R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C129846-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 100만 명 규모 도시형 복합 수소 네트워크 설계 및 안전성 평가, 관리기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-04-01 ~ 2018-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 이철진 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
10명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 198,000,000 원 기업 : 66,000,000 원 계 : 264,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 124,000,000 원 계 : 494,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 중앙대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
* 연구개발의 배경 및 필요성 - 온실가스는 인간 활동에 의해 배출이 증가하는 추세이며, 특히 연료연소에 의한 이산화탄소 배출증가로 지구의 대기 이산화탄소 농도가 급증하고 있음. 대기 중 이산화탄소 농도는 최근 10년 동안 매년 2ppm의 속도로 빠르게 상승했으며 메탄과 아산화질소의 농도도 크게 상승함. - 이산화탄소 농도 급증에는 에너지 사용이 주요 요인으로 작용했으며 농업부문의 가축과 벼 재배에서 발생하는 메탄과 아산화질소, 산업공정부문의 불화가스 및 아산화질소 배출도 요인으로 작용함. 2010년 세계 온실가스 배출(CO2, CH4, N2O)에서 에너지부문(연료연소, 탈루배출)이 68%, 산업공정이 7%, 농업부문이 11% 기타부문이 14%를 차지했음. - 1997년 지구온난화 규제 및 방지를 위해 선진국의 온실가스 감축 목표치를 규정한 것이 교토의정서임. 그러나 교토의정서의 경우 참여 선진국에 대해서만 감축의무를 추진해왔으며 개도국에게는 감축의무가 부여되지 않아 온실가스 감축체제의 한계점이 노정되어옴. - 2015년 파리기후변화협약을 통해 신 기후체제의 출범이 선포됨. 감축의무 대상국가가 37개 선진국에서 개도국을 포함하여 195개국으로 확대되었음. 이에 따라 각 국은 국가기여방안(INDC)을 제출 하였으나 예상대로 이행된다 할지라도 지구온도의 2도 이내 상승에는 역부족일 것으로 예상됨. - 이러한 온실가스로 인한 지구온난화의 감축을 위해 국내에서는 대체에너지로 수소에너지를 사용하는 방안을 추진하고 있으며 “창조경제 실현을 위한 국토교통 R&D 중장기 전략 국토분야 보고서”에 따르면 중·장기 목표로 5만 명 규모 도시형 수소 네트워크 설계를 목표로 함. - 국내 수소 스테이션 보급계획 및 설치비용을 근거로 하여 내수 및 수출시장을 산출하였음. 내수시장은 2030년까지 5,540억 정도로 예상됨. 국내 수소 스테이션 건설 현황은 2005년 한국에너지기술연구원을 필두로 정부의 수소 스테이션 실증과제를 통해 3곳에서 시범적으로 수소 스테이션을 설립 운영하였으며, 전국적으로 연재의 수소인프라 구축 현황은 2013년 12월을 기준으로 국내의 경우 수소 스테이션 16개소가 완공되어 14개소가 운영이 가능한 곳이며 실증 중인 수소 스테이션은 현재 일부분으로 한국가스공사에서 인천공항 셔틀버스로 수소연료전지버스에 충전중임. 그러나 이러한 수소 스테이션의 현황은 수소연료전지 자동차의 보급 측면에서 미흡한 상황임. 실제로 상용 수소 스테이션은 거의 없는 상황이며 수소연로전지 자동차 보급을 위해서 이용할 수 있는 수소 스테이션은 2~3개소에 불과한 실정임. - 2015년 관계부처 합동 ‘제3차 환경 친화적 자동차 개발 및 보급 기본계획’발표로 보다 명시적이고 구체적인 수소연료전지차 보급 및 수소 스테이션 구축 로드맵을 갖게 되었으며 향후 탄력적이고 적극적인 수소인프라 구축 사업을 추진 중인 실정임. 2017년까지 총 27기의 수소 스테이션이 국내에 구축될 계획이며 환경부는 수소 스테이션 10기와 수소연료전지 차량 130개의 보급을 목표로 예상을 확정한 실정임. 산업부 역시 수소연료전지버스 충전소 모니터링 사업을 추진하고 있으며, 국토부는 고속도로 수소충전을 위한 수소하이웨이 구축사업을 기획중임. - 일본의 경우 장기적인 수소 네트워크 구성을 위해 WE-NET 프로그램을 1993년부터 2020년까지 장기연구과제로 선정하여 진행 중에 있음. R&D의 구성을 Phase 1,2,3로 나누어 각 Phase별로 단계적인 수소 네트워크를 기획하고 연구하는 단계임. 기초단계인 Phase 1은 수소의 생산량과 액화, 보관, 이송, 공급 등의 수소 네트워크의 수치적인 목표를 정하고 개념을 확립하는 단계로 이미 20여 년 전에 연구가 끝난 상황임. * 연구개발과제의 차별성 및 중복성 검토 - 국내외로 수소 네트워크를 구성하기 위해 고려하는 요소는 수소 스테이션 설치 확대 및 수소연료전지차의 확대 등 에너지원의 대체로만 연구개발 및 정책지원이 수행되고 있음. 구체적인 에너지규모에 따라 용도에 따른 네트워크 설계기술은 전무한 것으로 파악됨. - 이는 도시형 수소 네트워크 설계 시 산업기반 도시 뿐만 아니라 일반 도시에도 효율적인 수소 네트워크 구성방식을 제공할 수 있음. - www.ntis.go.kr 사이트에 수소 네트워크 관련 프로젝트를 조사한 결과 유사한 과제나 중복과제가 확인되지 않았음.(2017년 3월 27일 현재) [최종목표] 가. 연구개발 최종목표 및 최종성과물 (1) 최종목표 및 최종성과물 - 100만 명 규모의 도시형 복합(차량용/발전용) 수소 네트워크 설계 및 경제성 평가, 안전성 평가 및 유지관리 기술을 도출하고자 함. - 중앙 허브 스테이션의 공정 모델을 도출하고, 차량용 및 발전용 수소 허브 스테이션의 수소 처리 및 공급 공정 모델을 도출함. 안전성 평가 및 수학적 모델링을 통한 수소 네트워크 최적 설계를 수행하고 CAPEX, OPEX 수행을 통해 경제성 평가 모델 도출. 인구규모 및 수소 공급형태에 따른 안전성 평가 관리 체계 및 유지관리를 체계화함. (2) 설정근거 - 수소 네트워크의 경우 수소의 생산, 이송, 저장, 공급까지의 유기적인 공정을 의미하기 때문에 최종 연구개발 성과물은 수소 네트워크 공정 모델 개발임. 안전성 평가 및 유지관리 기술 개발의 경우는 기타로 속함. - “창조경제 실현을 위한 국토교통 R&D 중장기 전략 국토분야 보고서”에 따르면 중·장기 목표로 5만 명 규모 도시형 수소 네트워크 설계를 목표로 함. 이를 토대로 1차연도 목표를 5만 명 규모 도시형 발전용 수소 네트워크 설계, 안전성 평가 및 유지관리 기술 개발을 목표로 함. 2차연도의 경우 대규모 도시의 수소 네트워크 개발로 도전성 있는 목표를 결정함. - 1차연도의 경우 5만 명 규모의 소규모 도시의 도시형 수소 네트워크 설계로 목표로 하였으며, 도시의 직접적인 에너지 공급이 가능한 발전용 수소 네트워크를 설정함. 2차연도의 경우 100만 명 복합(차량용/발전용) 수소 네트워크 설계를 목표로 하였으며 1차연도보다 규모를 늘려 수소 네트워크 설계 시 고려해야 할 사항이 복잡해지고 이를 수학적 모델링을 통해 최적화를 수행함. - 1차연도의 경우 결과물의 범위가 2차연도에 비해 작기 때문에 9개월로 설정 하였으며 2차연도의 경우 1차연도 보다 결과물 도출을 위해 고려해야하는 변수가 기하급수적으로 증가하기 때문에 12개월로 설정하였음. - 공정 모델을 도출하기 위한 공정시뮬레이션 수행, 안전성 평가를 위한 정량적 피해 예측 시뮬레이션 및 CFD를 통한 사고에 따른 유체의 운동 해석 등을 수행하기 위해선 전용 시뮬레이터들이 각각 소요되고, 복잡한 수소 네트워크 설계를 위한 고급인력이 소요되므로 총 연구비 474백만원이 요구됨. - 주관연구기관 연구원들은 LNG 공정의 동적, 정적 공정 모델링을 수행한 경험이 다수 있으며, 공동연구기관의 연구원들은 사고피해예측 및 사고원인 파악을 위한 위험성 평가를 수행한 경험이 다수 있음. - 본 연구신청서를 작성하기 위해 자료 수집 시 수소 스테이션 설치 시 자세한 운전조건과 필요한 설비의 구성요소 등을 파악하는 데 한계가 있으며, 부생수소 발생지역의 경우 현재까지의 수소 생산량 및 수소 판매 단가 등에 대해서는 조사하는 데 한계를 가짐. 현재 수소 네트워크를 구축하는 단계는 일본의 Phase 1 단계에 머무르고 있으며 발전용 및 차량용을 모두 사용하는 수소 네트워크 설계에 대해서는 개발이 전무한 상황임. [연구내용 및 범위] *연구내용 및 범위 인구 규모와 용도에 따른 수소 네트워크 설계 및 안전성 평가, 유지 관리 기술을 도출하고자 함. 인구 규모의 산출은 국토부의 창조경제 실현을 위한 국토교통 R&D 중장기 전략" 국토분야에서 발췌하여 1차연도 목표는 5만명 인구 규모를 목표로 진행함. 2차연도의 경우 5만 명 인구 규모에서 더 상승시켜 100만 명 규모의 대규모 도시를 목표로 진행함. 각 연차별로 수소 네트워크를 설계한 후 안전성 평가를 수행하여 보다 체계적인 수소 네트워크 설계를 수행함. 또한 각각 설계된 수소 네트워크의 유지관리 기술 도출을 수행하여 수소 네트워크가 보다 장기적으로 활용될 수 있도록 함. (1) 5만 명 규모 도시의 발전용 수소 네트워크 - 5만 명이 연간 사용하는 전력의 규모를 발전용 수소연료전지를 통해 생산하고, 연료로 사용되는 수소의 생산, 이송, 저장 및 공급의 네트워크를 최적설계하고 경제성 평가를 수행함. - 5만 명 규모 도시의 발전용 연간 에너지 소모량 계산 - 에너지 공급 형태에 따른 수소 네트워크 설계 - 발전용 수소 공급용 배관 공정 시뮬레이션 - 최적화 수소 네트워크 설계를 위한 변수, 목적함수, 제한조건 설정 - 수학적 모델링을 이용하여 목적함수 최적화를 통한 수소 네트워크 최적 설계 - 에너지 공급형태에 따른 수소 네트워크 경제성 평가 (2) 100만 명 규모 도시의 복잡(차량용/발전용) 수소 네트워크 - 100만 명 규모 도시의 발전/차량용 연간 에너지 소모량 계산 - 중앙 허브 수소 스테이션 장소 선정 - 발전용 수소 공급용 감압 공정 시뮬레이션 - 차량용 수소 공급용 압축 공정 시뮬레이션 - 최적화 수소 네트워크 설계를 위한 수학적 모델링 수행 - 수소 서브 스테이션 개수 최적화 - 100만 명 규모 복합 수소 네트워크 경제성 평가 (3) 5만 명 및 100만 명 도시의 수소 네트워크 안전성 평가 및 유지관리 기법 - 5만 명 규모 발전용 수소 스테이션 후보지 및 100만 명 규모 중앙 허브 수소 스테이션 및 서브 수소 스테이션 후보지의 인구분포 조사 및 기후조사 - 5만 명 규모 발전용 수소 스테이션 설치를 위한 사고 시나리오 선정 - 중앙 허브 수소 스테이션, 발전용 & 차량용 서브 수소 스테이션 설치를 위한 사고 시나리오 선정 - 사고시나리오에 따른 정량적 피해범위 선정(2D & 3D) - 각 사고시나리오에 따른 정량적 피해범위 선정(2D & 3D) - 100만 명 규모 복합 수소 네트워크 안전성 평가 기법의 체계화 |
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| 색인어 | 한글 | 수소 네트워크 | 최적 설계 | 경제성 | 안전성 | 유지 관리 |
| 영문 | Hydrogen network | Optimal design | Profitability | Safety | Management | |
| 최종보고서 | 2_최종보고서(안)_중앙대(이철진)_R3.pdf | |||||