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・집필일시：2019년 1월 19일
・카테고리：수소, 풍력 발전, 태양광 발전
[ 수소의 미래를 생각해보다 (제 2부) ]
제 1부에 이어 제 2부부에서는 수소의 저장 및 수송에 대하여 생각을 나누고 싶습니다. 제 1부에서는 수소의 막대한 양의 재생 에너지를 저장하기 위한 유효한 에너지 캐리어임을 이야기했습니다. 이제 다음으로 재생 에너지의 저장처로서 생산된 수소는 어떠한 형태로 저장과 수송이 되고 어떠한 서플라이 체인을 통해 수요지에 보내지는지에 대해 설명해 나가고 싶습니다.
현재 수소의 저장 · 수송 방법으로서는 이하의 4가지 방법이 대표적입니다.
① 고압 압축 수소
수소를 저장하는 방법 중에서도 가장 저비용이며, 기체 상태 그대로 이용할 수 있다는 편리성 때문에 가장 널리 보급되어 있습니다.이 방법에서는 수소 압축기에 의해 압축되어, 일례로 20MPa로 압축된 수소는 정상 기압보다 200분의 1로 체적이 됩니다. 다만 정기의 트레일러 트럭으로 옮길 수 있는 압축 수소의 양은 400Kg정도로 작아 수십킬로가 떨어진 도시를 넘나드는 장거리 수송에는 비용 면에서 현실적이지 않습니다. 이러한 제한 요소 때문에 중국은 수소 제조 자원을 풍부하게 보유하고 있음에도 불구하고 제조지에서 수송되는 수소는 일정한 거리 내에 있는 수소 충전소 등의 소액 수요지로 한정됩니다.
수소를 저장하는 방법 중에서도 가장 저비용이며, 기체 상태 그대로 이용할 수 있다는 편리성 때문에 가장 널리 보급되어 있습니다.이 방법에서는 수소 압축기에 의해 압축되어, 일례로 20MPa로 압축된 수소는 정상 기압보다 200분의 1로 체적이 됩니다. 다만 정기의 트레일러 트럭으로 옮길 수 있는 압축 수소의 양은 400Kg정도로 작아 수십킬로가 떨어진 도시를 넘나드는 장거리 수송에는 비용 면에서 현실적이지 않습니다. 이러한 제한 요소 때문에 중국은 수소 제조 자원을 풍부하게 보유하고 있음에도 불구하고 제조지에서 수송되는 수소는 일정한 거리 내에 있는 수소 충전소 등의 소액 수요지로 한정됩니다.
② 액화 수소
액화 수소는 수소 가스를 -253℃에서 냉각시켜 액체 상태가 된 수소를 칭하며 부피는 기체 상태의 약 1/800, 부피 밀도는 70.8kg/m3이 되기 때문에 압축 수소와 비교하면 수송 효율은 12배가 됩니다. 또, 액화를 통해서 고순도의 수소를 이용할 수 있기 때문에 연료 전지차 등과 상성이 좋다는 특징이 있습니다. 이러한 특징으로 생산지에서 수백 킬로 떨어진 수요지로 수송하기에도 적합하고, 도시 간의 중장거리 수소 공급 체인을 구축하기 위한 중요한 기술로 기대되고 있습니다. 한편 대규모의 냉각 설비, 특별한 저장 탱크가 필요하기 때문에 비용이 높고, 액화 과정에서 에너지 손실(15 ~ 30%)의 발생하며, 수송 중 수소의 휘발로 인한 손실이 발생하는 등의 문제점도 있습니다. 현재 중국에서는 장쑤성 쑤저우시 장가항(江蘇省蘇州市張家港)에서 액화 수소 생산 · 저장에 관한 개발이 일부 연구 기관 및 민간 기업에 의해서 활발히 이루어지고 있으며, 2018년 말에는 중국의 첫 6.5톤/일 생산 능력을 가진 액화 수소 생산 공장 건설이 시작되고 있습니다. 현재 액화수소의 수송에 관한 명확한 산업 표준은 아직 책정되지 않았으며, 향후의 실증프로젝트를 통해 표준이 책정되어 단계적으로 보급될 것으로 전망합니다.
③ 액체 유기물 수소 저장(운반)체 (LOHCs)
LOHCs는 수소를 톨루엔 등과 반응시킴으로써 메틸 시클로 헥산 등의 유기 하이드 라이드로 화학적으로 흡착하여 수송 및 저장하는 방법이며 부피는 기체 상태의 약 1/500, 부피 밀도는 47.3kg/m3로서 수소의 장거리 · 대규모 수송이 가능합니다. 이 방법의 최대 특징은 고온 고압에서 액체 상태이며, 휘발유와 같은 첫번째 석유류이기 때문에 기존의 석유 유통 인프라를 활용할 수 있어 추가적인 설비 비용을 절감할 수 있습니다. 단, 수소를 빼내는 과정에서 에너지 손실이 발생(30% 정도)과 외부에서 300 ~ 400℃의 열을 가할 필요가 있으므로 에너지 효율의 저하만이 아니라 비용도 증대되는 측면도 있습니다.
일본에서는 치요다화공(千代田化工)이 SPERA수소 기술(그림 1)이라는 고효율인 수소화 반응 · 탈수소화 반응 기술을 개발하고 있습니다.
그림 1. SPERA 수소 기술
(출처 : 일본 우선뉴스(郵船ニュース) 보도)
2020년부터 브루나이의 재생에너지에서 생산한 SPERA수소를 일본으로 수송하는 장대한 프로젝트가 세계 최초로 시작될 예정이며 2025년에는 본격적인 상업화를 목표로 삼고 있습니다. 이 기술은 해외에서 발전한 재생 에너지를 수소라는 저장(운반)체에 저장하여 일본에 대규모의 수송 · 공급을 가능하게 하는 매우 유망한 기술(그림 2)이며, 석유 자원이 부족한 일본에서는 에너지 안보 강화라는 관점에서 매우 주목 받습니다.
중국에서도 LOHCs기술은 최근 주목 받고 있으며, 후베이성 우한(湖北省武漢)에 있는 Hynertech(武漢氢陽能源有限公司)에서는 2018년 1월 중국 최초의 LOHCs제조 공장을 시험 운전 개시하였습니다.
그림 2. SPERA수소에 의한 가능이 될 미래의 수소 조달과 에너지의 흐름
(출처 : 치요다화공 뉴스 보도)
④ 파이프라인
수소를 가장 에너지 손실 없이 대규모로 안정적으로 수송하는 방법으로는 파이프라인 수송이 있습니다. 파이프라인으로는 수소만 수송하는 수소 파이프라인과 천연가스 파이프라인에 수소를 혼합하는 형태로 수송하는 두 가지 방법이 있습니다. 유럽이나 미국에서는 수천킬로에 이르는 수소 파이프 라인을 정비하고 있지만, 중국이나 일본에서는 아직 실적이 거의 없습니다. 또, 수소 파이프라인은 수소의 누출을 막기 위한 특별한 사양이 필요하고, 거리가 길수록 설비 투자가 커지기 때문에, 공업 부산 수소나 재생 에너지 유래의 수소 자원이 풍부한 중국에서는 수소 파이프라인의 건설은 거의 진행되지 않고 있습니다. 또한 천연 가스 파이프 라인에 재생에너지에서 유래한 수소를 혼합하는 방법에 대해서는 가스 그리드의 저탄소화를 위한 유효한 방법으로 2000년대 초기부터 유럽에서 검토되고 있습니다.
온사이트에서의 수소 제조
현재 중국에서는 액화수소의 수송이 안 되기 때문에 수요지 근처에 석탄 화학 플랜트 또는 MW급 풍력 · 태양광 발전 설비가 없는 경우에는 온사이트에서 수소를 제조할 필요가 있습니다. 온사이트 수소 제조는 수소정거장 내에 설치된 수전해수소장치로 제조하거나 파이프라인에서 천연가스를 개질하여 수소를 추출하는 두 가지 방법이 현재 주류가 되고 있습니다.
수소 공급체인의 향후
이상 4개의 대표적인 수소 저장 · 수송 방법을 설명했지만 이들의 저장 · 수송 방법의 특징을 통해 어떤 방법이 최적인지는 수소 수요 지점에서의 수요 규모와 수요지 부근의 수소 생산 자원의 유무에 크게 의존하는 것이라 아실 수 있다고 생각합니다.
IRENA는 수소 공급 체인의 향후의 로드맵은 이하의 4가지 단계(그림 3)를 밟는다고 설명하고 있습니다.
① 온사이트에서 수소 제조
② 각 지역에서 중규모(수십MW)의 수소 제조 → 각 지역의 수요지에 근거리 수송 (중국의 현황)
③ 집중 방식으로 대규모(수백MW)의 수소 제조 → 전국 수요지에 수송
④ 해외에서 대규모 수소 조달 → 전국 수소지에 수송
현단계에서는 FCV나 정치형(定置型) 연료전지 등의 수소 수요가 작고, 대규모의 고순도 수소 제조 설비나 액화 수소 설비는 채산이 맞지 않기 때문에 투자 허들이 매우 높습니다. 따라서 현시점에서는 온 사이트에서 수소를 제조하거나 지역에서의 중규모의 수소 제조 → 고압수소가스를 트레일러로 수요지까지 소량의 수송을 하는 방법만이 현실적이라고 설명하고 있습니다. 그리고 중장기적으로는 전국적으로 수소충전소가 보급되고 수소 수요량이 분산적으로 확대되는 단계에서는 집중방식으로 대규모 수소 제조, 액화 수소 등의 장거리 수송이 가능한 형태로 전국의 수요지로 수송될 것이라고 설명하고 있습니다.
그림 3. IRENA의 수소 공급 체인 로드맵
(출처：IRENA(2018))
저희는 중국의 경우도 이 로드맵을 따르게 될 가능성이 높다고 생각합니다. 중국은 중국 서부에서 동북부까지 막대한 재생 에너지 자원(풍력, 태양광)을 보유하고 있으며, 기수, 기풍, 기광량을 산출할 수 있는 이론적인 수소 생산량은 179.82만톤/년(제 1부 내용 참고)에 달합니다. 중장기적으로는 이러한 재생 에너지에서 유래한 수소가 액화 수소 등의 형태로 수백킬로 떨어진 전국의 수요 지점에 수송되고 석탄과 천연 가스에서 유래한 수소에 견줄 주요 수소 공급 체인이 될 것입니다.
이런 식으로 전국에 재생에너지 수소 공급 체인이 구축되어 가는 동시에 연료 전지 차, 연료 전지 철도, 연료 전지 선박 등이 보급되는 중국의 교통 분야는 저탄소화됩니다. 정치형(定置型) 연료 전지도 이윽고 전국의 발전소에의 도입이 진행되어 발전 부문에서도 저탄소화가 진행되 갈 것입니다. 그런 수소의 미래를 중국은 내다보고 있는 것이 아닐까요?
INTEGRAL Co., Ltd 2019년 1월 20일
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