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걸음마 수준 ‘액화수소’ 핵심기술 개발 나선다

수소경제 초기 기체수소 주류…2030년 이후 액화 및 액상·고체로 확대
전문가들 “액체수소가 안전성·경제성 측면서 기체수소보다 유리”
중·장기 대량 수소 수요 대비 액체수소 기술개발 필요성 제기
미국·독일·프랑스, 액화수소플랜트 선두…일본 바짝 추격, 한국은 전무
LNG 냉열 활용 액화수소플랜트 부상…액체수소 ‘시기상조’론도 나와



[월간수소경제 이종수 기자] 글로벌 수소위원회에 따르면 오는 2020년부터 발전, 수송, 건물에너지, 산업에너지 부분에서 수소의 활용이 본격화 되어 2030년 정도부터 수송 분야를 시작으로 본격적인 수소사회가 도래할 것으로 전망된다.

이에 따라 수소의 생산, 이송, 저장 인프라에 대한 수요가 증가할 것으로 보이며, 국내 역시 최근 수소경제 활성화 로드맵을 발표하고 수소 인프라 구축에 나설 계획이다.

특히 효율적이고 경제적인 수소저장·운송이 미래 수소사회를 여는 중요한 열쇠가 될 것으로 보인다. 수소저장·운송 방법에는 기체수소, 액체수소, 고체수소, LOHC 등 다양한 방식이 있다. 최근 국내에서 대량 수소저장·운송 기술인 액체수소에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 국내의 풍부한 LNG 인프라를 활용한 액화수소플랜트가 부상했다.

수소경제 초기에는 기체수소가 많은 역할을 하겠지만 중장기적으로 대량의 수소 수요가 발생하면 액체수소의 필요성이 커질 것이라는 전망이다.

정부도 이를 인식하고 수소경제 활성화 로드맵에 액체수소 상용화를 반영했다. 수소경제 로드맵에 따르면 오는 2030년까지 액화 플랜트 및 액화탱크, 펌프, 밸브 등 국산화 기술개발을 추진한다는 계획이다. 이의 일환으로 국토부가 올해부터 상용급 액화수소플랜트 핵심기술 개발에 본격 나섬으로써 액체수소에 대한 관심을 촉발했다.

지금 이 시점에서 왜 ‘액체수소’가 거론되는냐 하는 부정인 시각도 존재하지만 대량의 수소 수요에 대비하기 위한 액체수소 기술개발의 시급성이 제기된다.

전 세계적으로 액화수소플랜트 기술을 확보하고 있는 국가는 미국, 독일, 프랑스, 일본 등 4개 정도다. 향후 세계 액화수소플랜트 시장에서 경쟁력을 확보하기 위한 국산화 기술개발이 필요한 이유다.



액체수소가 갖는 경쟁력
현재 국내에서는 석유화학 공정 등의 부산물인 ‘부생수소’가 가장 많이 활용되고 있다. 천연가스 등 화석연료 개질, 석탄 가스화, 재생에너지 전력을 이용한 수전해 등을 통해 수소를 생산할 수 있다.

이렇게 생산된 수소는 다양한 방식으로 저장·운송될 수 있다. 고압으로 저장탱크에 저장하는 방식인 기체수소 형태 외에도 고체저장, LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier) 및 암모니아 저장 등 물질변환(액상) 저장, 액체수소 저장 등이 있다. 현재 기술로서 상용화 되어 있는 방식은 고압기체수소 및 액체수소 저장·운송 방식이다.

각각의 방법에는 장·단점이 있지만 현재 국내에서는 기술을 이미 확보하고 있는 기체수소 저장운송 방법이 사용되고 있으며, 사실상 국내 수소경제 초기에 큰 역할을 담당하고 있다. 하지만 기체수소는 저장량의 한계, 압력용기의 경제성 등으로 대용량 저장에 한계가 있다.

고체저장은 ‘금속 수소화물(Metal hydrides)’ 또는 ‘탄소나노 구조(Carbon nano-structure)’에 저장하는 방식으로, 수소 저장 방식 중 가장 안전한 것으로 평가되지만 저장량의 한계가 있다는 단점이 있다.

물질변환 저장 중 LOHC와 암모니아(NH3) 저장은 액체수소에 비해 높은 온도에서 저장·운송이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 LOHC는 저장·운송 시 단위 무게당 수소의 함량이 낮아 운송효율이 떨어지고, 수소화합물화(Hydrogenation) 및 수소추출(Dehydrogenation) 공정을 거쳐야 하는 단점이 있다.

암모니아는 독성에 따른 위험성과 암모니아를 수소로 다시 전환하지 않고 연료로 바로 사용해야 한다는 단점이 있고, 연료전지 발전 및 수소전기차 등 대부분의 수소 수요처에 직접적인 사용이 곤란한 방식이다.


액체수소는 기체수소의 부피를 약 1/800로 감소시킬 수 있어 동일 압력에서 기체수소 대비 800배의 체적에너지 밀도를 가지고 있다. 대기압에서 저장이 가능함에 따라 저장용기의 안전성 부분에서 장점을 가지고 있으며, 낮은 온도로 기존 고압 기체수소에 비해 폭발 위험성이 낮다.

또한 단위 부피 및 무게당 에너지 저장밀도가 가장 높고, 활용을 위해 다른 공정이 필요 없이 단순 기화만으로 즉시 활용이 가능하다는 장점이 있다. 액화수소의 생산을 위해 기체수소의 액화 공정이 필요한데 대규모의 시설투자가 필요하고, 단순 압축 저장 방식에 비해 많은 에너지가 필요함으로써 경제성 문제가 수반되는 게 단점이다.

기체수소와 액체수소만 놓고 비교했을 때는 안전성 및 경제성 측면에서 액체수소가 기체수소보다 유리하다는 게 전문가들의 분석이다.

수소경제 로드맵 수립 작업에 참여한 한 전문가는 “기체수소는 200bar 이상의 고압으로 저장하지만 액체수소는 대기압으로 저장하기 때문에 기체수소보다는 안전성 측면에서 유리하다”라며 “또 액체수소가 추가비용(1,680원/kg)이 발생하지만 기체 대비 부피가 1/800, 운송비용이 1/10에 지나지 않아 전체적으로 경제성 측면에서도 기체수소보다 우위에 있는 것으로 분석된다”고 밝혔다.

최병일 한국기계연구원 박사에 따르면 미국 에너지부(DOE)에서 제공하는 수소스테이션 경제성 해석 모델인 ‘HDSAM(Hydrogen Delivery Scenario Analysis Model, 2017년)’을 이용해 수소의 생산·저장·이송, 수소충전소 판매까지 전 주기 경제성을 평가한 결과 충전용량이 클수록 액체수소 기반 수소충전소의 경제성이 높은 것으로 나타났다.

충전소 용량 500kg/day까지는 튜브트레일러 방식 수소충전소가 액체수소 기반 수소충전소 대비 경제성이 높지만 충전소 용량이 그 이상일 경우 액체수소 기반 수소충전소가 경제성이 높은 것으로 분석됐다.


수소저장·운송 로드맵 
정부는 수소경제 로드맵에서 초기에는 대규모 기체수소 저장·운송 방법을 활용하고, 기술개발 지원을 통해 2030년 이후부터는 액화수소, 액상 및 고체 수소 저장운송 방법으로 다양화 한다는 계획이다.

일단 기체수소는 500bar 이상의 고압저장용기(튜브트레일러) 기술을 이미 확보하고 있는 상황이므로 압력기준 등 관련 규제 완화를 통해 효율성을 제고하는 한편 액화수소는 대량의 수소저장·공급에 필요한 핵심기술 국산화를 추진한다.

또한 수소경제 로드맵에서는 액상과 고체 저장 방법도 안전하고 안정적인 수소 수급에 필요하다고 보고, 액상의 경우 현재 추진 중인 일부 원천기술개발을 확대하고 지속적으로 기술개발을 지원하기로 했다. 고체 저장은 세계적으로 아직 초기 단계이므로 장기적으로 기술확보 지원을 확대키로 했다. 오는 2030년까지 액상 및 고체 저장기술 상용급(27kg-H2/h) 실증·상용화가 추진된다.

수소운송방식 효율화도 추진한다. 오는 2022년까지 고압기체수소 저장·운송 용량 향상 및 트레일러 경량화를 통해 운송비용을 절감하고, 수소공급 가능지역을 확대하는 한편 오는 2030년까지 액상·액화 운반(탱크로리)을 통해 운송 효율성을 제고한다는 계획이다.

이와 함께 주요 수요처 중심 수소 파이프라인을 전국으로 확대한다. 국내에 설치된 수소 파이프라인은 약 200km 정도로, 공급압력을 현재 약 20bar에서 미국 에너지부의 목표인 100bar 이상으로 향상시키고 수명 증가를 위한 소재 개발 등을 추진하는 한편 주요 수요처에 파이프라인을 우선 설치하고, 중장기적으로 LNG 생산기지, 수소 인수기지 등 대규모 공급과 연계하는 주배관을 구축한다는 계획이다.

정부의 이러한 수소저장·운송 로드맵을 봤을 때 액상 및 고체 저장은 세계적으로도 아직은 초기 단계인 만큼 향후 수소의 수요 증대 시 대량의 수소를 저장·운반할 수 있는 액체수소를 우선적으로 바라보고 있는 것으로 풀이된다.



액체수소 기반 인프라 필요성
우선적으로 도심지 설치 부지 및 운송 문제에 따른 액체수소 인프라 구축의 필요성이 제기된다. 저장용량 측면에서 액체수소는 고압기체수소(200bar) 대비 약 4배의 저장밀도를 가지며, 수송효율 및 실제 설치부지 관점에서는 10배 이상의 차이를 보이기 때문이다.

도심지 내 부지 가격 및 저장 안전성 측면을 동시에 고려할 경우 액체수소 기반의 인프라 구축이 필수적이라는 견해다.

백영순 수원대학교 교수(한국수소및신에너지학회 부회장)는 “액체수소는 수소 수요가 많은 도심지의 수소저장·운송의 편의성과 다량의 수소운송 측면에서 최적의 방법이며, 적은 부지면적으로도 충전소 설치가 가능하고 운영비도 낮다”고 설명했다.

현재 해외 수소충전소 액체수소 공급 비율은 미국 87%, 일본 63%, 유럽 12% 수준이다. 액화수소사업에 적극적인 독일 린데는 향후 액체수소 공급 비율이 증가할 것으로 예상하고, 이 분야에 대한 투자를 강화할 방침이다.

국내에는 천연가스 인프라가 전국에 구축돼 있어 수급의 관점에서 LNG 인수기지와 같은 대용량 액체 저장방식이 수소 인프라에도 필수적이라는 견해도 나오고 있다.



선박연료로서의 액체수소 필요성도 제기된다. IMO(국제해사기구)는 모든 신조 선박의 CO2 배출 감축을 의무화(2013년 기준 대비 2020년 이후 20%, 2025년 이후 40% 감축)하고 있다. 향후 CO2 배출 저감 목표 달성을 위한 선박 추진시스템의 연료로 수소를 적용할 가능성이 높아짐에 따라 선박과 같은 대용량 연료를 필요로 하는 추진시스템의 경우 액체수소를 기반으로 한 연료저장시스템이 필요해질 것이라는 얘기다.

국가 전략적으로도 액체수소가 대두된다. 액체수소의 경우 우수한 체적에너지 밀도를 가지기 때문에 우주 발사체, 잠수함 등의 연료로 활용되어 미국의 경우 수출 금지 품목으로 분류되어 관리되고 있다.

또한 향후 드론(무인비행체), 항공기 연료로의 사용 가능성이 높아 관련 산업의 발전을 위해서도 필수적으로 액체수소 생산 기술을 확보해야 한다는 지적이다.

최병일 한국기계연구원 박사는 “수소경제 사회의 초기 단계에서는 현재의 기체수소 기반 수소충전소를 활용하는 모델이 사용되겠지만 수소 활용이 늘어나는 성장기 이후 액체수소 기반으로 빠르게 변화할 것으로 예상된다”고 밝혔다.

국내에서의 향후 액체수소 활용기반 구축 모델로 △고속도로 및 주요 국도 휴게소에 액체수소 기반 수소전기차 충전소 건설(소용량 액체수소 저장, 1000kg) △5대 권역 내륙물류기지 및 물류단지(액체수소 운송에 의한 대용량 액체수소 저장, 물류트럭 및 지게차 활용) △철도 물류단지에 대용량 액체수소 저장(수소열차, 수소트럭 활용) △전국 고속버스, 시외버스 터미널 액체수소 스테이션 건설(수소도시 포함) △택시차고지 및 시내버스 차고지 액체수소 스테이션 건설(수소도시 포함) △국내 조선산업의 신성장 동력(수소추진선박 건조)의 인프라로 활용(액체수소 벙커링) △대용량 액체수소 생산(물류항만 인접 LNG 인수기지)과 액체수소 수입(물류 항만 주변, 대용량 액체수소 저장탱크)을 통한 전국적인 액체수소 이송 등이 제안되고 있다.



하지만 기체수소의 액화 시 많은 에너지를 필요로 하는 단점을 극복해야 경쟁력을 인정받을 수 있을 것으로 보인다. 이와 관련해 액화 과정에서 냉열을 무상으로 공급받을 수 있다면 700bar 압축 공정과 비슷한 수준의 효율을 기대할 수 있고, 이러한 수소액화플랜트는 그 규모가 커질수록 경제성이 증가한다는 게 수소액화 전문가들의 분석이다. 국내에서 LNG 냉열을 이용한 액화수소플랜트가 부상한 이유다.

최병일 한국기계연구원 박사는 “주로 LNG를 수입하는 일본과 우리나라의 경우 LNG의 기화과정에서 발생하는 냉열을 수소액화공정에 활용하는 것이 가능하다”라며 “특히 LNG의 기화를 통해 SMR에 메탄을 공급해 기체수소를 생산하고 이때 발생하는 냉열을 수소액화공정에 활용하는 경제성 있는 수소공급 모델을 활용할 수 있다”고 말했다.

백영순 수원대 교수는 “하루 12톤 액체수소 생산규모 기준으로 액체수소가 고압수소가스보다 비용이 크지만 LNG 냉열을 활용한 수소액화공정은 기존 액화에너지의 30~40%를 절감함으로써 액체수소가 기체수소보다 약 10%의 비용이 적게 든다”라며 “국내에서는 인천·평택·삼척 LNG기지에서 나오는 LNG 냉열을 이용해 액화수소를 생산·이송하면 경제성이 나올 것”이라고 강조했다.

상용급 액화수소 플랜트 핵심기술 국산화 추진
올해부터 국책 연구과제로 LNG 냉열을 활용해 대량의 수소를 저장·공급할 수 있는 상용급(5ton/day) 액화수소 플랜트 핵심기술 국산화 개발이 추진된다. 이번 사업은 오는 2023년까지 5년간 진행되며, 총 사업비 485억 원이 투입된다.



천연가스는 메탄을 주성분으로 한 가연성 가스로, 이를 대량수송 또는 대량저장이 가능토록 액화한 천연가스를 ‘LNG’라고 한다. LNG를 소비처에 보내기 위해 기화하는 과정에서 발생하는 ‘냉열’은 미활용되고 버려지는데 이를 액화 공정에서 활용하자는 것이다.

이번 과제는 수소액화 플랜트 공정기술 및 핵심설비, 액체수소 저장탱크 기술개발을 통해 수소의 대용량 생산·저장·운송·활용 기반을 마련하는 데 목적이 있다.

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. 일본의 이와타니산업 등에서도 수소액화플랜트를 운영하고 있지만 언급된 4개 회사의 원천기술에 의존하고 있는 실정이다.

향후 막대한 건설 수요가 예상되는 수소액화플랜트 기술의 국산화가 시급하다는 게 정부의 생각이다.

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

현재 하이리움산업은 강원테크노파크에 올 상반기 중 설치를 목표로, 하루 15kg의 액화수소를 생산할 수 있는 장비를 제작 중이다.

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.

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.

액화수소, 기대감과 함께 우려도 공존
이처럼 수소경제 로드맵에 액화수소가 반영되고 실제 국책 과제로 상용급 액화수소플랜트 기술개발이 본격화함에 따라 관련 기업이 액화수소에 대한 기대감을 표시하고 있다.

박순찬 현대자동차 이사는 “현재 유럽에서는 승용 수소전기차 ‘넥쏘’뿐만 아니라 수소전기버스, 수소전기트럭 등 상용 부문의 수소전기차 수요가 증가함에 따라 현대차도 상용 수소전기차를 개발하고 있고, 2020년 이후 고속버스, 중형트럭 등 차종별 라인업을 확대할 계획”이라며 “상용 수소전기차는 대량의 수소를 사용하기 때문에 대량의 수소저장·공급이 가능한 액화수소의 필요성이 커질 것”이라고 밝혔다.



박찬일 SK가스 에코에너지산업지원실장은 “생산지에서 수요지역까지 고압기체수소 운반 시 효율성 문제는 인프라 확대의 큰 걸림돌이다. 온사이트(On-site) 개질 및 연료전지 발전을 통해 LPG·수소·전기 등 모든 친환경차량을 충전하고, 다양한 수익을 창출할 수 있는 에코 스테이션(Eco Station) 모델을 계획하고 있다”라며 “기존 사업에 최적화되어 여유부지가 부족한 LPG충전소 여건 고려 시 고압기체수소에서 액화수소로의 전환은 긍정적이고, 규제완화를 통해 LPG충전소를 LPG 및 액화수소 복합 충전소로 전환하는 방안을 제안한다”고 말했다.

해외에서도 조언을 아끼지 않고 있다.

세계적 산업용가스 기업인 독일 린데의 Martin Knoche 박사는 “기체수소는 하루 200kg 이하의 소용량 수요처에서 보다 경제적이고, 액체수소는 대용량 수요처 및 장거리 수소운송 시에 적합하다”면서 “특히 액화수소플랜트 건설은 장기적인 사업이므로 향후 대량의 수소공급을 위해 미리 액체수소 인프라 계획을 수립해 추진해야 안정적으로 대비할 수 있을 것”이라고 조언했다.

하지만 액화수소에 대한 우려감도 공존하고 있는 게 사실이다.

엄석기 한양대학교 기계공학과 교수는 “액화를 하려면 부수적으로 에너지가 필요한데 신재생에너지로 충분히 공급할 수 있으면 좋겠지만 현재로서는 액화를 위해서는 화석연료를 사용해야 한다”라며 “이러한 액화 과정에서 부수적으로 발생하는 이산화탄소 문제는 어떻게 할 것인가를 고민해야 하고, 또 장기적으로는 액화수소를 해외에서 들여올 경우 냉각 에너지를 어떤 식으로 효율적으로 사용할지도 생각해봐야 한다”고 말했다.

한편 국내에서는 강원도와 평택시가 액화수소에 대해 많은 관심을 보이고 있다. LNG 인수기지(삼척, 평택)가 있는 지자체들이다.

최문순 강원도지사는 지난달 22일 국내 최초 액화수소 전문기업 하이리움산업 오산공장을 방문해 “수소 생산·저장·활용이 한곳에서 이뤄지는 국내 최초의 수소시티를 삼척에 구축할 계획이다”라며 “그곳에서 하이리움산업이 큰 역할을 해주길 희망한다”고 밝혔다.

김상호 강원TP 신소재사업단장도 “수전해 장치를 활용한 수소생산을 기획 중이며, 생산된 수소를 액화해 활용하는 방안에 대해서도 검토 중”이라고 전했다.

김서영 하이리움산업 대표는 “액화수소는 고압기체수소 대비 안전성과 저장 및 운송의 효율성이 높다는 장점이 있어 재생에너지를 이용한 수전해 장치와 결합해 사용하면 수소충전소 설치 원가를 혁신적으로 줄여 향후 수소충전소 보급 확대에 큰 도움이 될 것”이라며 “일각에서는 액화수소가 시기상조라는 의견도 있으나, 이미 미국과 일본은 액화수소 플랜트를 설치하는 등 적극적인 자세로 수소사회를 준비하고 있다”고 덧붙였다.



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