수소 연료의 저장과 수송

서론

현재 에너지산업은 석유기반의 에너지생산에서 배출가스가 없는 재생에너지로의 에너지생산 패러다임으로 변화하고 있다. 재생에너지는 태양열에너지, 수력에너지, 풍력에너지, 바이오매스 등 다양하나 생산량이 불규칙적이고 예측이 불가능해 에너지공급의 조율이 어렵다는 한계가 있다. 현재 에너지를 제일 효율적으로 저장 가능한 매체는 수소이다. 수소는 매우 가볍고 저장이 용이하고, 단위질량당 에너지량이 가장 높기 때문에 생산되는 에너지를 저장하기에 가장 합리적인 방법으로 알려져 있다. 현재 국내에서도 수소경제를 구축하기 위한 인프라투자가 활발히 이루어지고 있으며, 수소를 청정에너지 저장매체로 사용하기 위해서 경제적으로 수소를 저장하고 수송하는 것이 중요하다.

수소 연료 저장 기술

고용량의 수소를 효율적으로 수송하기 위해서는 고밀도로 수소를 저장하는 것이 중요하다. 효율적인 수소 저장 방법은 수소를 치밀하게 저장하는 것이다. 따라서 수소 저장의 주요 기술은 수소 원자 간의 거리를 좁히며 저장하는 것이다. 수소 저장 방법에 따른 수소 원자 간의 거리 및 체적 밀도를 표 1. 에 나타냈다. 일반적인 압축상태에서는 원자간 평균 거리가 상대적으로 길며, 체적밀도도 비효율적이다. 가장 고밀도로 저장 및 수송이 가능한 액화수소의 경우 효율이 높지만, -253℃의 극저온에서 수소를 냉각하기에 에너지소비가 크고 액화설비는 대규모 장비가 필요하기에 초기 설치비용도 고가이기에 합리적이지 않다.

현재 수소저장재료가 원자간 평균 거리가 제일 짧으며, 체적밀도도 상대적으로 높다. 이는 수소가 재료와의 화학적 상호작용으로 결합하기에 압축수소 및 액화수소보다 고밀도로 저장할 수 있다. 수소저장재료의 방법은 크게 흡착, 흡장, 화학 반응으로 나뉜다. 

흡착 및 흡장

흡착은 물질 표면에 물리 혹은 화학 흡착으로 재료와 수소가 결합하는 방식이다. 흡착은 재료 내부에 수소가 들어가는 방식이 아니기에 재료의 변화는 없다. 전형적인 방법은 저온고압 조건에서 활성탄에 수소를 흡착시키는 것이다. 표면적이 넓고 흡착능이 높은 재료에서 저온 하에 수소 흡착이 가능하지만, 실온에서는 불가능하다.
흡장은 재료 내부로 수소가 침입하여 저장된다. 대표적으로 흡장합금 또는 Graphite 층간 화합물이 사용된다. 이는 수소를 재료 내부에 가두기에 저장 압력이 높지 않다. 따라서 저압의 수소용기에 저장할 수 있어 저가의 저압용 저장용기에 저장할 수 있다는 장점이 있다. 

화학반응

화학반응은 재료와 수소의 화학적 반응에 의해 수소가 저장되는 방식이다. 수소를 Organic Chemical Hydride(OCH)법으로 고정시켜 수송하는 방법이 개발되었다. 이는 톨루엔, 벤젠, 나프탈렌 같은 벤젠그룹에 수소를 저장하는 방법이다. 

수소 연료 수송 시스템

현재 수소스테이션에서 수소 수송방법은 크게 온사이트 방식과 오프사이트 방식으로 나뉜다. 온사이트 방식은 수소스테이션의 부지 내에서 수소를 제조하고 사용하는 방식이고, 오프사이트 방식은 정유공장과 같은 수소생산공장에서부터 수소를 수송하여 사용하는 방식이다. 현재는 두 방식 모두 기본적으로 압축기를 통해 고압으로 압축하여 축압기에 저장하고, 연료전지차와 축압기의 pressure gradient에 의해 분배기를 통해 수소를 충전한다. 일본은 수소 저장 및 수송기술이 발달하였으며, 2021년까지 162개의 수소 스테이션을 보유하고 있고, 절반 이상이 700~800℃의 고온에서 천연가스와 물의 반응으로 이산화탄소와 수소를 생산하는 SMR (Steam Methane Reforming)방식을 사용하는 온사이트 방식을 사용하고 있다. 대한민국에서도 주식회사 덕양이 SMR 방식의 온사이트 방식으로 2022년까지 기술개발을 진행중에 있다. 
하지만 위와 같은 수소 저장 및 수송 방법은 체적밀도적과 가격적으로 비효율적인 측면이 많기에 수소저장재료를 사용하는 OCH법이 주목받는다. 이는 방향족화합물과 수소의 반응으로 상온상압의 액화상태로 대량저장 및 수송하여 탈수소화반응을 통해 수소를 회수하는 방식이다. OCH법으로 저장한 수소는 철도, 차량, 탱크로리 등을 이용해 수송할 수 있으며 탈수소화에 사용하는 촉매는 Nano Pt/Al 촉매이다. Toluene에 수소를 고정시켜 Methylcyclohexane(MCH)로 만드는 방식을 사용한다면 95% 이상의 전화율을 얻을 수 있다. 일본의 Chiyoda Co.가 대량의 수소를 이와 같은 방법으로 저장 및 수송하는 시스템을 개발 중이다. 

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