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・카테고리: Hydrogen Energy
・일시: 2021년 4월 20일
【
중국의 향후 수소 공급망(2) – 저장 및 운송
】
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지난 기사 ‘중국의 향후 수소 공급망(1) – 생산’에서 우리는 청색 및 회색 수소에서 녹색 수소로 전환하는 2050년까지 수소 생산의 3가지 개발 단계를 소개했습니다. 녹색 전환에 따라 이 기사에서는 미래 수소 배송 시스템에 대해 논의하는 수요와 공급 사이의 연결, 즉 수소 저장 및 운송을 탐구하려고 합니다.
중국의 수소 저장 및 운송 개요
일반적으로 수소는 압축 기체 수소, 극저온 액체 수소 및 수소 운반체의 세 가지 다른 형태로 저장 및 수송될 수 있습니다. 【저장 기술에 대한 자세한 내용은 중국의 수소 저장 기술 개요를 참조바랍니다】 압축 가스 공급은 튜브 트레일러 또는 파이프라인을 통해 운송하는 단거리 및 소규모 수요에 이상적입니다. 극저온 액체 수소는 기체 수소가 액화되어 대형 절연 탱크에 저장되는 액체 탱커로 운송하는 장거리 운송 및 대량 수요에 적합합니다. 수소 운반체의 경우 액체 유기 수소 운반체(LOHC)는 저장 시 화학적으로 안정성과 운송 중 증발 손실이 매우 적기 때문에 극저온 액체 수소보다 장기 저장 및 장거리 운송에 바람직합니다. Mg계 수소화물과 같은 금속수소화물은 내열성, 진동흡수, 가역성 및 재활용성과 같은 우수한 품질의 기능적 특성을 가지고 있습니다. 현재 LOHC와 금속수소화물(Metallic hydride)은 모두 연구개발 초기 단계에 있으며 아직 상용화되지 않았습니다. 그러나 이러한 새로운 운반체를 적용하는 것은 오늘날 수소가 전달되는 방식에서 크게 벗어나게 될 것입니다. (그림 1).
그림 1
수소 저장 및 운송의 3가지 개발 단계
중국 수소 동맹에 따르면 수소 생산의 녹색 전환과 함께 수소 저장 및 운송의 개발도 2050년까지 3단계를 겪을 것으로 가정하고, 수소 및 연료 전지 기술의 발전을 위한 수소 저장 및 운송 방법을 다양화할 것입니다. (그림 2 참조).
그림 2
Integral 추정에 따르면 2025년까지 FCEV의 총 수소 수요는 주로 Yangtze River Delta Area, Jing-Jin-Ji Region, Pearl River Delta Area에서 089만 톤/년에 도달할 것으로 예상됩니다. 여기서 부생 수소(byproduct hydrogen)는 2022년에 연간 120만 톤 이상의 용량으로 추정되는 주요 공급원입니다. (그림 3 참조).
그림 3
지역 부생(수소) 공급이 수요를 완전히 충족할 수 있기 때문에(그림 4 참조), 튜브 트레일러는 소규모 및 단거리 배송을 위한 가장 경제적인 방법입니다.
그림 4
현재로서는 바람직한 솔루션이지만 튜브 트레일러에는 여전히 여러 단점이 있습니다. 예를 들어, 튜브 트레일러의 저장 용량은 다른 방법에 비해 상당히 낮습니다. (약 1.1wt%). 또한, 튜브 트레일러의 운송 비용은 거리에 민감하며, 운송 반경이 약 300km를 초과하는 경우 비경제적입니다.
중기(2026-2035년)에 Integral 추정에 따르면 중국의 FCEV 총 수요는 430만 톤/년에 도달할 것으로 예상됩니다. FCEV 시장이 계속 성장하는 동안 CCS 기술이 적용된 석탄으로 보완과 더불어, 산업 부생수소와 재생 에너지는 계속해서 전국적으로 가장 많은 수소 연료를 공급할 것입니다. 지방 간 수소 저장 및 운송에 대해 두 가지 문제가 제기될 수 있습니다. 하나는 지역 수소 수요를 지역 부생 수소 공급으로 충족시킬 수 없다는 것입니다. 두 번째는 재생 에너지 영역과 주요 수소 소비 시장 간의 지리적 차이입니다. (그림 5 참조).
그림 5
이 경우 튜브 트레일러는 거리에 민감한 비용과 낮은 저장 용량으로 인해 더 이상 최적의 솔루션이 아닙니다. 극저온 액체 수소 탱커와 LOHC가 여기에서 등장합니다.
더 높은 저장 밀도(약 14%)와 수소 순도를 가진 극저온 액체 수소는 대용량 및 장거리 운송에 보다 경제적인 옵션이 될 것입니다. 그러나 극저온 액체 운송은 증발 가능성(증기율이 하루 약 0.6-1%임), 에너지 소모 및 값비싼 액화 공정 등의 몇 가지 문제가 있습니다.
극저온 액체 수소에 비해 LOHC는 상온 및 대기압에서 운송할 수 있어 안전하고 에너지 소비가 적습니다.누출 및 폭발 위험이 없는 LOHC는 극저온 액체 수소보다 장기 보관 및 장거리 운송에 더 적합합니다. 중앙 LOHC 수소화 플랜트의 향후 운영은 출력 제한된 재생 에너지 생성 수소가 대량으로 생산 및 저장되는 생산 현장에서 가능합니다. 그러나 LOHC의 불안정한 (탈)수소화 과정으로 인해 고순도 수소를 보장하기 어렵습니다.
트럭을 제외하고 수소는 특히 대규모 운송의 경우 오늘날 천연 가스와 같은 방식으로 파이프라인을 통해 운송될 수도 있습니다. 현재 중국에서는 다양한 요인으로 인해 수소 파이프라인이 확장되는 단계에 있으며, 그 요인은 높은 초기 투자금, 수소취화(HE) 방지에 필요한 특수강재, 정부 지원 등을 꼽을 수 있습니다. 또 다른 솔루션은 수소 압축 천연 가스로, 기존 천연 가스 파이프라인을 활용하여 확장하고 배출량을 줄이고 에너지를 절약할 수 있는 엄청난 잠재력을 가질 수 있습니다. 수소 압축 천연 가스의 실증 프로젝트들은 유럽에서 시작되었지만 중국에서는 단 하나의 실증 프로젝트가 진행 중입니다. 해결해야 할 몇 가지 주요 과제에는 H2/NG 혼합 비율 최적화와 누출 및 폭발 위험 감소가 포함됩니다.
장기적으로(2036~2050년) 재생에너지가 재생 자원 영역과 주요 수소 수요 시장 간의 격차 심화되는 과정에서 수소 생산의 주요 공급원이 될 것으로 예상됩니다. (그림 6 참조). 이 경우 다양한 운송 기술이 공존하여 다양한 수소 수요와 지역 간 배송을 충족할 수 있습니다.
그림 6
새로운 수소 운반방식은 운송의 편리성과 안전성 덕분에 장거리 운송에서 상업화됩니다. 새로운 수소 운반체의 일부 병목 현상은 짧은 수명, 낮은 저장 용량, 낮은 경제적 경쟁력 및 (탈)수소화 공정의 고온 요구 사항 등이 포함됩니다. 또한 중국에서 다른 나라로 수소를 수출하기 위해 극저온 액체수소와 철도나 선박으로 수송되는 수소운반선을 개발할 예정입니다.
수소 공급방의 비전
2035년부터 중국의 수소 공급망은 다양한 수소 저장 및 운송 방식과 초고전압(UHV) 송전망으로 구성되며, 이는 재생 에너지 자원 지역과 주요 수소 수요 시장 사이의 지리적 격차를 메우는 또 다른 솔루션입니다. (그림 7).
이 비전에 따라 수소 생산 현장은 전력 가격이 인하되고 UHV 전력망이 완성되는 조건에서 재생 가능한 자원 지역에서 수소 수요 지역으로 확장될 수 있을 것입니다. (그림 8). UHV 전력망은 녹색 전력을 재생 에너지 자원 지역에서 수소 수요 지역으로 낮은 손실률과 고용량으로 전송할 수 있도록 합니다. 예를 들어 ±1100kV/12GW UHV 선로의 평균 손실률은 1.5%/1000km로 일반적인 ±500kV/3GW 송전선로보다 5.4% 낮습니다. 【UHV에 대한 자세한 내용은 게임 체인저인 Smart Grid에서 확인할 수 있습니다.】 비교하기 위해 2000kg/day 스테이션에 대한 극저온 액체 수소 전달의 이상적인 증발 손실은 UHV 라인과 유사한 약 1.2-2%/1000km입니다. 그러나 UHV 전력망은 약 13~15 Yuan/kg H2로 극저온 액체 수소의 운송 비용보다 적은 5.5~12 Yuan/kg H2 범위의 전송 비용에서 우위를 점하고 있습니다.
국내 및 국제적으로 수소 배포를 위해 세 가지 주요 시나리오가 공존이 예측됩니다. (그림 8).
시나리오 1은 중국 북부 및 남서부의 중앙 집중식 재생 에너지 발전소에서 대량 저장을 통해 생산된 수소를 유조선, 선박 및 기차를 통해 수요 지역으로 운송하는 것을 말합니다. 중기적으로 수소는 현재 전력-가스 시연 프로젝트에서 실행되는 것처럼, 신재생에너지 보급 확대에 따른 축소 전력량을 줄이기 위해 재생 에너지 발전 장치에 의해 계속 생산될 것입니다. 이 시나리오에서 수소의 일부는 피크 수요 시간 동안 발전에 재사용되고 나머지는 수소 소비자에게 판매될 수 있다는 점을 감안할 때 생산된 수소에 대해 수소 캐리어와 같은 대용량 저장 장치가 필요합니다. 액체 유조선 및 선박과 같은 운송 도구는 도(성) 간/지역 및 국제 배송에 사용됩니다.
시나리오 2는 수소 충전소, 공장 및 건물과 같은 재생 에너지 자원 영역에서 UHV 전력망을 통해 전송되는 온 그리드 전력을 사용하여 수요 사이트에서 생산되는 수소를 나타냅니다. 이 시나리오에서 생산된 수소는 주로 자가 소비 용입니다. 이 시나리오의 세 가지 전제 조건은 전력망 전력 가격 감소, 수소 생산 CAPEX 감소 및 잘 발달된 UHV 전력망입니다. 이상적으로는 운송 비용이 전혀 들지 않고 개별 수소 수요를 기반으로 현장에서 수소를 생산할 수 있습니다. 소규모 저장에는 고정식 가스 실린더가 필요합니다.
시나리오 3은 중앙 집중식 수소 공장에서 피크가 아닌 수요 시간 동안 생성된 과도한 전력망 전력을 사용 생산되는 수소를 나타냅니다. 이러한 수소 플랜트는 실제 수소 수요와 운송 비용을 기반으로 유연한 위치를 가지고 있습니다. 증가하는 수요를 충족하기 위해 오프-피크 온 그리드 전력에서 대량의 수소를 생산할 것입니다. 가능한 사례는 국영 그리드 기업과 파트너 관계를 맺은 발전기가 피크가 아닌 시간에 수소를 생산하기 위해 수요가 있는 수소 발전소에 투자하는 것입니다. 이렇게 생산된 수소는 UHV 전력망의 저렴한 운송비로 인해 더 저렴한 가격에 판매될 수 있습니다. 수소 운반체는 대용량 저장에 사용됩니다. 튜브 트레일러와 파이프라인은 지방 내 수요 사이트로의 라스트 마일 배송에 사용될 것입니다. 수출 기업의 경우 액체 탱커 및 선박과 같은 장거리 운송 수단을 사용하여 다른 국가로 배송됩니다.
결론
향후 30년 동안 UHV 전력망과 결합된 다양한 수소 저장 및 운송 도구가 공존하여 중국에서 균형 잡힌 수소 전달 시스템을 구성할 것입니다. 중기(2026-2035년)에 시나리오 1은 전력 감소 문제의 증가와 규모의 경제를 고려할 때 주류 공급이 될 것이라고 가정됩니다. 장기 수소 공급 계약은 안정적인 다운스트림 시장과 합리적인 투자 수익을 확보하는 열쇠입니다. 장기적으로(2036-2050년) 출력제한 문제가 해결되고 UHV 전력망이 완성되면 시나리오 2와 3이 성장하고 시나리오 1과 공존할 것으로 예상할 수 있습니다. 대용량, 장거리 저장 및 운송 도구와 UHV 전력망 인프라는 국내 및 국제 배송 시스템의 중추입니다.
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April 20, 2021, Ke CHEN, Junior Consultant, INTEGRAL
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