유럽 수소 버스 운영 위한 수소 저장소 계획

유럽 수소 버스 운영 위한 수소 저장소 계획 

평소 수소에 대해 관심이 많았는데 버스 관련 유럽의 현황을 번역하여 요약한 내용를 공유 하고자 한다.

원문위치: https://www.fch.europa.eu/project/new-bus-refuelling-european-hydrogen-bus-depots

<요약내용>

해당 프로젝트 목표는 버스 정류 규모에서 수소 충전 시스템에 대한 전반적인 이해를 목표로 한다.

수소 충전소는 10대 버스 기준에 해당하는 하루 100s kg을 충전할 수 있는 시스템을 갖추고 있다.

중장기 계획으로 보자면 하루 100대를 충전해야 하기 때문에 수소충전소는 하루 최소 1,500kg/day 공급 되어야 한다.

결과 도출을 위해 13개 수소 충전소를 12개의 다른 도시에서 실시 하였다.

우선 4가지 주요 프로젝트 목표를 설명 하면,

1) 최적의 디자인, 수소 공급 루트, 상업화 또는 사유화 전개 및 실행을 정의 하기 위한 13가지 엔지니어 조사

2) 접근, 디자인 가이드라인 리포트 준비

3) 대규모 버스 배치 프로젝트 개시 

4) 버스용 수소 버스 충전소 설치 위한 대중에 대한 설득 작업

소개

The new bus fuel project는 대중교통 수단인 수소 버스 운영을 위해 대규모 수소 충전소(HRS) 설치에 설명 할 것이다.

수소 생산과 수소 공급 체계 형성은 경제적 또는 H2 버스 운행을 위해서는 필수적인 조건이다.

수소 충전소 기본 개념

1) On site production of H2

수소 버스에 사용되는 수소는 수소충전소에서 자동차로 직접 공급 되는 방식이다.

2) Off site production of

대규모 수소 생산 공장에서 수소충전소로 수소가 공급 되는 방식이다.

버스와 승용차의 수소 충전소 차이

버스 같은 경우는 수소저장탱크 사이즈는 30~50kg이고 승용차는 5kg 정도 이다.

버스는 승객 수도 많고 부피도 크기 때문에 버스에 장착 되는 수소 탱크의 압력은 승용보다 낮다.

전세계적으로 버스는 350Bar를 사용하고 승용은 700Bar를 채용하고 있다.

(Dispenser는 수소총전소에서 차로 수소를 이동하는 장치이다.) 

350bar의 압력 체계는 3가지 특징이 있는데 아래와 같다.

1) 스펙이 고압 대비 낮고 복잡하지 않는 시스템이 가능하다.

2) 350bar 압력은 낮은 에너지 소비가 필요하다.

(700bar을 수소를 이동하기 위해서는 온도가 -40도 Pre 쿨링이 되어야 가능하다, SAE J260 표준 기준)

버스용 수소 충전소 모듈

1)수소 공급: On site, off site, or near site 방식으로 공급

2)압축: 자동차 공급 위해 압력 레벨이 맞춰져야 한다.

3)저장: 수소충전소에 수소 량

4)분사: 버스와 수소충전소와 수소를 이동하기 위한 연결 방법

수소 충전소 모듈의 설명

On site production: 전기분해 또는 수증기 개질 대표적으로 두가지 방법이 있다.

Off-site production: 대규모 생산 공장에서 수소 발생 시키는 방식이다 부산물로도 공급이 가능하다.

염화-알칼리 프로세스, 크루드 오일에서 발생하는 부분 산화 또는 탄화수소의 열분해에서 발생

수소 이동

Gaseous Hydrogen(GH2): 수소 가스를 튜브 트레일러에 고압 가스 형태로 저장하여 이동하는 방식이다.

Liquid Hydrogen (LH2): 액체 수소를 트레일러에 저장하여 이동하는 방식인데, 액 상태로 하기 위해서는 대기온도 기준 -253도를 낮춰야 하기 때문에

                               많은 양의 에너지를 소비한다.

불순물 및 수소 품질

수소 생산 공정에서 발생 되는 불순물은 3가지로 구분 된다.

1) 수소셀의 수명을 단축 시키는 질소, 수증기 및 불활성 기체

2) 수소셀의 성능을 저하시키는 일산화탄소(CO), 암모니아

3) 멤브레인 손상을 발생시키는 황

수소 품질 수준을 유지 하기 위해서는 ISO 14687-2, SAE J2719 표준을 따른다.

예를 들면, SAE 기준에 따르면 최대 농도는 물은 5 ppm, CHX 2 ppm, CO2 2 ppm, Co 0.2 ppm으로 셋팅 되어 있다.

수소 충전소 구성 요소

압축기(Compression) 종류 

  Common compressors: 상시 사용 압축기

  booster compressors: 필요시 사용하는 압축기

  Reciprocating compressors : 유압 또 공기압을 이용한 압력기

  Diaphragm Compressors: 수소을 분리하기 위해서 멤버레인을 사용

  Ionic liquid piston compressor: 수소에 용해 되지 않은 아이오닉 액체를 이용 -> 수소 오염 최소화

수소저장

수소 튜브 트레일러의 탱크 재질 : 순수 금속, 금속에 화이바 재질, 화이바-금속 합성, 화이바-플라스틱 합성

수소충전소내부 멀티 저장소가 있는데 LP, MP, HP(High Pressure) 탱크가 있는데 차량의 수소탱크 압력에 따라

높은 압력을 공급하여 자연스럽게 차량쪽 수소탱크에 공급하는 방식이다. (일명 cascade 저장방식)

대부분의 수소충전소는 상기 방식을 이용하고 있다.

일정한 압력 저장방식 일정한 압력 레벨을 유지하기 위해 유압계를 두어 공급하는 방식이다.

분배기(Dispenser)

연결장치는 ISO 17268;2012, SAE J2600에 따라 설계 되어야 한다.

수소 충전소 설치전 파라미터 정의

12M 버스의 경우는 9 ~ 10 kg/100km (10~11km/kg) 소요 예상, 18m버스는 12~15kg/100km (6.6~8.3Km/kg) 소비량 예상

* HMC 11.5M 버스의 경우 10km/kg 이동

주행거리는 200km ~ 400km /day 지역에 따라 다르게 운영중이다. 평균적으로 200~300km 운행이고 이 기준으로 하면

20~30kg/day 수소 소비량이 필요하다.

계절의 영향으로 여름인 경우는 추가적으로 1~2kg/100 km 소비가 된다고 예상하고 겨울은 더 많은 수소 소비가 필요하다.

FCH JU-MAWP는 2023년까지 7.6Kg/100km (13km/kg)을 목표로 추진 하고 있다.

버스 플릿 운영시 수소충전 파라미터 정의

12M 버스 기준

하루 운영 거리: 200Km/day

수소 버스 연비: 10km/kg

플릿 버스 운영: 10대

10대 운영시 하루 수소 량: 200km x 1kg/10km x 10대 = 200kg/day

년간 버스 운영 기간: 250일

충전소 위치 및 분배기 수

수소버스용은 350바이고, 승용차는 700바를 압력 목표로 추진

저속충전용(Slow refueling)은 30g/s(1.8kg/min, HMC 버스 수소 탱크 용량이 34kg이면 18분 정도 소요)

정상충전용(Normal refueling)은 60g/s(3.6kg/min, HMC 기준이면 9분 정도 소요)

고속충전용(Fast refueling)은 120g/s (7.2kg/min, HMC 기준이면 5분 정도 소요)

수소버스정거장은 4 ~ 6시간 이내에 위치하는 것을 전제로 한다.

실제 수소충전시간을 조사한 결과 대부분 20~+02:00 사이에 가장 많이 충전하는 것으로 파악 되었다.

상기 시간대에 하는 이유는 수소충전소가 많이 설치 않아서 투자비는 절감되는 것이 가장 큰 이유이지만

충전 시간에 충전시간지연 및 인원 대기 문제로 추가 비용이 발생하는 것이 문제가 되었다.

기초 경제 파라미터

On site production 기준, 전기 소비량은 55~70kwh per kg H2

년 전기 소비량 500 ~ 2,000 Mwh (일일 수소생산 90kg/day 기준)

하루 1,000kg 수소 생산시 20 Gwh 전기 소모 필요하고, 6,000kg 수소 생산시 130 Gwh 전기 소비 필요하다.

일반적으로 산업용 전기 비용은 4~6 cents/kwh, 1,000kg/일(365일 기준), 2억불 정도 비용이 든다.

수소생산량이 59kwh/kg H2 이라고 가정한다면, 전기비용은 0.06유로/kwh이면 유로 3.48/kg이 된다.

케파 1,000KG H2/Day, 총 투자 비용은 16.5 million euro

케파 6,000KG H2/DAY, 총 투자 비용은 35.5 million euro

대량생산이 이루지고 인프라 구축이 된다고 하면 2023년에는 현재 기준에서 60% 정도 가격이 저렴할 것으로 예상 된다.

매 3년 마다 수소 버스를 9대씩 구매한다면 수소 충전소의 오버 케파는 줄어 들고, 결과적으로 수소 가격도 내려 갈 것으로 예상 된다.