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수소경제 실현을 위하여 수소가 가진 가능성에 대한 관심과 기대가 다시금 전세계적으로 높아지고 있다.

수소 에너지 활용 기술의 적용 가능성은 폭넓게 연료전지자동차나 이미 실용화되고 있는 가정용 연료전지 시스템뿐만 아니라, 선박 및 철도 등 다른 운송 분야, 수소 발전 등 많은 에너지 소비 분야에 대응할 수 있는 가능성을 가지고 있다.

현재, 연간 약 1억 2,000만 톤의 수소가 제조되고 있으며, 그중 3분의 2는 순수 수소, 나머지 3분의 1은 다른 가스와의 혼합 형태이다. 국제에너지기구(IEA)의 통계에 따르면, 14.4엑사줄(EJ), 즉 세계의 에너지 및 非에너지 최종 소비의 약 4%에 상응한다. 모든 수소의 약 95%는 천연가스와 화석을 통해 제조되고 있으며, 약 5%는 전기분해를 통한 염소 제조의 부산물로서 생성된다.

한편, 재생에너지에서 유래한 그린 수소는 탄소를 거의 발생하지 않는 제조 루트로 주목받고 있다. 미국에서는 로스앤젤레스 수력발전부가 유타주 소재 석탄화력 발전소를 천연가스와 풍력ㆍ태양광으로 생산된 수소를 활용하는 발전소로 전환을 추진중이며, 풍력발전으로 생산한 수소를 천연가스 수송관을 활용해 공급하는 ‘Wind2H2’ 프로젝트도 진행중이다.

현재 대부분의 수소는 산업 부문 현장에서 제조 및 이용되고 있다. 암모니아 제조와 석유 정제가 주요 용도이며, 수소 이용의 3분의 2를 차지하고 있다. 암모니아는 질소 비료로서, 또한 그 밖의 화학품 제조에 이용되고 있다. 정유소에서는 운송용 연료를 제조하기 위해 수소를 중유에 첨가한다.

그 외에도 광섬유와 석영유리 등의 유리 분야뿐만 아니라, 몸에 익숙한 제품으로는 마가린이나 샐러드 오일 등의 유지 경화제, 화장품, 세제, 향료, 비타민 등의 원료의 일부로 사용되고 있고, 휴대폰이나 PC에 사용되는 반도체 제조 시에도 재료 가스는 고순도의 수소 가스가 이용되고 있다. 게다가, 우주 왕복선과 로켓에도 액화 수소와 액화 산소의 혼합 연료를 탑재하여 추진력을 만들고 있다.

이에, 이러한 수소 경제를 선도하기 위해 주요 선진국들은 생산, 운송 및 저장, 활용 등 수소 밸류체인 전 단계에서 기술적, 산업적 완성도를 높이기 위해 전력을 다하고 있다.

유럽에서는 신ㆍ재생에너지 분야에서 가장 발전한 국가 중 하나인 독일은 정부 차원에서 수소를 미래 주력 에너지원으로 보고 있으며 장기 로드맵 수립 및 예산 편성을 통해 수소에너지에 대한 경제성 확보에 주력하고 있다.

영국 역시 수소연료전지에 대한 연구와 확산에 관한 파트너십을 통해 2030년까지 160만대 보급 로드맵을 내놓으며 보급 활성화를 위해 전력을 다하고 있다.

가까운 일본은 수소차 상용화에 대비하여 도쿄, 오사카, 나고야, 후쿠오카 등 4개 대도시를 중심으로 수소스테이션 100기를 건설하는 계획을 추진하고, 수소연료전지차는 2025년까지 200만대까지 확대시킨다는 전략이다.

미국의 경우 캘리포니아를 중심으로 수소전기차 실증 및 수소인프라 구축사업으로 CaFCP (California Fuel Cell Partnership)이 운용되었으며, DOE 주관의 National Hydrogen Light Duty Program 등 수소전기차와 인프라 실증 사업 역시 추진되고 있다.

우리나라도 수소 사용을 산업, 가정용, 교통 분야 전반으로 확대하는 것을 목표로 설정하고, 국내 수소 생산과 수입 수소를 활용해 수소를 보다 적극적으로 공급한다는 계획을 추진하고 있다.

한편, 연료전지 시장은 점차 주요국별 보급정책의 범위와 지원 내용이 강화되면서 성장하고 있다. 특히 국내에서는 수소경제 활성화 로드맵 발표로 새로운 전환기를 맞이하고 있다. 정부가 에너지전환정책의 일환으로 수소경제 정책을 펼치고 있는 가운데 수소경제 내에서 친환경 분산발전원 역할을 수행할 것으로 기대되고 있다. 발전용 연료전지는 도심에 위치하는 분산전원에서 대규모 전원으로도 활용이 가능하기 때문에 저공해, 고효율 측면에서 활용도가 높아질 것이다.

2030년 연료전지 시장은 2018년 대비 22.6배나 커질 것으로 전망되고 있으며, 최근 시장은 산업ㆍ업무용 시장의 확대가 견인하고 양대 시장인 미국과 한국에서 도입 인센티브 제도가 기여했다고 분석되고 있다.

2020년 7월에 정부에서 발표한 한국판 그린뉴딜 정책은 저탄소 경제로의 전환과 지속 가능한 성장을 도모하는 것을 목표로 내세우고 있기에, 국내에서도 수소연료전지를 기반으로 한 연료전지 발전과, 연료전지자동차 등 수소관련 산업과 기술이 주목받고 있다.

이에 IRS글로벌에서는 수소와 연료전지에 관한 최근 핵심기술 동향과 사업화 전망뿐만 아니라, 주요 수요처로 예상되는 수소발전, 수소연료전지차, ESS분야와 분산형전원, P2G, CCS 등 연관 기술개발 동향까지 종합적으로 분석 정리하여 관련 분야에 관심을 갖고 계신 분들께 미력하나마 도움을 드리고자 본서를 기획, 출간하게 되었습니다.

Ⅰ. 수소의 기술ㆍ시장 동향 및 수소경제 대응 전략

1. 수소 시장 동향과 전망

  1-1. 수소의 개요

    1) 특징

    2) 효율

    3) 용도

    4) 공급과 수요

    5) 제조 기술 동향

    6) 수소에너지 가능성에 대한 기대

    7) 수소에너지 상용화에 따른 변화

      (1) 에너지 절약 및 환경부하 감소

      (2) 연관 산업 육성

    8) 안전성

      (1) 안전관리가 확보된 분야

      (2) 수소차ㆍ수소충전소

  1-2. 수소 시장ㆍ산업 동향과 전망

    1) 글로벌

      (1) 생산

      (2) 저장ㆍ운송

      (3) 활용(수송수단ㆍ발전/산업)

      (4) 안전ㆍ환경ㆍ인프라

    2) 국내

      (1) 생산

      (2) 저장ㆍ운송

      (3) 활용(수송수단ㆍ발전/산업)

      (4) 안전ㆍ환경ㆍ인프라

2. 수소 관련 기술개발 동향과 국내 기술 수준

  2-1. 수소의 제조ㆍ운송/저장ㆍ충전 분야 기술 동향

    1) 제조 분야

      (1) 부생수소

      (2) 화석연료개질

      (3) 수전해(물의 전기분해)

      (4) 바이오매스의 열분해

      (5) 물의 열분해

      (6) 광촉매에 의한 수전해(인공광합성)

      (7) 바이오프로세스

    2) 운송ㆍ저장 분야

      (1) 고압가스 수소운송

      (2) 액화수소운송

      (3) 유기하이드라이드

      (4) 파이프라인 운송

      (5) 암모니아

      (6) 수소흡장합금

      (7) 메탄화

    3) 충전 기술

      (1) 수소 충전소 종류

      (2) 충전기술

      (3) 계량 관리

      (4) 품질 관리

  2-2. 국내 기술 수준 및 활성화 추진 방안

    1) 생산 분야

      (1) 기술개발 동향과 최근 이슈

      (2) 국내 기술 수준

      (3) 활성화 추진 방안

      (4) 핵심기술 개발 전략

    2) 저장ㆍ운송 분야

      (1) 기술개발 동향과 최근 이슈

      (2) 국내 기술 수준

      (3) 활성화 추진 방안

      (4) 핵심기술 개발 전략

    3) 활용 분야

      (1) 최근 이슈

      (2) 국내 기술 수준

      (3) 핵심기술 개발 전략

3. 수소 관련 연구개발 및 특허 동향

  3-1. 연구개발 동향

    1) 분석절차

    2) 연도별 연구 동향

    3) 주요 단어 및 네트워크 분석

    4) 인용 상위 연구

    5) 주제 분석

    6) 주제별 주요 단어 및 네트워크 분석

    7) 연구 주제별 평균 인용 수

  3-2. 특허 동향

    1) 연도별 출원 동향

    2) 주요 단어 및 네트워크 분석

    3) 인용 상위 특허

    4) 국가별 출원 동향

    5) 기업별 출원 동향

    6) 주제 분석

    7) 세부주제별 주요 단어 및 네트워크 분석

4. 주요국별 수소경제 대응 동향

  4-1. 수소경제 개요

    1) 수소경제의 개념

    2) 수소경제의 주요 의미

      (1) 에너지 체계의 변화

      (2) 수소 공급체계의 다원화

      (3) 기술혁신 촉진과 신산업의 창출

    3) 수소 경제 전망

  4-2. 주요국별 수소경제 대응 전략

    1) 유럽연합

      (1) 수소 기술의 실용화와 보급을 위한 전략 발표

      (2) 저탄소 수소도 투자 대상

      (3) 수소 전략을 추진하기 위해 관민 협동 플랫폼 설립

      (4) 예산 및 투자지원 계획

    2) 독일

      (1) 생성 방법에 따른 수소의 4가지 분류

      (2) 국가 수소 전략

      (3) 보다 야심적인 시책을 요구하는 산업계

      (4) 진행되고 있는 주 정부의 시책

      (5) 기업에 의한 수소 사업 추진 가속

    3) 프랑스

      (1) 정부의 목표ㆍ방침

      (2) 정부의 파일럿 프로젝트

      (3) 가속화되는 지방자치체의 시책

      (4) 수소 보급을 위한 시책에 대한 평가

    4) 스웨덴

      (1) 건설 분야에서의 수소 기술 활용

      (2) 태양광발전의 전력으로 인해 수소를 제조

      (3) FCEV 보급 동향

    5) 일본

      (1) 수소연료전지 전략 로드맵

      (2) 수소 서플라이체인 구축전략

    6) 중국

      (1) 수소 사회를 위한 대응

      (2) 지역별 발전 계획

      (3) 수소 에너지 도시 경쟁력 랭킹 발표

    7) 호주

      (1) 수소 관련 정책 및 규제

      (2) 수소 산업 지원을 위한 펀드 설립

  4-3. 국내 수소 경제 대응 전략

    1) 수소경제 활성화 로드맵(’19.1.17.)

      (1) 주요 목표

    2) 수소경제 표준화 전략 로드맵(’19.4.3.)

      (1) 표준화 전략 로드맵

      (2) 표준화 전략 로드맵 추진과제

    3) 수소 인프라 및 충전소 구축방안(’19.10.22.)

      (1) 수소 공급

      (2) 수소충전소 구축

    4) 수소 기술개발 로드맵 (’19.10.31.)

      (1) 수소 생산

      (2) 수소 저장ㆍ운송

      (3) 수소 활용(수송수단)

      (4) 수소 활용(발전ㆍ산업)

      (5) 안전ㆍ환경ㆍ인프라

    5) 수소 안전관리 종합대책 (’19.12.26.)

      (1) 글로벌 수준의 안전시스템 구축

      (2) 3대 핵심시설 중점관리 : 수소충전소ㆍ수소생산기지ㆍ연료전지 시설

      (3) 지속가능한 안전생태계 조성

      (4) 소통ㆍ협력을 통한 안전문화 확산

    6) 수소법 제정(’20.1.9.)

    7) 2차 수소경제위원회(‘20.10.15)

      (1) 수소 발전 의무화 제도 도입

      (2) 추출수소 경쟁력 확보방안

      (3) 수소시범도시 기본계획 및 ‘수소도시법’ 제정방안

      (4) 제1차 수소경제위원회 후속조치 추진현황

      (5) ‘수소법’ 하위법령 제정 추진현황

Ⅱ. 에너지 패러다임의 전환, 수소에너지

1. 미래 시대를 대비한 신재생에너지로서의 수소

  1-1. 수소와 신재생에너지

  1-2. 수소의 가능성과 향후 전망

    1) 기후변화 대책의 긴급성

    2) 수소 이용 현황과 미래 예측

    3) 그린 수소 제조로의 전환

    4) 적용 분야의 확대

    5) 전환 옵션으로서의 화석 연료 기반 수소

    6) 재생에너지 수소에 대한 가스 인프라의 역할

    7) 새로운 원자재로서의 클린 수소의 가능성

  1-3. 탈탄소화를 위한 수소의 역할 – 수소와 재생에너지의 연계

    1) 재생에너지 도입 확대의 추진력

    2) 전력 계통의 유연성 향상

    3) 변동성 재생에너지 전력의 계절 저장

  1-4. 재생에너지 수소의 경쟁력

    1) 수소 제조 비용

    2) 수소 유통 비용

    3) 미래 수소 공급 비용

  1-5. 미래의 수소 및 수소 Commodity의 거래 예측

    1) 원격지의 재생에너지 자원 활용

      (1) 호주

      (2) 칠레

      (3) 노르웨이

      (4) 사우디아라비아

    2) 전기연료

    3) 수소 유래의 에너지 집약형 Commodity의 거래

  1-6. 활성화 방안

    1) 에너지 전환에서의 수소의 전략적 역할을 인식

    2) 친환경적이고 효율적인 수소의 이용을 실현하고 의무화

    3) 새로운 수소 시장 개척

    4) 향후 대응 방향

2. 신ㆍ재생에너지 시장 동향과 전망

  2-1. 글로벌 신재생에너지 도입 동향

    1) 태양광 발전

      (1) 태양광 설치 규모

      (2) 폴리실리콘 가격 동향

      (3) 태양전지 가격 동향

      (4) 태양광 모듈 가격 동향

    2) 풍력 발전

    3) 바이오매스

    4) 수력

    5) 지열 발전

    6) 재생 에너지의 발전비용 비교

  2-2. 국내 신재생에너지 시장 동향

    1) 신재생에너지 산업

      (1) 종합

      (2) 에너지원별 현황

    2) 신재생에너지 생산 및 보급 동향

      (1) 생산 실적

      (2) 발전량 및 설비용량

    3) RE100 시행 확정

  2-3. 연료전지 발전 산업 동향

    1) 연료전지 생산 및 발전 규모

      (1) 생산 실적

      (2) 발전량 및 설비용량

    2) 연료전지 산업 현황

      (1) 총괄

      (2) 기업체 현황

      (3) 고용인원 현황

      (4) 매출 현황

      (5) 투자 현황

3. 수소에너지 관련 분야별 기술개발 동향

  3-1. 고효율 수소생산 시스템

    1) 기술 개요

    2) 국내외 시장 규모

      (1) 글로벌 시장

      (2) 국내 시장

    3) 수소 생산 비용 및 수량

    4) 주요 기술개발 동향

      (1) 고용량 수소저장합금 및 수소 방출 장치

      (2) 열화학 사이클을 통한 수소생산

      (3) 메탄을 이용한 수소생산

      (4) 전기분해에 의한 수소발생장치 및 수소발생용 촉매

    5) 국내외 주요 업체별 개발 동향

      (1) 해외

      (2) 국내

  3-2. 수소충전용 장비 및 부품

    1) 기술 개요

    2) 국내외 시장 규모

      (1) 글로벌 시장

      (2) 국내 시장

    3) 주요 기술개발 동향

      (1) 실시간 수소충전시스템 모니터링

      (2) 수소가스 압축ㆍ액화수소 기술

      (3) 수소 충전용 장비ㆍ자재

      (4) 액체수소 저장탱크 개발

    4) 국내외 주요 업체별 개발 동향

      (1) 해외

      (2) 국내

Ⅲ. 연료전지 및 연관 기술 개발동향과 시장 전망

1. 연료전지 기술개발 동향과 시장 전망

  1-1. 연료전지 개요

    1) 연료전지 개념과 원리

      (1) 개념과 개발 이력

      (2) 연료전지 작동원리

    2) 연료전지 시스템 구조

      (1) 개질기(Reformer)

      (2) 스택(Stack)

      (3) 전력변환기(Inverter)

      (4) 주변보조기기(BOP, Balance of Plant)

    3) 연료전지 장단점 및 이차전지와의 차이점

      (1) 연료전지의 장ㆍ단점

      (2) 발전용 연료전지의 장ㆍ단점

      (3) 수소연료전지차로서의 장ㆍ단점

      (4) 이차전지와의 차이점

    4) 연료전지의 분류

      (1) 인산형 연료전지(PAFC)

      (2) 용융탄산염 연료전지(MCFC)

      (3) 고체산화물 연료전지(SOFC)

      (4) 고체고분자 연료전지(PEFC)

  1-2. 국내외 연료전지 시장 동향과 전망

    1) 세계 연료전지 시장 동향과 전망

      (1) 생산ㆍ판매 규모(MW)

      (2) 생산ㆍ판매 규모(Unit)

      (3) 용도별 시장규모 전망

      (3) 지역별 시장규모 전망

      (4) 종류별 시장 전망

    2) 주요국별 수소ㆍ연료전지 동향과 전망

      (1) 독일

      (2) 미국

      (3) 중국

      (4) 일본

    3) 국내 연료전지 시장 및 업체 동향

      (1) 시장 규모

      (2) 종류별 시장 동향

  1-3. 연료전지 촉매 연구개발 동향

    1) 주요국별 최근 동향

    2) 주요 분야별 개발동향

      (1) 코어 셸 촉매

      (2) 합금촉매

      (3) 카본계 촉매

      (4) 금속산 질화물

    3) 핵심 기술 과제

    4) 주요국별 기술개발 현황 비교

      (1) 일본

      (2) 미국

      (3) 유럽

      (4) 중국

      (5) 한국

2. 연료전지 관련 기술개발 및 사업화 동향

  2-1. 연료전지 발전 분산형 전원

    1) 분산형 전원 개요

      (1) 개념

      (2) 종류

      (3) 장점

      (4) 활성화를 위한 과제

    2) 스마트사회에서의 분산형 에너지

      (1) 분산형 에너지 자원의 활용 확산

      (2) DER의 활용에서의 플레이어와 윈윈전략

      (3) 플레이어별 과제

      (4) 사회 인프라로서의 DER 활용

      (5) DER 활용에 관한 다양한 관점과 미래

    3) 연료전지 발전 기반 분산형 전원

      (1) 연료전지 발전의 특징

      (2) 연료전지 발전 산업 국내 동향

      (3) SOFC 개발 및 도입 동향

    4) DER 비즈니스 유형별 사례 분석

      (1) BESS(Battery Energy Storage System)

      (2) EV(Electric Vehicle)

      (3) Microgrid

      (4) DERMS(Distributed Energy Resource Management System)

      (5) Blockchain

  2-2. P2X(P2G)

    1) 기술 개요

      (1) 개념과 활용 방식

      (2) 특징

      (3) 요소 기술 동향

      (4) ESS와의 비교

    2) 기술개발 동향과 향후 전망

      (1) 기술개발 동향

      (2) 향후 전망

    3) 독일의 P2G 대응 동향

      (1) P2G 의의

      (2) P2G의 공급체인

      (3) 기업 및 단체의 P2G 대응 동향

      (4) 독일에서 실시ㆍ계획 중인 P2G 프로젝트

      (5) P2G 추진 로드맵

      (6) P2G 기술의 가능성

    4) 주요국별 정책 동향

      (1) 독일

      (2) 덴마크

      (3) 미국

      (4) 일본

      (5) 한국

  2-3. CO2 포집 및 처리기술(CCS)

    1) CCS 기술 및 시장 동향

      (1) 기술 개요

      (2) 국내 CCS 기술, 시장동향

      (3) 해외 CCS 기술, 시장동향

    2) CO₂ 포집 기술

      (1) 기술개요

      (2) 국내 CO2 포집 기술, 시장동향

      (3) 해외 CO2 포집 기술, 시장동향

      (4) CCS 허브와 클러스터(Hubs and Clusters)

    3) CO2 수송 및 저장기술

      (1) 기술개요

      (2) 국내 CO2 수송 및 저장 기술, 시장동향

      (3) 해외 CO2 수송 및 저장 기술, 시장동향

    4) 호주의 CCS 관련 대응 동향

      (1) 배출량을 절감하기 위한 CCS와 수소 관련 대응

      (2) CCS 관련 정책 및 규제

      (3) CCS(이산화탄소 포집ㆍ저장)

3. 연료전지 관련 연구개발 및 특허 동향

  3-1. 연구개발 동향

    1) 분석절차

    2) 연도별 연구 동향

    3) 주요 단어 및 네트워크 분석

    4) 인용 상위 연구

    5) 주제 분석

    6) 주제별 주요 단어 및 네트워크 분석

    7) 연구 주제별 평균 인용 수

  3-2. 특허 동향

    1) 연도별 출원 동향

    2) 주요 단어 및 네트워크 분석

    3) 인용 상위 특허

    4) 국가별 출원 동향

    5) 기업별 출원 동향

    6) 주제 분석

    7) 세부주제별 주요 단어 및 네트워크 분석

4. 수소 모빌리티 국내외 시장 동향과 전망

  4-1. 수소연료전지차 개요

    1) 개념

    2) 분류

    3) 주요 특징

      (1) 장점

      (2) 단점

    4) 구조

      (1) 스택(Stack)

      (2) 운전장치

      (3) 전장장치

      (4) 수소저장장치

    5) 구동원리

    6) 안전성

      (1) 안전관리가 확보된 분야

      (2) 안전성

    7) 수소차와 전기차 비교

  4-2. 수소연료전지차(FCEV) 국내외 시장 동향과 전망

    1) 글로벌 시장 동향과 전망

      (1) 판매 현황(지역별ㆍ메이커별)

      (2) 스타트업의 참여 동향

      (3) 보급 및 산업화 전망

    2) 중국 시장 동향과 전망

      (1) 연료전지 상용화 추진

      (2) 시장 규모

      (3) 해외 업체들의 중국 시장 진출 현황

    3) 국내 내수 및 수출 동향

      (1) 내수

      (2) 수출

    4) 수소연료전지차(FCEV) 로드맵

      (1) 수소승용차

      (2) 수소택시

      (3) 수소버스

      (4) 수소트럭

    5) 수소 상용차 시장

      (1) 글로벌 경쟁 구도

      (2) 미국 시장 경쟁

      (3) 중국 시장 경쟁

  4-3. 수소충전소 국내외 구축 동향

    1) 수소충전소 개요

      (1) 개념

      (2) 분류

      (3) 수소 저장 기술

    2) 글로벌 수소충전소 동향

    3) 국내 수소충전소 현황 및 계획

      (1) 구축 현황(2020년)

      (2) 계획(2022년)

      (3) 보급 계획

  4-4. 수소차 이외 수송부문 개발 동향과 시장전망

    1) 수소 선박

      (1) 개요

      (2) 시장 현황과 전망

      (3) 주요 개발 사례

      (4) 수소선박 정책 추진 동향

    2) 수소 드론

      (1) 개요

      (2) 수소드론의 수요 예측

      (3) 주요국별 수소드론 개발동향

      (4) 주요 개발 사례

      (5) 정책 추진 동향

    3) 수소열차

      (1) 개요

      (2) 개발 이력

      (3) 주요 개발 사례

      (4) 정책 추진 동향

    4) 수소건설기계

      (1) 개발 동향

      (2) 정책 추진 동향

5. 에너지저장장치(ESS) 국내외 시장 동향과 전망

  5-1. 글로벌 시장규모 전망

    1) 연도별 시장규모 전망

    2) 애플리케이션별 시장규모 전망

    3) 기술별 시장규모 전망

    4) 지역별 시장규모 전망

  5-2. 국내 보급 동향과 시장 전망

    1) 연도별 시장규모 전망

    2) 애플리케이션별 시장규모 전망

  5-3. 국내 보급 동향과 문제점

    1) 국내 ESS 보급 동향

    2) ESS 화재 사고

    3) ESS 안전강화 대책

      (1) 제1차 대책(2019년)

      (2) 제2차 대책(2020년)