수소경제 핵심 액화수소기술(feat 왜 수소인가?)

수소 경제의 핵심인 액화 수소 기술에 대한 포스팅이다.

 

먼저 아래 뉴스 기사를 한번 보자

 

"수소경제 활성화를 위해 수소 저장 및 운송 기술 확보가 화두이다. 이 중에서도 액화수소 방식의 경제성이 월등한 것으로 분석됐다.

액화수소는 기존 고압기체 튜브트레일러 운송과 비교할 때 70% 이상 운송비 절감이 가능한 것으로 나타났다. "

 

여기서 Keypoint는  수소 저장 및 운송기술이다. 이중에서 우리는 수소 저장 방식으로 액화수소 및 액화수소기술에 대해 알아보고자 한다.

 

최근 한국전기연구원에서 보유하고 있는 액화수소장치에 대해서 뉴스에 나온적이 있다. 

액화수소장치를 보면 이렇게 생겼다.

 

이 장치는 크게 모니터링 시스템, 수소기체컨트롤러, 수소 액화기로 분류된다. 이 장비의 핵심은 수소 액화이다.

출처 : 월간 수소 경제

그럼 이 수소를 왜 액화를 해야 되는지에 대해서 자세히 알아보자.

 

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수소액화기술

수소 액화과정은 간단하게 말하면, 먼저 영하 176도의 액화 질소를 활용한 프리쿨로러 수소가스를 예냉하여 내부로 넣게 된다. 2개의 극저온 냉동기 하단에 결합된 히트 파이프 열교환기를 통해 영하 253도(20K) 이하로 떨어트려 수소를 액화하게 된다. 극저온의 냉동기는 헬륨가스의 반복적인 열팽창과정을 통해 20K 극저온을 달성한다

 

너무 어려우니 하나씩 짚어나가보자 

 

우선 수소에 대해 공부해보자. 아래 그림을 통해 알수 있는 것은 수소는 단위 질량 당 에너지밀도가 가장 높은 에너지원으로서 가솔 린의 3배에 달한다. 그러나 단위 부피당 에너지밀도는 낮아서 가솔린의 1/4에 해당한다. 이로 인해 저장 및 운송기술이 큰 화두로 떠오르는 것이다 !

이 수소를 효율적인 저장, 운송을 위해 중량 당 에너지 밀도가 가장 좋은 수소의 형태로, 또한 부피당 에너지 밀도가 가장 좋은 액화수소의 형태 가 합리적인 방법이다.

 또한 위와 같이 경제적인 측면에서도 액체수소 형태로 운반하는 것이 가장 경제적이다라는 분석 결과도 있다.

 

이런 수소의 액화의 가장 중요한 기술은 초저온 냉각기술이다. 

냉동기의 기본 원리는 냉매를 압축하여 고온에서 냉각하고, 이를 팽창하여 온도를 낮추고, 낮은 온도에서 흡열하는 과정을 수행하는 것이다.

 

이를 활용하는데 가장 흔히 쓰이는 냉각법은 ‘줄-톰슨 효과’(Joule-Thomson effect)를 이용하는 것이다. 줄-톰슨 효과란 현재 사용하고 있는 대부분의 에어컨과 냉장고 등에서 온도를 낮추는 원리다.

 

'줄-톰슨효과'에 대해 조금 이해가 쉽게 다가 오기 위한 설명을 하면 다음과 같다,

압축한 기체를 단열된 좁은 구멍으로 방출시키면 온도가 변하는 현상을 말한다. 이는 분자간 상호작용에 의해 온도가 변하는 현상이다.

※여기서 "단열된" 이게 중요한데, 액화수소의 중요하게 보완이 필요한 사항이 이것이다. 이부분은 별도로 다루도록 하자 

출처 : https://safety1st.tistory.com/11

원리에 대한 개념은 이정도까지만 언급하겠다. 더 깊이 들어가면 한도 끝도 없을것 같다...ㅠㅠ (저의 한계...)

 

 

 

수소의 적용

이렇게 얻은 수소는 앞서 언급한 것 처럼 단위 중량당 에너지 밀도가 가장 크므로 항공기의 추진연료로서 그 가 능성은 충분하다고 볼 수 있으며 Figure 12에 보 이는 바와 같이 액화수소 기반의 연료 공급장치를 적용할 경우 기존 리튬배터리 대비 5~10배의 체 공 시간 확보가 가능하며 300 bar 고압가스저장에 비해서도 2배 이상의 체공시간 확보가 가능하다.

하기 사진은 보잉사의 대형 무인항공기 Phantom Eye (Boeing)로서 2개의 구형 대용량 액화수소 저장 탱크를 적용하여 초고도상공(20 km)에서 1주일 체공 이 가능하다

출처 : 보잉

 

이렇기 때문에 화석연료를 대체할 대체제로 떠오르는것이 수소 이다.

 

이렇게 액화수소기술 및 수소가 왜 화석연료 대체제로 떠오르는지 알아보았다. 

 

다음 포스팅에서는 수소 저장기술에 대해 알아보자.

 

 

[Reference]

월간수소경제

https://www.cheric.org/PDF/PIC/PC21/PC21-3-0020.pdf

https://safety1st.tistory.com/11