[월간수소경제 이종수 기자] 올해부터 LNG 냉열을 활용해 대량의 수소를 저장·공급할 수 있는 상용급(5ton/day) 액체수소 플랜트 핵심기술 국산화 개발이 추진된다.

국토교통부와 국토교통과학기술진흥원은 지난달 30일 ‘2019년 상용급 액체수소 플랜트 핵심기술 개발 사업 시행’을 공고했다.

‘상용급 액체수소 핵심기술개발사업 로드맵’과 연계된 이번 사업은 오는 4월부터 2023년 12월까지 57개월간 진행되며, 정부 출연금은 총 278억4,000만 원 이내다. 올해 정부 출연금은 28억8,000만 원 이내다.

이번에 공고된 과제(유형: 연구단 과제)는 수소액화 플랜트 공정기술 및 핵심설비, 액체수소 저장탱크 기술개발을 통해 수소의 대용량 생산‧저장‧운송‧활용 기반을 마련하는 데 목적이 있다.

정부가 지난달 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’에도 수소액화 플랜트 핵심기술 국산화가 반영돼 있다. 오는 2030년까지 액화 플랜트 및 액화탱크, 펌프, 밸브 등 국산화 기술개발을 추진해 2030년 이후부터 액화수소를 공급한다는 계획이다.

수소액화플랜트 기술 국산화 시급
국토교통과학기술진흥원에 따르면 액체수소(liquid hydrogen)는 극저온 상태(대기압 기준 –253℃)로 냉각해 액화된 수소이며, 기체수소의 부피를 약 1/800로 감소시킬 수 있어 동일 압력에서 기체수소 대비 800배의 체적에너지 밀도를 가지고 있다.

액체수소는 대기압에서 대용량 저장이 가능해 저장용기의 안전성 부분에서 장점을 가지고 있으며, 낮은 온도로 기존 고압 기체수소에 비해 폭발 위험성이 낮다. 다만 고압기체 저장 방식에 비해 수소를 액화하는 공정이 추가돼 에너지 비용 증가에 따른 경제성 문제를 해결하기 위한 고효율 수소액화 공정이 필요하다.

전 세계에서 운영되는 상용급 수소액화 플랜트는 2010년 기준 355ton/day 수준으로, 국내의 경우 상용급 수소액화 플랜트는 전무하다.

상용 수소액화플랜트 기술은 Air Product & Chemicals(미국), Praxair(미국), Linde(독일), Air Liquide(프랑스) 등 4개 기업에서 독점하고 있다. 이에 따라 향후 막대한 건설 수요가 예상되는 수소액화플랜트 기술의 국산화가 시급한 상황이다.

국내 수소액화 기술의 경우 한국기계연구원이 헬륨냉각공정을 적용한 300Nm3/hr급 수소액화 공정 설계기술을 연구했다. 액화기 제품으로는 한국과학기술연구원(KIST)과 하이리움산업이 G-M(Gifford- McMahon) 극저온냉동기를 이용한 실험실 규모의 소형 수소액화시스템(1.5~10kg/day) 개발이 유일하다.

극저온 기자재의 경우 LNG플랜트사업단이 LNG 플랜트 기자재(-162℃)에 적용하는 기자재의 개발 경험을 가지고 있지만 그보다 더 온도가 낮은 액체수소 환경(-253℃)에서의 기자재 개발 경험은 없다.

상용급 액체수소 플랜트 핵심기술 개발 목표
공급측 기체수소는 압축기를 통과해 고온·고압의 기체 상태가 되고, J-T(Joule-Thomson) 밸브 팽창을 통해 액화가 된다. 수소는 최대 역전온도(Inversion Temperature)가 상온보다 낮아 액화를 위해서는 역전온도 이하로의 냉각을 위한 냉각 과정이 필수적이다.

냉각 과정을 위해 액화질소(LN2) 등을 이용한 예냉과 냉매(수소 또는 헬륨)를 압축 팽창시켜 추가 냉각시키는 과정이 필요하다. 공정 구성 방식에 따라 다양한 공정 사이클(Cycle)이 존재하는데, 일반적으로 상용급 수소액화 플랜트의 경우 H2 Claude 사이클과 Turbo Brayton 사이클이 주로 사용된다.

이번 과제는 LNG Precooled 고효율 공정을 토대로 상용급 수소액화 플랜트의 설계기술을 확보하고, 설계의 검증을 위해 소규모 파일롯 플랜트를 구축·운용하는 과제로, 설계·구축뿐만 아니라 핵심 기자재와 생산된 액체수소의 저장탱크 국산화를 포함한다. 

구체적으로 △LNG 냉열 활용 고효율 공정설계 기술 개발(효율 : 11.4kWh/kgH2, 5ton/day), LNG 냉열 활용 파일롯(0.5ton/day) 수소액화 플랜트 구축 운용(효율 : 14.3kWh/kgH2, 운전시간 100hr×5회) 등 상용급(5ton/day) 고효율 수소액화 플랜트 설계기술 확보 △수소액화용 극저온 Turbo Expander, 극저온 열교환기, Cold Box, 극저온 밸브 등 수소액화 핵심 기자재 개발(0.5ton/day급, 5ton/day급) △35m³급 저장탱크(Boil off ratio : 1%/day), 350m³급 저장탱크(Boil off ratio : 0.3%/day) 등 액체수소 저장탱크 개발이 이번 과제의 목표다.

LNG를 다량 수입하는 우리나라와 일본의 경우 LNG의 기화과정에서 발생하는 냉열을 수소액화공정에 활용할 수 있다. 특히 LNG의 기화를 통해 SMR에 메탄을 공급해 기체수소를 생산하고, 이때 발생하는 냉열을 수소액화공정에 활용하는 경제성 있는 수소공급 모델이 가능하다.

이러한 경제성은 수소액화플랜트의 규모가 커질수록 증가하며, 향후 대용량 수소생산의 필요성을 고려할 때 최선의 선택으로 평가된다.