미래 수소 상용화 위한 액체수소 핵심기술 개발 목표 – 최병일/ 국토교통부 상용급 액체수소 플랜트 연구단 단장

– 최병일/ 국토교통부 “상용급 액체수소 플랜트 연구단” 단장, 한국기계연구원 에너지기계연구본부 플랜트융합연구실 책임연구원

이장에서는 수소 상용화 시장을 대비하여 수소액화 기술을 개발하는 상용급 액체수소 플랜트 연구단의 주요 개발내용을 살펴보고자 한다. <편집자주>
상용급 액체수소 플랜트 연구단에 대한 소개를 부탁합니다.
– 연구단은 국토교통과학기술진흥원의 지원 아래, 향후 확대가 예상되는 수소 상용화 시장에 대비하여 수소액화플랜트의 핵심기술을 국산화하고, 액체수소 기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.
수소에너지는 현재 고압 기체수소 활용을 중심으로 구성되어 있지만 향후 안전성과 경제성이 우수한 액체수소를 주축으로 발전해갈 것이라는 전망이 우세합니다. 다만 수소액화에 소요되는 에너지비용이 상대적으로 높기 때문에 이러한 단점을 해결하기 위하여 LNG(액화천연가스)가 기화할 때 발생하는 냉열을 활용한 수소액화공정 설계기술을 확보하고 2023년까지 일일 처리용량 0.5톤의 파일럿급 수소액화 실증 플랜트를 구축하고, 실제 액체수소를 생산하는 것을 핵심 목표로 삼고 있습니다. 또한 향후 본격적인 상용화를 위해 일일 5~50톤급으로 규모를 확대한 공정도 설계할 계획입니다.
이와 함께 액체수소 생산을 위한 핵심 설비인 극저온 팽창기, 극저온 열교환기, 수소액화용 콜드박스, 극저온 밸브 등을 국산화 개발을 수행 할 예정입니다.
수소의 대용량 저장을 위한 대용량 액체수소 저장탱크도 개발합니다. 극저온 단열을 유지하면서도 안전하고, 압력에 잘 견딜 수 있는 탱크 개발을 목표로 하고 있습니다.
한국기계연구원은 극저온 공정, 극저온 플랜트의 핵심 기계기술에 설계 역량, 수소안전 기술을 보유하고 있습니다. 또한 본 사업에서는 연관기술 및 핵심 기자재의 실용화 경험을 보유한 국내 산학연 21개 기관이 참여하고 있습니다. 이러한 국내의 모든 역량을 활용하여 기술개발을 성공적으로 이끌고자 합니다.
연구단의 일정은.
– 현재 상용급액체수소플랜트 핵심기술개발사업 (2019.5 ~ 2023.12) 시작 후 1년 정도가 경과한 시점입니다. 앞의 주요수행 연구분야 및 아래의 기술개발 로드맵에 의거 연구를 진행할 예정입니다.
가장 핵심이 되는 부분은 2021년에 국내 최초로 상용급 수소액화 pilot 플랜트(0.5 ton/day)를 구축하고 시운전 하는 것입니다.

상용급 액체수소 플랜트의 역할 및 과제가 궁금합니다.
– 정부는 지난 1월 ‘수소경제로드맵’을 발표하고, 수소차·연료전지 세계시장 점유율 1위 등 세계 최고수준의 수소경제 선도국가로 도약하고자하는 비전을 선포하였습니다. 이를 위해서는 수소의 대용량 생산, 저장과 공급 인프라의 구축이 필수적입니다.
이에 따라 정부는 대용량 저장과 공급에 가장 강점을 가진 액체수소 핵심기술 개발 계획을 밝혔습니다. 향후 확대가 예상되는 수소 상용화 시장에 대비하여 수소액화플랜트의 핵심기술을 국산화를 통한 저장/운송 효율 제고, 수소운반 선박 및 해외 생산 액체수소 인수기지 건설 등이 핵심입니다. 또한 국토교통부도 도시기반의 수소 활용 및 보급 확대를 위한 ‘수소교통 정책’과 ‘수소도시 정책’을 추진하고 있습니다.
액체수소는 대기압으로 저장할 수 있어 200 bar 이상의 고압으로 저장해야 하는 기체수소보다 안전성 측면에서 우수하여 도심지 활용에도 적합합니다. 또 기체수소를 액화하면 부피가 1/800로 감소하기 때문에 대용량 저장과 운송에도 유리하여, 고압 기체수소 대비 저장 및 운송 효율이 약 10배 정도 증가할 것으로 보고 있습니다.
수소의 대용량 저장 및 운송 인프라의 모습은 우리나라의 도시가스 인프라에서 찾아볼 수 있습니다. 전 국민이 사용하는 도시가스는 전국의 LNG 생산기지에 액체 상태로 저장되어 있으며, 이를 기화하여 파이프라인을 통하여 전국에 공급하고 있습니다. 또한 파이프라인이 설치되지 않은 지역에는 LNG 운반 컨테이너를 통하여 직접 액체상태의 LNG를 공급하고 있습니다. 수소의 대용량 운송을 위한 최적의 방안은 현재의 도시가스 배관망과 같은 수소가스 배관망을 전국에 설치하는 것이나, 이는 비용, 주민 수용성 측면에서 수소경제 사회가 완전히 성숙된 후에 가능한 방법입니다. 수소경제의 성장기 진입을 위해서는 수소를 대용량 저장/운송하기 위한 액체수소 인프라를 구축하여야 합니다.
Mckinsey&Company의 전 세계 국가의 수소 활용 산업(수소차, 연료전지 발전)의 경쟁력 분석결과를 보면 우리나라는 일본과 더불어 최고 수준의 경쟁력을 확보하고 있습니다. 그러나 현 시점에서 수소 운송 및 대규모 저장 관련 산업 여건은 매우 취약하므로 대용량 수소 생산, 저장, 분배가 가능한 액체수소기반 인프라 구축을 통하여 수소 활용 산업의 신성장 동력화를 추진하고, 미래 수소경제 사회에 대비하여야 할 것입니다. 또한 이러한 액체수소 기반 인프라는 향후 국방, 우주개발 등 미래 국가 안보측면에서도 활용될 수 있습니다.
상기한 바와 같이 수소경제 활성화를 위해서는 액체수소 인프라가 필수적인데 핵심이 되는 액체수소의 생산기술 (수소액화기술)은 4대 Major(Air Liquide, Linde, Praxair, Air Products)사만 상용화 기술 확보한 상태이며, 국내에는 현재까지 상용급 액체수소 기술 관련 R&D가 현 연구단 사업을 제외하고 전무한 상황입니다.
R&D 개발을 통하여 2025년 이후 대량 활용이 예상되는 수소액화플랜트, 액체수소 스테이션의 기술/시장 종속을 방지하고, 세계 각국의 수소사회의 전환에 따른 액화수소 연관 시장에 도전하고자 합니다.
고효율 수소액화 실증 플랜트 구축이 추진 중인 것으로 알고 있습니다.
– 실증 플랜트의 규모는 0.5 ton/day 이며 공정은 LNG 냉열활용 He-Brayton Cycle입니다. 실증플랜트는 LNG 및 LN2 인프라를 갖춘 한국기계연구원의 LNG극저온기계기술 시험인증센터(김해)에 설치될 예정입니다. 실증플랜트의 구축 예정 시기는 2021년입니다.

 

이미 해외 일부 국가에서 상용 수소액화플랜트 기술을 확보한 것으로 압니다. 상대적으로 국내에서는 이제 본격화되고 있습니다.
– 액체수소 관련기술은 미국, 프랑스, 독일 등에서 우주개발(우주발사체의 연료)의 목적으로 개발되었습니다. 때문에 관련 기술은 주로 미국, 프랑스, 독일이 가지고 있습니다.
현재 전 세계에서 운영되는 상용급 수소액화 플랜트는 2010년 기준 355 ton/day 수준입니다. 우리나라의 경우 상용급 수소액화 플랜트는 전무합니다.
상용 수소액화플랜트 제조사는 크게 Air Product & Chemicals (미국), Praxair (미국), Linde (독일), Air Liquide (프랑스) 등 4개 회사로 압축할 수 있습니다.

수소 충전소용 기자재의 상당 부분이 외산으로 알고 있습니다.
– 현재 국내에 구축되고 있는 수소충전소는 기체수소 기반의 수소 충전소입니다. 이의 부품 국산화율은 현재 40% 수준으로 핵심 기자재는 외국에서 수입하고 있습니다.
국내에는 수소액화 플랜트, 액체수소기반 수소충전소 등에 대한 건설이 전무한 상태입니다. 이 상태에서 해외기술에 의존하게 된다면 플랜트의 설계 및 핵심 부품의 해외 의존은 거의 100%에 달할 것입니다.
수소액화플랜트, 수소 충전소 등의 플랜트는 플랜트 설계를 바탕으로 핵심 설비들을 조합한 것입니다. 일반적으로 플랜트 구축 시 원가비중을 살펴보면 기자재 비중이 전체 플랜트 구축비의 60% 수준입니다.
비록 국내 플랜트 EPC社들의 시공 능력을 바탕으로 국내외 플랜트를 수주하더라도 핵심 기자재를 국산화 하지 않으면 플랜트 EPC 산업은 국내에 부가가치를 창출하지 못합니다. 따라서 실질적인 부가가치 창출을 위해서 부품 국산화는 필수적입니다.

향후, 연구단의 계획이 궁금합니다.
– 현재 진행하고 있는 상용급 액체수소 플랜트 기술 개발의 성과를 바탕으로 수소 경제 사회가 활성화 될 수 있도록 관련 후속 연구를 지속적으로 추진할 예정입니다. 안전하고 효과적인 액체수소 공급을 위한 액체수소 생산 및 저장 효율 향상 기술, 액체수소 공급/운송 기술, 액체수소 운반 선박 기술, 액체수소 벙커링 기술 등의 연구를 지속적으로 수행할 계획입니다.
더불어, 해상의 국제 환경 규제 강화에 발맞추어 선박 분야에서도 친환경 연료 사용과 관련한 이슈들이 많습니다. 이와 관련하여 LNG 추진 선박 기술, LNG 벙커링 기술, 수소 추진 선박 기술 등과 관련한 연구 분야에도 지속적으로 관심을 가질 예정입니다.
끝으로 개인적인 포부가 있다면.
– 수소경제에 대한 정부의 의지는 확고하나 일부 일반 국민과 전문가의 경우 수소경제 자체에 대한 회의적인 시각이 있습니다. 그러나 미래사회의 거대한 트랜드(지구온난화에 따른 저탄소/탈탄소 사회의 도래)에 따라 비록 도래시기에 대한 다른 의견이 있지만 최소 2040년 이후에는 궁극적인 탈탄소 사회인 수소경제사회가 도래할 것으로 예측합니다.
저는 이러한 수소경제사회의 핵심 인프라가 액체수소가 될 것으로 확신하며, 이를 위한 액체수소 인프라 전반에 거친 R&D를 계속 진행할 것입니다. 먼저 본 연구단을 통하여 액체수소 생산에 관련한 수소액화플랜트 상용화 기술을 확보하고, 생산된 액체수소를 활용하기 위한 핵심기술 (액체수소 기반 수소충전소 등), 그리고 액체수소를 활용한 수소열차, 수소선박, 에어택시 등의 연구를 추진할 예정입니다. 또한 궁극적으로 수소사회가 도래하게 되면 현재의 LNG처럼 세계적으로 수소의 수출입이 활성화 될 것이므로 대용량 수출입을 위한 액체수소 운송선, 액체수소 추진선 핵심 기술 개발도 추진할 예정입니다.
이를 통하여 우리나라뿐만이 아니라 세계 수소경제 사회의 활성화를 위한 기반 구축에 기여하고 싶습니다.