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논문 기본 정보
- 자료유형
- 연구보고서
- 저자정보
- 발행연도
- 2007.12
- 수록면
- 1 - 262 (280page)
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1. 연구의 필요성 및 목적
최근 들어 국내외 정책입안자와 환경 기구 및 단체, 에너지 분석 전문가들 사이에 수소경제에 대한 여러 가지 전망이 엇갈리고 있다. 일부 에너지 관련 전문가들은 수소경제의 실효성에 대해 비판적인 견해를 표출하면서 수소경제의 도래에 대해 부정적인 입장을 표명하고 있다. 그러나 수소경제 지지자들은 이를 수소경제에 이르는 과정에서의 시련으로 여긴다. 이들은 수소경제가 가져올 잠재적 편익, 즉 진정한 의미의 청정에너지원 개발, 지역경제 활성화, 신(新)성장산업 육성 등에 주목하고 지속 가능한 에너지수급 시스템 구축을 위한 여러 가지 방안 중 가장 근본적인 해법이 수소경제의 구현이라는 점에서 이를 적극 지지하고 있다. 이러한 논란 속에 세계 주요국 들은 수소경제를 유효하고 유력한 대안 중의 하나로 간주하고 수소경제 기초인프라 구축을 위한 연구기반 조성 및 유지에 정부와 민간이 합심하여 예산지원과 투자를 지속하고 있다.
이와 같은 세계적 추세를 감안하여 본 연구에서는 우리나라가 수소경제로 체계적이고 비용효과적으로 이행하기 위해서는 장기적인 비전과 목표를 가지고 하드웨어 및 소프트웨어 인프라 측면에서 시스템적인 접근을 추구해야 한다는 명제를 설정하였다. 수소는 제조, 저장, 운송 등의 복잡한 단계를 거쳐 이용되므로 수소의 제조분야부터 이용분야에 이르기까지의 전과정에 걸친 시스템적인 접근을 통하여 비용효과적인 수소 경제 인프라를 구축할 필요가 있다. 따라서 본 연구는 수소의 분야별 기술특성 및 비용을 분석하고 수소의 제조로부터 이용에 이르기까지의 모든 단계를 시스템적인 관점에서 파악하여 수소운송시스템의 최적화모형을 개발하고 최적 수소운송시스템을 구축하는 방안을 제시하는 것을 목표로 하였다.
2. 주요 연구내용 및 방법론
가. 주요 연구내용
본 연구는 경제인문사회연구회가 기획 연구과제로 발주한 3개년 연구 프로젝트 “수소경제 실현을 위한 기반구축 연구”의 1차년도 연구과제인, “수소경제 실현을 위한 수소 수요량 산정 및 공급방안 연구(2006)”의 후속 연구과제로서 추진되었다. 1차년도 연구과제에서는 수소경제의 미래상에 입각한 장기 에너지믹스 전망, 에너지공급 및 소비구조와 행태의 분석과 더불어 목표 지향적 전략에 기초한 수소필요량을 산정하였고 수소제조방법의 최적믹스 도출을 통한 수소 공급 시나리오를 설정하였다. 본 연구에서는 1차년도 연구과제의 결과를 기초로 하여 중점 연구사항으로서 수소경제로의 이행을 위한 단계별 목표를 설정하고 이의 달성을 위한 최적 시스템을 구축하는 것을 목표로 비용 효과적 수소 제조와 운반, 저장 인프라 구축을 위한 시스템적 접근을 시도하였다.
수소경제 시대로의 순조로운 이행을 위한 중요한 과제 중 하나는 비용효과적인 수소공급 인프라의 구축이다. 수소는 제조, 저장, 운송 등의 다양한 단계를 거쳐 이용되므로 수소의 제조분야부터 이용분야에 이르기까지 시스템적인 접근을 통하여 비용효과적인 수소경제 인프라를 구축할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 수소의 분야별 기술특성 및 비용을 분석하고 수소의 제조로부터 이용에 이르기까지의 모든 단계를 시스템적인 관점에서 파악하여 최적 수소운송 시스댐을 구축하였다.
우선 1차년도 연구결과에서 제시되었던 수소제조원 및 제조방법의 최적 믹스를 토대로 집중화와 클러스터화 전략을 통한 수소 수급 시스템의 이행단계를 설정하였다. 그리고 이러한 이행단계를 바탕으로 수소의 운반 형태와 이용 형태를 고려한 최적 수소운송 시스템을 구축하였다.
나. 연구방법론
본 연구에서 채택한 연구방법은 크게 세 가지로 구분된다 첫째는 수소 제조시스템을 집중형과 분산형으로 나누어 분석하는 것이며, 둘째는 지역별 연료전지의 보급과 제조원별 수소공급량의 산정을 위한 시나리오 설정 및 분석이다. 마지막으로 셋째는 수소운송 최적화를 위해 적한 수송계획법이다.
수소제조를 제조 장소의 관점에서 분류하면 대규모의 수소 제조공장에서 생산하는 집중형과 수소의 이용 현장에서 생산하는 분산형으로 구분할 수 있다. 집중형으로 생산한 수소는 파이프라인, 튜브트레일러 등의 운송수단을 통해 수소충전소와 같은 수요처로 이동시켜야 한다. 반면 분산형 수소제조에서는 수소의 제조 원료가 운송되며 수소운송은 발생하지 않는 특징을 갖고 있다. 이렇듯 수소 제조형태에 따라 수소 제조비용, 에너지원 믹스, 수소공급 인프라 등이 크게 달라지므로 수소 제조형태에 따른 적정 에너지원, 수소 제조비용 등을 분석하고 평가하였다.
수소는 가정ㆍ상업부문, 산업부문, 수송부문 등 에너지를 이용하는 전 부문에 걸쳐 이용될 수 있지만 본 연구에서는 그 중 수소수요량이 가장 많고, 도입시기가 빠를 것으로 예상되는 수송부문을 대상으로 하여 최적 수소운송시스템을 구축하는 문제를 다루었다. 다수의 수소공급지에서 다양한 수소수요처로의 최적 수소운송을 위해서는 지역별, 제조원별 수소공급량에 대한 추정이 필요하므로, 전국을 248개의 시군구 단위로 세분하고 지역별 수소수요량을 산정하였다. 지역별, 제조원별 수소공급량 산정에는 1차년도 연구보고서인 “수소경제의 실현을 위한 수소의 수요량 산정 및 공급방안 연구”에서 제시한 제조원별 수소공급량 전망과 지역별 자동차 등록대수를 이용하였다. 본 연구에서는 특히 수소 공급 시스템의 이행과정을 클러스터화와 집중화로 구분하여 이 둘의 유기적 성장을 통한 수소 공급 시스템의 구축과정을 제시하였다.
수소운송시스템의 최적화모형은 선형계획법의 이용하여 구축하였다. 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 도출하였다.
3. 연구결과 및 정책 건의
수소ㆍ연료전지가 경제성 및 안전성을 확보해 나갈수록 수소에 대한 수요는 늘어나게 될 것이고 이러한 수요에 맞추어 공급도 증가하게 될 것이다. 문제는 수소를 어떠한 방식으로 공급하는가에 있다. 수소 수요가 적은 시기 또는 적은 장소에는 분산형 수소 공급 체계가 적합할 것이며, 수소 수요가 많은 시기 또는 많은 장소에는 집중형 수소 공급 체계가 경제성이 뛰어날 것이다. 이러한 점들을 감안할 때 이행단계에 맞추어 적절한 수소 수급 시스템을 설계하는 것은 매우 중요한 일이 될 것이다. 그리하여 본 연구에서는 수소 수요ㆍ공급 시스템 구축의 기본방향을 클러스터화와 집중화로 구분하였다.
클러스터화와 집중화는 서로 영향을 주고받으며 유기적으로 성장ㆍ변화해 나갈 것이다. 즉 클러스터화가 진행되면 이들 클러스터를 중심으로 집중화가 시작될 것이며, 집중화를 통해 수소의 대량 공급이 가능해지면 이것이 또 다른 클러스터의 형성을 촉진시킬 것이다.
클러스터는 수소 수요 및 지역배분을 고려하여 선정하였다. 초기 단계에는 수도권 클러스터, 대전ㆍ충남권 클러스터, 부산ㆍ울산권 클러스터, 광주ㆍ전남권 클러스터의 총 4대 클러스터가 구축될 것으로 전망된다. 이들 총 4대 클러스터가 구축될 것으로 전망된다. 이들 4대 클러스터를 통해 수소경제 이행으로의 기틀을 마련하게 되면 총 3개의 클러스터가 추가되어 7대 클러스터가 형성될 것으로 전망하였다. 추가되는 3개의 클러스터는 영서ㆍ경기동부권 클러스터, 대구ㆍ경북권 클러스터, 전북권 클러스터로 선정하였다.
다음으로 집중화의 경우, 우리나라 248개 시군구 중 대부분의 지역은 집중형 수소 공급이 가능할 것으로 예상된다. 우리나라는 국토가 좁고 인구가 밀집되어 있기 때문에 집중형 수소 공급 시스템 구축에 유리한 조건을 가지고 있기 때문이다. 하지만 산간지역과 도서지역 등 일부 지역의 경우 지역 여건상 집중형 수소 공급이 불가능할 것으로 보인다. 본 연구에서는 현재의 천연가스 배관망 구축 현황을 살펴보고 이를 바탕으로 집중형 수소 공급 지역과 분산형 수소 공급 지역을 구분하였다.
본 연구에서는 수소수용량, 지형적 장애요인, 인프라구축 비용 등을 고려하여 크게 4대 지역을 분산형 공급 지역으로 선정하고, 그 외 지역을 집중형 수소 공급 지역으로 구분하였다. 4대 분산형 공급지역은 태백산맥 지역, 지리산ㆍ덕유산 지역, 도서ㆍ낙후지역, 기타지역으로 나뉜다.
이와 같이 분석한 클러스터화와 집중화를 바탕으로 수소 수급 시스템 이행 단계를 설정하였다. 수소 수급 시스템 이행 단계는 2040년까지 총 4단계로 구분하였으며 1단계는 2030년까지 4대클러스터ㆍ분산형 단계, 2단계는 2035년까지 4대클러스터ㆍ집중형 단계, 3단계는 7대클러스터ㆍ집중형 단계, 4단계는 전국ㆍ집중형 단계이다(그림 1).
클러스터화는 1단계부터 진행되어 2040년 전국적 수급 시스템이 구축되면서 그 역할을 다할 것으로 예상되며 집중화는 수소 수요가 적정 수준에 오른 2030년 이후부터 가능할 것으로 전망된다. 집중화 단계에서도 분산형 공급 시스템은 일부 그 역할을 유지할 것으로 판단된다.
[그림 1] 수소 수급 시스템 이행 단계
이미지 참조
다음으로는 이렇게 설정한 수소 수급 시스템 이행 단계별로 수소 수급 시스템을 구축하였다. 이를 위해서는 수소 수요지별 수요량을 파악하고 이를 공급하기 위한 방안을 수립해야 한다. 수소 수요지별 수소 수요량은 지역별 자동차 등록대수 비중이 지역별 수소 충전량 비중과 일치한다고 가정하여 산정하였다. 이후 이를 클러스터화 단계에 맞추어 재산정하였다.
이러한 수요에 대응하기 위해 수소를 생산하여 공급하기 위한 방안에는 분산형과 집중형이 있다. 본 연구에서는 특히 집중형 수소 공급 시스템에 초점을 맞추고 있으며, 집중형 수소 생산 설비로는 총 3가지 형태를 고려하였다. 첫 번째가 연 5만톤 생산규모의 신ㆍ재생에너지 수소 생산 설비(A)이며, 두 번째가 연 20만톤 생산규모의 석탄 수소 생산설비 (B), 세 번째가 연 5만톤 규모의 부생수소 생산설비(C)이다. 앞서 분석한 클러스터별ㆍ지역별 집중형 수소 수요량과 선행연구의 제조원별 수소 생산량을 고려하여 각 클러스터별로 요구되는 집중형 설비에 대한 도입 계획을 수립하였다.
다음으로 각 클러스터별로 배정된 설비를 지역별로 배치하는 문제가 남는다. 수소 생산 설비를 배치함에 있어 중요한 고려 사항으로는 주요 수요지와의 이격도, 지역별 수소 생산 잠재량이 있다. 그 외에도 사회적 수용성이나 토지 비용 등의 요소도 고려해야할 사항이다. 본 연구에서는 이들을 고려하여 수소 생산 설비를 배치하였다.
<표 1> 집중형 수소 생산 설비 도입 계획
표삽입
마지막으로 수소운송 최적화모형을 통해 공급지별 수소공급량, 수요처 별 수소수요량, 각 공급지에서 모든 수요처로의 단위당 수소 운송비용 등을 입력 자료로 하여 모든 공급지에서 모든 수요처로의 수소 운송비용을 최소화하는 운송계획을 수립하였다. 수소운송시스템의 최적화모형은 선형계획법의 일종인 수송계획법을 이용하여 구축하였다. 앞에서도 말한 바와 같이 수송계획법은 다수의 공급지에서 다수의 수요처로 제품을 수송하는 경우에 총 수송비용을 최소화하는 방안을 도출하는 데 적합한 최적화기법이다. 수송계획법을 이용한 최적 수소운송시스템 구축방안은 상용화된 최적화 프로그램인 LINGO를 이용하여 도출하였으며 분석결과는 〈표 2〉와 같다. 분석결과는 편의상 권역별로 제시하였으며 시군구별 결과는 [부록 7]에 수록하였다.
<표 2> 권역별 수소운송량
표삽입
제주를 제외한 전체 네트워크의 평균 수소운송거리는 약 43.5㎞인 것으로 나타났으며 평균 수소운송비용은 약 $0.218/㎞H₂ 정도인 것으로 추정된다. 하지만 이는 각 시군구의 중심부까지의 운송거리 및 운송비용으로 지역 내 각 충전소까지의 운송거리 및 운송비용은 이보다 조금 더 클 것으로 보인다.
본 연구의 분석 및 논의 결과에 따른 정책 건의 사항은 다음과 같다.
첫째, 초기 수소ㆍ연료전지 시장도입을 위해서는 주요 수소 수요 발생지역을 클러스터화 함으로써 수소경제 이행 초기 단계의 수요 및 공급을 특징 지역으로 집중화하여 비용효과적인 이행 체계를 구축하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
둘째, 수소 수요량이 급격히 증가할 것으로 예상되는 2030년 이후에는 집중형 수소생산이 도입되고, 집중형으로 생산된 수소는 대부분이 주조 파이프라인을 통해 수소 수요처로 운송될 것으로 전망된다. 따라서 집중형 수소제조시스템과 수소 파이프라인 운송시스템을 연계하여 분석하고 투자계획을 수립할 필요가 있다.
셋째, 에너지 안보, 기후변화, 에너지 가격 및 비용, 경제적 및 기술 사회적 파급효과, 사회적 수용성 등을 종합적으로 고려하여 수소도입에 따른 에너지믹스의 최적조합을 찾아내야 할 것이다.
마지막으로, 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. 따라서 우리나라도 국내 수소경제 시스템에 적합한 수소시스템 분석모형의 개발을 추진해야 할 것이다.
4. 본 연구의 한계 및 향후 연구방향
우선, 본 연구에서는 수소의 제조로부터 이용까지의 모든 단계를 시스템적인 관점에서 파악하여 최적 수소운송모형을 개발하고 최적 수소운송시스템을 구축하는 방안을 수립하고자 하였다. 그러나 시간상의 한계와 자료부족 등으로 인하여 최적 수소운송시스템의 구축에 꼭 필요한 요인을 제대로 반영하지 못한 부분이 있었다. 특히 아쉬운 점은 수소제조원에 대한 잠재량 분석이 충분하지 않았던 점이다. 16개 시도별 또는 본 연구에서 설정한 클러스터별로 수소 제조 잠재량과 이의 가용성을 분석하여 수소 수급 시스템 구축 시 활용하는 것이 필요할 것이다.
다음으로, 향후에는 수소인프라 구축에 대한 구체적인 계획을 수립하는 수소인프라 분석이 필요한 것으로 사료된다. 수소인프라 분석에서는 수소운송시스템과 수소충전소에 관한 제반사항을 결정하고 수소인프라의 확장계획 및 투자계획을 수립하게 될 것이다. 이를 통해 수소 경제로의 이행에 필요한 재원에 대한 정보를 제공할 수 있을 것이며 국가가 초기 시장 형성을 위해 담당해야 할 역할을 파악할 수 있을 것이다. 한 편으로 투자계획의 수립을 통해 수소 경제로의 이행이 국가경제 및 산업 전반에 미치는 파급효과, 그리고 기존 에너지원에 미치는 영향과 잠재적 변화를 분석할 수 있을 것으로 기대된다.
마지막으로, 본 연구에서는 수송부문에 한정하여 지역별 수소수요량을 예측하고, 이를 기초자료로 하여 최적 수소운송시스템을 구축하고자 하였다. 하지만 수소는 수송부문 이외에 가정ㆍ상업부문, 산업부문, 발전부문 등에서도 사용된다. 따라서 추후, 본 연구에서 개발한 최적 수소운송 시스템을 확장하여 가정ㆍ상업부문, 산업부문, 발전부문, 수송부문의 전 부문을 통합하는 ‘통합 최적 수소운송시스템’을 개발해야 할 것이다. 이를 통해 국가 전체에 걸친 최적 수소 수급 시스템을 완성할 수 있을 것으로 판단된다.
1. Background and Research Questions
In recent years, there have been emerging controversial views of the hydrogen economy among energy experts and energy policy makers. Some energy experts articulate a critical position against the advent of the hydrogen economy. Many energy experts, however, expect that the hydrogen economy is a key to the sustainable energy system and will eventually materialize. Hydrogen is an energy carrier, and can be produced from a wide variety of energy sources such as fossil fuels, nuclear power, biomass, wind, and solar energy.
One of the major concerns in transition to a hydrogen economy is the construction of a cost effective hydrogen infrastructure. Accordingly, a systemic approach is needed since hydrogen is used through multiple steps of production, storage, transportation, and conversion. In this regard, this study focuses on finding an efficient hydrogen delivery system based on long-term strategies and a road map of the national project report, A National Vision of Hydrogen Economy and Action Plan (Boo, 2005).
With this in mind, this study attempts to answer the following research questions:
First, what is the optimal strategy in transition to a hydrogen economy in terms of constructing a cost-effective infrastructure?
Second, what is the optimal delivery network between hydrogen plants and filling station?
In addition to these two major research questions, this study addresses scenario analysis to how to produce and supply hydrogen to meet the demand by sector and by energy sources for hydrogen production.
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 an end-user, that is, a 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 optimization model for the hydrogen transportation system is formulated as a transportation model. Transportation model is a special type of linear programming which deals with shipping a commodity from sources (hydrogen plants) to destinations (hydrogen filling stations). The objective is to determine the transportation schedule that minimizes the total shipping costs while satisfying supply and demand limits. The optimal hydrogen transportation plan is obtained by applying the well-known LINGO optimization software.
3. Major Findings and Policy Implications
Major findings of this study are as follows:
First, an optimal mix of energy resources for hydrogen production should be sought by considering the climate change, the energy security, the energy cost, the economic pervasive effect, and the social acceptance. Nuclear power can be an influential energy source for the off-site hydrogen production because of its superiority on aspects of cost and environment. Also, electrolysis of water will be cost effective hydrogen production method for the on-site hydrogen production in our country if there is a significant technological break-through.
Second, basic approach in building a system of demand and supply for hydrogen in this study is two-tiers of clustering and concentration. Clustering and concentration interact with each other and grow in diverse ways. In other words, as clustering advances, concentration will develop around them. In tum, this concentration will promote a large supply of hydrogen which, ill tum, will stimulate another clustering to be formed.
Third, this study adopts 4 major clustering at the early stage which will eventually expand into 7 major clustering for concentrated off-site hydrogen production and delivering. Other 4 areas will be distributed on-site hydrogen production which are excluded from the cases for transportation plan.
Fourth, it is expected that the off-site hydrogen production will be introduced in 2030, and most hydrogen produced from central hydrogen plants will be transported to destinations via pipelines. Therefore, it is desirable to jointly plan the off-site hydrogen production system and the hydrogen pipeline transportation system.
Lastly, most hydrogen produced from central hydrogen plants is transported to destinations via pipelines in 2040. In 2040, the average transportation distance from sources to destinations is estimated as 43.5km, and the average transportation cost is estimated as $0.218/㎏H². It is also estimated that the structure of hydrogen pipeline networks will resemble that of natural gas pipeline networks.
4. Suggestions for Further Studies
Major focus of this study is on finding the optimal hydrogen transportation system as an option of multiple pathways towards an cost-effective hydrogen economy. However, it is insufficient to analyze potential energy resources and locations for hydrogen production. It is assumed that energy sources, locations, and quantities of hydrogen productions are predetermined by a hydrogen supply scenario. Therefore, further research is needed to address the analysis of energy sources and availability of hydrogen supply.
In addition, it is required to analyze the hydrogen infrastructure. The details of hydrogen fueling stations and transportation systems should be determined for the analysis of the hydrogen infrastructure. Also, it grasps influences and potential changes on existing energy sources and infrastructures when the hydrogen infrastructure is introduced.
Needless to say, systemic approach is a critical method for an efficient transition to a hydrogen economy. The objectives of hydrogen economy can be achieved efficiently and effectively by a systemic approach. The DOE(department of energy) is developing a system analysis tool for analyzing and modelling of the hydrogen economy system, and Korea also needs to develop an analysis model which is suitable for analyzing the domestic hydrogen economy.
Lastly, the scope of this study is confined to the transportation sector. However, hydrogen can be used in other sectors such as the residential and commercial sector, the industry sector, and the electricity generation sector. Therefore, it is desirable that study scope should be extended to all sectors.
최근 들어 국내외 정책입안자와 환경 기구 및 단체, 에너지 분석 전문가들 사이에 수소경제에 대한 여러 가지 전망이 엇갈리고 있다. 일부 에너지 관련 전문가들은 수소경제의 실효성에 대해 비판적인 견해를 표출하면서 수소경제의 도래에 대해 부정적인 입장을 표명하고 있다. 그러나 수소경제 지지자들은 이를 수소경제에 이르는 과정에서의 시련으로 여긴다. 이들은 수소경제가 가져올 잠재적 편익, 즉 진정한 의미의 청정에너지원 개발, 지역경제 활성화, 신(新)성장산업 육성 등에 주목하고 지속 가능한 에너지수급 시스템 구축을 위한 여러 가지 방안 중 가장 근본적인 해법이 수소경제의 구현이라는 점에서 이를 적극 지지하고 있다. 이러한 논란 속에 세계 주요국 들은 수소경제를 유효하고 유력한 대안 중의 하나로 간주하고 수소경제 기초인프라 구축을 위한 연구기반 조성 및 유지에 정부와 민간이 합심하여 예산지원과 투자를 지속하고 있다.
이와 같은 세계적 추세를 감안하여 본 연구에서는 우리나라가 수소경제로 체계적이고 비용효과적으로 이행하기 위해서는 장기적인 비전과 목표를 가지고 하드웨어 및 소프트웨어 인프라 측면에서 시스템적인 접근을 추구해야 한다는 명제를 설정하였다. 수소는 제조, 저장, 운송 등의 복잡한 단계를 거쳐 이용되므로 수소의 제조분야부터 이용분야에 이르기까지의 전과정에 걸친 시스템적인 접근을 통하여 비용효과적인 수소 경제 인프라를 구축할 필요가 있다. 따라서 본 연구는 수소의 분야별 기술특성 및 비용을 분석하고 수소의 제조로부터 이용에 이르기까지의 모든 단계를 시스템적인 관점에서 파악하여 수소운송시스템의 최적화모형을 개발하고 최적 수소운송시스템을 구축하는 방안을 제시하는 것을 목표로 하였다.
2. 주요 연구내용 및 방법론
가. 주요 연구내용
본 연구는 경제인문사회연구회가 기획 연구과제로 발주한 3개년 연구 프로젝트 “수소경제 실현을 위한 기반구축 연구”의 1차년도 연구과제인, “수소경제 실현을 위한 수소 수요량 산정 및 공급방안 연구(2006)”의 후속 연구과제로서 추진되었다. 1차년도 연구과제에서는 수소경제의 미래상에 입각한 장기 에너지믹스 전망, 에너지공급 및 소비구조와 행태의 분석과 더불어 목표 지향적 전략에 기초한 수소필요량을 산정하였고 수소제조방법의 최적믹스 도출을 통한 수소 공급 시나리오를 설정하였다. 본 연구에서는 1차년도 연구과제의 결과를 기초로 하여 중점 연구사항으로서 수소경제로의 이행을 위한 단계별 목표를 설정하고 이의 달성을 위한 최적 시스템을 구축하는 것을 목표로 비용 효과적 수소 제조와 운반, 저장 인프라 구축을 위한 시스템적 접근을 시도하였다.
수소경제 시대로의 순조로운 이행을 위한 중요한 과제 중 하나는 비용효과적인 수소공급 인프라의 구축이다. 수소는 제조, 저장, 운송 등의 다양한 단계를 거쳐 이용되므로 수소의 제조분야부터 이용분야에 이르기까지 시스템적인 접근을 통하여 비용효과적인 수소경제 인프라를 구축할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 수소의 분야별 기술특성 및 비용을 분석하고 수소의 제조로부터 이용에 이르기까지의 모든 단계를 시스템적인 관점에서 파악하여 최적 수소운송 시스댐을 구축하였다.
우선 1차년도 연구결과에서 제시되었던 수소제조원 및 제조방법의 최적 믹스를 토대로 집중화와 클러스터화 전략을 통한 수소 수급 시스템의 이행단계를 설정하였다. 그리고 이러한 이행단계를 바탕으로 수소의 운반 형태와 이용 형태를 고려한 최적 수소운송 시스템을 구축하였다.
나. 연구방법론
본 연구에서 채택한 연구방법은 크게 세 가지로 구분된다 첫째는 수소 제조시스템을 집중형과 분산형으로 나누어 분석하는 것이며, 둘째는 지역별 연료전지의 보급과 제조원별 수소공급량의 산정을 위한 시나리오 설정 및 분석이다. 마지막으로 셋째는 수소운송 최적화를 위해 적한 수송계획법이다.
수소제조를 제조 장소의 관점에서 분류하면 대규모의 수소 제조공장에서 생산하는 집중형과 수소의 이용 현장에서 생산하는 분산형으로 구분할 수 있다. 집중형으로 생산한 수소는 파이프라인, 튜브트레일러 등의 운송수단을 통해 수소충전소와 같은 수요처로 이동시켜야 한다. 반면 분산형 수소제조에서는 수소의 제조 원료가 운송되며 수소운송은 발생하지 않는 특징을 갖고 있다. 이렇듯 수소 제조형태에 따라 수소 제조비용, 에너지원 믹스, 수소공급 인프라 등이 크게 달라지므로 수소 제조형태에 따른 적정 에너지원, 수소 제조비용 등을 분석하고 평가하였다.
수소는 가정ㆍ상업부문, 산업부문, 수송부문 등 에너지를 이용하는 전 부문에 걸쳐 이용될 수 있지만 본 연구에서는 그 중 수소수요량이 가장 많고, 도입시기가 빠를 것으로 예상되는 수송부문을 대상으로 하여 최적 수소운송시스템을 구축하는 문제를 다루었다. 다수의 수소공급지에서 다양한 수소수요처로의 최적 수소운송을 위해서는 지역별, 제조원별 수소공급량에 대한 추정이 필요하므로, 전국을 248개의 시군구 단위로 세분하고 지역별 수소수요량을 산정하였다. 지역별, 제조원별 수소공급량 산정에는 1차년도 연구보고서인 “수소경제의 실현을 위한 수소의 수요량 산정 및 공급방안 연구”에서 제시한 제조원별 수소공급량 전망과 지역별 자동차 등록대수를 이용하였다. 본 연구에서는 특히 수소 공급 시스템의 이행과정을 클러스터화와 집중화로 구분하여 이 둘의 유기적 성장을 통한 수소 공급 시스템의 구축과정을 제시하였다.
수소운송시스템의 최적화모형은 선형계획법의 이용하여 구축하였다. 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 도출하였다.
3. 연구결과 및 정책 건의
수소ㆍ연료전지가 경제성 및 안전성을 확보해 나갈수록 수소에 대한 수요는 늘어나게 될 것이고 이러한 수요에 맞추어 공급도 증가하게 될 것이다. 문제는 수소를 어떠한 방식으로 공급하는가에 있다. 수소 수요가 적은 시기 또는 적은 장소에는 분산형 수소 공급 체계가 적합할 것이며, 수소 수요가 많은 시기 또는 많은 장소에는 집중형 수소 공급 체계가 경제성이 뛰어날 것이다. 이러한 점들을 감안할 때 이행단계에 맞추어 적절한 수소 수급 시스템을 설계하는 것은 매우 중요한 일이 될 것이다. 그리하여 본 연구에서는 수소 수요ㆍ공급 시스템 구축의 기본방향을 클러스터화와 집중화로 구분하였다.
클러스터화와 집중화는 서로 영향을 주고받으며 유기적으로 성장ㆍ변화해 나갈 것이다. 즉 클러스터화가 진행되면 이들 클러스터를 중심으로 집중화가 시작될 것이며, 집중화를 통해 수소의 대량 공급이 가능해지면 이것이 또 다른 클러스터의 형성을 촉진시킬 것이다.
클러스터는 수소 수요 및 지역배분을 고려하여 선정하였다. 초기 단계에는 수도권 클러스터, 대전ㆍ충남권 클러스터, 부산ㆍ울산권 클러스터, 광주ㆍ전남권 클러스터의 총 4대 클러스터가 구축될 것으로 전망된다. 이들 총 4대 클러스터가 구축될 것으로 전망된다. 이들 4대 클러스터를 통해 수소경제 이행으로의 기틀을 마련하게 되면 총 3개의 클러스터가 추가되어 7대 클러스터가 형성될 것으로 전망하였다. 추가되는 3개의 클러스터는 영서ㆍ경기동부권 클러스터, 대구ㆍ경북권 클러스터, 전북권 클러스터로 선정하였다.
다음으로 집중화의 경우, 우리나라 248개 시군구 중 대부분의 지역은 집중형 수소 공급이 가능할 것으로 예상된다. 우리나라는 국토가 좁고 인구가 밀집되어 있기 때문에 집중형 수소 공급 시스템 구축에 유리한 조건을 가지고 있기 때문이다. 하지만 산간지역과 도서지역 등 일부 지역의 경우 지역 여건상 집중형 수소 공급이 불가능할 것으로 보인다. 본 연구에서는 현재의 천연가스 배관망 구축 현황을 살펴보고 이를 바탕으로 집중형 수소 공급 지역과 분산형 수소 공급 지역을 구분하였다.
본 연구에서는 수소수용량, 지형적 장애요인, 인프라구축 비용 등을 고려하여 크게 4대 지역을 분산형 공급 지역으로 선정하고, 그 외 지역을 집중형 수소 공급 지역으로 구분하였다. 4대 분산형 공급지역은 태백산맥 지역, 지리산ㆍ덕유산 지역, 도서ㆍ낙후지역, 기타지역으로 나뉜다.
이와 같이 분석한 클러스터화와 집중화를 바탕으로 수소 수급 시스템 이행 단계를 설정하였다. 수소 수급 시스템 이행 단계는 2040년까지 총 4단계로 구분하였으며 1단계는 2030년까지 4대클러스터ㆍ분산형 단계, 2단계는 2035년까지 4대클러스터ㆍ집중형 단계, 3단계는 7대클러스터ㆍ집중형 단계, 4단계는 전국ㆍ집중형 단계이다(그림 1).
클러스터화는 1단계부터 진행되어 2040년 전국적 수급 시스템이 구축되면서 그 역할을 다할 것으로 예상되며 집중화는 수소 수요가 적정 수준에 오른 2030년 이후부터 가능할 것으로 전망된다. 집중화 단계에서도 분산형 공급 시스템은 일부 그 역할을 유지할 것으로 판단된다.
[그림 1] 수소 수급 시스템 이행 단계
이미지 참조
다음으로는 이렇게 설정한 수소 수급 시스템 이행 단계별로 수소 수급 시스템을 구축하였다. 이를 위해서는 수소 수요지별 수요량을 파악하고 이를 공급하기 위한 방안을 수립해야 한다. 수소 수요지별 수소 수요량은 지역별 자동차 등록대수 비중이 지역별 수소 충전량 비중과 일치한다고 가정하여 산정하였다. 이후 이를 클러스터화 단계에 맞추어 재산정하였다.
이러한 수요에 대응하기 위해 수소를 생산하여 공급하기 위한 방안에는 분산형과 집중형이 있다. 본 연구에서는 특히 집중형 수소 공급 시스템에 초점을 맞추고 있으며, 집중형 수소 생산 설비로는 총 3가지 형태를 고려하였다. 첫 번째가 연 5만톤 생산규모의 신ㆍ재생에너지 수소 생산 설비(A)이며, 두 번째가 연 20만톤 생산규모의 석탄 수소 생산설비 (B), 세 번째가 연 5만톤 규모의 부생수소 생산설비(C)이다. 앞서 분석한 클러스터별ㆍ지역별 집중형 수소 수요량과 선행연구의 제조원별 수소 생산량을 고려하여 각 클러스터별로 요구되는 집중형 설비에 대한 도입 계획을 수립하였다.
다음으로 각 클러스터별로 배정된 설비를 지역별로 배치하는 문제가 남는다. 수소 생산 설비를 배치함에 있어 중요한 고려 사항으로는 주요 수요지와의 이격도, 지역별 수소 생산 잠재량이 있다. 그 외에도 사회적 수용성이나 토지 비용 등의 요소도 고려해야할 사항이다. 본 연구에서는 이들을 고려하여 수소 생산 설비를 배치하였다.
<표 1> 집중형 수소 생산 설비 도입 계획
표삽입
마지막으로 수소운송 최적화모형을 통해 공급지별 수소공급량, 수요처 별 수소수요량, 각 공급지에서 모든 수요처로의 단위당 수소 운송비용 등을 입력 자료로 하여 모든 공급지에서 모든 수요처로의 수소 운송비용을 최소화하는 운송계획을 수립하였다. 수소운송시스템의 최적화모형은 선형계획법의 일종인 수송계획법을 이용하여 구축하였다. 앞에서도 말한 바와 같이 수송계획법은 다수의 공급지에서 다수의 수요처로 제품을 수송하는 경우에 총 수송비용을 최소화하는 방안을 도출하는 데 적합한 최적화기법이다. 수송계획법을 이용한 최적 수소운송시스템 구축방안은 상용화된 최적화 프로그램인 LINGO를 이용하여 도출하였으며 분석결과는 〈표 2〉와 같다. 분석결과는 편의상 권역별로 제시하였으며 시군구별 결과는 [부록 7]에 수록하였다.
<표 2> 권역별 수소운송량
표삽입
제주를 제외한 전체 네트워크의 평균 수소운송거리는 약 43.5㎞인 것으로 나타났으며 평균 수소운송비용은 약 $0.218/㎞H₂ 정도인 것으로 추정된다. 하지만 이는 각 시군구의 중심부까지의 운송거리 및 운송비용으로 지역 내 각 충전소까지의 운송거리 및 운송비용은 이보다 조금 더 클 것으로 보인다.
본 연구의 분석 및 논의 결과에 따른 정책 건의 사항은 다음과 같다.
첫째, 초기 수소ㆍ연료전지 시장도입을 위해서는 주요 수소 수요 발생지역을 클러스터화 함으로써 수소경제 이행 초기 단계의 수요 및 공급을 특징 지역으로 집중화하여 비용효과적인 이행 체계를 구축하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
둘째, 수소 수요량이 급격히 증가할 것으로 예상되는 2030년 이후에는 집중형 수소생산이 도입되고, 집중형으로 생산된 수소는 대부분이 주조 파이프라인을 통해 수소 수요처로 운송될 것으로 전망된다. 따라서 집중형 수소제조시스템과 수소 파이프라인 운송시스템을 연계하여 분석하고 투자계획을 수립할 필요가 있다.
셋째, 에너지 안보, 기후변화, 에너지 가격 및 비용, 경제적 및 기술 사회적 파급효과, 사회적 수용성 등을 종합적으로 고려하여 수소도입에 따른 에너지믹스의 최적조합을 찾아내야 할 것이다.
마지막으로, 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. 따라서 우리나라도 국내 수소경제 시스템에 적합한 수소시스템 분석모형의 개발을 추진해야 할 것이다.
4. 본 연구의 한계 및 향후 연구방향
우선, 본 연구에서는 수소의 제조로부터 이용까지의 모든 단계를 시스템적인 관점에서 파악하여 최적 수소운송모형을 개발하고 최적 수소운송시스템을 구축하는 방안을 수립하고자 하였다. 그러나 시간상의 한계와 자료부족 등으로 인하여 최적 수소운송시스템의 구축에 꼭 필요한 요인을 제대로 반영하지 못한 부분이 있었다. 특히 아쉬운 점은 수소제조원에 대한 잠재량 분석이 충분하지 않았던 점이다. 16개 시도별 또는 본 연구에서 설정한 클러스터별로 수소 제조 잠재량과 이의 가용성을 분석하여 수소 수급 시스템 구축 시 활용하는 것이 필요할 것이다.
다음으로, 향후에는 수소인프라 구축에 대한 구체적인 계획을 수립하는 수소인프라 분석이 필요한 것으로 사료된다. 수소인프라 분석에서는 수소운송시스템과 수소충전소에 관한 제반사항을 결정하고 수소인프라의 확장계획 및 투자계획을 수립하게 될 것이다. 이를 통해 수소 경제로의 이행에 필요한 재원에 대한 정보를 제공할 수 있을 것이며 국가가 초기 시장 형성을 위해 담당해야 할 역할을 파악할 수 있을 것이다. 한 편으로 투자계획의 수립을 통해 수소 경제로의 이행이 국가경제 및 산업 전반에 미치는 파급효과, 그리고 기존 에너지원에 미치는 영향과 잠재적 변화를 분석할 수 있을 것으로 기대된다.
마지막으로, 본 연구에서는 수송부문에 한정하여 지역별 수소수요량을 예측하고, 이를 기초자료로 하여 최적 수소운송시스템을 구축하고자 하였다. 하지만 수소는 수송부문 이외에 가정ㆍ상업부문, 산업부문, 발전부문 등에서도 사용된다. 따라서 추후, 본 연구에서 개발한 최적 수소운송 시스템을 확장하여 가정ㆍ상업부문, 산업부문, 발전부문, 수송부문의 전 부문을 통합하는 ‘통합 최적 수소운송시스템’을 개발해야 할 것이다. 이를 통해 국가 전체에 걸친 최적 수소 수급 시스템을 완성할 수 있을 것으로 판단된다.
1. Background and Research Questions
In recent years, there have been emerging controversial views of the hydrogen economy among energy experts and energy policy makers. Some energy experts articulate a critical position against the advent of the hydrogen economy. Many energy experts, however, expect that the hydrogen economy is a key to the sustainable energy system and will eventually materialize. Hydrogen is an energy carrier, and can be produced from a wide variety of energy sources such as fossil fuels, nuclear power, biomass, wind, and solar energy.
One of the major concerns in transition to a hydrogen economy is the construction of a cost effective hydrogen infrastructure. Accordingly, a systemic approach is needed since hydrogen is used through multiple steps of production, storage, transportation, and conversion. In this regard, this study focuses on finding an efficient hydrogen delivery system based on long-term strategies and a road map of the national project report, A National Vision of Hydrogen Economy and Action Plan (Boo, 2005).
With this in mind, this study attempts to answer the following research questions:
First, what is the optimal strategy in transition to a hydrogen economy in terms of constructing a cost-effective infrastructure?
Second, what is the optimal delivery network between hydrogen plants and filling station?
In addition to these two major research questions, this study addresses scenario analysis to how to produce and supply hydrogen to meet the demand by sector and by energy sources for hydrogen production.
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 an end-user, that is, a 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 optimization model for the hydrogen transportation system is formulated as a transportation model. Transportation model is a special type of linear programming which deals with shipping a commodity from sources (hydrogen plants) to destinations (hydrogen filling stations). The objective is to determine the transportation schedule that minimizes the total shipping costs while satisfying supply and demand limits. The optimal hydrogen transportation plan is obtained by applying the well-known LINGO optimization software.
3. Major Findings and Policy Implications
Major findings of this study are as follows:
First, an optimal mix of energy resources for hydrogen production should be sought by considering the climate change, the energy security, the energy cost, the economic pervasive effect, and the social acceptance. Nuclear power can be an influential energy source for the off-site hydrogen production because of its superiority on aspects of cost and environment. Also, electrolysis of water will be cost effective hydrogen production method for the on-site hydrogen production in our country if there is a significant technological break-through.
Second, basic approach in building a system of demand and supply for hydrogen in this study is two-tiers of clustering and concentration. Clustering and concentration interact with each other and grow in diverse ways. In other words, as clustering advances, concentration will develop around them. In tum, this concentration will promote a large supply of hydrogen which, ill tum, will stimulate another clustering to be formed.
Third, this study adopts 4 major clustering at the early stage which will eventually expand into 7 major clustering for concentrated off-site hydrogen production and delivering. Other 4 areas will be distributed on-site hydrogen production which are excluded from the cases for transportation plan.
Fourth, it is expected that the off-site hydrogen production will be introduced in 2030, and most hydrogen produced from central hydrogen plants will be transported to destinations via pipelines. Therefore, it is desirable to jointly plan the off-site hydrogen production system and the hydrogen pipeline transportation system.
Lastly, most hydrogen produced from central hydrogen plants is transported to destinations via pipelines in 2040. In 2040, the average transportation distance from sources to destinations is estimated as 43.5km, and the average transportation cost is estimated as $0.218/㎏H². It is also estimated that the structure of hydrogen pipeline networks will resemble that of natural gas pipeline networks.
4. Suggestions for Further Studies
Major focus of this study is on finding the optimal hydrogen transportation system as an option of multiple pathways towards an cost-effective hydrogen economy. However, it is insufficient to analyze potential energy resources and locations for hydrogen production. It is assumed that energy sources, locations, and quantities of hydrogen productions are predetermined by a hydrogen supply scenario. Therefore, further research is needed to address the analysis of energy sources and availability of hydrogen supply.
In addition, it is required to analyze the hydrogen infrastructure. The details of hydrogen fueling stations and transportation systems should be determined for the analysis of the hydrogen infrastructure. Also, it grasps influences and potential changes on existing energy sources and infrastructures when the hydrogen infrastructure is introduced.
Needless to say, systemic approach is a critical method for an efficient transition to a hydrogen economy. The objectives of hydrogen economy can be achieved efficiently and effectively by a systemic approach. The DOE(department of energy) is developing a system analysis tool for analyzing and modelling of the hydrogen economy system, and Korea also needs to develop an analysis model which is suitable for analyzing the domestic hydrogen economy.
Lastly, the scope of this study is confined to the transportation sector. However, hydrogen can be used in other sectors such as the residential and commercial sector, the industry sector, and the electricity generation sector. Therefore, it is desirable that study scope should be extended to all sectors.
목차
Ⅰ. 서론
Ⅱ. 수소경제에의 시스템적 접근
Ⅲ. 해외 주요국의 수소경제 이행체제 및 수소공급 인프라 구축 연구
Ⅳ. 수소 공급의 단계별 비용분석론
Ⅴ. 목표 지향적 전략에 기초한 수소 수요량 및 공급량 산정
Ⅵ. 단계별 목표설정 및 목표달성을 위한 최적 시스템 구축
Ⅶ. 수소 운송 최적화 모형
Ⅷ. 종합 결론 및 정책 건의
참고문헌
[부록]
요약
ABSTRACT
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