alternate energy lab.jaesung.uu.ac.kr/files/study/수소에너지(정영관교수).pdfalternate...

71
Alternate Energy Lab.

Upload: others

Post on 23-Oct-2020

12 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • A l t e r n a t e Ene r g y Lab .

  • 1.1.수소에너지의수소에너지의 필요성필요성

    A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    화석연료의 에너지

    ( )( )( )( )( )( ) ]/[204443

    ]/[2220433]/[142832]/[1560323

    ]/[8022]/[89022

    22

    22283

    22

    22221

    62

    22

    2224

    kmolMJOHCOkmolMJOHCOOHCkmolMJOHCOkmolMJOHCOOHC

    kmolMJOHCOkmolMJOHCOOCH

    steam

    water

    steam

    water

    steam

    water

    ++=

    ++=+

    ++=

    ++=+

    ++=

    ++=+

    ]/[297]/[242)(]/[286)(]/[283]/[122]/[405

    22

    2221

    2

    2221

    2

    2221

    221

    22

    kmolMJSOOSkmolMJOHOHkmolMJOHOHkmolMJCOOCOkmolMJCOOCkmolMJCOOC

    steam

    water

    +=+

    +=+

    +=+

    +=+

    +=+

    +=+

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    지구온난화 및 이상기후

    화석에너지 고갈

    배기가스등 각종 규제

    화석연료의 문제점

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    The Necessity of Alternative Energy

    문명발달, 산업화

    화석에너지 소비증가

    대체-청정 에너지

    수소 에너지, 연료전지

    가역성

    자원성청정성

    효율성

    호완성지구온난화 및 이상기후

    화석에너지 고갈

    배기가스등 각종 규제

    기후협약[교토의정서]

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Comparison the HYDROGENwith the FOSSIL FUEL

    연료항목

    대기압, 대기압차량공급 상태

    주성분

    탄소/수소 구성비

    수소

    기체기체

    H2

    0

    천연가스

    기체압축기체

    CH4

    0.25

    LPG

    기체액체

    C3H8

    0.38

    가솔린

    액체액체

    C8H18

    0.44

    석탄

    고체

    C6H6

    1

    숫[목재]

    고체

    C

    이론 배출가스 성분(CO2/H20 구성비)

    H2O(0)

    CO2,2H2O(0.5)

    3CO2,4H2O(0.75)

    8CO2,9H2O(0.89)

    6CO2,3H2O(2)

    CO2(∞)

    사용기관(비교효율)

    연료전지(높다)

    내연기관(중간)

    내연기관(중간)

    내연기관(중간)

    외연기관(낮다)

    외연기관(낮다)

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    New & Renewable Energy

    석탄, 석유, 원자력 및 천연가스가 아닌 석유를 대체하는 에너지원

    좁은 의미로는 신·재생에너지원

    한국은 미래에 사용될 대체에너지로 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로11개 분야를 지정 (대체에너지개발 및 이용·보급촉진법 제 2조)

    재생에너지 태양열 태양광 소수력소수력풍력

    해양해양 지열지열 폐기물바이오매스

    신에너지신에너지 수소수소 연료전지 석탄액화가스화

    대체에너지

    신&재생에너지

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hydrogen Energy System

    분리정제

    연소기기

    촉매연소보일러조리기

    수송기술

    수소저장합금

    고압저장

    액화저장

    수소제조기술

    생물학적수소제조

    광화학적수소제조

    열분해법 열화학 사이클알칼리수전해

    고온수전해

    고체고분자심야전력

    대체전원

    원자력

    수력 풍력조력

    파력

    태양광

    바이오매스

    천연가스

    메탄올

    석탄

    가연성폐기물

    기타화석연료

    화학저장

    연료전지자동차

    선박

    비행기

    인공위성

    발전용산업/가정용 연료

    화석연료바이오매스

    폐기물

    수소센서제어수소취성

    화학/금속등 산업체

    이용

    연료충전시스템

    연료전지이용기술

    연료전지이용기술

    수소엔진

    수소터빈

    안전대책기술

    연소이용기술

    자동차

    분산전원

    수소정제/저장/수송기술

    수소이용기술안전대책기술

    발전분야

    수송분야

    가정/산업용

    공업적 이용분야

    개질 및 가스화

    수전해법

    물로부터 수소제조

    수소저장기술

    분리정제

    연소기기

    촉매연소보일러조리기

    수송기술

    수소저장합금

    고압저장

    액화저장

    수소제조기술

    생물학적수소제조

    광화학적수소제조

    열분해법 열화학 사이클알칼리수전해

    고온수전해

    고체고분자심야전력

    대체전원

    원자력

    수력 풍력조력

    파력

    태양광

    바이오매스

    천연가스

    메탄올

    석탄

    가연성폐기물

    기타화석연료

    화학저장

    연료전지자동차

    선박

    비행기

    인공위성

    발전용산업/가정용 연료

    화석연료바이오매스

    폐기물

    수소센서제어수소취성

    화학/금속등 산업체

    이용

    연료충전시스템

    연료전지이용기술

    연료전지이용기술

    수소엔진

    수소터빈

    안전대책기술

    연소이용기술

    자동차

    분산전원

    수소정제/저장/수송기술

    수소이용기술안전대책기술

    발전분야

    수송분야

    가정/산업용

    공업적 이용분야

    개질 및 가스화

    수전해법

    물로부터 수소제조

    수소저장기술

    •수소의 이용

    •수소의 저장 및 수송(수소저장합금)

    •수소의 생산

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .Distinguishes of the Hydrogen Energy

    풍부한 에너지원

    친환경적빠른 변환싸이클석유대체석유대체 유체에너지유체에너지

    저장성 연료전지를연료전지를 통한통한 직접발전직접발전

    에너지변환성에에너지변환성에 따른따른 응용성응용성

    에너지 매체

    대체에너지원으로 주목 받는 이유

    원료원료

    석유대체석유대체 유체에너지원유체에너지원 에너지에너지 저장과저장과 수송용수송용 매체매체 에너지변환에너지변환 매체매체

  • 2.2.수소저장합금의수소저장합금의 필요성필요성

    A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    주택/가정용 1kW 고체고분자 연료전지

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    연료전지 자동차 구조

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    현재의 자동차 구조 적용 1

    현대기아

    TOYOTA

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    전용 자동차 구조

    안전성?

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    전용 자동차 구조 적용

    벤츠GM

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    전용 자동차 구조 적용

    벤츠GM

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    전용 자동차 구조 적용

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    연료공급연료공급--메탄올개질메탄올개질

    사진. 화염특성 비교

    *수소에너지, 아진출판사, 2005

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    고압탱크고압탱크 폭발폭발

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hydrogen Energy System

    생물학적광화학적열화학적전기분해

    석유천연가스

    H2O

    원료 제조 기술

    신재생에너지원자력

    제조공정…

    부생가스개질

    부분산화

    H2

    저장/수송 기술

    고압가스 저장(High Pressure Gas]

    액체 저장(Liguide]

    고체 저장(Solid]

    화학 저장(Chemical]

    파이프라인(Pipe Line]

    이용 기술

    산화연료전지수소터빈수소엔진화학재료

    …..

    가정 :전기,열

    수송용:차량배

    비행기

    산업:반도체전자철강금속

    화학물질유리석영식품

    의약품..

    수요처

    안전성 대책 기술

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    수소저장 탱크

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hydrogen Storage

    수소저장

    고압가스 저장(High Pressure Gas]

    액체 저장(Liguide]

    고체 저장(Solid]

    화학 저장(Chemical]

    안전성, 고체적 안전성, 에너지소모 고중량 회수, 재처리

    저장법

    단점

    종류35MPa고압용기(70MPa 개발중]

    금속수소화물

    탄소계나노재료

    비탄소계나노재료

    NaBH4……..

    Safety

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Comparison between Hydrogen StoragesBenefits of the Hydrogen Absorption Alloy

    15MPa고압가스 저장(High Pressure Gas]

    액체 저장(Liguide]

    저압가스 저장(Low Pressure Gas]

    150기압, 상온

    350기압, 상온

    700기압, 상온

    저장법 조건체적[m3]

    6.7

    35MPa 고압가스 저장(High Pressure Gas]

    수소저장합금(Hydrogen Absorption Alloy]

    70MPa 고압가스 저장(High Pressure Gas]

    대기압, -253도

    10기압, 상온

    2.9

    1.4

    1.3

    0.9 대기압, 상온

    100

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    연료공급연료공급

    1. 고압수소저장2. 액화수소저장3. 수소저장합금에 의한 수소저장4. 탄소계 나노재료에 의한 수소저장5. 비탄소계 나노재료에 의한 수소 저장

  • 3.3.수소저장합금의수소저장합금의 이해이해

    A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hydrogen SitesProperties of the Hydrogen Absorption Alloy

    100μm

    결정립(crystal grain)

    결정입계(grain boundary)

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hydrogen SitesProperties of the Hydrogen Absorption Alloy

    단위격자

    a a a,c:격자상수fcc hcp

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hydrogen SitesProperties of the Hydrogen Absorption Alloy

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    수소저장(발열)

    수소방출(흡열)

    P-C-T curveProperties of the Hydrogen Absorption Alloy

  • 수소저장특성(수소확산사진)

    A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    30min 50min

    Hydrogen DiffusionProperties of the Hydrogen Absorption Alloy

  • 합금설계원리합금설계원리

    단원소금속 수소저장능력, 경제성, 반응특성의 보완

    수소저장합금개량

    A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hydrogen Absorption Alloys

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    NEDO ROAD MAP

  • 4.4.수소저장합금수소저장합금을을 응용한응용한CanisterCanister

    A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Principles of Application of The Hydrogen Absorption Alloy

    H2 M MH2 ± ΔH Storage

    Canister, tank…

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Production Process of the Hydrogen Absorption Alloy

    Alloy Paticles,Coalting…

    Unit Metal, etc

    Unit Metal Sheets

    Raw Materials

    High Pressure Press

    Melt spinning

    Milling

    Melting

    Manufacturing

    Alloy Sheets

    Alloy ingots

    Alloy Bulks

    Heat treatmentActivation treatment

    Grinding…

    Treatments

    Packing…

    Packing

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Examples applied to the hydrogen tanks

    제조사 三洋

    수 소 용 량(liter)

    >300

    치 수(mm)

    186 x 49 x 275

    합금 MmNi계

    질 량 (kg) 4.5

    제조사 GfE

    수 소 용 량(m3)

    6 18

    치 수(mm)

    Φ50 Φ89

    합금 TiMn계

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b . ※2004년 FUELCELL, 日本經濟新聞社

    Micro size Canister

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    여산금속(YEOSAN METAL Co.)

    E-mail : [email protected]

    Homepage : www.yeosanmetal.com

    Small size canisters

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    항 목 내 용

    형 식 번 호 MHSC-50L MHSC-70L MHSC-150L MHSC-200L

    수 소 용 량(liter)

    50 L 70L 150L 200L

    상당전력량(Wh)

    53 74 158 210

    치 수(mm)

    Φ50 x H132 Φ50 x H165 Φ50 x H268 Φ50 x H363

    질 량(kg)

    0.7 0.9 1.7 2.2

    수소방출유량(liter/min)

    0.12 0.18 0.370.53

    환 경 온 도상 용 압 력

    0∼40℃0∼0.99MPaG

    수소흡수시간 30min (20℃수냉, 도입 수소압 0.99MPaG에서의 값)

    수소흡장합금 AB5계

    ※수소용량 : 표준상태(0℃, 1atm)에서 수소가스체적※용기질량 : 수소저장합금+용기 + 부속밸브의 질량※상당전력량: 연료전지효율 35%(LHV)에서 발전할 경우

    여산금속Small size canister 사양

    Spec. on the small size canisters

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    여산금속 제공

    Hydrogen tanks for the motorcycle

    제조사 APFEC

    수 소 용 량(liter)

    560

    치 수(mm)

    Φ76.2 x L365

    질 량(kg)

    4.5

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    항 목 내 용

    형 식 번 호 MHSC-4Nm, 22Nm, 26Nm

    수 소 용 량(m3)

    4, 22, 26

    치 수(mm)

    Max.465 x 637 x 173

    질 량(kg)

    40, 230, 260

    수소방출유량

    (liter/minm3 /min )

    44, 4.15, 4.9

    Hydrogen tanks

    여산금속 제공

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Station

    여산금속 제공

    Hydrogen station

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    항 목 내 용

    형 식 번 호 MHMT-7L MHMT-8L

    수 소 용 량(liter) 7 8

    상당전력량(Wh) 7 8

    치 수(mm) 40 x 60x 5.8 38 x 46.5x 10

    질 량(g) 74 92

    여산금속(YEOSAN METAL Co.)

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    항 목 내 용

    형 식 번 호 MHPF-1M, 3M, 10M

    수 소 용 량(m3)

    1, 3, 10

    치 수(mm)

    Max.465 x 637 x 173

    질 량(kg)

    17, 48, 146

    수소방출유량(liter/min)

    33, 100, 333

    Hydrogen tank

    여산금속 제공

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    •Hydrogen Storage Tanks and StationApplication of The Hydrogen Absorption Alloy

    Micro Type Hydrogen ChargingAppliance

    Small Type Middle Type

    Large Type Station Fuel Tank

    여산금속 제공

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b . ※2006년 TOYOTA MOTOR CORPORATION

    Hybrid Tank

    35MPa CFRP

    고압

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hybrid Tank

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hydrogen tanks

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hydrogen tanks

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .NEDO Road Map in 2006, 2007

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hydrogen and Hydrogen Absorption Alloy Marketin the World

    1997년 3천7백대 전지 4백만불1998년 2만3천대 전지 약 2천만불1999년 3만7천대 전지 3천3백만불2000년 6만대 전지 약 5천4백만불

    2003 12만대 전지1억불2004 17만대 45%(전년비 성장) 0.3 전지 1억5000만불

    2005 20만대2010 75~100만대 전지 8억~20억불(30~40%성장)

    유럽, 하이브리드 자동차 판매고 현황과 전망2002 : 1048대

    2004 : 1만1478대2006 : 6만9916대2008 : 23만2366대2010 : 44만9028대

    (자료원 : Frost & Sullivan)

    기사출처: Handelsblatt, Automobilwoche, Automobilindustrie --코트라 뮌헨무역관

    2004년

    년도 비고수소시장

    일본, 미국, 유럽32조원/45백만톤

    수소저장합금시장

    3천억원

    2007년 세계42조원/6천만톤 2조원

    2012년 세계84조원/1억2천만톤 6조원

    2020년 세계157조원/2억2천만톤 12조원

    자료 : 산업자원부 기술표준원“기술표준동향” 2005년 8월한국과학기술정보연구원 “합금계 수소저장재료” 2004년 8월

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Principles of Application of The Hydrogen Absorption Alloy

    H2 M MH2

    Electrical EnergyChemical Energy

    Mechnical Energy Thermal Energy

    Storage

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Application of the Hydrogen Absorption Alloys

    촉매재료

    센서재료

    응용분야

    Thermal Energy

    Electrical Energy Chemical Energy

    Mechnical EnergyStorage

    원리

    금속수소화물온도센서

    유기화합물의

    수소화

    반응

    전지재료

    수소화물

    니켈전지

    연료전지

    상온핵융합의

    중수전해

    수소분리정제재료

    수소의

    분리

    정제

    회수

    중수소의

    분리

    삼중수소의

    분리

    에너지변환재료

    폐열회수장치,

    열펌프

    냉난방시스템

    냉동시스템

    화학엔진

    발전시스템

    압축기

    구동기

    수소저장재료

    정치식

    수소저장용기

    수소운송옹기

    수소자동차용

    연료탱크

    수소STATION

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .•Energy TransducerApplication of The Hydrogen Absorption Alloy

    Chemical Energy Saving

    Chemical Heat Pump

    Air Cooler Air Conditioner

    Chemical Compressor

    Chemical Engine

    Actuator

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    니켈-수소화물 전지

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Rechargable Battery Marketin the World

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Hybride Car of Ni-Mm Rechargable Battery

    Ni-Mm Battery Hybride System Hybride Car(HONDA INSITE)

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    The Hybride Car and It’s Rechargable Battery Marketin the World

    1997년 3천7백대 전지 4백만불1998년 2만3천대 전지 약 2천만불1999년 3만7천대 전지 3천3백만불2000년 6만대 전지 약 5천4백만불

    2003 12만대 전지1억불2004 17만대 45%(전년비 성장) 0.3 전지 1억5000만불

    2005 20만대2010 75~100만대 전지 8억~20억불(30~40%성장)

    유럽, 하이브리드 자동차 판매고 현황과 전망2002 : 1048대

    2004 : 1만1478대2006 : 6만9916대2008 : 23만2366대2010 : 44만9028대

    (자료원 : Frost & Sullivan)

    기사출처: Handelsblatt, Automobilwoche, Automobilindustrie --코트라 뮌헨무역관

    1997

    년도 비고하이브리드차 보급대수

    일본3천7백대

    2차전지비중

    4백만불

    1998 일본2만3천대 2천만불

    1999 일본3만7천대 3천3백만불

    2000 일본, 미국6만대 5천4백만불

    2003 일본, 미국,유럽(2002)12만대 1억불

    2004 일본, 미국,유럽17만대 1억5천만불

    2005 일본, 미국,유럽20만대 1억8천만불

    2010 일본, 미국,유럽,한국,중국 등75~100만대 8~20억불

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    수소저장합금을 이용한 화학 축열시스템 계통도

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    “PEM-fuel cell-Activities in Europe and costs problem”

    International Battery Materials AssociationGraz(Austria), April 18-22, 2004

    Invited Lectures

    The main problems

    Technical difficultiesCostsInfrastructureEducation & training

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    연구분야

    PEMFC시스템MH 응용수전해수소생산

  • A l t e r n a t e E n e r g y L a b .

    Thanks you!

    1.테크노관

    http://www.kumoh.ac.kr/new/about/include/campus_map.htm?capimg_num=01

    연료전지 자동차 구조현재의 자동차 구조 적용 1전용 자동차 구조전용 자동차 구조 적용전용 자동차 구조 적용전용 자동차 구조 적용연료공급-메탄올개질고압탱크 폭발수소저장 탱크연료공급수소저장특성(수소확산사진)니켈-수소화물 전지