energy source for hydrogen production because of its superiority aspects of cost and environment.
4. Suggestions for Further Studies
This study aims to building a optimal hydrogen supply system from production to end-users by applying a systemic approach. However, due to the limited resources in terms of time and relevant information, sites for producing hydrogen from coal and nuclear had to be confined to the existing power plants and cost analysis of domestic hydrogen production was not fully conducted. In the future, more reliable analysis of domestic hydrogen production cost will be possible based on the establishment of database.
Second, analysis of hydrogen infrastructure system will be needed to develop a cost-effective policy for hydrogen supply and demand in transition to a hydrogen economy. In the analysis of hydrogen infrastructure, components of transportation system and hydrogen station should be determined and relevant expansion and investment plan should be developed. In addition, its impact on other existing energy sources and infrastructure should be analyzed.
Last, analysis of economic and industrial impact might be recommended. As hydrogen is used in the transportation, residential/commercial, industrial, and power generation sectors, it is highly recommended that impact on energy market and industry of hydrogen introduction should be analyzed in terms of energy costs, market prices, along with the socio-economic change.
에너지전문가들은 수소와 연료전지를 중심으로 하는 수소경제 체제가 지속가능한 미래에너지시스템의 핵심으로 대두될 것으로 예상하고 있다. 수소는 화석연료, 원자력, 바이오매스, 풍력, 태양 등의 다양한 에너지원으로부터 얻을 수 있으며 전기와 마찬가지로 2차 에너지 또는 에너지캐리어(energy carrier)로 분류된다. 지속가능한 수소경제 체제의 구축을 위해서는 신ㆍ재생에너지를 이용한 수소 제조의 비중이 높아야 한다. 그러나 신ㆍ재생에너지에 의한 수소 제조비용은 화석연료에 의한 수소 제조비용보다 비교적 비싸기 때문에 획기적인 기술개발을 통하여 화석연료에 의한 수소 제조비용과의 격차를 크게 줄이는 것이 관건이다.
수소경제 시대로의 진입을 앞당기기 위한 또 하나의 중요한 과제는 비용효과적인 수소공급 인프라의 구축이다. 수소는 제조, 저장, 운송 등의 단계를 거쳐 이용되므로 수소의 제조분야부터 이용분야에 이르기까지의 시스템적인 접근을 통하여 비용효과적인 수소경제 인프라를 구축 할 필요가 있다.
본 연구는 에너지경제연구원(2005년)의 연구보고서인 “수소경제의 국가비전 및 실행계획 수립 연구”에서 제시한 장기전략과 로드맵에 기초하여 수소운송에 대한 구체적인 방안을 마련하고자 한다. 이전의 연구에서는 수소의 공급과 수요 측면에 중점을 둔 반면, 수소의 공급과 수요를 연결하는 저장 및 운송에 대해서는 충분한 검토가 이루어지지 않았다. 본 연구는 수소의 분야별 기술특성 및 비용을 분석하고, 수소의 제조로 부터 이용에 이르기까지의 모든 단계를 시스템적인 관점에서 파악하여 최적 수소운송시스템을 구축하는 것을 연구주제로 선정하였다.
2. 주요 연구내용 및 방법론
가. 주요 연구내용
본 연구는 경제사회연구회가 기획연구과제로 발주한 3개년 연구프로젝트인 “수소경제 실현을 위한 기반구축 연구”의 3차년도 과제로서I 1차년도 연구과제“수소경제 실현을 위한 수소 수요량 산정 및 공급방안 연구 (2006)"와 2차년도 연구과제 “수소경제 도래에 대비한 수소공급의 시스템적 접근 (2007)"에 이어 1단계의 최종년도 연구과제로서 추진되었다. 1차년도 연구과제에서는 수소경제의 미래상에 입각한 장기 에너지믹스, 에너지공급 및 소비구조와 행태의 분석과, 목표지향적 전략에 기초한 수소필요량의 산정, 그리고 수소제조방법의 최적믹스 도출을 통한 수소시나리오를 설정하였다. 2차년도 연구에서는 1차년도 연구결과를 기초로 하여 중점 연구사항으로서 수소경제 이행을 위한 단계별, 분야별 목표설정 및 이의 달성을 위한 최적 시스템의 구축을 목표로 하여, 비용효과적 수소 제조와 운반, 저장 인프라 구축을 위한 시스템적 접근을 시도 하였다. 본 연구에서는 1, 2차년도 연구결과를 종합하여 수소경제로 이르기 위한 최적이행경로를 개발, 제시하고자 하였다. 더 나아가서 수소 경제로의 다양한 이행경로에 대한 비교분석뿐만 아니라 경로별 비용편익 분석을 통한 최적의 이행경로에 대한 대안제시도 필요하다.
따라서 본 연구는 다음과 같은 주요 내용으로 구성되어 있다.
우선, 수소경제에로의 다양한 이행경로에 대한 비용ㆍ효과 분석이다. 본 연구원에서 수행한 선행연구에서 제시한 수소수요량과 공급방안, 그리고 시스템 구축에 입각한 수소경제로의 이행경로 분석을 실시하였다.
다음으로, 효율적인 수소경제 이행체제 구축을 위한 해외 벤치마킹이다. 이 부분에서는 미국의 이행체제 구축을 위한 연구분석 방향 및 성과 분석과 함께 EU 및 회원국의 이행체제 구축 경로별 분석 결과, 그리고 캐나다, 일본 등의 수소경제 이행경로 구축 실태 분석이 실시되었다.
셋째, 시스템적 접근을 통한 수소경제 이행경로의 추적이다. 여기에서는 1) 수소경제 부문별 수소경제 이행 시스템 분석, 2) 수소경제의 다양한 이행경로 간 비교분석, 3) 수소경제 부문을 통합하는 이행경로의 시스템적 접근이 시도되었다.
넷째, 수소경제에로의 다양한 이행경로에 대한 비용/편익 분석이다. 비용편익분석을 위해서 수소제조 부문에서의 최적 믹스 도출과 함께 수소저장 부문에서의 기술적 평가 및 최적 시스템을 도출하고, 이에 기초하여 수소공급 인프라별 기술 및 경제성 평가에 기초한 최적 시스템을 도출하는 한편, 수소의 이용 및 변환기술 (직접 연소 및 연료전지 포함)의 이용부문별 최적 이행경로를 도출하도록 하였다.
다섯째, 최적 수소공급시스템 구축을 위한 최적화 모형 개발에서는 수소공급시스템 최적화모형의 해외연구 벤치마킹을 위해 미국 DOE, NREL, ANL, ORNL 등의 관련 연구결과를 활용하였고, 미국 DOE의 Hydrogen & Fuel Cells, Infrastructure Technologies Program 중 수소 경제분석팀 연구결과도 이번 연구 분석에서 활용되었다. 그리고 수소 공급자원 가용성 분석에서는 수소 제조원 및 제조방법의 비용 및 특성 분석과 수소 공급자원 자원량 및 입지 분석이 실시되었다. 또한 최적 수소 공급시스템 구축을 위한 최적화모형 개발에서는 선형계획법(Linear Programming: LP) 등의 최적화기법을 이용한 수소공급 최적화모형 개발에 주력하였고, 개발된 모형을 활용하여 수소 공급자원, 수요, 비용 등을 고려한 최적 수소공급시스템 구축 방안을 제시하였다.
마지막으로 수소경제 분야별 최적 시스템 구축을 통한 비용ㆍ효과적 수소경제 이행체제의 구축에서는 부문별 수소경제 이행 시스템의 최적화를 위한 비용편익 분석과 더불어 부문 통합형 최적 이행 경로에 대한 비용편익 분석, 그리고 최적이행 경로 구축을 위한 지원체제의 구축방안이 제시되었다.
나. 연구방법론
본 연구는 수소경제의 실현을 위한 지역별 수소수요량을 파악하고, 산정된 수요량을 어떻게 최소의 비용으로 운송할 것인가를 주제로 하여, 수소운송시스템의 최적화모형을 개발하고 최적 수소운송시스템을 구축하는 방안을 제시하고자 하였다. 본 연구에서 채택한 연구방법은 크게 세 가지로 구별된다. 첫째는 수소 제조시스템을 집중형과 분산형으로 나누어 분석하는 것이며, 둘째는 지역별 연료전지의 보급과 제조원별 수소 공급량의 산정을 위한 시나리오 접근이다. 셋째는 수소운송 최적화를 위해 적용한 최적화기법인 수송계획법이다.
수소제조를 제조장소의 관점에서 분류하면 대규모의 수소 제조공장에서 생산하는 집중형과 수소의 이용 현장에서 생산하는 분산형으로 구분할 수 있으며, 수소운송은 집중형으로 생산한 수소를 수소스테이션 등의 수소 이용 장소로 이동하는 것을 의미한다. 분산형 수소제조에서는 수소의 제조 원료가 운송되며 수소운송은 발생하지 않는 특성을 갖고 있다. 수소 제조형태에 따라 수소 제조비용, 에너지원 믹스, 수소공급 인프라 등이 크게 달라지므로 수소 제조형태에 따른 적정 에너지원, 수소 제조비용 등을 분석하고 평가한다.
본 연구에서는 수송부문을 대상으로 하여 최적 수소운송시스템을 구축하는 문제를 다룬다. 다수의 수소공급지에서 다양한 수소수요처로의 최적 수소운송을 위해서는 지역별 수소수요량과 지역별 및 제조원별 수소공급량에 대한 추정이 필요하므로, 전국을 248개의 시군구 단위로 세분하고 지역별 수소수요량은 해당 시군구의 총 차량수에 비례하는 것으로 설정한다. 지역별 및 제조원별 수소공급량은 에너지경제연구원(2006년)의 연구보고서인 “수소경제의 실현을 위한 수소의 수요량 산정 및 공급방안 연구”에서 제시한 제조원별 수소공급량 전망l 지역별 수소수요량, 수소 운송거리 등을 고려하여 시나리오를 구성한다.
수소운송시스템의 최적화모형은 선형계획법의 일종인 수송계획법을 이용하여 구축한다. 수송계획법은 다수의 공급지에서 다수의 수요처로 제품을 수송하는 경우에 총 수송비용을 최소화하는 방안을 도출하는데 적합한 최적화기법이다 수송계획법을 이용한 최적 수소운송시스템 구축 방안은 상용화된 최적화 프로그램인 LINGO를 이용하여 도출한다.
3. 연구결과 및 정책건의
첫째, 국내에서 신ㆍ재생에너지에 의한 수소공급에는 한계가 있는 것으로 나타났다. 2006년의 선행연구과제인 “수소경제 실현을 위한 수소수요량 산정 및 공급방안 연구”에서는 2040년 신ㆍ재생에너지에 의한 수소공급량이 405.2만 톤으로 전국 수소수요량인 776.9만 톤의 52.1 %를 차지할 것으로 예측하였으나, 국내 수소제조원을 이용한 수소 공급가능량을 분석한 결과 신ㆍ재생에너지를 이용하여 405.2만 톤의 수소를 공급하는 것은 거의 불가능한 것으로 나타났다. 비용효과적인 방법을 선택할 때 신ㆍ재생에너지를 이용한 최대 수소공급량은 전국 수소수요량의 22.7%인 177.79만 톤 정도인 것으로 분석되었다.
둘째, 권역별로 수소 공급용량과 수소 수요량을 분석한 결과 수도권 및 강원도의 수소 수요량은 많은 반면에 수소 공급용량은 상대적으로 부족한 것으로 나타났다. 따라서 수도권의 부족한 수소 공급용량을 보충하기 위하여 다른 권역에서 생산된 수소를 수도권으로 운송하여 사용하는 것이 필요한 것으로 분석되었다. 한편 경상권은 수소 수요량에 비교 하여 풍부한 수소 공급용량을 갖고 있는 것으로 나타났다.
마지막으로, 2040년의 집중형 수소 공급비용은 원자력이 수소제조원으로 포함되면 $2.69/㎏H₂, 원자력이 제외되면 $2.94/㎏H₂이 될 것으로 예측되었다. 또한 파이프라인에 의한 수소운송이 본격화되는 2040년의 집중형 수소생산지에서 수소수요지까지의 평균 수소 운송거리는 원자력이 포함되면 55.1㎞, 원자력이 제외되면 49.6㎞인 것으로 예측되었다. 수소의 1㎏당 평균 운송 및 저장비용은 원자력이 포함되면 $0.275, 원자력이 제외되면 $0.248로 추정되었다.
본 연구의 분석 및 논의 결과에 따른 정책건의 사항은 다음과 같다.
첫째, 에너지 안보, 기후변화, 에너지 가격 및 비용, 경제적 및 기술사회적 파급효과, 사회적수용성 등을 종합적으로 고려하여 수소도입에 따른 에너지믹스의 최적조합을 찾아내야 할 것이다 원자력에 의한 수소생산은 사회적수용성 등의 문제로 인하여 기준안에서 제외되었으나, 최근 에는 환경과 비용 측면에서 원자력에 의한 수소생산의 장점이 부각되고 있으므로 이에 대한 충분한 검토가 필요할 것이다. 또한 물의 전기분해에 의한 수소생산은 유력한 분산형 수소생산방법이 될 것으로 전망되므로 수전해 수소제조에 대한 지속적인 기술개발 및 비용분석이 수행되어 야 할 것이다.
둘째, 수소 수요량이 급격히 증가할 것으로 예상되는 2030년 이후에는 집중형 수소생산이 도입되고, 집중형으로 생산된 수소는 대부분이 수소 파이프라인을 이용하여 수소 수요처로 운송될 것으로 전망된다. 따라서 집중형 수소제조시스템과 수소 파이프라인 운송시스템을 연계하여 분석하고 투자계획을 수립할 필요가 있다. 2030년 이전에는 수소스테이션과 수소운반 트럭 등과 같은 수소인프라 구축이 중요하고,2030년 이후에는 수소 파이프라인과 같은 대규모 수소운반시스템의 인프라구축이 중요할 것이다. 수소인프라는 장기간에 걸쳐 대규모의 투자를 필요로 하기 때문에 지금부터 분산형 수소스테이션 뿐만 아니라 수소 파이프라인과 같은 대규모 수소운송시스템에 대한 비용효과적인 구축방안 수립이 필요하다.
마지막으로 이미 언급한 바와 같이 수소경제로의 효율적 이행을 위한 시스템적 접근이 필요하다. 수소경제의 시스템적 접근을 통하여 수소의 제조, 저장, 운송, 이용 등의 단위 시스템을 유기적으로 결합하고 전체 시스템의 목표를 효율적이고 효과적으로 달성할 수 있다. 미국 DOE는 수소경제 시스템의 모델링과 분석을 위한 시스템 분석틀을 개발하고 있으며, 시스템 분석모형은 요소 모형, 통합 모형, 거시시스템 모형 등을 포함한다. 시스템 분석모형 도구는 각 대안에 대한 시스템, 기술, 비용, 성능, 위험 등에 대한 분석 및 평가 기준을 제공한다. 우리나라도 국내 수소경제시스템에 적합한 수소시스템 분석모형의 개발을 추진해야 할 것이다.
4. 본 연구의 한계 및 향후 연구방향
본 연구에서는 수소의 제조로부터 이용까지의 모든 단계를 시스템적인 관점에서 파악하여 최적 수소공급모형을 개발하고 최적 수소공급시스템을 구축하는 방안을 수립하고자 하였다. 그러나 시간상의 한계와 자료부족 등으로 인하여 석탄과 원자력 등의 제조원에 대하여 수소 공급 입지를 기존 발전소에 국한하였고, 국내 수소 제조비용에 대하여 충분한 분석이 부족한 것은 아쉬운 점이다. 향후에는 국내 에너지원별 수소 제조비용에 대한 추가연구와 관련된 자료에 대한 데이터베이스 구축이 필요한 것으로 판단된다.
둘째, 향후에는 수소인프라에 대한 구체적인 분석과 계획을 수립하는 수소인프라 분석이 필요한 것으로 사료된다. 수소인프라 분석에서는 수소운송시스템과 수소스테이션에 관한 사항을 결정하고 수소인프라의 확장계획 및 투자계획을 수립한다. 또한 수소인프라 도입에 따라 기존 에너지원 및 인프라에 미치는 영향 및 잠재적 변화를 파악한다.
마지막으로 수소경제 도입에 따른 파급효과 분석이 필요한 것으로 사료된다. 수소에너지는 수송부문, 가정ㆍ상업부문, 산업부문, 발전부문 등의 여러 부문에서 사용되며 수소에너지 도입에 따른 에너지산업의 잠재적 변화를 파악하고, 수소경제에 따른 사회경제적 파급효과를 분석하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
1. Background and Research Questions
It is a common view among energy experts that hydrogen economy based on fuel cell technologies will emerge as a core of the sustainable future energy system. Hydrogen can be extracted or produced from fossil fuel, nuclear power, biomass, wind, and solar energy and categorized as an energy carrier like electricity. Renewable energy's share in production of hydrogen should be raised in order to build a sustainable hydrogen economy. However, because production cost of hydrogen based on renewable energy is higher than those based on fossil fuels, it is a paramount concern whether hydrogen production cost of renewable energy can be greatly reduced by technological innovation.
Another issue for an early advent of hydrogen economy is the building of a cost-effective infrastructure. Hydrogen is produced, transported, and stored until it is delivered to end-users. Accordingly, cost-effective infrastructure for hydrogen economy through systemic approach from production to application.
This study aims at providing a specific approach to hydrogen transportation based on long-term strategies and roadmap suggested in the 2005 report, "A National Vision of a Hydrogen Economy and Action Plan." The previous two studies(2006 and 2007) focused on the aspect of supply and demand for hydrogen, but not really took into a serious consideration the stages of storage and transportation which connects supply sources and end-users. In this context, main theme in this study is to build-up an optimal hydrogen delivery system by taking a systemic approach to the multiple stages from production to end-users based on analyses of technical properties and costs in each sector of hydrogen application.
2. Methodology
This study adopts three approaches: First, production system is categorized into central off-site and distributed on-site. Second, scenario approach to calculating regional fuel cell deployment as well as hydrogen supply by energy sources. Third, transportation plan (LP) to optimize the transportation system of hydrogen.
Hydrogen production, if seen in terms of production location, can be categorized into a central off-site plant of large scale hydrogen production and a distributed on-site station. In addition, hydrogen transportation implies that hydrogen produced in a central off-site plant is delivered to end-users, that is, a hydrogen filling station. For a distributed on-site production of hydrogen, the object to be delivered is feedstock such as natural gas, naphtha, LPG, etc., but not hydrogen.
The 2007 study constructed an optimization of hydrogen delivery system with hydrogen production location predetermined. Extending the scope of the 2007 research outcomes, this study includes the sources of feedstock for hydrogen production as variable factor, resulting in a more realistic model. The optimization model for the hydrogen supply system is formulated as an integer programming. The objective is to determine the schedule of the hydrogen supply locations and amounts that minimizes the total hydrogen production and transportation cost while satisfying supply and demand limits. The optimal hydrogen supply plan is obtained by applying the well-known LINGO optimization software.
3. Major Findings and Policy Implications
Major findings of this study are as follow:
First, the maximum hydrogen production from new and renewable energies in 2040 is estimated as 1,778 thousand tons if we adopt a cost effective hydrogen supply system. The previous study estimated the hydrogen production from new and renewable energies in 2040 was 4,502 thousand tons, but this hydrogen supply plan is difficult to achieve because of the lack of the potential domestic resources of new and renewable energies.
Second, the average hydrogen supply cost by central off-site hydrogen production in 2040 is estimated as $2.69/㎏H₂, if nuclear power is included for hydrogen production. If we do not utilize nuclear power as a source of hydrogen production, the average hydrogen supply cost in 2040 is increased to $2.94/㎏H₂. Also, the average hydrogen transportation distances including nuclear power and excluding nuclear power are estimated as 55.1km and 49.6㎞, respectively.
Lastly, an optimal mix of energy resources for hydrogen production should be sought by considering climate change, energy security, energy cost, economic impact, and public acceptance. Nuclear power can be an influential energy source for the off-site hydrogen production. Despite the public acceptance of nucler power, it is desirable to include nuclear power as an energy source for hydrogen production because of its superiority aspects of cost and environment.
4. Suggestions for Further Studies
This study aims to building a optimal hydrogen supply system from production to end-users by applying a systemic approach. However, due to the limited resources in terms of time and relevant information, sites for producing hydrogen from coal and nuclear had to be confined to the existing power plants and cost analysis of domestic hydrogen production was not fully conducted. In the future, more reliable analysis of domestic hydrogen production cost will be possible based on the establishment of database.
Second, analysis of hydrogen infrastructure system will be needed to develop a cost-effective policy for hydrogen supply and demand in transition to a hydrogen economy. In the analysis of hydrogen infrastructure, components of transportation system and hydrogen station should be determined and relevant expansion and investment plan should be developed. In addition, its impact on other existing energy sources and infrastructure should be analyzed.
Last, analysis of economic and industrial impact might be recommended. As hydrogen is used in the transportation, residential/commercial, industrial, and power generation sectors, it is highly recommended that impact on energy market and industry of hydrogen introduction should be analyzed in terms of energy costs, market prices, along with the socio-economic change.
목차
Ⅰ. 서론
Ⅱ. 수소경제에로의 다양한 이행경로 평가
Ⅲ. 해외 주요국의 수소경제 이행체제에 관한 연구 동향
Ⅳ. 시스템적 접근을 통한 비용효과적 수소경제 이행경로의 추적
Ⅴ. 수소공급자원 잠재량 및 비용 분석
Ⅵ. 지역별 단계별 수소 수요량 산정
Ⅶ. 비용ㆍ효과적 수소 공급시스템 구축을 위한 최적화모형
Ⅷ. 종합 결론 및 정책 건의
참고문헌
[부록]
〈요약〉
ABSTRACT
참고문헌 (0)
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