[월간수소경제 성재경 기자] 현대차 넥쏘나 도요타의 미라이에는 타입4 저장탱크가 들어간다. 플라스틱 라이너에 탄소복합소재와 유리섬유를 감아 제작한다. 일진하이솔루스의 경우 라이너를 둘러싼 탄소섬유의 두께가 2cm가 넘을 때까지 3시간여 동안 탄소섬유를 총 1만 번이나 감는다. 

현대차나 도요타가 타입4 용기를 쓰면서 ‘수소차에는 타입4 탱크’라는 인식이 시장에 강하게 자리를 잡았다. 그런데 최근 여기에 반하는 목소리가 조금씩 들린다. 타입3 저장탱크 제조사 등을 중심으로 “충전속도나 내구성 면에서 타입3가 타입4보다 낫다”는 주장이 제기된 것이다.  

먼저 서울버스 조준서 대표의 말을 들어보자. 

“(시내를 운행하는) 수소버스의 경우 충전시간이 가장 중요합니다. CNG버스처럼 10분 이내로 충전을 마쳐야 효율적인 운행이 가능하죠. 충전시간 면에서는 350bar를 적용한 타입3 용기가 가장 효율적이라고 생각해요. 실제로 유럽이나 중국에서는 350bar 타입3 수소용기를 많이 쓰고 있죠.”

조 대표는 버스운송사업자로 수소전기버스의 제반 기술에 관심이 많다. 울산테크노파크가 주관하는 ‘수소전기 하이브리드 버스 개발사업’에 자회사인 엔지브아이(NGVI)가 참여하고 있기도 하다. NGVI는 국내 최초로 CNG차량용 연료저장·공급 시스템을 개발한 곳이다.   

“타입3 용기는 라이너로 알루미늄을 써요. 금속 재질이라 타입4에 들어가는 플라스틱 라이너에 비해 열전도율이 높아서 같은 용적 대비 좀 더 많은 양의 수소기체를 충전할 수 있죠. 이 말은 곧 더 빠른 충전이 가능하다는 뜻입니다. 이는 CNG 용기 충전 때 이미 입증이 된 사실이죠.”

해당 비교는 350bar 충전으로 한정했을 때 얘기다. 금속은 수소 취성이라는 큰 약점이 있다. 수소는 다른 기체에 비해 입자가 작아 금속에 침투해 문제를 일으킨다. 그래서 이를 막기 위해 알루미늄 라이너에 피막처리를 하게 된다.

“타입3로 350bar 충전에는 큰 무리가 없어요. 실제로 하루에 250km 정도를 운행하는 시내버스에는 빠른 충전이 가능한 350bar 타입3 탱크가 가장 효율적입니다. 물론 기체가 아닌 액체수소 충전으로 넘어가면 이야기가 또 달라지지만요.”

350bar 충전에 타입3 탱크 경쟁력 높아

러시아의 물리화학과학기술아카데미(IPCP RAS) 산하 수소연료전지 연구센터와 협력하고 있는 하이파워랩 본사를 방문한 적이 있다. 회의실 한쪽에 파열 테스트를 마친 타입3 탱크 샘플이 놓여 있었다. 러시아 NP에너지 연구소에서 실험한 용기였다.

“바깥에 감은 탄소섬유가 잡아주기 때문에 금속 파편이 튈 우려가 없어요. 라이너가 부풀어 오르다 안쪽에서 구멍이 나듯 터지기 때문에 타입4 이상으로 안전하다고 할 수 있죠. 하이파워랩은 기체수소로 구동되는 수소드론에 러시아제 타입3 수소탱크를 쓰고 있는데, 전혀 문제가 없습니다. 국내에서는 이노컴(INOCOM)이란 회사가 타입3 제품으로 KGS 인증을 받은 걸로 알아요. 하지만 정식으로 타입3 수소탱크 인증을 받은 업체는 아직 없다고 들었습니다.”

하이파워랩의 백인열 이사가 주먹만 한 크기의 타입3 탱크를 보여준다. 탄소섬유에 에폭시 수지를 함침할 때 그래핀 소재를 새롭게 추가한 제품이다.

“러시아 연구소에서 개발한 제품이죠. 그래핀을 넣어 인장강도를 올렸어요. 11월 말에 참가하는 서울모빌리티쇼에 선보일 수소 킥보드에 장착될 예정이죠.”

이노컴의 타입3 탱크 같은 경우 영국의 연료전지 회사인 ‘인텔리전트 에너지’와 총판 계약을 맺은 호그린에어의 수소드론에 장착된다. 타입3 수소탱크가 수소모빌리티에 적용되고 있지만, 이 사실이 널리 알려지진 않았다.  

700bar 충전을 요하는 수소차량은 타입4 탱크가 주도권을 꽉 잡고 있다. 타입4 탱크는 반복 충전에 안전하고, 15년 정도로 제품 수명이 길다. 다만 알루미늄 포트와 플라스틱 접합부의 체결 부위에 기체가 새는 리크(Leak)가 생길 수 있고, 일반적으로 몸체에서 극소량의 수소가 빠져나오는 투과 현상이 있다고 알려진다. 

그에 반해 타입3은 금속 라이너가 들어 있어 기밀이 잘 유지되고, 충전시간이 상대적으로 빠르다. 충전 시 금속의 발열 작용을 통해 좀 더 많은 기체를 넣을 수 있다. 하지만 탱크의 무게를 놓고는 어느 쪽이 더 가볍다고 선뜻 판단하기가 어렵다. 이노컴 관계자의 말을 들어보자.

“차량용 타입3 탱크의 경우 실제로 제작을 해봐야 알겠지만, 기본적으로 용기의 크기가 커질수록 탄소섬유를 많이 감아야 해서 그만큼 무게가 늘고 생산비도 오르게 됩니다. 결국 제품별로 양산을 해봐야 안다는 소리죠. 700bar 탱크는 잘 모르겠지만, 350bar로 가면 타입4와 가격 경쟁은 가능할 것 같습니다.” 

중국에서는 타입3 용기가 널리 쓰인다. 중국 최대의 고압탱크 제조사인 선양 CLD의 경우 올해 초 포레시아(Faurecia)에 인수가 되긴 했지만, 랴오닝성에 연간 30만 개의 탱크를 생산할 수 있는 2개의 공장을 보유하고 있다. 

중국은 타입4 탱크의 수소기체 누출 사고로 타입4 탱크의 국내 판매를 금지한 바 있다. 이런 문제로 타입3가 시장의 주도권을 잡았고, 수소버스나 트럭의 충전이 350bar 중심으로 운영되고 있다. 다만 올해 초 CLD가 중국 최초의 타입4 탱크 제조사로 승인을 받았고, 이는 포레시아의 CLD 인수에 긍정적인 영향을 미쳤을 가능성이 높다. 중국 정부는 2030년까지 수소전기차 100만 대 운영을 목표로 하고 있다.

하나 빠뜨린 게 있다. 스위스로 수출되는 현대차의 수소트럭에는 포레시아의 타입3 탱크가 장착된다. 현지에 350bar 수소충전소가 대부분이고, 주행거리가 짧더라도 그만큼 빠른 충전이 가능하기 때문이다.

타입3 탱크 제작 움직임은 국내외를 가리지 않는다. 충남의 금산테크란 업체는 지난 10월 타입3 수소저장용기에 들어가는 라이너를 제작해 미국으로 수출한 바 있다. 첫 수출액은 14만 달러(약 1억6,600만 원)로 컨테이너 두 대 분량이다. 금산테크는 알루미늄 휠 단조기술을 기반으로 지난 2010년에 CNG탱크와 수소저장탱크용 타입3 라이너를 개발했고, 이를 미국과 유럽 등지로 수출해왔다. 

금산테크의 주요 고객사는 ‘럭스퍼 가스실린더(Luxfer Gas Cylinders)’와 ‘워싱턴 인더스트리(Worthington Industries)’로 알려진다. 세계 최대 가스실린더 제작사인 럭스퍼는 지난 7월 영국의 수소 제조업체인 옥토퍼스 에너지(Octopus Energy)와 협약을 맺고 내년 중반부터 연 100만개 이상의 수소저장탱크를 생산해 유럽 전역에 수소 연료를 공급하는 계약을 맺었다.

또 폴란드에 CNG, 수소탱크 생산공장을 보유하고 있는 워싱턴 인더스트리는 유럽에서 수요가 늘고 있는 경상용차나 버스용 수소탱크 수요에 대응하기 위해 오스트리아에 수소탱크 전용 공장을 짓고 있다. 이 공장은 올해 말 완공을 목표로 하고 있다. 

수소 취성 극복, 경량화 달성이 관건

국내 타입3 수소탱크 제작과 관련해서는 경남 함안에 공장을 둔 한밭중공업(HBE F&M)을 주목해야 한다. 자동차, 선박, 우주항공 등에 적용되는 소형 압력용기를 개발해온 중소기업이다. 타입3 탱크 개발에 꼭 필요한 단조프레스, 플로우포밍(Flow Forming), 넥스피닝(Neck Spinning), 필라멘트 와인딩 장비를 두루 갖추고 있다.

“지금까지는 외주 발주로 압력용기를 주로 생산했지만, 내년부터는 본격적으로 자동차, 선박, 드론 등에 적용되는 중소형 크기의 수소용기와 충전소용 대형 압력용기를 개발하겠다는 계획을 세워두고 있죠.”

한밭중공업 이경훈 연구소장의 말이다. 타입3 용기의 상용화 노력은 현재진행형이다. 이경훈 소장의 말을 들어보자. 

타입3 수소용기의 제작과 관련해 어떤 설비를 갖추고 있나? 또 어떤 제품을 개발하고 있는지 궁금하다.

단조프레스 공정, 플로우포밍 공정, 넥스피닝 공정과 열처리 공정 등 타입3에 필요한 설비 일체를 갖추고 있으며, 향후 용기의 저장성 변화에 따른 대형용기의 출현을 예상하고 160L, 260L급 용기 개발을 완료했다. 또 현재는 1,000L 이상의 대형용기를 연구 중에 있다. 

용기의 적정성, 경쟁력을 확보하고자 기존 라이너의 두께를 7mm에서 2mm까지 낮춰 용기 전체의 경량화를 달성했다. 용기의 종류가 다양해지고 있고, 대형화·경량화 추세로 가다 보니 지속적인 연구개발이 필요하다. 그동안 완성업체에 압력용기를 공급했지만, 앞으로 국내는 물론 해외 수출을 목표로 미 교통부의 DOT나 유럽의 CE 인증을 받는 방안을 모색하고 있다. 

타입3 수소탱크의 제작 과정에 대해 알고 싶다.

통상 알루미늄 6061 합금을 유압 단조프레스로 이음매 없이(seamless) 후방 압출해서 가공한 후 플로우포밍, 넥스피닝 과정을 거쳐 라이너 강도를 확보하기 위한 열처리를 하게 된다. 이렇게 만든 알루미늄 라이너에 에폭시 수지를 함침한 탄소섬유를 와인딩기로 감아서 제작한다. 고객의 요구사항에 따라 용적과 크기가 결정되는데, 제품의 중량을 한정하는 경량화 요청이 많은 편이다.

크게 보면 라이너 제조, 탄소섬유 와인딩, 신뢰성 검증의 세 단계를 거치게 된다. 압력용기의 특성상 경량화·대형화 요구에 맞추려면 플로우포밍 공정에 신경을 써야 한다. 알루미늄 라이너 단면을 최대한 얇게 가공하면서 재료의 강도를 확보해야 한다. 그래야 경량화가 가능하다. 

수소탱크 관련해서 이전에 진행했거나, 현재 진행 중인 사업이 있다면 알려 달라.

압력용기 국내 거래처로는 항공우주연구소, NK, 이노컴, 현대로템(철도차량의 에어 압력용기) 등이 있으며, 이들 업체에 시험 제품을 납품하거나 개발에 참여한 바 있다. 용기의 종류를 보면 156L급 900bar용, 256L급 900bar용, 201.6L, 102.5L, 60L 등으로 다양하다. 대형화와 경량화 요구에 맞춰 개발을 완료한 상태로, 타입3 수소탱크 개발에 회사의 역량을 집중하고 있다. 

타입3 수소탱크 인증을 받은 업체는 아직 없는 걸로 안다. 국내 현실은 어떤가?

국내 시장을 보면 타입3 압력용기 제품의 제조와 인증이 별개로 진행되고 있음을 알 수 있다. 용기 제조사에 알루미늄 라이너를 공급하고 있는 중소기업의 경우 용기의 안정성과 관련한 배상 책임의 규모가 담보되지 않아 품질 인증을 획득하는 데 현실적으로 한계가 있다. 

현대차 넥쏘나 도요타 미라이에는 타입4 탱크가 들어간다. 여기엔 그만한 이유가 있지 않나?

플라스틱 라이너를 적용하는 타입4 용기는 알루미늄 라이너를 사용하는 타입3에 비해 가볍기 때문에 경량화가 필수인 승용차에 타입4 용기를 채택하는 것이 타당하다고 본다. 다만 글로벌 대표 제조사 2곳에서 타입4를 채택했다고 해서 ‘수소차에는 타입4 탱크가 가장 안전하다’는 인식에는 약간의 이견이 있으며, 타입3가 가스 누출과 안전도 면에서 더 신뢰성이 있다는 점을 조심스럽게나마 언급하고 싶다.

제조 단가, 무게, 내구성, 취성 등에서 타입4와 타입3의 차이가 궁금하다. 장단점에 대해 솔직히 말해달라.

타입4와 타입3는 라이너의 미미한 중량 차이를 제외하면, 둘 다 수소의 저장성과 안전성에 탁월한 장점이 있다는 점을 먼저 말하고 싶다. 알루미늄 라이너의 제조공정이 상대적으로 길어 초기 개발기간 등을 포함한 제조 용이성은 떨어지지만, 공정이 안정화되면 빠른 양산이 가능하다. 또 투입 재료의 안정성 면에서 가격 경쟁의 우위를 확보할 수 있다.

타입4는 가스 누출 등의 기밀성 문제가, 타입3는 알루미늄 라이너의 수소 취성 문제가 거론되고 있지만, 이는 이미 많은 연구를 통해 극복이 되고 있다. 내구성능 평가를 보면 타입3의 경우 최대 파열압력이 20~30%가 높을 뿐 아니라 파단 위치와 파단 압력이 일정한 양상을 보이는 반면, 타입4의 경우 불균일한 양상을 보인다는 보고가 있다. 이는 섬유의 와인딩 패턴 문제가 아니라 플라스틱 라이너 재질의 불균일성에서 오는 것으로 판단된다.

타입4 용기의 경우 극소량의 기체가 투과되는 현상이 있다고 들었다. 타입3 대비 기체누설에 약점이 있다는 뜻인가?

10여 년 이상 장기간 반복해서 고압하중이 걸린 복합재 압력용기의 경우 용기 전체 부위에서 극소량의 가스 누출이 보고되고 있다. 탄소섬유와 수지만으로는 100% 기밀유지가 어렵다고 할 수 있으며, 이를 해결하기 위해 일반적으로 용기 내부에 라이너를 적용하고 있지만, 타입4에 사용되는 플라스틱 라이너도 금속 라이너에 비해 상대적으로 높은 가스투과성을 보인다. 한편 가스의 주입과 배출부에는 알루미늄을 주로 사용하는 금속제 노즐이 조립되는데, 타입4의 플라스틱 라이너와 금속제 노즐의 접합이나 기밀성이 알루미늄 라이너를 적용한 타입3에 비해 크게 떨어진다는 보고가 있다. 이 두 가지 면에서 타입3가 앞선다고 보는 것이다. 

타입4는 제조공정이 타입3에 비해 단순하고 부식의 우려가 없다는 이점이 있다. 그에 반해 타입3는 수소 취성에 따른 부식의 우려가 있다. 이 문제를 어떻게 해결하고 있나?

타입4가 타입3에 비해 제조공정이 단순하다는 의견은 보는 관점에 따라서는 정반대 결론에 이를 수 있다. 금속제 노즐이 삽입된 플라스틱 라이너를 탄소섬유로 감아서 제작하는 타입4는 금속제 노즐과 플라스틱 라이너의 접착력이 매우 낮기 때문에 발생되는 가스 누출과 복합재료 자체 특성에 따른 가스투과를 방지하기 위해 플라스틱 라이너의 재료와 두께 등 설계와 제작 과정이 타입3에 비해 더 복잡하다고 할 수 있다. 이에 따른 가격 경쟁력도 타입3가 우위에 있다. 

취성(脆性)은 금속에 존재하는 극소량의 잔류 수소로 인해 금속이 규격강도 이상의 높은 하중을 받을 때 연화되는 현상을 말한다. 알루미늄의 경우에는 높은 응력 하에서 수소 취성에 의해 응력부식이 진행된다고 보고되고 있으며, 이는 알루미늄 라이너에도 해당된다. 응력부식을 예방하기 위해 알루미늄 라이너에 내산화 피막처리를 해서 산소와의 접촉을 차단하는 한편, 알루미늄 라이너가 규격강도 이상의 높은 응력에 노출되지 않을 정도의 강도 설계로 응력부식 발생 자체를 방지하거나 예방할 수 있다.

국내는 700bar 충전이 대부분이지만, 해외에선 350bar 충전을 많이 한다. 충전시간이나 비용, 충전설비에 걸리는 부하, 안전성 등을 고려하면 350bar 충전도 나쁘지 않아 보인다.

충전시간과 비용 등의 측면에서 제작이 용이한 350bar가 유리한 것은 사실이나, 향후 충전기술의 발전으로 700bar 이상의 충전이 일반화되면 모빌리티 체계의 운용시간 면에서 700bar 용기 적용이 확대되리라 본다. 

현재 자동차에 적용되는 압력용기에서 용기의 압력과 크기는 차량의 경량화, 용기 장착 공간의 확보 유무에 따라 결정된다. 승용차량용 용기는 작은 공간에 많은 연료를 확보하기 위해 700bar로 갈 수밖에 없다. 경량화 요구에서 비교적 자유로운 버스나 트럭의 경우 공간 창출이 유연해 상대적으로 안전한 350bar 타입3 용기를 쓰고는 있지만, 향후 제작공정의 안정화와 충분한 인증시험을 거친 700bar 용기가 보편화될 것이다.

타입3와 타입4를 두고 안전성, 저장성, 경제성, 경량화 측면에서 현재 어느 쪽이 더 낫다고 비교우위를 논하기는 어렵다. 운용이나 여러 가지 다른 환경을 고려해 앞으로 계속 경쟁하리라 예상하며, 해외시장을 보면 유럽은 승용차 시장을 중심으로 타입4를, 미국은 용기의 안정성 측면에 좀 더 엄격한 규정을 적용하면서 타입3을 더 많이 쓰는 것으로 알고 있다.   

수소충전소, 운반용 저장용기, 수소모빌리티 등으로 나눠 타입별 저장탱크 시장을 어떻게 전망하나?

충전소 등에 필요한 중고압 저장용기는 비용 면에서 비교적 저렴하면서 안전한 타입1과 타입2 용기가 지속적으로 사용될 것으로 본다. 차량 운반용 저장용기의 경우에는 구조적으로 안전하다고 판단되는 타입3가 강세를 보일 것 같다. 한편 모빌리티용(차량, 선박 등)의 경우에 경량화가 중요한 승용자동차 시장은 타입4, 저장공간에 여유가 있는 상용차, 선박에는 비교적 저렴한 타입3가 우세를 보이지 않을까 조심스레 예상해본다. 

수소압력용기 분야가 자동차 시장에서 드론, 선박, 수소충전 트레일러, 수소충전소 시장까지 확대되면서 다양한 크기의 용기와 엄격한 안전기준이 요구되고 있고, 이 점에서 안전성이 높다고 판단되는 타입3 시장의 전망을 밝게 보고 있다.

특히 빠르게 추진되고 있는 액화수소 시장도 눈여겨봐야 한다. 액체수소는 기체수소보다 800배 적은 부피와 빠른 충전이 장점인 반면, 극저온 저장용기 개발 등 기술의 난이도가 높아 아직은 상용화 이전에 있지만, 향후 시장이 열릴 경우 기체수소 시장과 치열한 경쟁이 예상된다.