수소는 지속가능한 에너지원으로 주목받고 있지만, 그 이면에는 안전성과 효율적으로 저장하는 기술이 중요한 과제입니다. 수소를 저장하는 방법은 고압 저장과 액화 저장이 있으며, 각각 장단점이 있기 때문에 상황에 따라 어떤 방식이 더 적합한지 고려해야 합니다.
수소 고압 저장 방식
수소를 고압으로 저장하는 이유는 수소 기체의 저장 밀도가 낮기 때문입니다. 단위 부피당 저장 가능한 수소량이 적기 때문에 일반적인 기술로는 저장하거나 운송하기 어렵기 때문입니다. 따라서 고압을 사용해서 새로운 저장 소재를 개발한다거나 용기 형상을 최적화하는 등의 기술개발이 이루어지고 있습니다.
수소 고압 저장 기술은 수소를 기체상태에서 압축하여 저장하는 방식입니다. 일반적으로 350 bar 이상의 고압에서 수소를 저장하며, 최근에는 700 bar 이상의 고압 저장 기술도 상용화가 되고 있습니다. 우리가 살고 있는 지구가 1 기압이 대략 1 bar라고 이해하면 쉽습니다. (1 기압 = 1.01325 bar)
주요 구성은 압축기, 저장탱크, 제어 시스템으로 나눌 수 있습니다.
- 압축기 : 수소 기체를 압축하는 장치로, 단계별로 작동하는 피스톤 압축기, 맴브레인 압축기, 터보 압축기 등 다양항 형태의 압축기가 사용됩니다.
- 저장 탱크 : 수소를 저장하는 탱크를 말하며, 강철이나, 알루미늄, 탄소 섬유와 같은 재료로 제작됩니다. 탱크 내부는 수소 누출을 방지할 수 있는 라이너가 삽입되고 있습니다. 만약 수소가 대기로 누출되는 상황이 벌어지면 폭발하지 않고 자연스럽게 누출되어 대기로 날아가는 상태를 유도하게 설계되고 있습니다.
- 제어 시스템 : 수소 누출을 감지하는 센서 연구, 수소 누출을 실시간으로 감지하고 자동으로 차단하는 기술 개발이 이루어지고 있습니다.
고압 저장의 장점
- 저렴한 비용 : 액화 저장 기술보다 시스템 구축 비용이 낮습니다.
- 간편한 충전 : 충전과 배출 과정이 간편합니다.
- 안전성 : 액화 저장 기술에 비해 폭발 위험성이 낮습니다.
- 다양한 활용 분야 : 자동차, 버스, 화물차 등 다양한 분야에 활용이 가능합니다.
고압 저장의 단점
- 낮은 저장 밀도 : 단위 부피당 저장 가능한 수소량이 적습니다.
- 큰 저장 탱크 : 저장가능한 수소량이 적기 때문에 저장탱크가 커야 합니다.
- 무거운 저장 탱크 : 고압을 유지하기 위해서는 강철 등이 필요하기 때문에 저장용기가 무거워질 수 있습니다. 다만 최근에는 탄소섬유를 적용한 저장탱크도 상용화되어 있습니다.
수소 액화 저장 방식
수소를 극저온 상태(-253도씨)를 유지하면서 액화하여 저장하는 방식입니다. 그러기 위해서는 특수 용기가 필요하죠. 고압 저장방식보다 저장 가능한 수소량이 많기 때문에 장거리 주행이 필요한 화물차, 혹은 대형 수소 저장 시설에 적합할 수 있습니다.
주요 구성은 냉각 시스템, 액화장치, 저장 탱크, 운송, 배출 시스템 등으로 구분할 수 있습니다.
- 냉각 시스템 : 수소를 극저온 상태를 유지하고 냉각시킬 수 있는 장치로, 액체질소 냉각기 등 다양한 형태의 냉각 시스템이 사용됩니다.
- 액화장치 : 냉각된 수소를 액체 상태로 만들 수 있는 장치입니다.
- 저장 탱크 : 탱크는 일반적으로 스테인리스 강, 알루미늄 합금 등으로 만드는 기술이 존재하며, 액화 수소가 증발되는 문제를 개선하기 위해 진공 단열층이 포함되어 있습니다.
- 운송, 배출 시스템 : 액화 수소를 운송하거나 필요시 기체 상태로 변환하여 사용할 수 있는 시스템입니다.
액화 수소 저장 장점
- 높은 저장 밀도 : 고압 저장 방식보다 더 많은 수소를 저장할 수 있습니다.
- 저장 용기 무게 감소 : 액화 수소는 작게 만들 수 있기 때문에 경량화할 수 있습니다.
- 저장 면적 감소 : 고압 저장 방식보다 더 많은 수소를 저장할 수 있기 때문에 저장 탱크 또한 작게 만들 수 있습니다.
액화 수소 저장 단점
- 고비용 : 액화 공정은 시스템 구축이 필요하기 때문에 고압 저장방식보다 비용이 높습니다.
- 복잡한 충전 : 시스템 공정이 작동되어야 하기 때문에 고압 저장 방식보다 복잡하고 위험할 수 있습니다.
- 안전성 : 고압 수소 저장 방식보다 폭발에 대한 안전성 확보가 더욱 강화되어야 합니다.
고압 수소 vs 액화 수소, 어떤 방식이 더 좋은가?
장거리 주행이 필요한 자동차는 액화 저장 방식이 더 적합합니다. 그 이유는 수소 저장 밀도가 더 높아 한번 충전 시 장거리 운행이 가능하기 때문입니다.
도시형 자동차차는 고압 저장 방식이 더 좋을 수 있습니다. 그 이유는 상대적으로 짧은 주행거리, 안전성 확보, 수소 충전 등이 간편하기 때문입니다.
대형 수소 저장 시설은 액화 저장 방식이 더 적합할 수 있습니다. 고압 저장 방식보다 더 많은 수소를 저장할 수 있기 때문에 지역별 수소 저장 허브를 구축하는데 용이할 수 있습니다.
| 활용 분야 | 고압 저장 | 액화 저장 | 고려사항 |
| 장거리 화물차 | 낮음 | 높음 | 500km 이상 |
| 도시형 승용차 | 높음 | 낮음 | 500km 이하 |
| 수소 저장시설 | 낮음 | 높음 | 저장 용량 1톤 이상 |
| 수소 전원 장치 | 낮음 | 낮음 | 휴대용 |
| 산업용 수소 | 높음 | 낮음 | 화학, 제조 |
| 항공 우주 | X | 높음 | 로켓 연료 |