수소액화는 온도를 –253℃까지 낮춰 수소를 액체화하는 기술이다. 

식품·의약품 등이 제조·유통·보관·판매 등 소비자에게 도달하기까지 전 과정에서 극저온을 유지할 수 있을 만큼 에너지 효율이 높아 운송 사각지대를 최소화할 수 있다. 

또한 최근 수소는 철강 등 산업에서 탄소저감을 달성할 수 있는 핵심 물질로 각광받고 있다.  

박래상 국토교통과학기술진흥원 SOC플랜트사업실 실장을 만나 친환경·에너지 효율을 동시에 갖춘 미래기술인 수소액화기술에 대해 들었다.

■ 국토교통과학기술진흥원과 SOC플랜트사업실 소개

국토교통과학기술진흥원(원장 박승기)은 국토교통과학기술육성법에 따라 국토교통 연구개발사업에 대한 기획·평가·실용화 등 관리, 신기술 심사·지정 등 업무를 수행하는 정부산하 준정부 기관이다. 2002년 설립된 국토진흥원은 현재 3본부 16실, 2센터, 2단으로 조직과 160명 내외 석·박사급 우수인력이 근무하고 있으며 관리 R&D예산은 연간 6,200억원 수준으로 총103개 사업(예타 8개 포함)을 관리하고 있다.

올해는 △초연결 국토도시 공간혁신 △미래형 모빌리티 체계 대전환 △지속가능한 국토교통 기반시설 고도화 △국민이 행복한 생활환경 조성 △국토교통 혁신역량 강화 △국가전략기술 육성 △탄소중립 기술혁신 등을 중심으로 6,149억원 예산이 확정됐다.

국토교통 R&D 예산은 최근 10년간 연평균 5.7%씩 꾸준히 성장했다. 교통분야 투자비중이 45%로 가장 크며 국토분야 36%, 기반구축 분야 19% 등으로 구성됐다.

세계 최장 케이블교량 핵심기술 개발, 고속열차(HEMU-430) 국산화, 스마트톨링 시스템 상용화 등 경쟁력있는 기술개발을 통해 국가 경제발전에 기여하는 게 기관설립취지이자 중점 목표다.

SOC플랜트사업실은 29개 사업(예타 2개), 약 1,400억원 규모 사업을 관리하고 있는데 핵심 영역은 △스마트건설 △건설안전 및 성능향상 △가스·오일 플랜트 △폐자원 에너지화 △수소 등이다. 또한 SOC플랜트사업실은 R&D사업외에도 정부 재정사업인 수소도시사업을 관리 중이며 수소도시추진단 업무를 겸해 수행 중이다.

■ 액화수소 플랜트기술은

국토부의 여러 업무영역 중 빼놓을 수 없는 부분이 물류·운송이다. 이를 위해 국토진흥원은 일찍부터 액화기술을 개발해 왔으며 대표적인 기술이 LNG(Liquefied Natural Gas)이다. 국토진흥원은 LNG사업단을 통해 2007년부터 천연가스를 액화하는 기술을 개발했으며 현재 기체인 수소를 액화하는 액화수소 플랜트(상용급액체수소 플랜트와 상용급 액체수소용 압축기 핵심술개발) 사업을 추진 중이다. 기체인 수소를 액체로 바꾸는 과정은 부피를 1/800로 줄이며 부피를 줄이면 운송비를 1/10로 저감할 수 있다. 또한 액화수소는 대기압 상태로 저장 가능해 안정성을 높일 수 있다. 

액화수소 플랜트는 수소생태계(생산~저장~운송~활용) 핵심기술로 국가 에너지 전환과 수소경제 확산, 탄소중립에 크게 기여하고 있는 전략기술이다. 현재 우리나라는 인천, 울산, 창원, 삼척 등에서 액화수소 플랜트를 구축 중이나 린데, 에어리퀴드, 에어로프로덕츠 등 모두 글로벌 해외기업의 외산기술이다. 국토진흥원과 기계연구원에서 추진하는 액체수소 플랜트와 압축기(원심형)기술은 국산화를 목표로 추진되는 기술이다. 이를 통한 경제적 효과는 매우 크며 3나라만 보유한 기술이기 때문에 우리나라가 개발한다면 외교적인 힘도 커지는 중요한 사업이다. 

수소액화 공정은 수소를 직접 액화시키는 수소순환공정과 헬륨냉매를 이용해 수소를 액화시키는 헬륨냉매공정 등이 있다. 수소순환은 에너지효율은 높지만 초기투자비용이 높으며 헬륨냉매는 에너지효율은 수소순환보다 상대적으로 낮지만 초기투자비가 낮아 대용량 액화할 때는 경제성 확보가 용이하다.

이 공정에는 △냉매기체를 압축시켜 압력을 높이는 냉매용 압축기 △유체간 열교환을 통해 냉각시키는 극저온설비인 열교환기 △기체 압축·팽창에 따른 냉각화를 이용한 극저온설비인 터보팽창기 △극저온 온도유지가 가능한 단열설비로 열교환기와 배관이 합쳐진 콜드박스 등이 사용된다. 

하루 0.5ton을 생산할 수 있는 액화수소 플랜트는 2022년 9월 규제특례 및 안전기준을 확보해 경남 김해에 9월 준공을 목표로 구축 중이다. 0.5ton 시설에는 3단 열교환기와 2단 터보팽창기가 사용될 계획이다. 현재 개발 중인 냉매용 압축기는 향후 플랜트가 5ton 급으로 규모가 커질 경우 적용하려고 연구개발 중에 있다.

■ 어떻게 예냉과정을 대체할 수 있나

국토부는 LNG플랜트사업단을 통해 극저온(-162℃) 기술을 이미 확보했으며 액화된 가스가 기화시 발생하는 냉열(-162℃)을 활용해 세계 최고 효율(14.3kWh/kgH2)의 수소액화(-253℃) 공정기술을 확보할 계획이다. 이때 발생하는 냉열을 활용해 극저온을 필요로하는 수산물, 의약품 등 예냉에 활용할 수 있다.

수소는 에너지효율성이 뛰어나 수소 1kg을 산소와 결합하면 3만5,000kcal 에너지가 방출된다. 같은 질량 다른 연료인 프로판, 부탄, 휘발유, 등유 등과 비교하면 3배 가량 높다. 이와 같은 에너지는 식품·의약품 장거리 운송과 대용량 화물차에 사용할 수 있을만큼 높은 효율로 산지에서 화물차에 적재하는 과정만으로도 예냉을 대체할 수 있다. 

■ 향후 액체수소 활용기술의 발전 방향

우리나라의 연간 수소생산량은 약 230만ton으로 사용량대비 생산량이 절대 부족하다. 수소는 이제 산업용으로 사용됨과 함께 모빌리티, 주거환경 변화 등에 대응해야 한다. 또한 국가 에너지전환과 수소경제, 탄소중립 핵심기재가 됐다. 국제에너지기구(IEA)에서도 기후변화와 탄소중립의 핵심은 수소라고 말하고 있다. 향후 수소사회 핵심 키워드는 액화수소와 청정수소다. 

이에 따라 대용량 수소 저장과 식품·의약품 운송 유망기술인 액체수소기술은 수소경제의 처음과 끝이다. 액체수소 기술은 향후 액체수소 인수기지, 대용량 액체수소 저장기술 등으로 발전해 나갈 예정이다.