수소 저장 방법 - 액체 수소 저장방법

지난번 글을 통해 현재 수소를 저장, 수송하는데 있어 많이 사용되고 있는 고압으로 수소를 압축시켜 저장하는 기술인 수소 고압 기체 저장방법에 대해서 알아봤습니다.

2021.09.03 - [국내주식] - 수소에너지 저장 방법 - 고압 기체 저장방법

수소에너지 저장 방법 - 고압 기체 저장방법

수소를 저장하는 기술은 고압 기체 저장(High Pressure Gas Cyliners), 액화 저장(Liquid Hydrogen), 고체 저장(Solid Metal Hydride), 화학 저장(Chemical)등의 방법이 있습니다. 오늘은 첫 번째 순서로 수소를..

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이번 글에서는 현재 개발 및 소규모 실증 중인 액화수소 저장방법에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

수소의 액화

수소 액화 저장방법에 대해 소개하기 전에 먼저 수소의 특징에 대해서 간략하게 적어보고자 합니다.

수소는 상온에서 기체로 존재하는 원소로써, 섭씨 -253도라는 극저온에서 액화됩니다. 다시 말하면, 상온에서는 100% 기체 상태로만 존재한다는 것입니다. 참고로 현재 난방과 연료로써 많이 사용되고 있는 LNG의 액화 온도가 섭씨 -162도이며, 일부 산업단지에서 산소와, 질소, 아르곤 가스등을 생산하기 위해 필요한 공기 분리장치의 경우에 소규모로 액화장치를 보유하고 있는데, 특히 질소를 액화하기 위한 온도는 섭씨 -196도 이하입니다.

그만큼 수소는 액화시키는 방법도, 액화된 수소를 저장하는 방법도 어렵다고 볼 수 있겠습니다.

수소의 액화가 필요한 이유

이렇듯, 수소를 액화시키기 위해서 매우 까다로운 극저온 기술을 개발하여야 함에도 수소를 액화 상태로 만들어 저장해야 하는 가장 큰 이유는 수소의 대용량 수송 및 저장을 통한 수소공급 가격의 안정화 때문입니다.

수소를 운송하는데 있어, 가장 많이 집중되고 있는 부분은 내륙운송과 해외 운송 2가지로 나누어 볼 수 있는데요.

먼저 내륙운송의 경우, 현재 수소가 많이 생산되는 방식인 부생수소의 경우, 그 단가가 kg당 약 2,000~3,000원입니다. 그러나 수소를 기체 수소저장 방식인 튜브트레일러를 통해 상대적으로 수요가 많은 수도권 지역으로 수송하게 되면 원가는 kg당 7,000원 수준으로 상승하게 됩니다.

이렇게 운송비가 수소공급 가격에서 높은 비율을 차지하는 이유는 바로 현재 가장 널리 이용되고 있는 고압 수소 기체 운송방식이 가진 한계 때문입니다. 현재 기체 수소 운송방식으로 많이 사용되고 있는 튜브트레일러의 경우, 200 Bar 수준의 Type 1을 기준으로 약 300kg의 수소를 저장할 수 있습니다. 그러나 액체 수소의 경우, 같은 체적을 가진 탱크를 기준으로 약 1,000kg의 수소를 저장할 수 있기 때문에 액체 수소 저장 방식은 기체 수소 저장 방식 대비 3배 이상의 저장효율을 가진 것으로 볼 수 있습니다.

해외 운송의 경우를 살펴보면, 현재 우리나라의 수소 생산량은 연간 약 190여만 톤인 반면, 2020년 기준 국내 수소 수요량은 440만 톤에 달합니다. 국내에서 이토록 수소에 대한 수요가 많은 이유는 반도체용으로 쓰이는 가스를 비롯하여 정유회사에서 석유정제시, 탈황공정에도 수소에 대한 수요가 상당하기 때문입니다. 즉, 우리나라는 순 수소 수입국입니다.

이를 반증하듯, 지난 2021년 8월 대통령 직속 2050 탄소중립위원회에서 밝힌 2050 탄소중립 시나리오 초안을 보면,

우리나라가 탄소중립을 위해서 필요한 수소 양은 연간 2천800만 톤인데, 이 중에서 국내에서 자체 생산하여 확보하도록 되어 있는 수소의 양은 약 19% 정도인 400만 톤 정도입니다. 다시 말하면 연간 2천4백만 톤은 해외에서 수입해야 하는 것입니다.

이처럼 해외에서 대량으로 수소를 수입하려면, 배 한 척에 최대한 수소를 저장할 수 있도록 해야 경제성 있는 수소 단가를 가질 수 있게끔 해야 되는데, 결국 이 문제에 대한 해결은 LNG 수송선박과 동일한 방식인 '액화 저장'을 통한 수송방법이 유일한 대안으로 떠오르고 있습니다. (암모니아 등과 같은 액체 변환 저장방법은 여기서는 제외하였습니다.)

결론적으로 내륙운송 or 해외 운송이든 수소를 경제성 있게 대량으로 운송할 수 있는 방법은 액화수소저장방법이며, 대용량의 수소를 이송, 저장하는 것이 핵심이기 때문에 액화수소의 수송 범위는 아래 그림과 같이 3단계로 나누어 볼 수 있습니다.

액화 수소의 핵심 기술

아래 사진을 통해서 어렴풋이 알 수 있지만, 수소액화 기술은 말 그대로 추출된 수소 기체를 액화시켜 액체상태로 저장하는 기술이기 때문에 이 기술의 핵심은 아래와 같이 정리할 수 있겠습니다.

1. 수소생산 사이트로부터 생산된 기체 수소를 액화시키는 고효율 수소액화 공정기술

수소를 액화하기 위해서는 고압 기체 저장 방식에 비해 많은 에너지를 필요로 합니다. 따라서 수소를 극저온으로 액화시킬 때 얼마나 에너지를 적게 소모하느냐는 수소의 경제성과도 관련이 있기 때문에 중요한 기술이라 할 수 있겠습니다.

수소액화 공정기술은 크게 수소의 온도를 액화시킬 수 있는 섭씨 -253도까지 냉각하는 기술과 ortho수소를 para수소로 변환하는 기술, 그리고 수소를 정제하는 기술 3가지로 구분할 수 있습니다.

여기서 극저온에 필요한 에너지, 즉 냉열을 최소한의 비용으로 얻는 방법이 가장 중요한 내용으로. 현재 시점에서 가장 실효성이 있는 고효율 수소액화 공정기술은 LNG의 기화 과정에서 발생하는 냉열을 수소액화공정에 활용하는 방법이 있습니다.

2. 수소액화 플랜트 핵심 설비 제작 기술

수소를 액화시키는 플랜트 설비 중, 가장 핵심이 되는 설비 제작 기술입니다. 현재 수소액화설비 기자재 중 가장 핵심이 되는 부품은 극저온 Turbo expander, 극저온 열교환기, 수소액화용 cold box, 그리고 극저온 밸브 등이 있습니다. 현재 우리나라의 경우, 이중 일부는 pilot개념으로 작은 규모로 제작된 경험이 있어, 소규모 실증단계이거나, LNG 액화 플랜트에 필요한 부품을 만든 경험이 있으나, LNG의 액화 온도는 수소 액화 온도보다 높기 때문에 아직 우리나라에는 관련 제작기술이 없어 수입에 의존하고 있는 것으로 알려져 있습니다.