・일시: 2028년 9월 18일

 

 

연료전지의 본질은 에너지 저장매체로서 수소의 산화를 통해 화학에너지와 전기에너지를 변환하는 것입니다. 그러나 수소의 특정 에너지는 크지만(142MJ/kg, 실제 연료 중 가장 높음), 부피 에너지 밀도는 매우 낮습니다: 288.15K 및 1atm에서 12.1MJ/m3에 불과합니다. 수소 생산과 활용의 가교로서 수소 저장 기술의 핵심 중 하나는 수소의 에너지 밀도를 높이는 것입니다. 그러나 수소저장 기술의 장단점을 평가할 때 안전성, 운송비, 수소화/탈수소화의 어려움 등 다른 요소를 고려해야 합니다. 이 기사에서는 광범위한 관심을 받은 중국의 여러 수소 저장 기술의 현재 상태를 요약하고 이러한 저장 기술의 향후 개발에 대한 통찰력을 제공합니다.

 

(1) 고압 기체 수소는 현재 중국에서 가장 성숙하고 주류를 이루는 수소 수송 방법입니다.

(2) 극저온 수소 운송은 상대적으로 높은 수소 저장 밀도를 가지며 빠르게 발전하고 있습니다. 표준화 작업이 진행 중이며 민수용 극저온 수소 프로젝트가 주목받고 있습니다. 수송되는 수소의 양이 증가함에 따라 규모의 경제가 부각될 것입니다.

(3) LOHC(액상유기수소운반체)와 Metallic Hydride(금속수소화물 )는 아직 상용화되지 않았습니다.

- LOHC(취급 용이성, 수송 용이성, 화학적 안정성)의 일부 특징으로 인해 장거리 수송과 더불어 장기 보관에도 유망한 매체입니다.

- Metallic Hydride는 몇 가지 장점(상온 보관 조건)이 있지만 제조 및 상용화되기 전에 단점(낮은 보관 밀도, 탈수소화/탈수소화의 어려움)을 극복하기 위해 더 많은 연구가 수행되어야 함은 부인할 수 없습니다.

(4) 미래의 수소에너지 산업 시스템에서는 깨끗하고 고품질의 수소원으로서 산업 부생수소를 대체할 재생에너지 생산이 기대됩니다. 이 비전 아래 더 높은 수소 저장 용량과 더 먼 거리에 적합한 운송 방법을 기대합니다.

 

일반적으로 사용되는 수소 저장 기술에는 주로 물리적, 화학적 수소 저장 기술이 포함됩니다.

물리적 수소 저장 기술은 단순히 물리적 저장 조건을 변경하여 수소 밀도를 높이는 것만으로 수소를 저장하는 기술을 말합니다. 이것은 수소 저장 매체가 필요하지 않고 비용이 저렴하며 탈 수소 공정이 비교적 쉽습니다. 고압 기체 수소 및 극저온 수소 저장은 중국에서 가장 일반적인 두 가지 물리적 수소 저장 기술입니다. (그림 1).

화학적 수소저장 기술은 저장매체를 이용하여 특정 조건에서 수소와 반응하여 안정된 화합물을 생성(수소화)한 후 조건을 변경하여 수소를 방출(탈수소화)시키는 기술입니다. 현재 운반체에는 액체 유기 수소 운반체(LOHC), 금속수소화물 (Metallic Hydride), 액체 암모니아(liquid ammonia) 등이 포함됩니다.

 

 

참조: Energy.gov

 

고압으로 압축하면 수소가 압축되어 수소 저장 용기에 충전됩니다. 이 수소 저장 방법은 현재 가장 일반적으로 사용되는 성숙한 기술입니다.

 

수소 용기 제조용 재료도 다양한 세대를 거쳐 다른 표준을 형성했습니다.

타입 I - 전체 금속 탱크

타입 II - 전체 금속 후프 랩 복합 탱크

타입 III - 금속 라이너가 있는 완전히 포장된 복합 탱크

타입 IV - 비금속 라이너가 있는 완전히 포장된 복합 탱크

모든 금속 용기(종종 강철)는 작동 압력이 700bar에 달하는 고압 가스 압축 저장에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 수소 저장을 위해 강철은 바람직한 재료가 아닙니다. 특히 탱크가 빈번한 충전 및 방전을 겪는 경우, 수소가 금속으로 확산되어 수소 취성 불량을 일으키기 때문입니다. 파열되는 경우 강철 파편으로 인해 심각한 부상을 입을 수 있습니다. 강철 용기는 무겁고 중량 저장 밀도가 낮습니다. 이러한 문제는 얇은 알루미늄 라이너에 폴리에틸렌 또는 탄소 섬유와 에폭시 수지로 구성된 복합 재료로 만들어진 용기를 사용하고 재료 포장 방법을 개선하여 해결할 수 있었습니다.

 

이러한 다른 타입의 용기는 특성이 다르므로 목적에 맞게 다르게 사용됩니다: 다양한 수소 응용 시나리오에 따라 운송, 고정식 수소 저장 및 온 보드 수소 저장 등.

 

(1) 고정식 수소 저장 및 운송 저장

다운 스트림 온 보드 저장 압력 수요에 따라 45MPa(35MPa 탱크에 공급) 및 98MPa(70MPa 탱크에 공급)의 두 가지 저장 압력을 사용할 수 있습니다. 모든 고압 저장 탱크를 구입하는 대신 수소 스테이션은 캐스케이드 저장 시스템을 사용하여 필요한 압축 압력, 압축 시간 및 전체 시스템 비용을 최소화할 수 있습니다. 저압(20-30 MPa), 중압(30-40 MPa), 고압(40+ MPa). 때때로 수소 저장 튜브 트레일러는 충전소 내 저장 시설로도 사용됩니다.

현재 국내 수소충전소에는 두 가지 주요 타입의 고압 수소 저장 용기가 있습니다. (그림 2).

- 심리스 튜브 (타입 I 저장 용기): 중국의 HRS(수소충전소)에서 가장 널리 적용된 저장 탱크. 보통 20MPa (운반 및 고정식 사용, 더 일반적으로 사용) 및 45MPa (고정식 사용 전용)가 있습니다.

- 고정된 플랫 스틸 리본 감김 탱크: 국내에서 출시된 기술. 중국이 저장 용기의 설계 및 제조에 완전히 독립적인 지적 재산권을 갖추고 있습니다. 일반적으로 45MPa (용량 20m3에 도달할 수 있음)와 98MPa (용량은 1 M3에 도달할 수 있음)가 있습니다.

- 타입 III 저장 용기: 45MPa와 98MPa 유형이 있습니다. 20MPa 심리스 튜브와 비교하여 더 높은 저장 압력은 더 적은 공간이 필요하며 수소를 더 많이 저장할 수 있습니다. 그러나 기술적인 제약으로 인해 타입 III를 제조할 수 있는 회사는 그리 많지 않습니다. 중국에서 널리 적용되기 전에 더 많은 R & D 작업이 필요합니다. 그러나 현지 수소 수요가 증가함에 따라 HRS에서의 높은 저장 용량이 필요하지만, 타입 III 탱크는 중국의 HRS에서 가장 일반적으로 적용된 타입 I 탱크를 대체할 수 있습니다.

 

참고: 공개정보, Integral 요약

 

2) 온 보드 수소 저장

타입 I 및 타입 II 탱크는 차량의 전반적인 효율을 정의하는 데 중요한 역할을 하는 자동차 애플리케이션의 경우 비실용적입니다. 이와 같이, 고압을 개발하는데 있어서, 경량 차량을 위한 압축 탱크를 개발하는 가장 최근의 노력은 타입 III 및 타입 IV 탱크에 초점이 맞춰져 있습니다. 두 가지 유형 모두에는 작동 압력이 두 가지가 있습니다: 35 MPa 및 70mpa. 더 널리 사용되는 타입 IV 탱크가 더 널리 사용되지만 타입 III 탱크는 여전히 중국에서 시장 지배하고 있습니다. 특히 35MPa 탱크. (70MPa 타입 III는 현재 테스트 유효성 검사의 최종 프로세스 중임. 그림 3 참조)

참고: 공개 정보, Integral 요약

 

이와 반대로, 수소 가스의 누출로 인한 타입 IV 탱크에 대한 사고가 있었기 때문에 중국에서 판매되는 것은 금지되어 있었습니다. 또한 다른 요인들은 타입 IV 탱크 유형의 개발을 제안해왔습니다. Toray Industries의 탄소 섬유, 예를 들어 외국 공급 업체에 대한 중대한 의존도는 탱크의 가격과 성능을 크게 제한했습니다.

그럼에도 불구하고, 타입 IV 저장 탱크는 여전히 많은 측면에서 타입 III 탱크 유형에 대한 이점이 있습니다. 예를 들어, 무게가 적고, 수명이 깁니다. 일부 탱크 실패(폭발)은 수소 취성에 강한 비금속 재료를 사용하여 피할 수 있습니다. FCEV 개발을 통해 장기적으로 수소 공급 인프라가 도심에서 완전히 구성되고, FC 승용차 차량이 의미 잇는 숫자로 성장하기 시작할 것입니다. FC 승용차의 더 높은 중량 민감도는 타입 IV 탱크를 보다 유리하게 만들 것입니다. 최근까지 중국의 타입 IV 탱크의 표준화 작업이 다시 수용된 것은 아니지만, 타입 IV 탱크의 R&D와 시장 개발이 여전히 학계와 산업 측면에서 주목을 불러일으킬 수 있습니다.

일부 시장 선수들은 이미 비즈니스 감각과 추세에 대한 빠른 반응을 보여주었습니다. 이미 타입 III탱크에서 이미 선두인 Shenyang CLD는 제5회 FCVC (연료 전지 차량 의회)에서 비판매용 70MPa 타입의 IV 수소 저장 용기를 보였습니다. (그림 4).

 

참고: 제5회 FCVC 전시회

 

고압 기체 수소와 비교할 때 극저온 수소 저장은 다음과 같은 몇 가지 장점이 있습니다.

- 더 높은 수소 저장 용량 및 더 낮은 저장 압력: 요구되는 수소 스테이션 크기를 줄이는 것은 물론 미래에 더 많은 수소 수요에 적응할 수 있습니다.

- 높은 수소 순도: 연료 전지의 수명을 연장할 수 있습니다. 액화 과정에서 불순물도 고형화되어 순도를 더욱 향상시킬 수 있습니다.

- 대용량 및 장거리의 경제적 이점: 경제적 계산에 대한 자세한 내용은 "중국의 수소 운송 비용 분석" 블로그를 참조하십시오.

현재 수소전기차에 사용되는 수소에 대한 시장 수요가 충분히 발달하지 않아 생산 및 운송 비용이 여전히 높습니다. 따라서 대부분의 액화수소 프로젝트는 중국에서 군용으로 사용됩니다. 예를 들어, Hinan Wenchang 로켓 발사 기지, Xichang 로켓 발사 기지 등. 민수용 액체수소 시장은 아직 초기 단계에 있으며 상업적 응용 분야의 산업 표준은 아직 개발되지 않았습니다. (액체 수소 생산, 저장 및 운송 안전에 관한 최초의 산업 표준 초안이 2019년에 마침내 발표되었으며 현재 최종 평가 과정 중입니다).

수소 및 수소전기차 산업의 발전으로 수소 수요는 크게 증가할 것으로 예상됩니다. 또한 일부 지역의 수소 수요와 공급 불균형에 직면하여 수소가 풍부한 지역에서 수요 지역으로의 수소 운송도 나타날 것입니다. (예: 과량의 수소가 생성될 재생 에너지 원 지역) 규모의 경제는 극저온 수소를 통한 운송을 더욱 매력적으로 만들 것입니다.

중국에는 현재 기본적으로 두 가지 유형의 민간 액체 수소 프로젝트가 있습니다.

1) 민간 기업이 주로 역 사용을 위해 수행하는 프로젝트

2) 주로 에너지 관리를 위해 공기업이 수행하는 작업(축소된 재생에너지 전력을 사용하는 확장 프로젝트). (그림 5).

“Sunny: Is SOE means State Owned Enterprises?

후자는 훨씬 더 큰 용량을 가지고 있으며 전자의 프로젝트보다 10배 또는 100배 더 클 수 있습니다. 이것들은 데모 프로젝트 역할을 하며 완전히 상업화되는 데 몇 년이 걸립니다.

 

참조: 공개정보, Integral 요약

 

1958년에 설립된 중국 최대 규모의 가장 다재 다능한 첨단 항공우주 전력 연구 및 테스트 기지입니다. CASC(航天科技/항공 우주 과학 및 기술) 산하 연구소로서 Institute 101의 강점은 수소에너지 장비 시험 능력입니다. 수소 연소, 확산 및 폭발 실험 등과 같은 액체 수소 관련 테스트 등을 예를 들 수 있습니다. Institute 101은 군용 액화수소 분야의 선두주자로서 민간분야 액화수소 활용을 촉진하기 위해 '군민통합'을 적극 추진하고 있습니다. "수소 에너지 및 연료 전지 산업 발전에 관한 국제 회의"에서 수석 엔지니어인 Zhao Yaozhong의 연설에 따르면 Institute 101은 액화수소 기술 진흥을 위해 온 보드 액체 수소 공급 시스템, 수소 스테이션 개발 및 검증, 관련 수소 표준 등을 포함한 기술과 경험을 제공할 것입니다. (더 자세한 정보는 Hydropedia를 참조하시기 바랍니다)

 

2016년 8월 등록 자본금 1억 3100만 위안 베이징에 설립되었으며, Fullcryo의 기술 기반은 중요 과학 장비를 위한 국가 프로젝트에서 물리 및 화학, CAS 및 조사 성과를 이룬 전문가 집단으로 구성되어 있습니다. Fullcryo는 작동 온도가 20K 이하인 대규모 극저온 장비의 R&D 및 제조를 전문으로 하며, 수소 액화, 액화 수소 저장 및 운송, 수소 충전소를 위한 풀 세트 솔루션을 개발하여 수소 저장 및 운송 비용을 실질적으로 줄이고 수소 에너지의 대규모 적용을 더욱 촉진합니다. (더 자세한 정보는  Hydropedia를 참조하시기 바랍니다)

 

LOHC 기술은 주로 방향족 탄화수소 또는 헤테로고리 물질인 액체 유기 운반체(LOHC)에 수소의 화학 결합을 기반으로 합니다. 로딩은 발열 수소화 반응을 통해 발생하고, 흡열 탈수소화를 통해 방전됩니다. 일부 다른 화학적 수소 저장 공정과 달리 이러한 반응은 가역적입니다.

캐리어 분자는 로드(LOHC+) 상태와 언로드(LOHC-) 상태 사이에서 순환합니다. LOHC 분야의 세계적인 연구 및 개발 작업은 dibenzyltoluene(Hydrogenious, 독일), 벤젠 또는 톨루엔(Chiyoda, 일본) 및 N-Ethylcarbazole(Hynertech, 중국)과 같은 다양한 LOHC 물질을 기반으로 합니다.

다른 기술과 비교할 때 LOHC를 통한 저장은 다음과 같은 몇 가지 장점이 있습니다:

- 취급 용이성: 주위 온도 및 압력에서 보관하여 수소 취급 비용을 크게 절감합니다. (큰 액화 또는 가스 압축 비용 없이).

- 간편한 운송: 기존의 화학 물질을 사용하여 기존 석유 및 화학 물질 인프라를 보관 및 운송에 사용할 수 있습니다.

- 화학적 안전성: 이미 액화약품(LOHC+가 적재됨)으로 전환되어 장기간 보관 및 장거리 운송에 따른 손실이 매우 적음.

중앙 LOHC 수소화 플랜트의 향후 운영은 출력 제한(Curtailed)된 재생에너지 생성 수소가 대량으로 생산되어 장기간 저장되는 위치에서 가능합니다. 적재된 LOHC+는 표준 화학 탱크 트럭을 통해 탈 수소 시스템이 장착된 수소 충전소로 운송될 수 있습니다. 그곳에서 필요할 때 수소를 생산해 기존 수소 충전소 기술에 통합할 수 있습니다.

 

2014년 중국 지구과학대학(우한)의 Hansong Cheng 교수와 그의 파트너가 공동 설립한 Hynertech는 LOHC 기술을 사용하여 수소를 저장하고 수송하는 첨단 기술을 개발했습니다. Hynertech은 표준화 작업에 앞장서고 있습니다. 자체 기업규격을 발표했을 뿐만 아니라 2020.5.에 공식 발표된 <수사 첨가 액체유기수소수소 담체의 수소저장밀도 측정 - 물 치환법> 등 협회 기준 초안 작성에 앞장서고 있습니다. (더 자세한 정보는 Hydropedia를 참조하시기 바랍니다)

 

금속 또는 합금도 수소 저장을 위한 담체로 적용될 수 있습니다. 촉매가 있는 상태에서 수소 분자는 원자로 해리되어 금속 격자로 확산되어 Metallic Hydride를 형성합니다.

Li, Be, Na, Mg, B 및 Al과 같은 경금속은 다양한 금속-수소 화합물을 형성합니다. 그것들이 특히 흥미로운 한 가지 이유는 중량 측정 저장 밀도를 증가시킬 수 있는 가벼운 무게 때문입니다. 마그네슘(Mg) 및 그 합금은 높은 수소 저장 용량과 저렴한 비용으로 인해 온 보드 수소 저장을 위한 많은 연구가 진행되고 있습니다. 또한 마그네슘(Mg) 기반 하이드라이드는 내열성, 진동 흡수, 가역성 및 재활용성과 같은 우수한 품질의 기능적 특성을 가지고 있습니다. 따라서 최근 몇 년 동안 새로운 기능 재료 개발을 위해 마그네슘(Mg) 합금의 특정 재료 특성에 대한 연구에 많은 관심을 기울이고 있습니다.

형성된 Metallic Hydride는 적당한 온도와 압력에서 고체 상태의 수소 저장으로 이어지며, 이는 기체 및 액체 저장 방법에 비해 중요한 안전 이점을 제공합니다. 그러나 Metallic Hydride를 저장 재료로 상용화하기 전에 해결해야 할 더 많은 문제가 있습니다:

- 적합하지 않은 흡착/탈착 공정: 고온(200~500°C)이 필요하며 탈착 속도가 느립니다. 최근 몇 년 동안 탈착 온도를 낮추고 재수소화 반응을 고정시키기 위해 Mg 기반 Metallic Hydride에 많은 노력이 집중되었습니다. 이는 하이드라이드의 안정성을 감소시키는 원소로 볼-밀링하고 적절한 촉매를 사용하여 흡수/탈착 반응 속도를 개선함으로써 하이드라이드의 미세 구조를 변경함으로써 어느 정도 달성할 수 있습니다.

- 충분치 않은 저장 용량: 현재까지 희토류 기반 물질(희토류 금속, Ti, TiV 시스템)은 고체 상태 수소 저장에서 더 성숙합니다. 이들 소재 중 TiMn 기반 소재는 이미 FC 버스의 온 보드 수소 저장 장치에 적용되고 있습니다. 그러나 금속은 원자량이 높기 때문에 저장 용량은 여전히 낮은 수준(~2.6%)입니다. 용량을 더 늘리기 위해 경량 금속 기반 재료에 더 많은 노력을 기울일 것입니다.

- 높은 재료비: 한편, 수소저장재료의 원자재 가격은 비철금속 원자재의 가격 변동으로 인해 크게 변동합니다. 반면에 이러한 재료의 시장은 여전히 작고 규모가 크지 않아 제조 비용이 더 많이 듭니다.

위에서 언급한 문제들을 고려할 때, 신뢰성 있는 수소 저장 물질의 연구 개발 및 응용을 개발하는 것이 특히 중요합니다.

 

H2 Store(Shanghai)는 고체 수소 저장 기술을 전문으로 하는 회사입니다. 그 사업은 고체 수소 저장 기술 및 제품의 R&D, 제조 및 판매를 포함합니다. 2019년 1월 24일 Jiaotong University Hydrogen Science Center와 Shanghai Hyfun Energy Technology가 Hyfun의 업스트림 수소 저장 및 운송 개발 전략의 일환으로 공동 설립했습니다.

H2 Store는 주로 Mg 기반 물질을 수소 저장 캐리어로 사용합니다. 2015년에 H2 Store는 7.6wt%의 저장 용량을 달성했으며 연간 20-50톤의 확장된 생산 용량으로 2018년까지 산업용 수소 저장 제품에 Mg 기반 Metallic Hydride를 공식적으로 사용하기 시작했습니다.

2019H2에 H2 Store는 Jiangsu, Rugao에 H2 Store(Jiangsu)를 설립하고 2억 4천만 RMB를 투자하여 Mg 기반 수소 저장 재료의 생산 기지를 구축했습니다. 프로젝트는 2단계로 구성됩니다. 1단계는 주로 R&D 센터와 일부 생산 라인을 설정하고 2단계는 용량 확장입니다. 1단계는 2020년 말까지 완료될 예정이며, 그 후 연간 생산 능력은 400Mg 기반 고체 상태 수소 저장 차량, 300개의 수소 저장 탱크, 200세트의 유연한 수소 저장 장비에 도달하게 됩니다.

 

 

참조: Integral 리포트

 

Sep 18, 2020  Sep 18, 2020  Stefanie AO, Director, INTEGRAL