반응형
수소는 질량 에너지밀도는 높지만(저위발열량 약 33 kWh/kg), 체적 에너지밀도는 매우 낮다. 이 불균형이 저장·운송의 핵심 난제이며, 해법마다 ‘에너지 패널티·안전·비용’의 트레이드오프가 존재한다.
공통 성능지표
- 라운드트립 효율: 압축/액화/수화·탈수화/수소화·탈수소화 과정의 총손실.
- 안전성: 누설·점화·폭발한계(수소의 가연범위는 넓고 점화에너지가 낮다), 통풍·검지·방폭 설계.
- 물류비/설비비: CAPEX(탱크·펌프·열교환기·촉매), OPEX(전력·열·촉매 교체·손실).
1) 고압기체 저장·운송(350/700 bar)
- 물리: 압력 상승에 따라 체적밀도는 증가하나, 압축에너지와 저장용기 요구사항(복합재, 누설 관리)도 증가한다.
- 밀도 감각: 350 bar에서 대략 20대 kg/m³, 700 bar에서 40 kg/m³ 안팎의 범위를 기대한다(온도·실가스 보정 필요).
- 장점: 단순·성숙, 빠른 방출, 차량(FCV), 튜브트레일러·분산형 충전소에 적합.
- 과제: 압축 전력 소비, 복합재 용기 비용·정기검사, 고압 밸브·시일 누설 관리.
2) 액화수소(LH₂, −253 °C)
- 물리: 크라이오 사이클(예: 프리쿨링+가스분리+줄-톰슨 확장)로 기체를 액화한다. 에너지소비는 전기 기준으로 상당하다(열교환·냉동기 효율에 좌우).
- 밀도: 약 70 kg/m³ 수준으로, 기체 대비 체적이 대폭 감소한다.
- 장점: 대량 장거리 운송(탱커·대형 탱크), 로켓·항공 연료 연구 등에서 유리.
- 과제: 보일오프(BOG) 관리가 핵심. 표면적/체적 비가 클수록 손실이 커지며, 회수·재액화 또는 가스화 활용 체계가 필요하다. 극저온 안전, 단열·퍼지·배출 설계가 필수이다.
3) 액상유기수소운반체(LOHC)
- 개념: 유기용매(예: 톨루엔↔메틸시클로헥산, DBT↔퍼하이드로-DBT)에 수소를 저장(수소화)했다가 방출(탈수소화)한다. 상온·대기압 액체이므로 기존 액체연료 인프라를 활용할 수 있다.
- 장점: 저장·운송이 쉽고, 휘발성·폭발성이 상대적으로 낮다. 장거리·해상물류에서 장점.
- 과제: **에너지 패널티(수소화·탈수소화의 열/전기 소비)**와 촉매 안정성, 수소 함량(일반적으로 5–7 wt%대) 한계가 비용·효율을 좌우한다. 탈수소화에 고온 열원이 필요해, 폐열·집단열 연계 시 경쟁력이 높아진다.
4) 금속수소화물/복합수소화물
- 개념: 금속/합금 격자에 수소를 흡장하여 저장한다(예: LaNi₅H₆, MgH₂, NaAlH₄).
- 장점: 낮은 압력에서 높은 체적밀도, 온도 구동으로 안전한 방출 제어가 가능하다.
- 과제: 중량 에너지밀도(시스템 기준)가 낮아 이동체보다는 정지형(버퍼·피크 shaving) 적합. 가역성·반응속도·사이클 수명, 합금 원가가 관건이다.
5) 케미컬 캐리어(암모니아·메탄합성 등)
- 암모니아(NH₃): 수소 캐리어 겸 연료. 액화가 쉬워 체적밀도 우수, 기존 해운 인프라 활용 가능. 단, 크래킹 효율·NOx/슬립 관리, 연소·연료전지 적합성 확보가 필요하다.
- 합성메탄(SNG): CO₂와 반응해 메탄을 만들면 기존 가스망 사용이 가능하나, 메탄화·재개질 라운드트립에서 에너지손실이 크다.
경로별 에너지·효율 감각
- 고압 경로: 압축 단계의 전력소비가 증가할수록 라운드트립 효율이 하락한다. 단거리·분산형에 경제적이며, 충전·방출 속도 이점이 있다.
- 액화 경로: 액화 에너지소비 + 보일오프 관리가 핵심 비용요소. 대용량·장거리·해상에 적합.
- LOHC 경로: 수소화/탈수소화의 열 수요가 커서 열원 연계 여부가 경쟁력을 가른다.
- 금속수소화물: 시스템 중량이 커도 안전·정지형 고밀도 버퍼로 강점.
- 암모니아/케미컬: 기존 인프라(탱커·탱크팜·파이프) 활용로 CAPEX 절감, 대신 크래킹·정제의 추가 에너지가 든다.
반응형
안전공학 포인트
수소는 확산계수가 커서 누설 시 빠르게 희석되지만, 가연범위가 넓고 최소점화에너지가 낮다. 따라서 설계는 통풍(자연/강제), 수소센서 네트워크, 방폭 등급, 점화원 관리, 구속공간 회피를 기본으로 한다. 극저온(LH₂)·고압·유기용매(LOHC)·암모니아는 각각 다른 위험원(동상/취성, 과압, 독성)을 가지므로 HAZID/HAZOP로 시나리오별 완화대책을 확보해야 한다.
시스템 설계 체크리스트
- 수요 프로파일: 유량·변동성·피크 대비 평균.
- 거리·규모: km/톤수에 따른 최적 경로(고압: 단거리, 액화/암모니아: 장거리·해상).
- 에너지·열원: 압축·액화·탈수소화에 투입 가능한 전력·열(폐열·증기)의 가용성.
- 인프라 호환성: 기존 탱크·부두·관로 활용성, 규제·허가.
- 라운드트립 효율·손실: 보일오프, 퍼지, 재순환, 촉매 열화.
- 안전·보험·표준: 센서·격리·배기·비상정지, 국제코드 준수.
한국 맥락 시사점
- 단거리·분산 수요(충전소·산업단지 내부): 450/500 bar 압축-버퍼-디스펜싱 체계가 실무적이다.
- 장거리·해상 도입: 액화 또는 암모니아·LOHC 해상물류+국내 크래킹/가스화 허브 모델이 현실적이다.
- 열 연계 산업단지: LOHC·SOEC·암모니아 크래킹의 열수요를 집단에너지·공정열과 통합하면 총비용을 낮출 여지가 크다.
결론적으로, 한 가지 만능 해법은 없다. 수요패턴과 거리·규모, 전력·열 인프라, 규제·안전 조건을 함께 최적화할 때, 고압·액화·LOHC·금속수소화물·암모니아 중 경로별 비교우위가 뚜렷해진다. 프로젝트의 초기 단계에서 라운드트립 효율과 에너지 패널티를 정량화하고, 안전·허가 가능성을 병행 검토하는 것이 성공의 지름길이다.
반응형