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2020년 만료 예정인 기존의 교토의정서를 대체하고, 선진국과 개도국 모두가 참여할 수 있는 합의 체제를 마련하기 위해 파리협정이 채택·발효되었다. 이후 세계 197개국은 온실가스 뿐만 아니라, 적응, 재원, 기술이전, 역량배양, 투명성 등 포괄적인 범위에서 지구평균기온이 산업화 이전 수준에 비해 1.5℃보다도 덜 상승하는 목표를 달성하기 위해 노력하고 있다.

온실가스 저감을 위한 방안으로 수소가 주목받고 있다. 지구의 풍부한 물을 분해하면 수소를 얼마든지 얻을 수 있어 거의 무한한 자원이고, 태워서 전기를 생산해도 물만 배출되는 청정한 에너지이기 때문이다. 이러한 수소의 장점을 이용해 기존 화석연료를 대체하려는 시도가 이른바 ‘수소 경제(사회)’ 패러다임이다.

하지만 현재 수전해 기술은 가격 경쟁력이 떨어져 앞으로 지속적인 연구 개발이 필요한 분야이며, 이로 인해 수소 경제로의 이행을 위해 부생 수소와 개질을 통해 수소를 공급받는 ‘가스 경제’를 중간 단계로 거쳐야할 필요가 있다.

연료전지는 가스 경제를 통해 수소 경제로 이행하려는 에너지 산업의 흐름 속에서 가장 주목받는 기술이다. 기본적으로 열역학적 효율의 지배를 받지 않으므로 역학적 에너지나 연료의 연소에 의한 열에너지를 이용한 발전기에 비해 매우 높은 에너지 효율을 갖고 있다. 또한 환경오염이 적으며 화석연료 의존성이 작고, 다양한 용량과 사이즈로 제작이 가능하여 응용범위가 넓다. 또한 휴대전화에서 대형발전소까지 이동이 자유로워 설치 장소의 제한이 없다.

현재 연료전지를 활용하고자 하는 비즈니스와 이를 위한 연구개발, 정책 입안 등이 주요국에서 활발하게 전개되고 있는 상황이다. 미국은 포크리프트와 같은 산업용 차량에 연료전지를 도입하였으며, 일본은 가정용 연료전지 Ene-farm 보급을 통해 소형 건물용 연료전지 시장을 선도적으로 조성하고 있다. 유럽은 선박용 연료전지 개발에 관심을 두고 관련 연구 과제를 다수 진행 중이다. 중국은 핵심 부품은 수입에 의존하고 있으나 본격적인 연료전지 시장 참여를 위한 인프라 육성과 업체 조성에 힘쓰는 중이다.

이에 동사는 본 도서를 통해 연료전지의 현재 수소·연료전지의 기술적 수준과 각국이 제시한 로드맵을 살펴보고, 현 상황에서의 연료전지의 경제성 분석과 연구개발 과제 조사를 통해 앞으로 개선해야할 과제를 다뤘으며, 각국의 정책 동향과 비즈니스 동향 등을 파악하고자 하였다. 또한 수소·연료전지의 저공해·탈탄소 흐름과 함께하는 기술인 P2G와 CCUS 또한 소개하였다.

모쪼록, 본서가 향후 다양하게 확대될 연료전지 비즈니스를 준비하는 모든 분께 조금이나마 도움이 되길 기대한다.

Ⅰ. 연료전지 개요

1. 연료전지 기술

  1-1. 연료전지의 정의

    1) 정의

    2) 시스템 구성

    3) 종류

    4) 세계 시장 규모

  1-2. 연료전지의 분류

    1) 기술별 분류

      (1) PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

      (2) DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)

      (3) SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)

      (4) AFC(Alkaline Fuel Cell)

      (5) MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)

      (6) PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell)

    2) 용도별 분류

      (1) 용도 분류

      (2) 수송용 연료전지

      (3) 건물용 연료전지

      (4) 발전용 연료전지

      (5) 휴대용 연료전지

  1-3. 연료전지 활용 사례

    1) 개요

    2) 가정용 연료전지

      (1) 원리와 특징

      (2) 과제

      (3) 실용 사례

    3) 업무용·산업용 연료전지

      (1) 원리와 특징

      (2) 과제

      (3) 실용 사례

    4) 신재생에너지 발전 시스템

      (1) 개요

      (2) 실용 사례

    5) 휴대용 연료전지

      (1) 원리와 특징

      (2) 과제

      (3) 실용 사례

  1-4. 수소 경제

    1) 개념

    2) 사례

      (1) 연료전지 모빌리티

      (2) 탄소제로 섬, 에너지 자립섬

2. 수소 에너지 기술

  2-1. 수소 생산 기술

    1) 개요

      (1) 수소 제조 원료

      (2) 수소 생산 방식 개요

      (3) 수소 변환 효율

    2) 수소 생산 방식

      (1) 부생수소

      (2) 화석 연료 개질

      (3) 수전해

      (4) 바이오매스 열분해

      (5) 물의 열분해 

      (6) 광촉매를 통한 물 분해(인공광합성)

      (7) 바이오 프로세스

    3) 수소 생산 현황

      (1) 글로벌

      (2) 북미

      (3) 유럽

      (4) 아시아

      (5) ROW

  2-2. 수소 저장·수송 기술

    1) 개요

    2) 고압가스 수소 수송

      (1) 원리와 특징

      (2) 과제

      (3) 실용 사례

    3) 액화수소 수송

      (1) 원리와 특징

      (2) 과제

      (3) 실용 사례

    4) 유기 하이드라이드

      (1) 원리와 특징

      (2) 과제

      (3) 실용 사례

    5) 파이프라인 수송

      (1) 특징

      (2) 과제

      (3) 실용 사례

    6) 수소저장 기술의 로드맵

  2-3. 수소 공급 기술

    1) 원리와 특징

      (1) 수소 스테이션의 종류

      (2) 충전기술

      (3) 계량관리기술

      (4) 품질관리기술

      (5) 관련 기기 개발

    2) 적용 사례

3. 연료전지 연관 기술

  3-1. P2G(Power-to-Gas)

    1) P2G의 정의

    2) ESS와의 비교

    3) 글로벌 P2G 도입 현황

  3-2. CCS & CCUS

    1) CCS

    2) CCUS

    3) CCS & CCUS 주요 기술의 현황과 과제

      (1) 분리·회수

      (2) 수송

      (3) 저류

      (4) 모니터링

      (5) CO2 이용

  3-3. 에너지관리시스템(EMS)

    1) 개요

      (1) 정의

      (2) 기술 범위

      (3) 시장 전망

      (4) 글로벌 EMS 주요 업체와 동향

    2) BEMS(Building EMS)

    3) HEMS(Home EMS)

    4) FEMS(Factory EMS)

    5) CEMS(Community/City EMS)

  3-4. ESS

    1) ESS 기술의 정의

    2) ESS 구성 요소

    3) ESS의 종류

      (1) 납축전지

      (2) 리튬이온전지

      (3) Redox Flow 전지

      (4) NaS 전지

    4) 주요 에너지 저장 기술과의 비교

    5) 용도

      (1) DR 어플리케이션(Utility 부하 관리를 위한 어플리케이션)

      (2) 계통운영 보조서비스(ancillary service)어플리케이션

      (3) 신재생에너지 출력 안정을 위한 어플리케이션

      (4) 분산형 전력저장 어플리케이션

Ⅱ. 연료전지 관련 시장·기술개발 동향과 경제성 평가

1. 연료전지 시장 동향

  1-1. 글로벌 동향

    1) 활동 개황

      (1) 용도별 연료전지 분류

      (2) 용도별 연료전지 관련 업체·기관 동향

      (3) 국가별 연료전지·촉매제 수출 동향

    2) 연료전지 주요 글로벌 기업 수익과 동향

      (1) Bloom Energy

      (2) POSCO Energy

      (3) 두산 연료전지 아메리카

      (4) FuelCell Energy

      (5) Ballard Power

      (6) Plug Power

      (7) 기타

    3) 연료전지 시장 전망

      (1) 연료전지 용도별 시장 전망

      (2) 2019 KPMG 글로벌 자동차 경영진 설문조사 결과

      (3) BMS(Battery Management System) 시장 전망

  1-2. 연료전지 모빌리티 시장 동향

    1) 승용차

      (1) 개요

      (2) 연료전지 모빌리티 시장의 주요 기업 동향

    2) 상용차

      (1) 버스

      (2) 트럭

      (3) 포크리프트

    3) 연료전지 기차

    4) 선박

    5) 기타

  1-3. 고정형 연료전지 시장 동향

    1) 건물용 연료전지 시장

      (1) 개요

      (2) 미국 고정형 연료전지 보급 동향

      (3) 일본의 건물용 연료전지 동향

      (4) 통신용 연료전지 시장

    2) 발전용 연료전지 시장

      (1) 미국 열병합발전(CHP)용 연료전지 보급 현황

      (2) 북미의 발전용 연료전지 시장 동향

      (3) 유럽의 발전용 연료전지 시장 동향

      (4) 한국의 연료전지 보급 동향

      (5) 중국의 연료전지 시장 동향

2. 연료전지 관련 기술 개발동향과 과제

  2-1. 수소 생산 기술

    1) 수전해 기술

    2) CCUS

      (1) 새로운 기술 동향

      (2) 과학 기술적 과제

      (3) 앞으로 대응해야할 연구 테마

      (4) CCUS 관련 글로벌 기술개발 동향

    3) 수소 생산 기술 개발 사례

      (1) 아크로랩스의 AEM 수전해 기술

  2-2. 수소 저장 기술

    1) 에너지 캐리어

      (1) 개요

      (2) 새로운 기술 동향

      (3) 에너지 캐리어 관련 글로벌 기술개발 동향

    2) 수소 저장 기술 개발 사례

      (1) 피리딘계 수소저장 물질을 활용한 수소 저장 및 방출 시스템

      (2) 소형 스털링 극저온 냉동기

      (3) G-M(Gifford-McMahon) 극저온냉동기 소형 수소액화시스템

      (4) (일본)JSW 고압쇼와봄베, 신일철주금 수소스테이션용 강제 축압기

      (5) 기타 기술 개발 사례

  2-3. 연료전지 기술

    1) 기술 현황

    2) 국가별 연료전지 기술개발 동향

      (1) 촉매 기술개발 동향

      (2) 새로운 기술 동향

      (3) 과학기술적 과제

      (4) 정책적 과제

      (5) 키워드

      (6) 연료전지 관련 글로벌 기술개발 동향

  2-4. 기술개발 과제

    1) 개요

    2) 전해조

    3) Fuel cells

    4) 수소 저장

    5) 연료전지 자동차(FCEVs)

    6) 수소 T&D와 소매 인프라

    7) CCS

3. 연료전지 경제성 & 기술준비도 평가

  3-1. 연료전지의 경제성 평가

    1) 연료전지 모빌리티의 현재 성능과 효율, 전망 평가

    2) 연료전지 운반용 장비의 생산단가 분석

    3) 발전용 연료전지의 생산단가 분석

    4) 에너지 저장분야에서의 연료전지의 현재 성능과 효율, 전망 평가

    5) 미국 연료전지&전기 버스의 비용 평가

      (1) 연료전지 버스의 비용 평가

      (2) 전기 버스의 비용 평가

  3-2. 연료전지의 기술준비도 평가

    1) Lolland residential CHP, 덴마크

    2) MYRTE, 프랑스

    3) Japanese Residential CHP, 일본

    4) Octagon Apartments, 미국

    5) Fedex Distribution Centre, 미국

    6) Hydrogen Office, 영국

Ⅲ. 연료전지 관련 정책·표준화·특허 동향

1. 주요 국가별 연료전지 지원 정책 동향

  1-1. 미국

    1) 주요 연료전지 관련 정책

    2) DOE(Department Of Energy)

      (1) 2018년 연료전지 관련 연구지원 조직도

      (2) 연구 프로그램

      (3) H2@Scale R&D Consortium

      (4) 연료전지 로드맵

  1-2. 일본

    1) 개요

    2) 공급 설비 관련 지원 정책

      (1) 연료전지 관련 중앙정부·지방자치단체 지원제도 현황

      (2) 지방정부 현황

    3) 경제산업성

      (1) 수소기본전략

      (2) 수소연료전지로드맵(개정판)

      (3) 수소·연료전지전략협의회

      (4) 연료전지·수소기술개발로드맵(NEDO)

      (5) 연료전지·수소에 관한 사업 일람(NEDO)

      (6) 수소에너지 내비(NEDO)

      (7) 경제산업성 & 차세대자동차진흥센터 

          - 연료전지자동차용 수소공급설비 설치보조사업

      (8) 연료전지자동차 신규수요 창출활동 보조사업

    4) 국토교통성

      (1) 수소사회에 따른 하수도 자원 이활용 검토위원회

      (2) 하수도 혁신적 기술 실증 사업

      (3) 지역교통 그린화 사업(연료전지차·연료전지버스)

      (4) 연료전지선박 가이드라인을 위한 실증 실험

    5) 내각부

      (1) 재생가능 에너지 수소 등 관계 각료회의

      (2) 전략적 이노베이션 창조프로그램(SIP)

    6) 환경성

      (1) 재생에너지 수소를 활용한 사회 인프라의 저탄소화 촉진 사업

      (2) 지역 연계 저탄소수소기술 실증 사업

  1-3. 한국

    1) 로드맵

      (1) 수소경제 활성화 로드맵

      (2) 전기·수소차 보급 확산을 위한 정책 방향

      (3) 수소연료전지차 기술로드맵

      (4) 수소연료전지차 연료전지 시스템 기술개발 로드맵

    2) 미세먼지 대응 정책·보조금 현황

      (1) 미세먼지 대응 정책

      (2) 보조금 현황

    3) 수소·연료전지 관련 사업 현황

      (1) 2019년도 산업기술혁신사업 중 수소 관련 사업

      (2) 수소 충전 시스템 관련 사업

      (3) 에너지 저장 기술 관련 사업

      (4) 신재생 에너지 핵심 기술 개발 사업

      (5) 신재생 하이브리드 이용 미래 에너지저장 기술 개발

      (6) 국가기술표준원 “수소경제 표준포럼”

  1-4. EU

    1) 개요

    2) FCH 2JU

    3) 용도별 연료전지 로드맵

    4) 기술적 로드맵

    5) 독일의 수소자동차 개발 및 지원 전략

      (1) 개요

      (2) 수소자동차 보급 현황 및 지원 전략

  1-5. 중국

    1) 개요

      (1) 정책 동향

    2) 수소 충전소 현황

    3) 수소연료전지차 로드맵

    4) 표준화

2. 국책 연구과제 동향

  2-1. 미국

    1) 2008∼2017년간 연료전지 관련 연구 테마

      (1) 개요

      (2) 기관별 현황 및 추이

    2) 에너지성(DOE)의 2018년도 연료전지 관련 연구과제

  2-2. 일본

    1) 일본 연료전지 연구개발 테마(347건) 분석(2015-2018)

      (1) 종합 분석(347건)

      (2) 사업 종목별 연구현황(576건)

    2) NEDO 연료전지·수소 연구 동향

      (1) “고체산화물형연료전지 등 실용화 추진 기술 개발”

      (2) 수소 이용 기술 연구개발 사업

      (3) 수소 이용 등 선도 연구 개발 사업

      (4) 수소 사회 구축 기술 개발 사업

      (5) 고체고분자형 연료전지 이용 고도화 기술 개발 사업

      (6) 초고압 수소 인프라 본격 보급 기술 연구 개발 사업

  2-3. EU

    1) Horizon 2020

    2) 연료전지 관련 연구과제 현황

      (1) 개요

      (2) 연료전지 관련 연구 프로젝트 동향(2018∼)

  2-4. 한국

    1) 연료전지 관련 국책 연구과제 완료 현황

      (1) 환경(2건)

      (2) 화공(6건)

      (3) 에너지/자원(11건)

      (4) 기계(4건)

      (5) 물리학(2건)

      (6) 재료(7건)

      (7) 전기/전자(1건)

      (8) 화학(3건)

    2) 기후변화대응기술사업

    3) 한국에너지기술연구원(KIER)

3. 표준화 동향

  3-1. ISO/TC197(수소 기술)

  3-2. IEC/TC105(연료전지 기술)

4. 특허 동향

  4-1. 미국

    1) 개요

  4-2. 한국

    1) 연료전지 스택 특허출원 동향

    2) 수소충전장치 특허출원 동향

  4-3. 일본

    1) 연료전지 특허출원 동향

      (1) 연도별 특허출원 동향

      (2) 2018년 주요 출원인 동향

      (3) 주요 특허 출원인의 연료전지 특허 소개

    2) 2019년 수소 저장 특허출원 동향

    3) 2019년 수소 생산 특허출원 동향

Ⅳ. 연료전지 관련 사업 참여업체 동향과 사업전략

1. 부품 및 설비업체

  1-1. 국내 업체

    1) 현대모비스

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    2) 현대제철

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    3) 한화에너지

      (1) 회사 프로필

      (2) 연료전지 관련 사업 동향

    4) 코오롱인더스트리

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    5) 한온시스템

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    6) 세종공업

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    7) 모토닉

      (1) 회사 일반현

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    8) 지엠비코리아

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    9) 유니크

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    10) 인지컨트롤스

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    11) 우리산업

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    12) 뉴로스

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    13) 일진복합소재

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    14) 평화산업

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    15) S&T 모티브

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    16) 대우부품

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    17) 동아화성

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    18) 대원강업

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    19) 코다코

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

  1-2. 해외 업체

    1) Bloom Energy

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    2) Ceres Power

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    3) Ballard Power Systems

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    4) Plug Power

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    5) Weichai Power

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    6) Panasonic

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

2. 수소생산, 저장, 이동 및 충전 스테이션 업체

  2-1. 국내 업체

    1) 한국가스공사

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    2) 효성중공업

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    3) 이엠코리아

      (1) 회사 일반현황

      (2) 수소차 관련 사업동향

    4) 제이엔케이히터

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    5) 디케이락

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    6) 엔케이

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    7) HnPower

      (1) 회사 프로필

      (2) 연료전지 관련 사업 동향

  2-2. 해외 업체

    1) Linde

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    2) Air Liquide

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    3) Air Products

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    4) Hydrogenics

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    5) YARA

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

3. 자동차 OEM 업체

  3-1. 국내 업체

    1) 현대자동차

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

  3-2. 해외 업체

    1) 토요타자동차

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    2) 혼다자동차

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    3) 다임러자동차

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    4) GM

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

    5) Nikola Motor

      (1) 회사 일반현황

      (2) 연료전지 관련 사업동향

Ⅴ. 부록

1. 글로벌 수소 가스 생산 시설 현황

  1-1. 북미

  1-2. 유럽

  1-3. 아시아

  1-4. ROW(Rest of the World)

2. 글로벌 수소 충전소 시설 현황

  2-1. 가동 중인 수소 충전소

    1) 개요

    2) Austrailia(3개소)

    3) Austria(6개소)

    4) Belgium(3개소)

    5) Brazil(1개소)

    6) Canada(6개소)

    7) China(13개소)

    8) Costa Rica(1개소)

    9) Czech Republic(1개소)

    10) Denmark(11개소)

    11) England(12개소)

    12) Finland(2개소)

    13) France(9개소)

    14) Germany(54개소)

    15) Iceland(2개소)

    16) India(3개소)

    17) Italy(2개소)

    18) Japan(101개소)

    19) Netherlands(3개소)

    20) Norway(9개소)

    21) Scotland(5개소)

    22) Slovenia(1개소)

    23) South Korea(13개소)

    24) Spain(4개소)

    25) Sweden(4개소)

    26) Switzerland(4개소)

    27) Taiwan(1개소)

    28) Turkey(1개소)

    29) United States of America(99개소)

    30) United Arab Emerites(1개소)

    31) Wales(1개소)

  2-2. 계획 중인 수소 충전소

    1) Australia(1개소)

    2) Bulgaria(1개소)

    3) Canada(9개소)

    4) China(10개소)

    5) Denmark(1개소)

    6) England(3개소)

    7) Estonia(1개소)

    8) France(7개소)

    9) Germany(43개소)

    10) Iceland(1개소)

    11) Japan(11개소 이상)

    12) Latvia(1개소)

    13) Malaysia(1개소)

    14) the Netherlands

    15) New Zealand(1개소)

    16) Norway(5개소)

    17) Poland(1개소 이상)

    18) Slovenia(1개소)

    19) South Korea(12개소)

    20) Sweden(8개소)

    21) United Arab Emerites(1개소)

    22) Wales(1개소)