[투데이에너지 박찬균 기자] 2023 국제환경에너지산업전을 맞아 한국가스학회는 8월31일 부산 벡스코 217호 세미나실에서 ‘새로운 액화수소 시대의 준비’를 주제로 기술세미나를 개최했다. 수소산업은 국가 탄소중립의 핵심축이자 다양한 혁신기술이 접목된 미래 신사업이다.
특히 액체수소는 기체수소대비 저장과 운송측면에서 12배 뛰어나 미래 수소경제의 게임체인저로써 주목을 받고 있다. 미래 에너지원으로서 중요하게 부각하고 있는 수소산업에 대한 상황을 점검해보는 기회가 됐다. / 편집자주
4개의 테마로 진행된 세미나에서는 홍성호 (주)크리오스 부사장이 ‘액화수소 이용의 전 주기 분야별 기술개발 추진 현황’에 대해 발표했으며 김정현 부산대학교 수소선박기술센터 교수는 ‘액화수소를 활용한 수소선박 기술 동향’에 대해 소개하는 자리를 마련했다.
서정수 한국가스기술공사 신에너지연구원장은 ‘액화수소 충전소 구축 연계 안정성 평가/실증 및 안전기준 개발’에 대해 설명했으며 김필종 한국가스안전공사 수소안전정책처 수소제품인프라부장은 ‘국내 액화수소 검사인프라 구축 현황’에 대해 발표했다.
정희용 한국가스학회장은 발표에 앞서 인사말을 통해 “미국, 독일, 프랑스, 일본 등에서 40여개의 액화플랜트를 구축, 250개 이상의 액화수소충전소가 운영되고 있는 등 액화수소를 중심으로 수소생태계가 확장 중에 있으며 선박용까지 확대되면 시장활성화에 속도를 낼 수 있을 것”이라며 “우리나라도 제1차 수소경제 이행 기본계획을 통해 올해까지 인천 3만톤, 울산 1만3,000톤, 창원 1만 6,000톤을 생산하고 2026년까지 7만톤을 더 생산할 계획으로 올해는 액화수소 원년이라 할 수 있다”라며 “액화플랜트 액화수소 펌프/저장탱크 등 액화수소기술은 난이도가 아주 높아 안타깝게도 국내에서 구축 중인 액화수소플랜트는 린데(독일), 에어리퀴드(프랑스)등 다국적 해외기업의 기술에 의존하고 있어 액화기술의 국산화 개발이 시급하다”고 말했다.
정희용 회장은 또 “이 분야의 산학연 전문가와 함께 세미나를 개최하게 됨을 매우 뜻 깊게 생각하며 앞으로 우리 한국가스학회는 축적된 연구역량과 네트워크를 바탕으로 수소생태계 조성과 인력 양성, 특히 액체수소 기술개발을 위한 다각적인 연구에 매진할 계획”이라고 덧붙였다.
■액화수소 이용의 전 주기 분야별 기술개발 추진 현황
인류의 역사 200만년을 30분으로 축소해 생각해보면 최초 29분 51초 동안은 수렵·채집 생활을 하면서 1/100 정도의 에너지를 사용했다면 그 후 8초 동안은 정착된 농경생활을 하면서 1/50 정도의 에너지를 사용했다. 현대 산업사회가 시작된 것은 마지막 1초 이내인데 산업혁명 시대의 한 사람이 매일 사용하는 에너지는 현재 한 사람이 쓰는 1/3 정도였다.
고체로부터 시작된 연료는 액체연료시대를 맞아 대중화의 시대를 열었지만 3차에 걸친 오일쇼크를 겪으면서 기체연료로 대체되기 시작했다. 그러나 가스로 대변되는 기체연료도 매장량이 200년 정도 남은 것으로 전망되는 가운데 수소가 기체연료 대표 자리를 넘겨받을 것으로 보인다.
2006년 IEA(국제에너지기구-International Energy Agency) 보고서에 따르면 수소 생산은 어떤 방법이건 일단 기체형태로 생산된다. 수소는 천연가스의 수소, 물과 전기의 수소, 석탄에서 수소 생성, 바이오매스에서 나오는 수소, 대체 수소로 구분된다.
이렇듯 수소는 다양한 소스에서 생산 가능하며 공급, 취급과 수요기술의 다양한 조합을 통해 다양한 분야에서 사용이 가능하다.
2019년 일본에서 개최된 G20 정상회담에서 IEA가 보고한 자료에 따르면 2018년 전 세계 수소충전소가 381개에 머물던 상황에서 2030년까지 250만대의 차량과 3,500개의 충전소가 확충될 것으로예상되는 가운데 연료전지 비용은 약 75% 감소하고 주유소 자본비용은 절반으로 줄어들 것으로 보인다.
2050년까지의 글로벌 수소 수요 전망치를 보면 총 수소 수요량은 약 13억톤에 이를 것으로 보이며 수소가 전 세계 전체 에너지 수요의 24%를 차지할 것으로 전망된다. 그중 운송용이 38%, 산업용이 37%, 발전용이 32%, 빌딩용이 7%를 차지할 것으로 예측된다.
■액화수소를 활용한 수소선박 기술 동향
정부는 지난해 11월 75개의 국정과제를 선정하면서 ‘초격차 전략기술 육성’으로 과학기술 G5로 도약한다는 비전을 제시한바 있다. 그 가운데 하나로 지난 3월 탄소중립 녹색성장 기본계획 미래전략을 세우고 2050년까지 탄소중립을 목표로 해 탄소중립 사회로 이행하고 환경과 경제의 조화로운 발전을 도모한다는 계획을 밝혔다.
그 중 해양 분야도 친환경 규제와 정책을 실현하기 위해 2050년까지 순배출량 ‘0’(Net-Zero)을 달성하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 목표를 달성하는데 반드시 필요한 것이 선박 연료의 전환인데 수소선박의 중요성이 부각되면서 기술개발에 박차를 가하고 있다.
수소 선박은 ‘Energy Value Chain’에서 수송단계의 주 수단인 (액화) 수소선박선 그리고 활용 단계의 수소연료전지 추진선박으로 정의된다. 수소연료 추진 선박은 수소를 선박 주기관 구동 연료로 사용, 항해하는 선박으로 연료전지를 통해 추진되는 방식과 수소엔진을 이용한 방식으로 분류된다.
액체수소 운송선의 정의와 구성을 보면 액체수소의 대륙간 이동을 위해 -253℃ 환경에서 안전성이 확보된 화물창을 탑재한 선박으로 수소연료전지시스템은 기화되는 액체수소를 재액화하거나 추진연료로 사용한다. 화물창 구성은 액체수소화물창 시스템 기화가스(BOG)관리시스템, 액체수소 화물 상하역 시스템으로 구성된다.
현재 국내외 수소선박 기술현황을 보면 일본은 2020년 세계 최초 1,250m³급 선박용 액체수소 저장용기 화물선 실증을 마치고 가와사키 중공업이 세계 최초 액화수소 운송선 건조를 완료하고 수소 추진선박보다 수소운반선 기술확보에 주력하고 있다.
우리나라는 지난해 7월부터 2026년 12월까지 250억원을 투입해 선박용 액체수소 화물창 전용 소재 개발과 기자재 운용/검증기술을 개발하고 있다. 이를 통해 액체수소환경 적용 극저온 소재(강재/단열재)를 개발하고 있으며 70m³급 액체수소 화물창 Mok-up 제작 등을 하고 있다.
■액화수소 충전소 구축 연계 안전성 평가/실증및 안전기준 개발
수소는 기존 화석연료 대비 더 높은 질량 에너지 밀도를 가지고 있으나 부피에너지 밀도는 가장 낮아 자연상태 그대로의 수소는 운반과 저장하기 불리한 요인들이 다수 존재하므로 운송저장 이전에 수소의 변환기술을 먼저 고려해야 한다는데서 연구개발의 필요성이 제기됐다.
가스안전공사는 ‘수소충전소 안전모니터링시스템을 구축해 수소운영상황과 이상 신호 등 안전관리체계를 확립했고 한국가스기술공사가 수소통합모니터링센터와 액화수소충전소 시스템과 연동해 운전/유지관리 가이드라인을 제시했다. 이를 바탕으로 실증기반 안전성 평가와 안전기준 개발이라는 미션과 1,000kg/day 이상 액화수소충전소 설계와 구축이라는 비전을 제시하고 있다.
연구개발 향후 계획은 △충전소 구축 준비와 실증 △실시간 모니터링 시스템 구축 △모니터링 연계와 안전기준 개발에 두고 있다. 이를 위해 충전소 구축 준비와 실증에 초점을 맞추며 부지 내 차고지 조성을 고려해 충전소 배치와 건축설계를 완료하고 충전소용 LH₂ 저장탱크 Coolant Skid 설비 제작과 현장 설치, 기체수소 공급 장치 제작과 현장 설치를 통해 오는 12월 시운전에 들어갈 예정이다.
실시간 충전소 감시/제어를 위한 시스템 구축을 위해 시물레이션 모델 구현과 데이터 구조 분석을 하고 모델 계산 결과 기반 이상 감지 로직 구현, 데이터 활용 AI기법을 통한 추정데이터를 생산해 사고 추정 기술 획득, 현장 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)시스템 구축과 시각화를 실현하는데 두고 있다.
한국가스안전공사 모니터링 시스템 연계를 위해 현장감시 PC에서 데이터 취득 후 KGS 서버로 연계, 비상시 알람으로 안전관리 체계 구축과 사고 원인 분석 활용과 함께 현재 세부적인 모니터링 항목 선정과 사고 예측 알고리즘 개발에 대한 논의가 진행 중이다.
■국내 액화수소 검사인프라 구축 현황
국내 액화수소 도입 현황을 보면 국가 정책일환으로 2019년 수소사회로의 전환을 위한 ‘수소경제 할성화 로드맵’이 제시됐고 2040년까지 연간 526만톤 규모의 공급 목표를 설정, 운송·저장 효율화를 위한 액화수소 기술의 보급이 절대적으로 필요하게 됐다. 또한 한국판 그린뉴딜 계획을 세우고 ‘탄소주입추진 기반구축’을 2050년까지 탄소중립 구가를 목표로 하고 이를 실현하기 위해 2025년까지 4조8,000억원의 국비를 투자하기로 했다.
글로벌 액화수소 산업 동향을 보면 미국, 유럽, 일본을 중심으로 수소 보급 활성화를 위한 정부차원의 대형 프로젝트를 추진하고 있다. 국내 수소산업은 액화수소 플랜트 사업에 착수해 울산에서는 효성그룹+린데그룹이 2030년까지 1만 3,000톤/년 규모, 창원에서는 두산중공업+창원산업진흥원이 2022년까지 5톤/일 규모, 인천에는 SK E&S가 올 연말까지 3만톤/년 규모 충남 보령에는 SK E&S가 LNG냉열활용 수소액화 시설을 5만톤/년 규모로 구축을 마쳤거나 예정에 있다.
수소의 필요성이 커질수록 안전 검사 방안도 필수적으로 필요하다. 우선 액화수소 저장탱크, 압력 용기의 진공단열 성능평가 필요성이 대두되고 있다. 액화수소는 –253℃(20K)의 극저온액체이며 임계온도가 -240℃에 불과해 액체가스상태 유지를 위해서는 고도의 단열기술을 필요로 한다.
국내에서 유통되고 있는 초저온 액화가스는 액화질소(-196℃), 액화산소(-183℃), 액화천연가스(-160℃)이며 액화수소는 액화질소에 비해서 약 액화수소는 5배 이상 차이가 발생하고 있다.
57℃가 더 낮다. 질소, 산소, LNG 등은 임계온도와 비점의 차이가 액호수소에 비해 상대적으로 높아 외부 입열량에 비해 가스의 액체상태의 유지가 수월하다.
기존의 고압가스안전관리법의 압력용기 상세기준(KGS AC 111)에서는 액화질소, 액화산소, 액화알곤, LNG 저장탱크에 해당돼 단열성능검사를 적용하지 않고 있다. 때문에 해외기준과 국내 액화수소 추가안전기준의 필요성이 제기되고 있다. 국내 초저온 가스의 정의는 -50℃로 돼 있으며 액화수소는 5배 이상 차이가 발생하고 있다.