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전해 공정
# 서론
세계 경제의 다양한 시장과 부문에서 수소 생산을 위한 전기 분해의 역할을 모색하고 있으며 관련 기술 및 인프라에 대한 투자는 현재 수십억 달러(USD)에 달합니다. 기업은 저탄소 또는 제로 탄소 에너지 운반체 또는 연료로 수소를 채택하는 것이 가치 사슬 내 운영의 비용, 신뢰성 및 유연성에 어떤 영향을 미치는지 고려하고 있습니다. 전력망의 대량/장기 에너지 저장에서부터 수소 유래 AEC에 이르기까지 전해 공정은 많은 탈탄소화 방법을 지원할 가능성이 있습니다. 단기 전망은 주로 전해조 용량을 늘리고 규모의 경제를 개선하여 비용을 낮추는 데 중점을 둡니다. 통합 에너지 시스템에서 수소를 생산하는 전해조의 역할이 완전히 정의되거나 이해되지 않았기 때문에 장기적 전망은 더 복잡합니다. 전해 공정 TSC의 목적은 기술을 평가하고 에너지 경제 전반에 걸쳐 광범위한 배포 및 채택을 촉진하기 위한 기술 및 전략적 방향을 알리는 것입니다.
전기 분해 분야에는 성숙한 기술과 개발 중인 기술이 모두 존재합니다. 상업용 장치는 100년 이상 배치되었으며, 새로운 기술이 비용 절감, 효율성 증대, 운영 유연성 증대를 목표로 개발됩니다. 2020년에 제조업체에서 고객에게 배송되는 전해조의 총 용량은 2019년보다 거의 30% 증가하여 200MW(메가와트)에 도달할 것으로 예상됩니다. 또 다른 17Gw의 전해조가 현재 계획되어 있으며 BNEF의 한 예측에 따르면 2021년에는 2020년 배치의 두 배 이상이 될 것으로 예상합니다. 이러한 급격한 증가는 부분적으로 기후 및 경제 관련 목표를 해결하기 위해 수소 경제 개발을 개략적으로 설명하는 로드맵을 발표한 9개 국가와 유럽 연합에 의해 주도되었습니다. 유럽 연합에서만 2030년까지 최소 40GW의 전해조를 설치할 계획을 수립했습니다(BNEF 2021).
최근 수요 증가에도 불구하고, 부문과 산업에서 저탄소 및 제로 탄소 에너지를 배치하려고 함에 따라, 전해조 시스템의 비용 효율성과 운영 유연성은 아직 확정되지 않았습니다. 앞서 언급했듯이 전기 분해에 의한 수소 생산은 오늘날 전 세계 생산량의 2% 미만을 차지하며 나머지 98%는 천연 가스 개질 또는 석탄 가스화 공정을 통해 공급됩니다(IEA 2019b). 다양한 조직에서 약 $0.50~$2 USD/kg(~$4-$17 USD/MMBtu) 범위의 전해조 생산 비용 목표를 설정했습니다. LCRI 통합 에너지 시스템 분석 TSC의 예비 분석에 따르면 오늘날의 전기분해 생산 비용은 $3.50~5.50 USD/kg(~$31-48 USD/MMBtu)입니다.[1] 목표치와 현재 값의 차이는 SMR(증기 메탄 재형성) 또는 저탄소 에너지 생산을 지원하기 위해 CCS를 통합할 수 있는 기타 상업적으로 이용 가능한 방법과의 경쟁으로 이어질 수 있습니다. LCRI에서는 CCS(90% CO2 포집 시)와 함께 SMR을 사용하는 수소 생산 비용이 현재 $1.40 USD/kg($12 USD/MMBtu) 정도라고 추정합니다.[2]
전해 공정 TSC는 전해조 시스템의 비용, 운영 및 통합의 중요한 측면을 다루기 위해 LRCI R&D 활동을 위한 세 가지 중점 영역을 식별했습니다. 이러한 중점 영역은 기술 및 시스템 통합, 고급 기술 개발, 프로세스 모델링 및 분석입니다.
TSC는 에너지 경제의 많은 부분이 탄소 감소를 달성하기 위한 방법을 설정함에 따라 전해조 기술에 대한 현재 세계 시장과 향후 30년 동안 예상되는 시장 성장에 대한 평가를 통해 이러한 중점 영역을 식별했습니다. 현재 대규모 상업 규모(>10MW 용량)로 공급할 수 있는 전해조 제조업체가 상대적으로 적으며, 저탄소 에너지 운반체 솔루션을 위해 경쟁하는 수많은 부문에서 전해조 기술에 대한 수요가 곧 현재 제조 능력을 능가할 수 있습니다. 두 가지 상용 전해조 기술 유형인 알칼리성 및 양성자 교환막(PEM) 제조업체는 자본 비용 절감을 가속화해야 할 필요성에 이미 대응하고 있습니다. 신규 주문의 유입으로 제조업체가 비용 절감 생산 능력에 투자하고 공급망을 강화할 수 있기 때문에 많은 자본 비용 절감이 규모의 경제에 의해 달성될 것입니다. 그러나 상당한 양의 수소 생산 비용은 전기 가격(일부 경우 최대 75%) 및 전해조의 용량 계수와 관련이 있습니다(NREL 2021). 시스템 수준 통합 및 운영 관점과 이러한 기술이 전기 공급과 수소 수요 변동성 모두에 상호 작용하고 대응해야 하는 방식을 더 잘 이해하고 특성화하려면 더 많은 연구가 필요합니다. 이 TSC는 대규모 상용 기술 배포를 안내하는 리소스를 개발하고 글로벌 노력에서 얻은 교훈과 관점을 공유할 계획입니다. 자원은 기술 평가 보고서, 엔지니어링 및 운영 지침, LCRI 또는 협력을 통해 수행된 연구 결과(예: 실험실 규모, 파일럿 및/또는 데모 규모 테스트), 에너지 및 재료 균형 평가의 형태를 취할 수 있습니다.
SOEC(고체 산화물 전기분해), AEM(음이온 교환막) 및 기타 기술(예: 무막 및 하이브리드 장치)과 같은 새로운 기술은 상용화되기 전에 상당한 개발, 시연 및 내구성 테스트가 필요합니다. 경제 전반의 탈탄소화에 대한 장기적인 관점을 취함으로써 이러한 기술이 향후 10년 동안 확장될 가능성은 합리적으로 보입니다. 이러한 새로운 기술이 성공적으로 개발되면 현재 배포된 기술에 비해 개선된 시스템 통합 기능으로 자본 및 운영 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 이 TSC는 향후 사용 가능한 새로운 대안을 고려하여 기술 옵션을 비교하는 방법에 대해 의사 결정자에게 알리기 위해 평가 프로토콜을 개발할 계획입니다. 현재 첨단 기술 환경에 대한 철저한 분석을 완료한 후 TSC는 상용 배포를 달성하고 파일럿 및 데모 규모의 요구 사항을 전달하는 데 필요한 단계를 식별 및 평가할 계획입니다. 이 분석에는 LCRI가 기술의 파일럿 또는 데모 테스트를 주도할 수 있는 기회에 대한 평가가 포함됩니다.
불행히도 전기분해에 의한 수소 생산의 기술 경제성을 평가하기 위한 획일적인 접근 방식은 여러 가지 고려해야 할 요소가 있기 때문에 없습니다. 기술 유형과 관련된 특정 특성 외에도 내구성, 용량 요인 영향, 에너지원, 지리적 위치, 최종 사용자와의 근접성, BOP(보조 설비) 시스템이 각각 기술 옵션을 비교할 때 역할을 합니다. 전해조 기술의 발전과 새로운 기술/시스템의 발전을 해결하기 위해 이 TSC에서는 비용 및 성능 동향 및 예측에 대한 통찰력을 제공하는 분석 도구를 개발 및 관리할 계획입니다.
# 주요 연구 질문
LCRI 과정에서 TSC는 다음과 같은 연구 문제를 해결하고자 합니다.
다양한 분야에서 현재 또는 쉽게 사용할 수 있는 전기 분해 기술은 무엇입니까?
각 기술의 상대적인 경쟁 우위와 한계(예: 상업 기업의 규모, 현재 제품 제공, 제공 및 제조 분야의 향후 확장 계획)는 무엇입니까?
자본 및 운영 비용은 무엇이며 이러한 가치를 이끄는 주요 요인은 무엇입니까?
규모에 따른 비용 절감의 여지가 있는 시스템 또는 구성 요소는 무엇입니까?
주요 작동 매개변수는 무엇입니까?
대량/대규모 시장 생산에 대한 예상 일정은 어떻게 됩니까?
가까운 장래에 유망한 대안으로 부상하고 있는 전기분해 기술은 무엇입니까?
해당 기술은 어떤 이점이 있습니까?
개발 및/또는 배포를 지연시키는 요인은 무엇입니까?
상용화까지의 일정은 어떻게 됩니까?
수소 생산 공간에 영향을 미칠 수 있는 공급망 민감도는 무엇입니까?
현재 또는 새로운 기술이 대체 저비용 촉매 또는 중요한 재료를 개발하고 있습니까?
중요한 재료 또는 시스템 구성 요소의 재활용 및 회수를 위한 시스템이 마련되어 있습니까?
통합 및 부지 선정 측면을 포함하여 제품 및 시스템 관점에서 표준 안전 기술 운영이 있습니까?
추가 BOP 요구 사항(예: 전자 제품, 냉각, 수처리, 전력 제어)은 무엇이며 수소 비용에 어떻게 기여합니까?
각 기술 옵션의 환경적 측면(예: 물 수요 및 활용, 배출)은 무엇입니까?
수소 에너지 생산의 가치 제안을 극대화하기 위해 자본 비용 최적화 대 운영 부하를 고려할 때 시스템 성능 유연성(예: 효율성, 용량 계수)을 어떻게 이해합니까?
전기분해의 수소가 CCS가 포함된 SMR과 같은 다른 청정 수소 생산 대안으로부터의 수소 생산과 비용 경쟁력이 있을 수 있습니까, 또는 언제 경쟁력이 있을 수 있습니까?
전해조 시스템이 통합 에너지 활동(예: 그리드 서비스, 소비자 수요, 초과 전력 생산 활용)을 어떻게 지원할 수 있습니까?
기존 그리드 자산(예: 열 입력이 시스템 효율성을 증가시킬 수 있는 곳)과 함께 전기 분해 기술의 위치를 더 잘 알릴 수 있는 시스템 성능 특성 및 통합 요구 사항은 무엇입니까?
사업 계획에 전기 분해 기술을 통합하기 위한 중요한 결정을 내리기 위해 이해 관계자에게 어떻게 정보를 제공해야 합니까?
현재와 미래에 전기 분해의 배치에 영향을 미칠 규제 요인은 무엇입니까?
전기 분해를 사용한 수소 생산의 필요성을 이끄는 데 중요한 전환 요인은 무엇입니까(예: 전력망 및 청정 에너지 생산과의 통합, 다양한 부문/산업 전환 일정)? 2050년 목표를 달성하기 위한 결정이 내려질 때 이러한 요인들은 향후 30년 동안 어떻게 작용할 것입니까?
지역/지리적 추진 요인이 더 많은 수소 생산 채택으로의 전환에 어떤 영향을 미칠 수 있습니까?
수소 운송 및 저장 비용은 수소 생산 배치에 어떤 영향을 미칩니까?
# 연구 노력
전해 공정 TSC는 전해 기술 및 시스템에 대한 현재 및 예상 환경을 다루기 위해 세 가지 중점 영역을 중심으로 연구 계획을 구성했습니다. 이 세 영역은 그림 18에 요약되어 있습니다.
전기 분해는 경제의 많은 부문에서 저탄소 또는 제로 탄소 에너지 생산을 위한 메커니즘으로 작용할 가능성이 있습니다. 다양한 옵션을 처리하고, 전기 분해가 제공할 수 있는 기능을 더 잘 특성화하고, LCRI 내에서 전기분해의 가능한 사용을 보장하기 위해 TSC 연구 계획에 대한 가치 사슬 접근 방식이 제안됩니다. 이 가치 사슬 접근 방식에 대한 설명은 그림 19에 나와 있습니다.
# 연구 목표
이 TSC의 전반적인 연구 목표는 LCRI의 목표에 따라 수소 생산 산업을 이해하고 발전시키는 것입니다. 전해 공정 TSC는 현재 및 신흥 기술에 대한 수소 생산 공간 전반에 걸쳐 비교 가능한 정보를 수집하고 기술 개발 및 포트폴리오 선택(예: 에너지 생산, 최종 사용 응용 분야, 지리적 제약, 저장 및 전달 기능)에 대한 의사 결정을 알리는 방법론을 개발하는 것을 목표로 합니다.
제안된 연구 노력 및 관련 목표에 대한 요약이 아래에 나와 있습니다.
# 목표 1: 대규모 기술 및 시스템 통합 지원
전략 1: 최신 기술을 이해하고 미래 기술 배포를 위한 격차 분석 개발
- 조치: 상업 기술을 평가합니다. 최신 기술 보고서를 작성하고, 기술 공급업체와 인터뷰를 수행하고, BOP 운영 및 유지보수 프로토콜을 조사합니다.
전략 2: 운영 및 유지 관리, 환경적 측면, 기술의 이점 및 한계를 특성화합니다.
- 조치: 성능 및 수명 주기 특성을 식별합니다.
전략 3: BOP 시스템(예: 전력 전자, 수처리, 냉각, 수소 저장/압축)에 대한 대규모 배포 영향에 대한 현재 상태 및 예측 특성화
- 조치: BOP 시스템을 평가하고 프로토콜(운영, 유지보수, 안전 및 환경)을 평가합니다.
전략 4: 시스템 통합의 위험, 과제, 제한 사항 및 이점 이해
조치: 성능 및 신뢰성 영향을 평가하기 위해 전력 시스템 및 전력망 통합 연구를 수행합니다.
조치: 통합 기술 분석(예: 전력망, 직접 재생, 원자력)을 수행합니다. 가능한 경우 파일럿 또는 데모 규모의 활동을 활용합니다.
전략 5: 부문/산업 전반에 걸쳐 작업, 전기분해 기술의 안전한 배포 지원
- 조치: 시스템 작동에 대한 안전 고려 사항을 개발합니다.
전략 6: 물 소비 및 기타 영향 특성화
- 조치: 물 활용 및 처리 분석 도구를 개발하고 측정 항목을 설정합니다.
# 목표 2: 선진 기술 개발 가속화를 위한 노력 식별 및 주도
전략 1: 운영 개선을 통한 수소 비용 절감
조치: 효율성과 비용을 개선하기 위한 방법이나 기술을 식별합니다.
조치: 개선된 작동 특성(예: 압력, 전기 변동성)에 대한 테스트를 수행합니다.
전략 2: 중요한 공급망 요소를 해결하여 수소 비용 절감
- 조치: 새로운 자료를 배포할 기회와 방법을 조사합니다.
# 목표 3: 프로세스 모델링 및 분석 리소스 개발
전략 1: 정보에 입각하여 경제적으로 건전한 결정 내리기
- 조치: 상업 기술을 위한 기술 경제 분석 도구와 리소스와 고급 기술을 위한 플레이스 홀더를 개발합니다.
전략 2: 경제성, 저장, 운영 요구 사항을 포함하여 수소 생성에 대한 현실적인 시나리오와 그 의미를 이해합니다.
- 조치: 상용 기술 모델링을 위한 프레임워크 및 도구를 개발합니다.
전략 3: 미래 응용 분야에서 첨단 기술의 잠재적 역할 식별
- 조치: 새로운 기술의 이점을 추정하는 모델링 기술을 개발합니다.
전략 4: 전기 분해 전지의 최첨단 운영 효율성과 내구성을 개선하고 에너지 자원 고려 사항을 위한 배치 전략을 개발합니다.
- 조치: 플로우 필드 모델링 및 에너지 리소스 모델링을 포함한 기술 분석 도구를 만듭니다.
# 기술 개발에서 LCRI의 예상 역할
TSC는 연구 목표와 관련된 상업 및 개발 기술의 환경을 정기적으로 평가합니다. TSC는 기술 개발에서 LCRI의 예상 역할에 따라 기술을 구성했습니다(그림 20 참조). TSC는 예상 활동 수준을 선택할 때 여러 고려 사항의 균형을 유지하려고 합니다. 이러한 고려 사항에는 예상 배포 기간, 노력 수준, 초점 및 유사한 목표를 가진 다른 조직/이니셔티브의 투자, 탈탄소화 전략에서 다양한 산업/부문을 지원하는 잠재적 역할, 철저한 분석을 수행하는 데 사용할 수 있는 관련 정보의 양이 포함됩니다. 이니셔티브가 진행되는 동안 TSC는 진행 중인 TSC 활동의 연구 결과와 통합 에너지 시스템 분석 TSC에서 생성된 에너지 경제 모델링 결과를 기반으로 이러한 위치를 업데이트할 계획입니다.
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# 다른 기술 소위원회와 공동 연구 분야
아래 목록은 다른 TSC의 활동과의 공동 연구 및 통합이 필요한 영역을 요약한 것입니다.
수소 생산 및 저장 안전 및 환경 측면.
다음을 포함한 전해 수소로부터 합성 연료 생산:
암모니아
메탄화
피셔-트로프슈 리퀴드
메탄올
물 전기분해에 의해 생성된 부산물 산소가 필요하거나 활용할 수 있는 시스템.
수소 저장 기술.
발전 및 기타 대용량 최종 사용과의 통합.
천연 가스 인프라와 수소 혼합.