이전에, 수소 저장 용기에 대해 언급했었는데, 용기에 저장할려면 '수소 저장 기술'이 필요하다.
왜냐..수소는 엄처어엉 가볍기에 그냥 날라가버린다. 그렇기에 저장 기술이 필요한데 어떤 기술들이 있을까?
1. 왜 수소는 '저장'하는 것이 가장 어려울까?
친환경 미래 에너지를 논할 때 수소는 빠지지 않고 등장하는 주인공입니다. 수소를 연소시키거나 연료전지에 집어넣으면 미세먼지나 온실가스 대신 순수한 물만 배출되기 때문에, 기후변화 위기를 극복할 유일한 대안으로 꼽히기 때문입니다.
하지만 수소 경제를 실제로 구현하기 위해 넘어야 할 가장 거대한 기술적 장벽이 존재합니다.
그것은 수소를 만드는 생산(Production)이나 사용하는 활용(Utilization)이 아니라,
바로 '저장(Storage)과 수송(Transportation)'입니다.
그렇다면 수소는 왜 이렇게 담아두기가 어려운 걸까요? 비결은 수소 원자의 근본적인 물리적 특성에 있습니다.
- 지구상에서 가장 가벼운 기체: 수소는 원자번호 1번으로, 지구상 존재하는 모든 물질 중 가장 가벼운 원소입니다. 대기압 상태에서 수소 가스 1kg이 차지하는 부피는 무려 11m3 (약 11,000리터)에 달합니다. 이는 웬만한 소형 아파트 방 하나를 가득 채우는 부피입니다.
- 극도로 낮은 부피당 에너지 밀도: 수소는 무게당 에너지 밀도는 가솔린보다 3배 이상 높지만, 부피당 에너지 밀도는 극도로 낮습니다. 즉, 압축하거나 형태를 바꾸지 않고는 자동차 탱크나 선박에 의미 있는 양의 수소를 실을 수 없습니다.
- 미세한 입자로 인한 누출 위험: 수소 분자(H2)는 크기가 너무 작아 금속 격자 사이를 뚫고 들어가는 '수소 취성(Hydrogen Embrittlement)' 현상을 일으킵니다. 이로 인해 일반 강철 가스통에 오래 담아두면 금속이 약해져 균열이 생기거나 가스가 새어나오게 됩니다.
결국 수소를 대량으로, 그리고 안전하게 보관하기 위해서는 수소의 부피를 획기적으로 줄이는 고도의 '수소 저장 기술'이 필수적입니다.
2. 700기압 기체 압축부터 극저온 액화수소까지: 물리적 저장 기술 분석
현재 산업 현장과 상용화 단계에서 가장 널리 쓰이거나 활발히 도입되는 방식은 수소의 상태를 변화시키는 '물리적 저장 기술'입니다. 대표적으로 기체 압축 방식과 극저온 액화 방식이 있습니다.
① 고압 기체 압축 저장 (High-Pressure Gas Storage)
가장 오랜 역사를 가지고 있으며, 현재 수소차(현대 넥쏘 등)와 수소 충전소에서 표준으로 사용되는 방식입니다. 수소 가스에 강력한 압력을 가해 부피를 줄여 담는 원리입니다.
- 기술적 특징: 초기에는 200~350기압 수준이었으나, 현재는 대기압의 700배에 달하는 700바(bar) 수준까지 기술이 발전했습니다. 이를 견디기 위해 특수 고밀도 플라스틱 라이너와 탄소섬유 복합소재를 감아 만드는 '타입 4(Type 4) 용기'가 탑재됩니다.
- 장점: 기술적 성숙도가 높아 즉시 상용화가 가능하며, 충전 속도가 3~5분 내외로 매우 빠릅니다.
- 단점: 고압 상태를 유지해야 하므로 용기의 무게와 부피가 커지고, 대용량 수송을 위한 튜브트레일러 운송 시 한 번에 나를 수 있는 수소의 양(약 300~500kg)에 한계가 있습니다.
② 극저온 액화수소 저장 (Liquid Hydrogen Storage)
수소 가스를 기온을 무려 영하 253℃ (-253℃) 이하로 떨어뜨려 액체 상태로 만들어 저장하는 기술입니다.
- 기술적 특징: 수소가 기체에서 액체로 변하면 부피가 무려 800분의 1로 줄어듭니다. 즉, 동일한 크기의 용기에 기체 상태보다 훨씬 더 많은 수소를 채워 넣을 수 있습니다.
- 장점: 부피가 대폭 줄어들기 때문에 대형 트럭, 대용량 수소 충전소, 수소 선박 등 대량의 수소가 필요한 분야에 최적화되어 있습니다. 수송 효율이 기체 대비 7~10배 이상 높아집니다.
- 단점: 영하 253℃라는 극저온을 유지하기 위해 별도의 냉각 에너지 비용이 많이 들며, 시간이 지나면서 용기 내부의 열 침투로 인해 가스가 증발해 버리는 '증발 가스(Boil-off Gas)' 손실 현상을 완벽히 막아야 합니다.
3. LOHC(액상유기수소운반체)와 수소화물: 화학적·고체 저장 기술의 혁신
물리적으로 압축하거나 냉각하는 방식 외에도, 수소를 다른 물질과 화학적으로 결합시켜 상온·상압에서 안전하게 저장하는 '화학적·고체 저장 기술' 연구도 빠르게 이루어지고 있습니다.
① LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier, 액상유기수소운반체)
LOHC는 특수한 유기화합물에 수소를 화학적으로 결합시켜 상온에서 액체 상태로 저장하는 기술입니다.
- 작동 원리: 수소가 필요한 생산지에서 특수 액체에 수소를 주입(수소화 반응)하여 안정된 액체로 만든 뒤, 유조선이나 탱크로리로 운송합니다. 이후 목적지에 도착해 열을 가하면(탈수소화 반응) 다시 순수한 수소 가스가 추출됩니다.
- 장점: 기존 석유 유통 인프라(주유소, 탱크로리, 유조선)를 그대로 활용할 수 있다는 엄청난 이점이 있습니다. 고압 용기나 극저온 설비가 필요 없어 폭발 위험이 없고 상온에서 장기간 안전하게 보관할 수 있습니다.
- 단점: 수소를 붙이고 떼어내는 과정에서 다량의 열에너지가 필요하며, 이 과정에서 활용되는 촉매의 가격과 효율을 개선해야 하는 숙제가 있습니다.
② 금속 수소화물 고체 저장 (Metal Hydride Storage)
특정한 금속 합금(티타늄, 망간, 니켈 등)이 수소 가스를 마치 스펀지가 물을 흡수하듯 금속 내부 결정격자 사이로 흡수하는 성질을 이용한 고체 저장 기술입니다.
- 작동 원리: 저압 상태에서 금속 합금에 수소를 닿게 하면 금속 수소화물이 되며 고체 상태로 수소가 저장됩니다. 반대로 열을 가하면 저장되어 있던 수소가 밖으로 뿜어져 나옵니다.
- 장점: 대기압에 가까운 저압 상태에서 수소를 고밀도로 담을 수 있어, 현존하는 수소 저장 방식 중 안전성이 가장 뛰어납니다. 총탄에 맞거나 외부 충격을 받아도 폭발하지 않습니다.
- 단점: 금속 합금 자체가 매우 무겁기 때문에 자동차나 비행기처럼 가벼워야 하는 수송용 모빌리티에는 적합하지 않으며, 주로 잠수함, 가정용/건물용 고정형 수소 저장 장치에 활용됩니다.
4. 저장 기술의 한계를 넘어 친환경 수소 사회로 가는 미래 전망
이처럼 다양한 수소 저장 기술들은 서로 우열을 가리는 경쟁 관계라기보다, 각자의 쓰임새와 용도에 맞게 시장을 분할하며 발전하고 있습니다.
| 구분 | 주요 기술 방식 | 핵심 장점 | 주요 적용 분야 |
| 고압 기체 | 700기압 압축 / 타입 4 용기 | 빠른 충전 속도, 높은 기술 성숙도 | 수소 승용차, 수소 버스 |
| 액화 수소 | 영하 253℃ 냉각 | 부피 1/800 축소, 대용량 수송 | 대형 트럭, 수소 선박, 대형 충전소 |
| LOHC | 유기화합물 화학 결합 | 기존 석유 인프라 활용, 상온 장기 보관 | 국가 간 대량 수소 수입/수출 |
| 금속 수소화물 | 금속 합금 고체 흡착 | 극상의 안전성, 저압 저장 | 잠수함, 건물용 고정형 저장소 |
단기적으로는 현재 안정성이 입증된 700기압 고압 기체 저장 방식이 승용차와 버스 시장을 이끌어갈 것 같지만, 장기적으로 수소 경제가 대중화되고, 해외에서 생산된 그린수소를 배로 실어 오는 대량 수송 시대가 열리면 액화수소 기술과 LOHC 기술이 핵심 메인스트림으로 자리 잡게 될 것 같다는 생각이 듭니다.
수소 저장 기술이 발전되면, 수소 사용이 좀 더 확장되고 그러면..자연스럽게 수소연료전지 사업도 확장될거고..!! (ㅠㅠ)