수소는 지구 상에서 존재하는 물질 중 가장 가볍다. 일반 공기와 비교해 보면 수소는 14배나 가볍다. 그런데 너무 가볍기 때문에 부피당 에너지 밀도의 측면에서 본다면 에너지로 활용하기에 가장 적합하지 않은 물질이다. 수소를 다른 물질로 변환하지 않은 상태에서 활용하는 데 있어, 충분히 고압의 상태이거나 극저온 액체 상태가 아니라면 부피당 에너지 밀도가 너무 낮아 경제성이 떨어진다. 이러한 수소의 성질로 인하여 수소를 활용하는 데 있어서 가장 큰 고민거리는 수소를 저장하고 운반하는 것이다.
안녕하세요, 빈씨 아재입니다.
이번 포스팅은 수소경제에 대한 두번째 주제, "수소의 운반과 저장"에 대한 내용입니다.
혹시 수소의 생산과 관련한 내용을 보지 못한 분들은 먼저 지난 포스팅을 보고 오시기 바랍니다.
수소 경제, 한국에서 그린 수소 생산은 가능한가?
수소에너지 중에서도 미래의 궁극적인 청정 에너지원으로 주목하고 있는 것은 그린 수소다. 그린 수소는 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없어
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수소, 정말 안전한 에너지인가?
수소 폭발 사고
> 국내외 수소 폭발 사고 사례
2019년 5월부터 6월 사이에 국내외에서 수소 폭발 사건이 3건 연이어 발생하면서 우리 국민들은 무공해 청정에너지로 지구 온난화를 이겨낼 수 있는 첨단 에너지라고 생각하던 수소에 대해, '위험한 에너지'라는 인식을 갖게 되었습니다.
- 5월, 강릉시 대전동의 강릉과학산업단지 공장 내 수소저장 탱크 폭발사고로 2명이 숨지고 6명이 부상
- 6월, 미국 캘리포니아 산타클라라에서 수소탱크 트럭이 연료를 공급받던 중 폭발
- 6월, 노르웨이 오슬로 인근의 수소 충전소 폭발
> 수소 폭발 사고 원인 조사 결과
각국의 조사 결과, 사고 원인은 아래와 같습니다.
- 한국: 수소 저장 탱크 주입구에 반드시 설치해야 하는 산소를 걸러내는 필터를 설치하지 않은 인재
- 미국: 수소탱크 트럭의 밸브가 고장난 상태에서 수소를 주입하다가 누출된 수소가 정전기에 의해 폭발
- 노르웨이:불량 밸브 시공으로 수소가 누출되었고, 충전소 안에 수소 농도가 너무 올라가서 폭발
음... 한국이 가장 창피한 이유군요... 부실시공...
그렇다면 수소는 정말 위험한 에너지, 위험한 물질일까요?
원론적으로 보면 맞습니다. 수소는 공기 중의 농도가 4%만 넘어도 폭발할 수 있습니다. (단, 수소의 농도가 75%를 넘으면 폭발하지 않습니다. 참고로 공기 중 정상적인 수소의 농도는 0.00005%입니다.) 또한 수소는 상온에서 '무색, 무취, 무미'한 가연성 가스이고 무독성 가스여서 사람이 빠르게 감지하지도 못합니다.
정부가 아무리 수소는 안전하며, 폭발하는 수소는 중수소와 삼중수소인데 자연계에서는 존재하지 않는다고 홍보를 해도 전 세계에서 실제 폭발한 사례는 셀 수 없이 많습니다.
수소는 앞서 말씀드렸듯이 지구 상에서 가장 가벼운 물질이면서 공기 중의 가장 작은 물질입니다.
- 이는 예를 들어 공기의 두 가지 주요 성분인 산소(O2)와 질소(N2)보다 용기나 저장소에서 더 쉽게 빠져나갈 수 있다는 것을 의미합니다.
- 게다가 수소는 기체 상태라면 고압으로 저장해야 하기 때문에 누출을 피하기 어렵습니다.
- 또한, 수소는 인화성이 매우 높습니다. 수소 폭발에 필요한 최소 발화 에너지는 액화석유가스(LPG)나 휘발유보다 낮은 반면, 발화하여 연소 시 발생하는 화염의 속도는 액화 천연가스(LNG)나 액화석유가스(LPG)에 비해 약 6~7배 정도 빠르므로 위험성이 매우 크다고 할 수 있습니다.
- 수소 발화의 가장 큰 원인은 정전기인데, 정전기는 한 용기에서 다른 용기로 가스를 옮길 때 자주 발생하며, 차량에 연료로 주입할 때도 발생합니다. 따라서 수소 충전소나 수소탱크는 접지가 매우 중요합니다.
- 또 다른 문제는 수소가스가 빠르게 팽창할 때 가열된다는 점입니다. 수소의 상당한 양이 누출되면 수소 가스가 형성되고 열에 의해 가스가 자연 연소하는데, 수소의 자연 연소를 우리는 수소 폭발이라고 부릅니다.
하지만, 조금 위험하다고 해서 수소를 내팽개칠 수는 없습니다. 원전도 사고가 나고, 주유소도 폭발할 수 있고, 거의 모든 가정에서 사용하는 도시가스도 폭발할 수 있으니까요.
수소의 연비(연료 1kg당)는 자동차 기준으로 현재 가장 연비가 좋다는 경유와 비교해도 6배가량 높습니다.
중요한 것은 수소가 폭발하지 않도록 안전하게 운반하고 저장하고 활용하는 것이겠죠.
"지금" 수소는 기체, 액체, 고체 중 어떤 상태로 저장하고 운반하는 것이 가능한가?
수소의 폭발은 크게 물리적 폭발과 화학적 폭발 두 가지로 나눌 수 있습니다.
물리적 폭발은
- 높은 압력(상압 이상의 압력)을 가진 용기나 저장소에서 발생하는 폭발로서
- 압축한 수소 기체의 압력이 상승하거나, 용기의 불량이나 내구성 한계 등의 물리적인 원인으로 발생합니다.
반면에 화학적 폭발이란,
- 앞서 노르웨이 수소 충전소 폭발의 경우처럼,
- 수소가 누출되어 수소 가스가 형성되고 화학적 반응으로 발화, 연소되는 것을 말합니다.
따라서, 수소를 저장하고 운반할 때는 어떤 형태의 폭발이든 발생하지 않도록 사전에 대비하는 것이 매우 중요합니다.
수소의 저장 방식은
- 고압 기체 수소 방식
- 액체 수소 방식
- 고체 수소 방식
- 물질 변환 방식(암모니아, 메탄, 메탄올, 액상 유기 화합물 수소 운반체(Liquid Organic Hydrogen Carrier ; LOHC) 등으로 변환하여 저장) 등이 있습니다.
현재 국내 기술로서 상용화되어 있는 저장 방식은 ‘고압 기체 수소’ 방식입니다. 고압 기체수소 방식은 수소 저장 기술 중 가장 보편적인 방법으로, 수소기체를 고압으로 압축하여 다양한 용기에 저장하는 방식입니다.
고압 기체 수소 방식은
- 용기 내의 수소 저장 밀도를 높이기 위해 높은 압력으로 가하는데,
- 압력을 가할 수록 기체수소의 누출 위험성이 높아지고,
- 압축을 하면 할 수록 수소 기체가 열을 발생시켜 수소 기체 냉각을 위해 에너지를 소비해야 하며,
- 저장 압력이 높아질수록 용기의 두께가 두꺼워져 무게가 증가하게 되므로
- 다른 저장 기술보다 운송 효율이 떨어진다는 단점이 있습니다.
하지만, 고압 기체수소 방식은 수소의 사용량이 많지 않은 상황에서는 가장 간편하고 경제적이라는 장점이 있습니다.
액체 수소 방식은 대량의 수소 저장 및 수송 형태에 유리한 방식입니다.
액체 수소는 말 그대로 수소 기체를 물처럼 ‘액화’ 시킨 것을 의미하는데,
- 수소를 극저온 상태(영하 253도)로 냉각, 저장하여 압축하지 않은 기체 수소 대비 약 240배의 수소를 저장하고 수송할 수 있으며,
- 대량의 수소를 수소탱크 트럭으로 운반할 시, 고압 기체 수소 방식에 비해 절반 이하의 비용으로 저렴하게 운반할 수 있습니다.
- 또한, 일단 액화 수소를 운반한 후 수소 에너지로 활용할 때도 단순 기화만으로 즉시 사용이 가능하기 때문에 앞으로 액체 수소 방식의 발전 가능성은 매우 높습니다.
하지만, 액체수소 방식의 단점이 없을 수가 없겠죠? 단점이 없다면, 지난 포스팅에서 얘기했던 "수소를 암모니아로 변환하여 운반한 후 다시 수소로 개질"하는 얘기가 나오지 않을 겁니다.
- 액화 수소는 영하 253도의 극저온 상태를 유지해야 하는데, 한국은 아직 이런 극저온 상태를 견뎌낼 수 있는 저장탱크 기술을 상용화하지 못했습니다.
- 그리고, 영하 235도로 액화할 때와 극저온을 유지할 때 전기를 엄청 소비할 수밖에 없고,
- 액체 수소가 장시간 운송이나 저장되는 동안 다시 기화하지 않도록 하는 설비 개발도 아직 갈 길이 멉니다.
수소 전문가들은 대량의 해상 운송 및 파이프라인 이용 시에는 "액체 암모니아"로, 지상 운송은 "액체 수소"로 하는 것이 경제적이라는 의견이 많은 상황이고, 일본이 세계 최초의 액체 수소 운반선을 건조하여 올 2월 호주에서 액체 수소를 수입하였습니다.
고체 수소 방식은 수소를 특정 소재의 표면 또는 내부에 저장하는 방식으로, 상용화되어 있는 다른 저장기술에 비해 높은 밀도로 수소를 저장할 수 있다는 장점이 있으나, 안전성이나 소재 개발 등의 측면에서 아직 기술 발전 단계가 낮아 수소경제 선진국들도 고체 수소 저장 소재 개발을 중심으로 중장기적인 연구개발을 지속하고 있습니다.
마지막으로 물질 변환 방식은 암모니아 변환 방식이 안전하면서도 가장 비용 측면에서 우수하다는 평가를 받고 있습니다. 예를 들어, 액상 유기 화합물 수소 운반체(LOHC) 방식의 경우 일부 국가들에서 활발하게 연구가 진행되고는 있지만, 운송 후 수소를 활용하기 위해서 다시 운반체에서 수소를 변환하는 설비가 필요하여 암모니아 방식에 비해 더 많은 비용이 들어갈 것으로 예상됩니다.
결국, 아직까지 우리나라는 고압 기체 수소 저장 방식이외에는 사용 가능한 대안이 없습니다.
액체 암모니아 저장 및 운송 방식
수소를 암모니아로 변환하여 저장하고 운송하는 방식은 일본과 호주가 선도하고 있습니다.
암모니아는 수소와 질소가 결합된 화합물로서
- 휘발유보다도 폭발 가능성이 낮고,
- 수소에 비해 제조와 저장, 그리고 수송과정이 단순하면서 비용도 적게 들어서 경제성이 우수하다는 장점을 갖고 있습니다.
암모니아를 이용한 수소 운반이 액체 수소에 비해 경제적인 이유는
- 두 가스의 액화 온도 차이 때문인데, 수소는 -253℃에서 액체 상태가 되지만, 암모니아는 –33℃면 액체 상태로 변합니다.
- 또한 암모니아는 액체 수소에 비해 부피가 작아 같은 용기라도 약 1.5배 더 저장할 수 있기 때문에 한 번에 대량 운송할 경우 대단히 유리합니다.
- 게다가 암모니아는 그 자체로 연료로도 사용할 수 있습니다. 국제에너지기구(IEA)는 오는 2050년 선박 연료 수요 중 암모니아가 45%를 차지할 것이라고 전망하기도 합니다.
현재 암모니아는 전 세계적으로 약 5억 톤을 생산하고 이중 약 2억 톤이 수출입되고 있기 때문에 전 세계적인 운송 인프라도 잘 갖춰져 있습니다. 다만 지난 포스팅에서도 설명했듯이, 암모니아는 보통 천연가스나 석탄을 이용해 만들기 때문에 생산 과정에서 전기를 많이 소모하는 단점이 있습니다. 하지만, 호주의 경우처럼 일단 신재생에너지를 이용하여 물을 전기 분해해 수소를 생산하고 여기에 공기 중 질소를 합성해 탄소 배출이 없는 그린 암모니아 생산한 후, 액체 암모니아를 만들어 운반하고 저장하면 수소의 운반과 저장에서 발생하는 거의 모든 문제점들을 해결할 수 있습니다.
물론 암모니아 역시 독성물질이기 때문에 누출 시 큰 사고로 이어질 수도 있고, 암모니아 자체의 연료로서의 효율성 문제 등이 있어 개선의 필요성은 여전히 존재합니다.
호주나 일본은 액체 암모니아 생산, 저장 및 운송에 대한 사업을 발 빠르게 진행하고 있는데, 몇 가지를 골라 보면 대략 이러한 내용입니다.
* 호주
- 호주는 자국 내 수소 운반을 기존 천연가스 공급 시스템을 활용한다는 계획을 수립하고 있습니다. 호주는 이미 천연가스를 공급하는 광범위한 파이프라인을 보유하고 있으며, 천연가스와 함께 수소를 부피당 10% 미만으로 혼용하여 공급한다면 안전에 대한 문제가 발생하지 않으면서 효율적인 비용으로 수소를 운송하고 공급할 수 있다고 판단하고 있습니다.
- 수소 수출을 위해서는 액체 그린 암모니아 활용 기술을 상용화하여 액체 암모니아를 기존의 유조선에 실어 운송하는 방식을 가장 유효한 방식으로 선정하여 추진 중입니다.
- 호주 연방과학산업연구기구(CSIRO)는 2021년 1월에 암모니아로 저장된 수소에서 에너지 손실을 최소화하면서서 수소를 추출하는 고순도 수소 전환 기술 개발에 성공하였으며, 시드니 대학 등은 그린 암모니아 생산을 위한 하이브리드 플라스마 수전해 프로세스를 개발하는 등 대학 중심의 관련 연구도 활발하게 진행 중이라고 합니다.
- 호주의 대표적인 그린 암모니아 프로젝트로는 AREH 프로젝트를 꼽을 수 있습니다.
오는 2028년에 시작되는 호주 AREH 프로젝트는 호주, 인도네시아, 덴마크가 정부 차원에서 함께 참여하고 있는 태양광과 풍력을 이용한 그린 에너지 생산 프로젝트입니다. 호주는 AREH 프로젝트를 통해 매년 15 테라 와트의 전기를 생산해서 인도네시아, 싱가포르에 직접 해저케이블을 통해 수출하는 한편 생산 과정에서 낭비되는 유휴 전기를 활용하여 그린 암모니아를 생산하여 덴마크 등에 수출할 계획입니다.
* 일본
- 일본은 한국과 마찬가지로 전체 에너지 소비량에서 신재생에너지의 비중이 낮은 국가입니다. (2020년 기준 20%대 초반, 한국은 7~8%...) 따라서, 일본 정부는 탄소 중립 실현을 위하여 해외에서 수소 수입을 적극적으로 추진하고 있습니다.
- 일본은 이미 해외에서 블루 수소를 액체 수소로 구입하여 자국내로 들여오거나, 현지에서 재판매하는 다양한 사업을 진행하고 있으며, 블루 수소를 액체 암모니아로 운송하는 방식에 가장 적극적으로 뛰어들고 있습니다.
- 일본은 사우디아라비아의 국영 석유회사인 ARAMCO가 생산하는 블루 수소를 장기 계약으로 구입하여 액체 암모니아 형태로 일본으로 수송하여 화력발전소의 연료로 사용하기 시작했으며
- 러시아 이르쿠츠크 석유공사(IOC)의 가스 플랜트에서도 블루 수소를 사들여 액체 암모니아 형태로 일본으로 수송하여 석탄화력발전소에서 혼소 연료로 사용하고 있습니다.
- 또한, 일본은 오사카 지역에 이미 액화 천연가스(LNG)를 일반 가정에서도 ' 가스 개질 -> 수소로 변환 -> 수소 전지에 전기 충전'이 가능한 개질기를 개발하여 판매하고 있는데, 동일한 방식으로 액화 암모니아를 일본 주요 도시들의 거점지로 운반한 후 소비처에서 온사이트 개질하여 수소를 바로 생산, 사용하는 방식을 테스트하고 있습니다.
이상과 같이 두 차례의 포스팅을 통해 우리나라에서 그린 수소를 생산하려면 어떤 방식이 적합한지, 운반과 저장은 어떻게 해야 하는지 등을 우리나라보다 앞서 수소경제를 실현해가고 있는 국가들의 경우를 참고하여 함께 고민해 봤습니다.
물론 제가 무슨 수소 전문가도 아니고, 그냥 여기저기 흩어져 있는 자료들을 취합해 보면서 짧은 의견을 덧붙인 것뿐이지만, 수소 경제는 거스를 수 없는 대세이며, 신재생에너지가 거의 없는 우리의 현실에서 뒤처지면 따라 잡기 매우 어려운 상황임을 인식하고 정부가 효과적인 국가 자원 배분과 지원을 통해 꼭 빠른 시간 내에 상업화에 성공했으면 하는 바람입니다.
수소경제와 관련한 포스팅은 이것으로 마치겠습니다.
감사합니다~
'빈씨 아재의 이야기 바구니 > 우리 나라 이야기' 카테고리의 다른 글
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