액체수소 기반의 수소에너지 시대를 준비하고 있는 ‘MetaVista’

이기암 기자 / 기사승인 : 2019-09-18 12:00:08
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▲ 메타비스타 이희주 박사는 한국은 수소사회를 실현해야 한다는 정부의 의지나 분위기는 굉장히 선도적이지만 그에 대한 실질적인 조치가 아직 미흡한 상태며, 특히 액체수소 관련 인증 기준 및 법, 규정 제정과 부적절한 규제와 제도를 정비해 원활한 연구개발 및 상업화가 이뤄지도록 해야 한다고 말했다. ⓒ이기암 기자

 

기획취재 순서


1. 에너지 패러다임의 변화, ‘수소’ 미래의 대체에너지가 될 것인가?
2. 토요타시의 친환경차량 보급 정책 ‘사쿠라 프로젝트’
3. ‘전기차 VS 수소전기차’ 앞으로 향방은 어떻게?
4. 액체수소 기반의 수소에너지 시대를 준비하고 있는 ‘MetaVista’
5. ‘수소 스마트 시티 계획’을 선포한 고베, 일본의 수소산업 전략은?

 

액체수소의 대중화는 언제쯤?

장기적으로 수소의 대량저장 및 운송을 위해서는 저장밀도의 한계를 지닌 압축수소 방식을 대신해 액화수소, 액체수소 형태로 가야 한다. 정부가 발표한 수소경제사회 로드맵이나 해외의 로드맵 등을 보면 액체수소의 초기 보급은 2020년대 후반에, 실질적인 대중화는 2030년대 중반 이후가 될 것으로 보인다. 액체수소 기반의 신재생 수소에너지 전문기업 ‘MetaVista(메타비스타)’의 이희주 박사는 한국의 액체수소 대중화는 액체수소의 안정적 대량공급(국내 액화 플랜트에 의한 생산 또는 해외 액체수소 수입), 액체수소 기반 인프라 구축 (액체수소 기반 충전소, 액체수소 이송 시스템 등), 액체수소 활용 어플리케이션 보급 등이 잘 이루어져야 실현 가능할 것이라고 말한다. 이 박사는 “메타비스타는 대량생산 및 운용에 집중돼왔던 액체수소 기술보다는 무인기용 초경량 액체수소 연료탱크, 모듈형 소형 액화기, 액체수소 충전 시스템 등 새롭게 창출하는 시장에 대한 경쟁력을 확보를 위해 원천기술을 개발하고 있으며, 이를 기반으로 중·대형화 기술까지 확보해 선진국과의 기술격차를 줄여나가는 전략을 갖고 있다”고 설명했다.

액체수소 플랜트 건설의 필요성

수소 액화는 국책 연구과제로 액체수소 플랜트 핵심 개발을 추진 중이라고 한다. 현재 세계적으로 대형 수소액화 플랜트를 설계 및 제작할 수 있는 국가는 미국(Air Products 등), 독일(Linde), 프랑스(Air Liquide) 등이고, 이들로부터 기술을 전수 받은 일본과 중국 등이 중형급플랜트를 제작하고 운영할 수 있는 상황이다. 미국의 경우 수소 육로운송의 약 80% 정도를 액체수소가 차지하고 있고, 신규 수소 수요를 충족하기 위해 하루 30톤 규모의 액체수소 플랜트 4기를 건설하고 있다. 일본은 일본우주항공국인 JAXA가 미 NASA로부터 70년대 후반 액체수소 추진체 기술을 이전받은 후, 이와타니사가 LINDE 기술을 기반으로 만든 액화 플랜트를 운영하고 있다. 일본은 현재 4기의 수소액화 플랜트를 운영하고 있는데, 추가로 2기를 더 건설 중이다. 일본의 이와타니사는 일본 수소유통의 약 60%를 담당하고 있고, 액체수소를 통한 유통이 전체 유통의 40% 이상이며 앞으로도 액체수소를 통한 유통을 더욱 확장하려고 계획 중이다. 임한권 울산과학기술원 교수도 지난 5월 열린 수소 토론회에서 “최근에는 액상 수소화물 저장이 안전하고 경제적인 수소저장 및 이송기술로서 많은 관심을 받고 있으며, 이에 수소의 저장 및 이송과 관련된 기술적, 경제적 타당성 연구가 반드시 선행돼야 한다”고 강조했다. 유럽에서는 수소전기차가 버스나 트럭 등 대형차로 수요증가 추세에 있고 이러한 움직임은 수소를 대량으로 사용해 수소생산과 저장, 공급이 쉬운 액화수소 플랜트의 필요성이 커질 것으로 보인다. 하지만 한국은 액체수소를 생산하고 활용한 경험이나 대형 액화플랜트 제작기술과 액체수소 대량운용기술이 아직 없다. 대형액화뿐 아니라 중소형 액화 기술과 액체수소 활용기술도 반드시 확보해야 할 분야이다. 또 전문가들은 지금은 액체수소 대중화를 논할 때가 아니라 작은 시스템을 기반으로 학교, 연구소, 기업 등이 다양한 실증 연구 및 운용 테스트를 진행해야 하며, 이와 함께 액체수소 전문인력이 안정적으로 양성돼야 액체수소 대중화가 현실화될 수 있다고 본다.

 

▲ 소형 드론용으로 개발된 메타비스타의 액체수소 저장 탱크는 수 리터에서 수십 리터급, 에어택시 등의 승객용 드론 탱크는 1000L까지 다양하게 사용자의 요구에 맞춰 주문이 가능하다. 사진은 메타비스타의 2.5L와 6.0L의 드론 탱크 ⓒ이기암 기자


액체수소 분야 선도기업 ‘메타비스타’의 수소장비들

(1) 극저온 냉동기 기반 모듈형 수소액화기

메타비스타는 다양한 용량과 방식의 수소액화기 또는 액화플랜트 설계에 대한 원천기술을 보유하고 있다. 독일, 일본, 미국 등 선진화된 액체수소기술을 보유한 나라들은 하루 생산량이 톤 단위를 넘는 대형 수소액화 플랜트를 가지고 있다. 우리나라도 국토부에서 하루에 0.5톤 되는 것들을 만들고, 톤으로 되는 것들을 실증화 단계까지 갈 수 있게 하려고 한다. 그때가 되면 큰 액화기들은 물론 소형화된 다양한 액화 용량의 시스템들도 필요할 것이다. 이러한 필요성에 부응하기 위해 메타비스타는 ‘극저온 냉동기 기반 모듈형 수소액화기’의 원천설계기술을 확보했고, 이중 소형 모델을 개발 완료해 1년 이상 아무 문제 없이 24시간 운전 중이다. 이 모듈형 수소액화기는 장소의 제약 없이 어디에서든 액체수소를 공급할 수 있고, 기존의 중형 액화 플랜트에 비해 제작 및 설치 기간이 단축되고 모듈화 설계로 규모를 키우기(scale-up)가 쉽다. 이밖에 다양한 액화량 요구에 탄력적으로 대응이 가능하며 원터치(One-touch) 자동운전 및 간편한 유지보수가 장점이다.

(2) 드론/차량용 액체수소 기반 수소충전 시스템

액체수소 기반 수소충전 시스템은 고압기체수소 충전 시스템에 비해 이송 및 저장에 있어 10배 이상의 경제성 향상이 예상되며, 대량의 수소를 액체수소 형태로 대기압 부근의 낮은 압력으로 안전하게 대량 저장할 수 있다. 또 주요 장치의 자체 설계 및 부품 국산화를 통해 엔지니어링 비용이 감소하고, 컴팩트한 시스템으로 소요 부지 최소화 및 공간 활용이 극대화돼 도심 설치에 용이하다. 이밖에 고압기체/액체/극저온고압기체 충전이 동시에 모두 가능한 다목적 수소충전 시스템으로 드론이나 차량 등에 공히 적용될 수 있는 장점이 있다.

(3) 수소누출 감지센서

메타비스타는 최근 저렴하면서도 수소감지도가 높은 신개념의 수소 센서들을 다양하게 선보였다. 수소에 노출되면 변색이 되는 물질개발과 합성의 원천기술 보유자인 메타비스타 사외이사 ‘알리 라이시’ 박사는 다양한 물질제조법을 넘어서서 차세대 응용기술들을 빠른 속도로 개발하고 있는 중이다. 수소감지 문제를 저렴하면서도 편리하게 해결할 수 있는 수소 누출 감지용 액상형 수소센서가 상용화됐고 이어 페인트, 스프레이, 테이프 등의 형태로 제품화되고 있다.

(4) 항공용/육해상용 액체수소 저장 탱크

소형 드론용으로 개발된 액체수소 저장 탱크는 수 리터에서 수십 리터급, 에어택시 등의 승객용 드론 탱크는 1000L까지 다양하게 사용자의 요구에 맞춰 주문이 가능하다. 이 초경량 저장 탱크는 초경량 소재 및 세계 최고 수준의 극저온 단열을 적용하고, 영하 253°C의 극저온에서 운용의 안정성을 확보한다. 사용자의 요구에 따른 수소기화량 조절이 자유자재로 가능하고, 다양한 출력의 수소연료전지에도 적용이 가능하다. 장기간 비행 및 고출력이 요구되는 물류, 소방과 방재, 영상과 미디어, 농업 및 자원탐사, 국방, 승객용 드론 등 가벼우면서도 대량의 수소저장이 요구되는 항공용에 적합하다. 메타비스타는 이 드론용 탱크의 기술 수준을 공식적으로 세계에 증명하기 위해 2019년 1월 3일 6시간 자체비행을 시작으로, 1월 23일에는 10시간 50분을 비행했으며, 2019년 4월 3일에는 12시간 7분 5초로 ‘원격 조종형 멀티콥터 장기 비행 분야’ 기네스 신기록을 수립해 공식 등재됐다고 밝혔다. 또한 육해상용 저장 탱크는 1000L부터 수만 세제곱미터에 이르는 대형 액체수소 수송선용 탱크까지 설계기술을 확보하고 있다. 최적화된 구조설계 및 세계 최고수준의 극저온 단열 기술을 적용해 장기저장 시 구조적인 안전성 확보와 기화손실율을 최소화하고 액체수소의 이송 및 벙커링 기술에 대한 노하우를 보유하고 있다. 주로 고출력 연료전지와 연계돼 대용량 고효율 수소저장이 요구되는 대형버스, 열차, 선박, 액화플랜트, 수소발전소 등에 널리 활용될 것으로 예상하고 있다.

 

▲ 수소 인프라 확충을 위한 독일의 H2 모빌리티는 에어리퀴드, 다임러, OMV, 쉘, 토탈, 린데 그룹 등 6개의 민간 기업으로 이뤄졌다. 독일의 H2 모빌리티는 약 70개의 수소충전소 운영을 맡고 있고, 2025년까지 400여 곳의 수소충전소를 확충할 계획으로 알려졌다. 사진은 독일 함부르크의 수소충전소 모습. ⓒ이기암 기자

 

▲ 독일 함부르크 시내의 수소충전기의 모습. 독일은 2007년부터 연방정부 차원에서 ‘수소 및 연료전지 기술 국가 혁신 프로그램’을 시행하고 있다. 독일 연방정부는 2016년까지 수소 인프라 구축을 위해 5억 유로를 지원했으며, 2025년까지 수소 인프라 구축과 기술개발을 위한 2차 프로젝트를 추진 중이다. ⓒ이기암 기자

 

액체수소 시대를 대비하기 위한 ‘메타비스타’의 계획 

 

메타비스타는 최근 6L 용량의 소형 액체수소탱크로 12시간 7분의 수소연료전지 드론 장기체공을 실현했다. 이 결과에서 잘 알 수 있듯이 액체수소 탱크는 대기압 부근의 낮은 저장압력으로 인한 우수한 안전성, 높은 에너지밀도(디젤의 4.1배, 이차전지의 약 120배), 연료 자체의 경량성(액체수소 1L=71g) 등으로 인해 다양한 수소 모빌리티(드론, 승용/상용차량, 버스, 트럭, 기차, 선박, 비행기) 분야의 동력원으로 활용할 수 있는 다양한 장점을 보유하고 있다. 이러한 액체수소를 효율적이고 안전하게 사용할 수 있게 하는지가 핵심인데, 액체수소의 생산/저장/이송/충전/사용의 각 단계별 시스템을 안전성, 편리성, 경제성을 염두에 두고 구축해야 할 것으로 보인다. 메타비스타는 액체수소 연료탱크(드론용, 차량용, 선박용 등)를 중심으로 모듈형 수소액화기(중/소형), 액체수소 기반의 충전 시스템, 액체수소 저장 및 이송 탱크 등 액체수소 생태계에 꼭 필요한 구성요소들을 소용량부터 점진적으로 대용량으로 개발하고, 단계별로 상용개발품을 제품화해 출시하는 기본 전략을 갖고 있다. 이외에도 수소 사용에 있어 가장 중요한 요소 중 하나인 미량의 누출 수소를 신속하고 효과적으로 감지해 사고를 방지할 수 있게 해주는 ‘수소누출 감지용 액상형 차세대 수소센서’를 개발 완료하고 곧 상용화 단계에 들어갈 예정이다. 또한 다양한 목적(영상촬영, 소방방재용, 자원탐사용 및 감시용 등)의 액체수소 드론들을 실제 시연해 액체수소 활용 시스템의 우수성을 적극적으로 홍보하고, 국내 활용을 위한 인허가, 규정 및 법적 인프라가 확보되는 것에 발맞춰 다각적으로 상업화할 계획이며 이미 제반 액체수소 활용 인프라가 갖춰진 해외에 수출하는 사업도 적극 추진 중에 있다.

‘넥쏘’가 액체수소를 쓰지 않는 이유는?

메타비스타 이희주 박사는 넥쏘가 액체수소를 쓰지 않고 기체수소를 쓰는 이유에 대해 간략히 설명했다. 첫째, 인프라 문제다. 현재 국내의 수소충전 인프라는 압축기체방식의 충전 인프라가 대부분이지만 미국, 일본, 독일 등에서는 액체수소 기반의 수소충전소를 시범적으로 운영하고 있다. 즉, 액체수소 형태로 이송 및 저장했다가 액체 상태에서 가압시킨 수소를 기화시켜 고압기체로 충전하는 방식으로 운영되고 있다. 둘째, 연료탱크 수소저장량의 문제다. 연료탱크 수소저장량에 있어서 넥쏘의 경우 스포츠유틸리티급 차량으로 2.1kg 고압기체(700기압) 수소탱크 3기가 장착되면 되는 정도이므로 현재의 복합소재 압력용기를 활용하는 것이 용이하다. 그러나 버스나 트럭 등 대용량 수소저장 탱크가 요구되는 경우에는 고압기체 탱크는 낮은 수소저장 밀도와 큰 중량 및 높은 비용 등으로 인해 적용에 한계가 있는 실정이다(현대차 수소버스의 경우 20kg의 수소를 고압탱크에 탑재했으나, 안정적 운영을 위해서는 40kg 이상의 수소 충전량이 필요하다). 셋째, 액체수소 기화손실(Boil-off) 문제도 있다. 액체수소 연료탱크를 활용할 경우 열 유입을 완전히 막을 수는 없으므로 일정량의 액체수소가 기체화되는 현상을 피할 수는 없다. 따라서 충전하고 지속적으로 사용하거나, 장기간 사용하지 않을 시 액체수소를 관리(안전배출)해줘야 하는 문제가 발생한다. 그러므로 현재 액체수소 연료탱크를 개인이 사용하는 승용차급 수소전기차에 활용하기는 어려운 실정이다. 그래서 BMW의 경우 미국 LLNL 연구소와 액체수소를 기화시켜 극저온 상태에서 고압으로 압축해 저장하는 CCH2(극저온 압축수소) 기술 개발을 진행하고 있고, 이를 상용차급에 활용하기 위한 연구개발을 활발히 수행하고 있다. 이 박사는 액체수소 연료탱크는 대형화물차, 기차, 선박 등 대형탱크가 필요한 경우(업체 등에 의한 액체수소의 안전한 관리가 가능한 분야)부터 적용될 수 있으며, CCH2 탱크는 dormancy(운휴 상태에서 수소 배출 없이 안정상태를 유지하는 시간) 향상 기술이 성공적일 때 본격적으로 활용될 수 있을 것으로 전망했다. 이 박사는 “탱크 용량이 작을 경우에는 700기압 고압탱크를 사용해도 별 문제가 없으나 앞으로 더 큰 저장량이 요구될 경우 700기압 이상의 탱크는 압력 증가에 따른 저장량 증가 효과보다는 초고압을 견뎌야 하기 때문에 중량 및 단가가 대폭 늘어나므로 실익이 없을 것”으로 보고 있다. 또한 향후 액체수소 또는 액체수소를 활용한 CCH2 탱크에 대한 요구가 커질 것이고, 충전소도 대용량을 연속충전하기 위해 현재 기체압축 방식의 충전소가 아니라 액체수소를 저장하고 이를 기화해 충전하는 액체수소 기반의 충전소가 빠른 속도로 확산될 것이며 액체수소를 충전할 수 있는 인프라가 증가하면 이에 맞춰 액체수소 및 극저온 압축수소(CCH2)를 이용한 차량이 개발돼 보급될 것으로 예상된다.  

 

▲ 최근 액상 수소화물 저장이 안전하고 경제적인 수소 저장 및 이송 기술로서 많은 관심을 받고 있다고 한다. 사진은 메타비스타의 액체수소 생산설비 ⓒ이기암 기자

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