1. 서 론
최근 화석연료의 사용량이 갈수록 증가하고 있다. 이는 지구온난화와 급격한 기후변화를 초래하고 있어 오늘날 세계 곳곳에서 이상기후가 자주 목격되고 있다. ‘세계의 에너지 자원 사용가능 연수’에 따르면, 미래에 천연가스는 약 60년, 석탄 약 230년, 석유 약 40년이면 고갈될 것으로 보고되고 있지만[1], 현실은 시추 기술의 발달에 의해 사용 연한이 계속 증가한다는 사실이다. 기후변화의 위기에 직면한 인류이지만 2019년 기준 에너지 생산의 80%는 화석연료에 의존하고 있는 현실이다[2]. 기후변화에 대응하기 위해 현재 인류는 기술 개발뿐만 아니라 사회 다각도에서 다양한 시도를 하고 있다[3-29].
재생에너지는 자연에서 지속적으로 재생되는 에너지로서, 태양광, 풍력, 수력, 지열, 파력, 조력, 바이오매스 형태로 공급되고 있다. 하지만 재생에너지의 근본은 태양의 핵융합, 지구 내부의 핵분열, 행성 간의 인력이다. 재생에너지의 사용은 이산화탄소를 배출하지 않기에 화석연료를 대체할 에너지로 인식되고 있다. 하지만, 재생에너지는 기후, 계절, 시간에 따라 생산량이 크게 달라지고, 최적의 생산량을 얻을 수 있는 장소에 구축되어야 하기 때문에 공간이 한정적이다. 외에도, 현재 주에너지 공급원인 화석연료에 비해 저조한 생산량을 보이는 등의 한계점이 존재한다. 그렇기 때문에 재생에너지를 사용하기 위해서는 효율적인 에너지저장기술이 필요한데 그 저장기술로 사용되는 것이 바로 수소에너지 형태로 저장하는 것이다.
신재생에너지 중 하나인 수소에너지는 에너지를 발생시킬 때 미세먼지 등의 공물질이 발생하지 않고, 부산물로 순수한 물만 배출한다는 점, 재생에너지를 통해 생산된 전기를 이용할 경우 전체적으로 탄소배출이 없다는 점에서 차세대 청정 에너지원이자 에너지 저장 수단으로 주목받고 있다. 2019년 정부는 ‘수소경제활성화로드맵’에서 사회 전반에 에너지공급수반을 목표로 했고, 2040년 에너지 사용량의 대부분을 수소에서 생산하도록 계획하였다[30]. 수소에너지는 우주에서 가장 흔한 물질로 가장 가벼운 물질이면서 큰 에너지를 가지고 있으며 지속가능하고 독성이 없어 화석연료와 다르게 에너지 수송에 이용 가능하면서 환경에 해를 주지 않는다는 특징이 있다. 또한 수소의 질량당 에너지 밀도는 142 kJ/g으로 다른 화석연료와 비교했을 때 천연가스의 3배, 휘발유의 4배로 효율적인 에너지 저장이 가능하다는 것을 보여준다.
이러한 이유로 수소에너지는 화석연료를 대체할만한 에너지이다. 앞에서 언급했듯이 수소에너지는 재생에너지(태양, 바람, 조력에너지 등)에서 생성된 전기의 저장 매체로 사용될 수 있어, 태양광이나 풍력 발전으로 만들고 남은 전력을 수소에너지로 저장하는 P2G 시스템이 각광받고 있다[31]. 또한, Fig 1에서 나타난 바와 같이 수소에너지는 큰 에너지 함량을 가지고 있다[32]. 이러한 특징이 재생에너지의 공급 불안정 해결책이 될 것이며, 궁극적으로 수소에너지는 큰 경제 및 에너지 안보에 이점을 제공할 것이기 때문에 세계적으로 받아들여야 하는 기술이 될 것이다. 미국과 일본, 중국 등 다양한 국가들뿐만 아니라 유럽연합인 EU에서도 수소에너지 관련 기술을 발전시키기 위해 확실한 목표를 가진 로드맵을 발표하고 있다. 그 예로 2019년 1월 17일 우리나라에서 발표한 수소 경제 활성화 로드맵에 따르면 2040년까지 수소 충전소 1200개소 구축, 국내 수소 차 누적 보급 290만대 등을 주요 목표로 세웠다[33]. 또한 IEA에서 발표한 Net Zero 2050 보고서에 따르면 세계적인 수소 사용이 계속해서 증가할 것임을 확실시 했다[34].
수소 경제 활성화를 위해선 생산, 저장, 운송이 원활하게 이루어져야 하지만, 현 시점에서 가장 큰 문제는 저장 부분이다. 현재 상용화되어 가장 많이 사용하고 있는 수소 저장방식은 압축방식으로, 가스압축기를 통해 350bar ~ 700bar의 압력까지 압축하여 사용한다. 이 방식은 가스 압축시 발생하는 열을 제거하기 위해 냉동기가 사용되며 고압 탱크 제조에 사용되는 소재가 저장 비용의 65% 이상을 차지할 정도로 비싸다는 단점이 있다. 또한 수소의 에너지 밀도 측면에서 효율이 떨어지기 때문에 정부에서도 수소경제 로드맵을 통해 액화수소, 고체수소 등 다양한 저장방법을 발전시켜 더 효율적인 저장방식을 위한 계획을 발표했다.
이처럼 효율적인 수소저장방식은 반드시 필요하고 중요한 부분이다. 따라서 이 논문에서는 그 방식중 하나로써 ‘지하저장기술’을 제시하고자 한다[35].
2. 지하저장기술
지하수소저장기술은 기존의 지하저장기술을 이용한 기술이므로, 우선적으로 지하저장기술을 이해할 필요가 있다. 지하에 연료를 저장하는 기술은 예전부터 고려된 기술로 지상부지에 노출이 최소화되기 때문에 훼손될 확률이 적어 유지보수 비용이 줄어들고, 우리나라와 같은 국토가 작은 지역에 유리하다. 또한 지상 공간에 주민들을 위한 시설을 건설할 수 있어 주민수용성이 높아진다[36]. (Fig. 2) 지하저장기술은 지상, 지중의 기술과 비교해보았을 때 장점이 더욱 부각된다. 지상식과 지중식으로 나뉘는 기존 저장방식은 우리나라 기지에서 10만~20만kL, 지하공동식 저장은 최대 150 kL까지 저장이 가능하다. 규모뿐만 아니라 에너지 저장기술은 유지관리 및 보안이 중요하다. 지상, 지중 저장방식은 바닥 Heating 시스템이 필수적이며 테러, 지진에 취약하지만 지하저장시에는 유지관리가 불필요하며, 외부 환경에 의한 피해에 큰 영향을 받지 않는다. 결과적으로 지하저장방식은 대용량 저장이 가능하다는 것과 지상부지를 활용할 수 있으며 유지관리가 불필요하다는 점에서 큰 이점을 가진다. 에너지 저장을 위한 시설 공사비용 또한 중요하다. 50만톤의 용량을 저장하는 시설을 조성하기 위해 필요한 공사비는 지상식의 경우 약 4000억, 지중식 약 5500억, 지하공동식 약 3500억이다. 이처럼 지하저장방식은 기존의 저장방식과 비교하였을 때 큰 이점들을 가지고 있어 미래의 저장 기술로 발전할 가능성을 가진다[37].
지하저장은 세계적으로 연구개발 및 사용되고 있는 기술로, 국제 에너지 기구(IEA)가 2022년, 세계 수소 리뷰 보고서에서 수소의 지하저장이 공급의 변동성을 제어할 수 있는 중요한 역할이라고 주장했다[38]. 지하저장기술은 수소를 저장할 수 있는 매우 효율적인 기술이 될 것이기 때문에, 지하저장기술의 현황을 통해 이 기술이 얼마나 연구 개발되었는지 알아보고자 한다(Fig. 3).
이러한 지하저장기술은 대표적으로 폐유가스전(Depleted reservoirs), 암염돔(Salt caverns), 대수층(Aquifers), 암반공동(Hard-rock cavern)이 있다(Fig. 4).
2.1. 지하저장기술 현황
2020년 지하저장기술의 현황을 통해 크게 세 가지 사실을 알 수 있다. 첫 번째, 지하저장의 양이 크게 늘지 않았다는 것이다. 2020년 말 기준으로, 전 세계적으로 661개의 UGS (Underground Gas Storage) 시설이 운영되고 있다. 전 세계 지하저장된 작업 가스 용량은 4,230억 입방 미터(bcm)로 전년도와 거의 변하지 않았으며 전 세계 가스 수요의 11%에 해당한다[39]. 두 번째로, 소수의 국가만이 지하저장기술을 차지하고 사용하고 있다는 것이다. 미국, 러시아, 우크라이나, 캐나다, 독일은 전세계 천연가스 생산능력의 거의 70%를 차지한다.
마지막으로, 점진적으로 많은 프로젝트가 진행되고 있다는 것이다. 전 세계적으로 점점 더 많은 정부가 공급 보안 제공, 유연성 관리, 생산 및 그리드 운영 최적화, 가격 변동 및 변동성 완화에 있어 UGS의 핵심 역할을 인식하고 있다. 그래서 2019년보다 17% 많은 프로젝트가 진행되었고, 현재 전 세계적으로 68개의 저장 프로젝트가 건설 중이며, 48bcm 만큼의 가스가 저장되고 있다[40]. 아프리카를 제외한 모든 지역이 건설 활동에 참여하고 있고, 2025년까지 전 세계 증설 용량의 약 절반을 중국이 차지할 것으로 예상된다[40,41].
2.2. 지하수소저장기술 유형
지하수소저장기술은 주로 지하에 위치한 자연 또는 인공적인 공간을 이용하여 수소를 저장하는 방식으로, 앞서 언급한 천연가스를 저장하는 기존의 지하저장방식과 동일하다.
첫 번째로, 폐유가스전(Depleted reservoirs)은 가장 널리 상용화된 기술로 원유나 가스를 채굴한 후 지층 속에 다시 천연가스를 압력 주입하여 필요 시 추출하는 방식으로, 기존의 유정, 수집 시스템, 파이프라인 연결 등 현존하는 기반 시설을 활용할 수 있다는 장점이 있다.
두 번째로, 암염돔(Salt Caverns)은 지하의 암염지대에 시추를 한 뒤 해수 등을 투입하여 암염을 용해시켜 공동을 확보한 후, 시추공을 이용해 투입한 염수를 생산하고 가압 천연가스를 저장하는 방식이다. 주로 단기적인 수요를 충족시키기 위해 사용된다. 하지만, 해외와 다르게 국내에는 암염돔을 확보할 수 있는 지리적 요건이 부족하여 이 방식의 활용에 한계가 있다.
세 번째로, 대수층(Aquifers)은 기체 상태의 에너지를 대수층 상부에 주입하여 저장하는 방법이다. 이 방식은 폐유가스전이나 암염돔에 비해 넓은 지역에 분포되어 있어 상대적으로 이용이 쉽지만, 기체 상태로 저장하기 때문에 저장 효율이 감소하는 문제점이 있다.
마지막으로, 암반공동(Hard-rock Caverns)은 인위적으로 굴착한 지하 동굴에 액체 또는 기체 상태의 에너지를 저장하는 방식이다. 이 방법은 중·대규모의 에너지 저장이 필요한 지역에서 주로 사용되며, 지하 100m 내외의 견고한 암반층을 가진다. 때문에 저장 장소와 저장 용량을 확보하는 과정이 다른 지하저장 방식과 비교하여 쉽다. 우리나라의 경우 암반 조건이 불리한 편이지만, SK건설(주)에 의해 상용화 수준에 도달해 있다.
이와 같은 지하저장기술은 수소 저장에 중요한 역할을 할 수 있다. 대수층과 폐유가스전의 경우 기공-파열 유형으로, 기술적 측면이 매우 중요시된다. 특히, 폐유가스전은 매립된 퇴적물에 가스의 입출을 위한 가스 처리시스템과 변속기 시스템의 운반을 위한 준비 시스템이 설치되어 있다. 반면에 암염돔과 암반동굴과 같은 동굴형 저장시설은 기술적 측면에 가장 큰 영향을 받는다.
이러한 저장 유형들은 각각의 지질학적 조건과 기술적 요건이 충족되어야 하며, 지질학적 측면이라는 것은 구조물의 깊이, 두께, 기밀성, 압력, 특성(공극률 및 투과성, 기하학적 특성, 단열 등)을 고려하여 상세한 지질분석을 기초해야 한다는 것이다. 이를 통해 안전함을 확보하면서 수소가 누출되지 않도록 해야 한다. 또한, 지하수소저장기술을 도입할 때, 저장 유형만큼 위치선정 또한 중요한데, 지하수소저장시설의 위치는 환경적 한계, 경제성, 지역 사회의 기대를 고려해야 한다[42].
2.3. 지하수소저장기술 현황
지하수소저장기술을 도입한 국가들 대부분은 암염공동을 이용하여 기체형태의 수소를 고압으로 저장하고 있다. 그 외 폐가스전 혹은 대수층을 이용한 사례도 점차 증가하는 추세이다. 기존에 사용하던 지하 천연가스 저장시설의 일부를 전환하여 수소를 저장하는 사례도 존재한다. 실제로 저장하는 기체의 종류에 따른 특성을 제외하면 기존 천연가스 지하저장기술과 지하수소저장기술은 매우 많은 부분에서 동일성을 가진다. 따라서 기존 천연가스 저장시설 일부를 변환하여 지하수소저장시설을 만드는 것은 낮은 기술 도입장벽을 가진다고 할 수 있다. 기존 천연가스 저장시설에 기체수소와 천연가스를 혼합된 상태로 저장하는 일부의 경우도 존재한다. 이는 CCUS 관점에서 접근하는 방향으로 연구되고 있다.
*ccus관점으로 지하수소저장기술을 연구하고 있는 사례에는 Austria에서 진행되는 “Underground Sun Storage 2030 (USS2030)” 프로젝트가 있다. 이는 지하 1,000m에 위치한 실제 저장소에서 수소-메탄 혼합물 저장에 대한 현장 시험을 진행하여 지하수소저장기술과 ccus기술을 융합하여 연구하고 있다. 이러한 다양한 방식으로 지하수소저장기술이 많은 국가에서 연구, 개발 및 사용되고 있는데, 이를 나타낸 것이 Table 1이다. 저장 형태나 저장 용량, 운영 방식이 자세하게 알려지지 않은 경우가 많고, 더욱 많은 국가에서 지하수소저장기술을 도입하여 사용 중이다[43,44].
이외에도, 국외에서 현재 세계 최대규모의 지하수소저장시설이 건설되고 있다. 2020년 미국 CNBC 방송에서 소개한 ‘첨단 청정에너지 저장고(ACES)’ 프로젝트는 2019년 5월부터 미쓰비시 히타치 파워 시스템(MHPS)과 매그넘 디벨롭먼트가 함께 주도하기 시작한 프로젝트로, 미국 유타주의 암염돔에 수소를 저장하는 기술을 도입하여 세계 최대규모인 300GMh급 지하수소저장시설을 만드는 것을 목표로 한다. 이 프로젝트를 통해 약 만 톤의 그린수소를 저장할 수 있는 소금동굴 두 곳이 300GW급 수소저장시설로 개발될 것이다. 건설된 수소 저장시설은 파이프라인을 통해 인근 LNG 복합 발전소에 공급될 것이라 밝혔고, 이후 2025년에 시설 가동을 시작하여 세계최대규모 지하 수소저장기술의 상용화가 이루어질 것으로 예상한다. 유럽에서도 소금동굴을 수소저장시설로써 사용하기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다. 2020년 프랑스 가스업체 ‘테레가와 히드로젠드 프랑스’는 누벨아키텐 지역의 소금동굴에서 수소저장 시범 사업을 진행하고 있고, 이는 1년간 1.5GWh 규모의 수소를 저장할 수 있는 시설이 될 것이라 밝혔다[45].
국내에서는 아직 직접적인 지하수소 저장이 이루어지지 않지만, 수소를 지하 저장 기술에 도입하기 위한 다양한 노력이 진행되고 있다. 그중 Kigam 지질자원연구원은 최대 5km까지의 땅속에 다양한 물질을 저장하거나 처분하는 심층처분 환경연구를 하고 있다. 특히 대용량 수소를 저장하는 기술을 주로 연구하여 수소경제활성화 로드맵에서 발표한 목표 수요량과 생산량을 맞추기 위해 노력하고 있다. Kigam은 공기를 압축하여 지하에 저장하는 기술과 액화천연가스를 극저온 상태인 영하 163°C로 저장하는 연구를 이미 성공적으로 수행했기 때문에, 현재 수소를 지하저장기술에 도입할 수 있는 방안에 대해 중점적으로 연구하고 있다[46]. 이를 통해 수소의 저장분야에서 우리나라가 앞서가고, 미래의 안정적인 수소사회에 기여할 수 있도록 노력하고 있다.
또한, 수소에너지의 공급을 유용하게 하기 위해 지하수소저장기술을 도입하여 도심지 내 수소공급 기지를 연구하고 있는 사례가 있다. 현재 수소충전소 등의 수소 설비는 충분한 안전거리 확보 및 국토 공간, 도시계획 여건 등으로 인해 어려움을 겪고 있다. 한국건설기술연구원은 이를 해결하기 위해 수소를 공급하기 위한 기지와 말단 공급시설 내에 설비에 관한 지하, 지상 공간 입체화 설계를 개발해 공간 수용성을 높일 수 있는 가이드라인을 제공하였다. 개념도에 따르면, 지하 공간에 수소를 저장하고, 지상 공간에 수소 공급 시설과 모니터링 장비 등을 설치하여 도시 내 수소 공급을 효율적으로 가능하게 한다. 2026년까지, 개발된 설계 기술을 2단계 사업을 통하여 현장에 시범 적용을 할 계획이며, 실용화 추진 단계에 있다[47]. 하지만 위의 사례 외에는 수소에너지의 지하저장에 대한 필요성이 거의 논의되지 않고 있어 프로젝트가 잘 진행되고 있지 않지만, 이와 유사한 압축공기에너지(CAES) 지하저장과 액화천연가스(LNG) 지하저장 기술에 대한 연구가 이루어지고 있다. CAES 지하저장은 땅 속 암반에 공기를 압축하여 저장한 뒤 필요시에 가열 후 터빈을 작동시켜 전기에너지를 공급하는 기술이다. 한국지질자원연구원에 의하면, 강원도 정선군에서 지하 108m에 압축공기 지하저장 파일럿 플랜트를 설계 및 구축하여 실증연구를 진행하였다. LNG 지하저장은 액화천연가스의 온도의 매질에 중점을 맞춘 연구이며, 기술은 지하에 암반공동을 활용하는 점에서 CAES와 동일하다. 이 연구에서 저온에 대한 공동의 온도, 기밀성, 압력 등을 평가하고, 액화가스의 기화율을 측정할 수 있는 모델을 개발하였다[48].
2.4. 지하수소저장기술 장점
수소는 높은 저장 압력을 가지고 있어 수소저장탱크의 재질이 탄소 섬유 등으로 한정된다[49]. 탄소 섬유 이외에 고비용의 소재를 활용하지 않아도, 단위 부피가 커 초기비용이 매우 많이 필요하다. 또한 일반적으로 지상에 고압수소를 저장할 때 법적으로 최대 압력이 정해져 있어 이를 위한 별도의 가스시설이 필요 해 비용이 더욱 소요된다[50]. 이외에도 넓은 부지 면적과 트레일러 상주공간을 필요로 한다. 이런 점들은 지하수소저장기술을 통해 모두 보완할 수 있다. 지하수소저장기술은 대규모 저장이 가능하여 수소의 생산과 활용을 극대화할 수 있다. 특히, 암염공동을 이용할 경우 건설 비용이 낮고, 수소 유출량이 매우 낮으며 저장 및 추출 속도가 빠르다. 외에도 낮은 완충가스의 사용량과 수소 오염가능성으로 큰 이익을 얻을 수 있다[42].
수소는 발화에너지가 매우 적다는 특징을 가지기 때문에 쉽게 점화되어 큰 폭발위험성을 가진다. 연소 및 폭발성, 반응성, 침식, 질식, 저온위험 등의 이유로 재해사고가 발생하지만 가장 큰 원인은 수소가스의 누출이다. 수소는 다른 가스에 비해 부력속도, 확산속도가 커 주변에 쉽게 확산되고, 연소범위 또한 커 폭발의 위험성도 높다. 이렇게 지상에 저장된 수소가 공기 중으로 누출되면 폭발 및 화재를 일으켜 주변에 막대한 피해를 입힐 수 있다[51]. 이를 보완하는 방법으로 지하에 수소를 저장하는 기술이 가장 각광받고 있다. 지하에 수소를 저장할 경우 지하 암반에 의해 가스 누출이 발생하기 어렵다. 또한, 가스가 누출되었을 경우 지상에 수소저장시설을 조성한 경우보다 훨씬 적은 피해를 받을 수 있다. 그 외에도 지하수소저장기술은 기후변화에 대한 대응 및 단열 측면에서 이점을 가질 뿐만 아니라 자연재해나 테러 등의 피해로부터 폭발위험성이 줄어든다. 이처럼 지하수소저장기술은 폭발로부터 안전하여 인근 주민들의 반발을 줄일 수 있고, 지상에는 일부의 수소저장을 위한 장치만을 필요로 한다. 따라서 지상의 공간을 활용할 수 있어 특히 인구밀도가 높은 나라에 도입된다면 큰 이점을 가질 것이다[42].
2.5. 지하수소저장기술 단점 및 한계점
기체수소는 누출 시 빠른 확산속도와 낮은 최소 발화에너지를 갖기 때문에 폭발 위험성을 가지며, 액화수소는 분출화재(Jet fire) 및 액면화재(Pool fire)가 발생하여 폭발할 수 있다[52]. 때문에 지하수소저장기술을 도입하기 위해 누출수소의 확산 및 유동특성을 분석하여 수소 누출을 예방 및 최소화해야 한다. CFD 기법은 수소가 누출되었을 때 수소의 확산 특성과 배기 성능을 검토하는 기법으로, 지하에 수소를 저장하는 기술을 도입하기 위해 다양하게 연구되고 있다. 수소저장탱크와 같은 지하수소저장설비를 구성할 때 CDF 기법이 유용하게 사용된다면 지하수소저장기술의 한계를 보완할 수 있을 것이다[53].
현재 가장 상용화된 방식은 고압 기체형태의 저장이다. 고압기체로 수소를 저장하는 방식은 저장효율을 높이기 위해 매우 높은 압력으로 가압하여 수소 저장 밀도를 높이는 과정을 필요로 한다. 수소는 일반적으로 200bar 이상의 고압에서 기체상으로 압축하는 것이 일반적이다. 그렇기 때문에 기체수소가 아닌 다른 형태로 수소를 저장하는 기술을 각 국에서 연구하고 있다. 하지만 이러한 기술이 아직 상용화되지 않은 이유는 기존의 천연가스와 수소의 저장온도가 매우 다르기 때문이다. 앞에서 언급했듯이, 지하수소저장은 기존의 천연가스 저장시설에 기술을 도입하거나, 혼소상태로 저장하고 있다. 그러나 가스 형태가 아닌 액체상태의 천연가스와 액체수소의 저장온도는 각각 -162℃, -253℃를 필요로 하기 때문에 기체간 큰 저장온도의 차이가 발생한다. 이를 극복할 극저온 저장 기술이 아직 연구 중에 있기 때문에 지하수소저장기술은 기체수소의 형태로 저장하는 방향으로 대부분 사용되고 있다.
이러한 문제를 극복하여, 수소를 더욱 효율적으로 저장할 수 있는 방안이 연구 및 개발되고 있다. 그 중 가장 많이 언급되고 있는 것이 바로 ‘액화수소’ 와 ‘암모니아’ 이다. 기체수소는 부피대비 에너지밀도가 0.0838 kg-H2/m3인 것에 비해 현재 흔히 사용되는 고압기체수소는 40 kg-H2/m3로, 일반 수소의 약 450배에 달하는 수준이다. 액화수소의 경우 70.8 kg-H2/m3, 암모니아 108 kg-H2/m3로 각각 850배, 1300배 정도의 차이를 가져 고압기체수소보다 훨씬 높은 효율을 가진다.
3. 액화수소
3.1. 소개
액화수소는 수소기체를 저온에서 액체로 만든 물질로, 끓는점 –252.7°C, 녹는점 -259.2 °C인 극저온 상태의 무색 액체이다. 이론상으로 물과 오존, 과산화수소만이 나오는 저공해 연료로 알려져 있다[57]. 액화수소는 산화제로써, 수십 년 전부터 대형 우주로켓의 연료로 사용되어 왔다. 또한, 수소는 -253°C에서 액화된다는 특징을 가지고 있어, 수소를 액화하기 위해서는 초저온 냉동기술이 필요하다. 냉동기술에 사용되는 냉동기의 기본 원리는 압축한 냉매를 고온에서 냉각하고, 이를 팽창해 온도를 낮춘 뒤, 저온에서 흡열하는 과정을 수행하는 것이다. 수소액화 공정기술은 크게 수소를 액체온도인 252.8℃까지 냉각하는 기술과 ortho 수소(o-H2)를 para 수소(p-H2)로 바꾸는 기술, 수소의 불순물을 제거하는 정제 기술로 구분할 수 있다.
액화수소는 첫 번째로 기존 고압 기체수소보다 안전성 부문에서 장점을 가지고 있다. 영하 253℃의 극저온에서 냉각하기 때문에 보통 200~700bar의 고압에서 압축하는 기체수소와 비교했을 때 폭발 위험성이 낮다[58]. 또한 액화수소는 대기압 1bar에서 최대 3bar의 저압저장이 가능해 더욱 안전성을 챙길 수 있다.
두번째로 기존 고압 기체수소와 비교하여 저장능력이 증가한다. 고압 기체 수소의 밀도는 40g/L이고, 액체수소의 밀도는 70.8 g/L로 약1.8배정도 차이 난다. 이로 인해 저장능력이 크게 증가하기 때문에 수소를 대용량으로 저장하기에 유리하고, 7배 이상 높은 운송효율을 보여 수소의 저장, 운송 측면에서 큰 장점을 가진다. 실제로, 액화수소를 도입하여 충전소를 구축한다면, 기체수소를 도입하였을 때 충전소의 면적이 127평을 요구하는 것과 비교하여 21배가량 적은 6평의 설비 면적을 필요로 한다[59].
3.2. 액화수소 단점 및 한계점
액화수소는 공정 시 초저온 냉각 기술이 필요하기 때문에, 필수적인 냉각 공정에 의해 몇 가지 문제가 발생한다. 우선 액화 시키는 공정에서 많은 에너지가 요구된다. 수소액화공정과 기체수소 압축 공정 효율을 비교하면(Table 2), 기체수소 1kg을 700bar로 압축할 때 필요한 전력량은 3 kWh이고, 동일 질량 1 kg의 수소를 액화시킬 때 필요한 전력량은 10 kWh 이상이다[60]. 이를 통해 수소를 고압으로 압축하는 것보다 액화시키는 과정에서 훨씬 높은 에너지가 소모되는 것을 알 수 있다.
그러나, 액화 공정 중 기체를 액체로 변환하는 예냉과정에서 이용하는 냉열을 LNG의 기화과정에서 발생하는 냉열로 수소액화공정에 활용하는 것이 가능하다면 에너지사용량이 큰 액화수소의 필요 전력량을 줄일 수 있다. 또한, LNG는 액화천연가스로 LNG를 수입하는 우리나라의 경우 기존의 인프라를 그대로 사용하여 이용할 수 있다는 이점이 있다[61].
두 번째로 비용적인 측면에서 문제가 발생한다. 액화수소는 증발 잠열이 작고 비등점이 낮아 물질을 저장하고 운송할 때 단열성능이 우수한 용기를 이용해야 하기 때문에 고가의 금속소재 사용으로 비용이 크게 증가된다[61]. 또한, 영하 253°C에서 액화 할 수 있는 대규모 시설투자가 필요하고, 액화공정에서 기체수소 압축 공정 대비 kg당 1680원의 추가비용이 발생한다[62]. 이를 통해 초기투자비와 효율 측면에서 고려해보면 고압 압축수소와 비교했을 때 비효율적이라는 것을 알 수 있다.
마지막으로 액화수소를 저장할 때 단열 관련 부분에서 문제가 발생한다. 단열기술이 제대로 도입되지 않는다면 열유입 문제가 발생하게 된다. 상온에서 극저온 액화저장탱크 내로 유입되는 열의 종류와 경로는 전도, 대류, 복사로 분류된다. 전도 열 손실은 탱크 부품요소인 배출관 및 센서 연결선 등에서 발생한다. 그 중 탱크 벽은 강도 유지를 위해 여타 단열재와 비교하여 열전도도가 큰 스테인리스 스틸이나 알루미늄 합금과 같은 금속을 사용한다. 전체 열유입은 이러한 금속 벽을 통한 열유입이 상당부분을 차지한다. 열대류에 의한 열손실은 탱크 내부의 극저온 액체가 외부에서 발생하는 열 유입으로 액체의 유동현상으로 발생한다. 이를 통해 기체의 증발이 발생하고, 증발된 기체가 다시 외부 열유입에 의해 자연 대류하며 추가적인 증발손실이 발생하게 된다. 마지막으로 복사에 의한 열유입은 액체를 극저온으로 저장하고 있는 내부의 공간 혹은 탱크 외벽이 상온으로 유지되는 구조표면에 노출되어 발생한다. 따라서 이런 문제를 막기 위해 액화수소는 용기 제작 시 단열기술이 가장 중요하며 관련 기술이 빠르게 개발되어야 한다[64].
또한 액화수소는 지속적 증발이 발생하여 장시간 보관이 힘들다. 저장용기를 냉각시키고 액체수소 충전이후 24시간이 경과하면 저장용기 하부에서 상부로 층류화가 일어나면서 액체수소표면에서 증기방울이 생성되며 포화상태이상 압력이 걸린다. 이후 기체수소가 하루에 약 1.3%씩 증발되며, 하루에 전체 저장용량 중 기화 가스(Boil Off Gas)가 3~5%정도 발생되므로 액화에 필요한 보냉 유지기술이 필요하다[30].
3.3. 해결방안
앞에서 언급한 열 유입 현상은 복합적인 형태의 열전달로 동시에 발생하기 때문에 열 유입을 최소화하기 위한 복합적인 형태의 단열기술이 개발되고 있다. 열유입으로부터 발생하는 기화율(Boil-off ratio)을 최소화하기 위해서, 저장시설의 설계와 소재를 선택하는 것은 매우 중요하다. 일반적으로 액체수소를 저장하는 탱크는 초극저온 물성이 우수한 소재를 사용하는데, 주로 9% 니켈강, 알루미늄 합금, 오스테나이트계 스테인리스강 등을 사용한다. 또한, 단열 성능을 높이기 위해서 폴리우레탄 폼과 같은 단열재를 사용하며, 기화열을 낮추기 위해 진공단열기술이나 다층 단열재(multi layer insulation, MLI) 기술을 적용한다[64].
일반적으로 사용하는 단열재에는 글래스버블, 에어로젤, 펄라이트 파우더 등이 있는데, 이들은 진공도가 증가할 수록 단열성능은 떨어진다. 그 이유는 단열재 간 접촉에 의해 전도열 및 복사열전달 차폐의 단열성능에 한계점을 가지기 때문이다. 반면에 MLI는 단열재 간의 접촉을 최소화하여 복사열전달 차폐의 성능을 높이기 때문에 고진공에서 가장 단열성능이 좋다는 특징을 가진다. 이러한 장점을 갖는 MLI를 이용하여 액화수소 저장 용기를 제작할 때, 액화수소의 내·외조 사이의 공간을 열전도계수가 낮은 필러로 채우고, 이곳을 고진공으로 유지하여 액화수소의 큰 한계점인 단열성능을 확보할 수 있다[65].
진공기술을 함께 활용할 때 단열성능이 가장 우수한 단열재인 MLI는 고진공 환경이 아닌 중진공 이하의 환경에서는 단열성능이 저하된다. 그에 반해 다공성 물질로 구성된 물질인 에어로젤 블랑켓(Aerogel blanket)은 대용량 액체 수소 저장탱크의 중진공 이하 진공단열 환경에서는 MLI 보다 더 적합했다. 또한 중진공 환경에서는 일반 에어로젤 블랑켓만을 이용한 다층 단열재보다 Pyrogel ®XT-E으로 구성된 복합 다층 단열재 단열성능이 우수하였다[66]. 이처럼 건설하려는 액화수소플랜트의 용량과 진공환경에 따라서 가장 적합한 단열재와 구조를 선택해 구축한다면 액화수소의 한계점을 극복할 수 있을 것이다.
3.4. 액화수소 사례
3.4.1. 해외 사례
액화수소는 현재 전세계의 관심을 받고 있는 만큼 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 지하저장에 도입되기 위해서는 단열문제가 필수적으로 해결되어야 하는데 이와 관련된 개발진행 또한 많이 이루어지고 있다. 그 예시로 미국 나사는 우주발사 시스템(SLS) 연료를 공급하기 위해서 Pad 39B(발사대)에 새로운 액화 수소 저장탱크를 건설할 것이라 밝혔다. 이는 4700m3 용량의 냉동시스템을 정착하여 기화가스(BOG)를 없애는 최신 기술이 적용된 것이다. 2015년 미시시피 주 케네디와 NASA의 스테니스 우주 센터에서 테스트를 통해 확인한 글라스 버블 단열재는 액화수소의 손실율을 기존대비 46%만큼 줄일 수 있었다. 기존 탱크의 단열재는 진공단열과 펄라이트가 사용되었지만, 현재 연구되고 있는 새로운 저장탱크에는 IRAS(Integrated Refrigeration and Storage) 라는 신기술 냉동시스템이 적용되었고, 진공단열과 함께 글라스 버블이 단열재로 사용된다[67].
3.4.2. 국내 사례
국내에서도 여러 연구들이 이루어지고 있는 가운데, 2021년 11월 “제1차 수소경제 이행 기본계획”의 발표를 통해 대량의 수소 액화플랜트에 적용할 수 있는 액화수소저장탱크(LPV: Lattice Pressure Vessel)를 개발하고 있다고 발표했다. 기화가스(BOG)의 발생량을 최소화하기 위해 저장탱크 내조와 외조사이에 다층 단열을 적용한 0.6 m3 격자형 저장탱크의 연구가 활발히 진행되고 있다[68]. 또한, 지난 5월, SK인천석유화학단지 내 4만3,000 m²(약 1만 3,000평) 부지에 액화수소 플랜트를 연간 최대 3만 톤을 생산할 수 있을 정도로 큰 규모로 건설했다. 이 액화플랜트는 진공 보온병처럼 이중 탱크로 제작해 열전도를 최소화한 제품으로 단열을 고려하여 내조 탱크에 MLI 필름을 시공하였다. 액화수소는 구형 용기 형태로 저장하는 것이 이점이 크지만, 국내 사정상 안전규정에 맞춰 횡형 압력용기로 변경되었다. 하지만, 현재는 용량이 클 경우 구형 용기 형태로 제작할 수 있게 되었다. 함안공장에서 5분의 1사이즈로 제작한 목업(Mock-up)은 2021년 말에 설치되어 내･외조 탱크의 빈 공간에 보냉재로 글라스 마이크로스피어를 채워 최상의 단열 성능을 확보했다[69].
3.5. 지하저장으로서 액화수소
액화수소를 저장하는 경우, 지상저장시설과는 달리 기후 조건이나 계절적 온도 변화의 영향을 받지 않고, 지하 암반으로 인해 일정온도 수준이 유지돼 기화율이 최소화되어 저장 효율이 크게 향상될 수 있다.실제로 과거 LNG 저장 연구 사례를 보면 지하저장 시 기화율이 하루에 0.01% 수준으로 평가되었다. 이러한 낮은 기화율은 수소에너지에도 적용될 것이고 장기 저장에 매우 유리해지며, 국가적인 수소에너지 안보에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.기체수소를 고압 상태로 저장하는 것에 중점을 두고 있는 현재의 지하수소저장 프로젝트에서, 액화수소를 도입하는 것을 목적으로 연구한 사례는 많지만, 도입하여 사용하는 경우는 거의 없는 상황이다[42]. 하지만 위의 사례를 바탕으로 액화수소를 도입한다면 문제되었던 기화율을 해결하고 저장효율을 크게 증대시키는 저장 방법이 될 것이다.
4. 암모니아
4.1. 소개
암모니아(Ammonia)는 질소 1개와 수소 3개로 이루어진 화합물이다. 분자식은 NH3, 녹는점은 -77.7°C, 끓는점은 약 –33°C이며 실온에서 기체 상태로 존재한다. 특유의 자극적인 냄새가 나며 무색이며 염기성을 띠는 맹독성 물질로 강한 부식성을 가지고 있다[70]. 암모니아는 연소 시 수소와 질소만 생성되며 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 친환경 에너지원으로 인정받으면서 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 특유의 냄새와 독성 때문에 친환경 에너지원으로 인정받기까지는 수소보다 오래 걸렸지만, 현재는 수소를 저장하고 이동시키는 운반체로써 ‘수소 캐리어’라고 불리고 있다[71].
암모니아의 여러 종류 중 그린 암모니아가 가장 각광받고 있다. 그린 암모니아가 아닌 일반적인 암모니아를 합성할 때, 수소는 천연가스를 개질하여 추출한 것을 쓰고 질소는 극저온 공기분리 방식을 통해 생산된 것을 사용한다. 이 과정에서 이산화탄소가 발생하지만, 이에 대응하기 위해 암모니아를 생산하는 과정에서 CO2가 나오지 않는 그린 암모니아를 사용하여 탄소중립을 실천하고자 노력하고 있다. 암모니아에 합성되는 수소가 신재생에너지로 만든 전력을 통해 이산화탄소 배출없이 생산되는 것이 바로 그 예이다.
암모니아는 크게 네 가지의 장점을 가진다. 첫 번째로 경제성이 뛰어나다. 수소를 암모니아의 형태로 저장하기 위해 하버보슈법을 사용한다. 하버보슈법은 대규모로 이루어지고, 매우 저렴한 공정이기 때문에 경제적이다. 생산된 암모니아를 지하에 저장하기 위해 액화되는 과정 또한 저렴하다. 수소의 경우 –253°C까지 온도를 낮춰야 액화시킬 수 있지만 암모니아는 –33°C에서 액화 할 수 있어 경제적이다. 운송 및 저장과정에서도 비용을 절감할 수 있다. 액상 암모니아는 상온, 상압과 비슷한 온도·압력 조건에서 운송과 저장을 할 수 있기 때문이다. 또한, 암모니아는 많은 연구가 진행되어 왔고, 이미 상용화된 기술이기 때문에 암모니아의 생산과 운송을 위한 인프라가 이미 구축되어 있다. 따라서 별도의 시설을 추가적으로 구축할 필요가 없어 경제성을 확보할 수 있다[72].
두 번째로, 암모니아는 운송과정에서 안전성과 효율성을 가진다. 고압기체수소와 비교하였을 때 암모니아는 높은 저장밀도를 가지고 있어 장거리 운송이 가능하여 고압수소저장의 단점을 보완할 수 있다[73]. 암모니아를 운송할 때 폭발 가능성도 현저히 낮아 안전성과 효율성을 동시에 챙길 수 있다.
마지막으로 탄소중립 연료로 쓰일 수 있다. 암모니아를 분해하거나 연소할 때 이산화탄소를 배출하지 않는 무탄소 연료로 사용할 수 있다. 세계 CO2 배출량의 약 2.5%를 차지하며 탈탄소화하는 데 어려움을 겪고 있는 선박이나 해운산업은 암모니아를 통해 해결하기 위한 노력이 이루어지고 있다. IEA 넷제로 2050 시나리오에서는 선박 연료에서 암모니아가 차지하는 비중이 ‘30년 8%,’50년 46%로 확대될 것으로 예측한다. 또한 석탄 화력 발전소의 탈탄소화 수단으로 암모니아를 무탄소 연료로써 혼소 또는 연료 전환하는 방식을 사용할 수 있다[74].
수소를 암모니아로 저장하기 위해서는 공정이 필요하다. 일반적으로 암모니아를 생산하기 위해서, 하버-보슈법을 사용하고 있다(Fig. 5). 이는 가장 경제적이고 대규모 생산에 적합하기에, 개발된 이후로 현재까지 유용하게 쓰이고 있다. 하지만 이 공정은 고온, 고압에서 진행되기 때문에 필요한 에너지 소비량이 높고, 전 세계 이산화탄소 배출량의 1%를 차지하고 있어 이를 보완할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 또한, 암모니아를 합성하기 위해 저온(<100°C)과 저압(<10bar)에서 물과 질소를 전기화학적으로 반응시키는 방법이 고려되고 있다. 이러한 공정이 연구 개발되어 상용화 된다면 작동 조건이 낮아져 에너지 소비가 감소하고, 재생에너지를 이용한 암모니아의 직접적인 생산이 가능하게 되어 향후 탄소 중립에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
암모니아로서 수소가 저장되고, 다시 에너지를 사용하기 위해 꺼냈을 때 암모니아 그 자체로도 사용될 수 있지만, 수소로 사용하기 위해서는 별도의 공정이 필요하다. 일반적으로 촉매를 활용한 분해방법을 사용하는데, 이는 400°C이상에서 95% 이상의 분해율을 보인다.
4.2. 암모니아 단점 및 한계점
첫번째로 암모니아는 사용하기 직전에 600°C이상의 고열로 질소를 분리하는 과정을 거쳐야 한다는 단점이 있다. 이 과정에서 약간의 에너지 손실도 발생하기 때문에 다른 방안이 다양하게 연구되는 중이다. 또한 실제 수소충전소 현장에 암모니아 분해 설비를 적용할 시 공정이 복잡해지고 추가적인 위험 요소가 발생할 수 있다는 것을 생각하며 기술을 더 발전시킬 필요가 있다[75].
이는 수소를 분리하지 않고 암모니아 자체로 사용하는 방법을 이용해 보완할 수 있다. 현재, 전 세계에서 암모니아를 연료로 활용하는 내연기관과 연료전지에 대한 연구가 진행 중이다. 암모니아는 이산화탄소(CO2)가 생성되지 않고 무해한 질소만 방출되므로, 연소과정에서 친환경적이다. 암모니아를 연료로 직접 활용하는 데 필요한 도전 과제는 암모니아의 낮은 반응성과 높은 질소산화물(NOx) 생성하는 것이다. 암모니아의 낮은 반응성은 주로 이를 다른 탄화수소 연료와 비교했을 때, 연소속도, 화염 온도 및 가연 한계와 관련이 있다. 높은 NOx 배출은 주로 열적 NOx에 비해 낮은 온도에서 발생하는 고 반응 속도를 가지는 연료 NOx 메커니즘으로 인해 발생한다. 따라서 이 두가지 단점을 극복한다면 무탄소 연료로서 암모니아를 적극적으로 활용할 수 있을 것이다[76].
4.3. 해결방안
수소에너지 저장 방안으로 암모니아가 상용화되지 않고 있는 가장 큰 이유는 바로 독성이다. 암모니아의 강한 독성 때문에 저장탱크에서 문제가 발생하거나 암모니아가 누출된다면 큰 사고로 이어질 수 있다. 따라서, 암모니아의 독성 문제를 해결하기 위해 몇 가지 설비와 시설, 별도의 분리가 필요하다.
4.3.2. 인화성 주의
암모니아는 물에 잘 녹는 성질을 가지기 때문에 물에 용해될 때 발열이 발생하여 높은 폭발 가능성을 가진다. 따라서, 지하저장 시에 물과의 접촉에 주의하여 완전 분리하여 설계해야 한다[78].
4.3.3. 배관 접속부 비산방지 시설
암모니아가 누출되었을 때 주변 작업자 및 설비에 암모니아가 비산되지 않도록 하기 위해 설비 연결 접속부 및 배관에 비산방지 시설을 설치해야 한다. 이때, 배관이 보온재로 보호되어 있을 경우 별도의 추가적인 비산방지 시설이 필요하지 않는 것으로 통상 인정되고 있다[79].
4.4. 암모니아 해외 사례
세계 선진국들을 비롯한 많은 나라들이 고용량 수소 운반체로 암모니아를 주목하고 있으며 많은 연구와 계획을 추진중이다.
2018년에 다이요닛산 및 히로시마 대학으로 구성된 협동 연구 그룹이, 암모니아가 분해될 때 생성된 수소·질소 혼합 가스로부터 20Nm3/h 급의 고효율 수소 정제 시스템을 개발하기 위해 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을 활용했다.
호주 연방과학원(CSIRO)은 오랫동안 암모니아로부터 생산된 혼합 가스를 다른 방식으로 활용하여 자동차 연료로서 사용 가능하게 하는 기술을 개발해왔다. 마침내 2018년에 호주 연구팀은 멤브레인 기술을 활용한 암모니아 분해를 통해 생산된 고순도의 수소를 분리할 수 있는 기술을 개발하는 데 성공했다. 이 기술은 현대 넥쏘(Nexo)와 도요타 미라이(Mirai) 수소 연료전지 자동차에 충전하는 데 사용되었으며, 이외에도 수소를 이용하는 다양한 사례에 적용될 수 있다. 호주는 이 개발된 기술을 기반으로 친환경 수소를 아시아뿐만 아니라 전 세계로 수출하는 방안을 고려하고 있다[80].
사우디 국영 석유 기업 아람코는 미국 가스 회사 에어프로덕츠와 협력하여 사우디 북서부에 위치한 도시 네옴(Neom)에 약 50억 달러를 투자했다. 이후 세계 최대의 그린 수소 및 암모니아 생산공장을 건설하고, 2025년부터 하루 4GW 규모의 태양광 및 풍력발전을 통해 650톤의 그린 수소를 생산하고 있다. 또한, 이를 가공하여 그린 암모니아를 연간 120만 톤가량 공급할 계획을 발표했다. 호주 정부는 노르웨이 화학 기업인 야라와 프랑스 유틸리티 ENGI에 많은 지원을 하고 있다. 이러한 지원으로 태양광 발전을 활용하여 호주 필바라(Pilbara) 지역에서 100MW 이상의 그린 수소를 생산하고 있으며, 이를 통해 2022년에는 매일 100kg, 2030년에는 매일 500 kg의 그린 암모니아를 생산하는 프로세스를 개발 중이다. 덴마크에서는 탄소 저감 기술 기업 할도톱소와 풍력 설비 제조 기업 Vestas가 화석 연료 대체를 위해 서유틀란드(Western Jutland) 지역에 그린 암모니아를 연간 5,000톤 이상 생산할 수 있는 시설을 건설하고, 2023년부터 운영할 계획을 수립했다. 스코틀랜드 오크니(Okney) 지역에서 영국의 그린 암모니아 기술 기업 Eneus Energy가 풍력발전을 이용하여 암모니아를 생산하는 공장을 건설하고, 매일 11톤의 그린 암모니아를 공급할 계획이다[81,82].
이와 같이, 해외에서는 호주와 사우디, 그리고 재생에너지가 풍부한 영국과 덴마크 등이 그린 암모니아 생산을 주도적으로 추진하고 있고, 일본은 암모니아의 발전 및 안정적인 공급 뿐만 아니라 중동으로부터의 암모니아 운송을 위한 계획을 제시하고 있다.
4.5. 지하저장으로서 암모니아
암모니아는 암석이 무거운 지지대 없이 굴착 될 수 있을 만큼 충분히 강할 경우 거의 모든 종류의 단단한 암석 동굴에 저장할 수 있다. 암모니아를 저장하기에 가장 적합한 암석은 풍화되거나 부서진 암석인 퇴적암(석회암, 사암 등), 마그마암(화강암, 현무암 등) 또는 변성암(편마암, 운모 편암 등) 중 하나이다. 이는 소금 동굴에 비해 잠재적인 위치의 범위가 상당히 넓다[83]. 우리나라에서는 실제로 지하공동 석유비축 기술을 이용한 암모니아 지하공동 저장 기술을 검토하는 중이다. 지하저장 기술은 기존 탱크 저장 방식과 비교했을 때, 유지관리 차원에서 경제성이 높고 암모니아를 대량으로 저장할 수 있어 에너지 공급망 위기 대비책으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다[84].
5. 결론
현재 전 세계에서 기술개발 중인 신재생에너지는 공급에 큰 변동성을 가진다. 이를 해결하기 위한 에너지 저장방식으로 지하저장기술이 있다. 그 중 특히 수소를 저장하기 위한 시설로써 연구 개발되고 있다. 지하저장기술은 지상, 지중의 저장시설과 비교하여 기화율, 저장용량, 보안성, 환경적인 측면에서 큰 장점을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 비용도 저렴하여 수소에너지를 저장할 수 있는 기술로서 각광받고 있다. 또한, 수소는 폭발 위험이 있기에 인근 주민들의 불안감을 조성할 수 있지만 지하에 저장된다면 암반에 의해 안전하며 지상에 일부 시설을 제외한 공간을 이용할 수 있어 주민 수용성을 높일 수 있다.
수소는 다양한 형태로 저장될 수 있다. 첫 번째, 수소를 고압 기체로 저장하는 방법으로 700bar와 같은 높은 압력이 적용된다. 두 번째, 액화 수소로 저장되는 방법이다. 이는 수소를 냉각과 압축을 통해 액체로 변환시킨 후 저장한다. 세 번째, 수소를 화학물질에 저장하는 방법으로 암모니아 형태로 수소를 변환시켜 저장하는 것이 그 예이다. 현재 전세계에서 수소를 지하 저장할 때 고압기체의 형태로 수소를 저장하고 있는 것이 대부분이다. 하지만 본 연구에서 액화수소와 암모니아의 형태로 지하에 수소를 저장하는 방법에 대해 다루었고, 최종적으로 각 기술의 효율 비교와 도입 가능성에 대해 결론지어 보았다.
수소에너지를 저장할 수 있는 수소의 형태로 액화수소와 암모니아를 언급하였다. 액화수소와 암모니아 형태로 저장하면 고압기체에 비해 대용량으로 저장할 수 있다는 점과 높은 에너지 효율을 가진다는 점에서 가장 큰 이점을 가진다. 단위부피당 값은 위에서 언급했듯이, 매우 큰 값의 차이가 발생하는 것은 아니지만 대규모 저장이 가능한 지하저장기술에 융합하여 쓰일 때 극대화된다는 점에서 큰 발전가능성을 가진다. 뿐만 아니라 고압기체보다 더욱 높은 안전성을 가진다는 이점이 있다.
수소를 지하 저장할 때 액화수소와 암모니아는 각각 어떤 상황에서 쓰여야 적절할 지 먼저 장점을 통해 알아볼 수 있다. 우선 암모니아는 경제성 측면에서 뛰어나다. 암모니아는 현재 다양하게 사용되고 있는 만큼, 기존 생산 및 저장 인프라가 충분히 갖추어져 있어 지하저장을 위한 추가적인 시설이 필요하지 않고, 상온, 대기압과 유사한 온도 및 압력조건에서 운송과 저장이 유용하여 별도의 처리과정이 불필요하다. 최종적으로 암모니아는 생성 공정부터 운송 및 저장하는 과정이 모두 고압기체나 액화수소에 비해 경제적이라고 볼 수 있고, 경제적인 측면만이 아닌 환경적인 측면에서도 이점을 가진다. 암모니아는 수소 캐리어의 역할을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 신재생에너지로만 생산된 그린 암모니아로 생산될 경우 이산화탄소 배출이 거의 없다. 이렇게 온실가스 배출없이 생산된 암모니아는 지하에 저장된 후 다시 사용되기 위해 밖으로 꺼냈을 때 수소로 전환하지 않고 암모니아 자체로도 사용될 수 있다. 특히, 탈산소화 하기 어려운 선박이나 해운산업의 분야에서 대체제로 사용되거나 석탄화력 발전소의 탈산소화 수단으로 쓰일 수 있다. 하지만 암모니아는 독성물질로 분류되어 별도의 취급이 필요하고, 다시 수소로 쓰이기 위한 수소정제과정에서 손실이 발생한다. 이를 해결하기 위해 국내에선 분리막 반응기를 개발해 고순도 수소 추출을 성공한 사례가 있다. 이는 에너지 손실을 줄이고 더 낮은 온도에서 분해할 수 있게 만든다. 또한 독성을 해결하기 위해 4.3장에서 언급한 누출감지 및 차단 설비와 방지 시설 등으로 예방 및 대응할 수 있다. 따라서, 암모니아의 형태로 수소를 지하에 저장하는 기술은 독성 유출 관련 기술과 수소정제과정 손실을 줄이는 기술을 접목시켜 개발 및 상용화 된다면 큰 발전을 이룰 수 있을 것이다.
액화수소는 암모니아와 다르게 사용가능한 수소로 바꿀 때, 별도의 정제과정이 필요하지 않고 폭발 위험성이 낮으며, 독성물질을 배출하지 않는다는 점에서 수소저장물질로서 각광받고 있다. 하지만 액화수소는 천연가스, 고압기체수소, 암모니아와 달리 영하 253°C라는 극저온의 저장온도를 요구하며, 높은 기화율을 가지기 때문에 고도의 단열기술이 필요하다. 이를 해결하기 위해 현재 액화수소를 저장하는 탱크의 소재를 주로 연구하고 있다. 특히, 액화수소 내조와 외조 사이의 공간을 열전도계수가 낮은 필러로 채워 높은 진공으로 유지하여, 고진공에서 단열성능이 좋은 MLI를 이용하는 기술이 연구 중에 있다. 외에도 액화수소플랜트의 용량과 진공환경에 따라 가장 적합한 단열재와 구조를 선택하여 액화수소를 지하저장기술에 도입한다면 더욱 큰 발전 가능성을 가질 것이다.
앞서 언급한 것처럼 액화수소와 암모니아는 많은 이점을 가지고 있어 단점을 개선할 기술과 결합해 지하저장기술에 도입된다면 세계 에너지 저장기술이 크게 발전할 수 있을 것이다. 마지막으로 고압기체, 액화수소, 암모니아 각각의 저장형태의 저장밀도, 인프라, 비용 등을 비교하고(Table 3), 지하저장기술에 도입하기에 가장 효율적인 저장형태를 결론내 보았다. 기체 수소, 액화수소, 암모니아는 각각 40 kg/m3, 70.8 kg/m3, 108 kg/m3의 부피대비 수소 저장 밀도를 가지고 있다. 이를 기체수소를 기준으로 하였을 때, 액화수소는 1.77배, 암모니아는 2.7배 높은 수소 에너지 밀도를 가져 비교적 높은 효율을 보인다. 최소누적비용의 경우 기체수소, 암모니아, 액화수소 순으로 낮은 비용이 요구된다. 이때 최소 누적비용은 생산, 운송가능한 저장, 운송을 합한 비용이며 암모니아의 경우 분해하는 비용까지 포함하였다. 또한, 상용화를 위해서 암모니아는 현재 많은 인프라가 구축되어 있기 때문에 별도로 많은 인프라의 구축을 요구하지 않는다. 거기다 미래 기술에 따라 전기 기반 암모니아 생산이 대량 생산과 대조적으로 소규모 또는 중간 규모의 운영 형태로 조직화되고 확대될 가능성이 있기에 더 유리하다[85].
이처럼 경제성과 상용화 가능성 부분에서의 분석 끝에 암모니아 수소가 지하 저장에 가장 적합한 것으로 결론을 내렸다. 암모니아 형태로 수소를 저장하였을 때의 장단점에 초점을 두어 결론지어 보았다.
경제성 부분에서 암모니아 형태의 수소는 에너지밀도가 높은 동시에 축적비용이 낮았기 때문에 대용량 저비용 저장이 가능한 것으로 확인되어 가장 큰 장점을 가진다.
또한 암모니아 수소의 상용화 가능성도 결정적인 요인이 되었다. 암모니아에 대한 인프라와 유통망이 다양한 산업에서 구축되어 있어 기존 탱크나 파이프 등에 암모니아 수소를 저장, 운반할 수 있어 ‘암모니아 수소 지하 저장’ 이라는 새로운 기술을 더욱 빨리 상용화하는 것이 가능할 것이다.
수소에너지 저장 방안으로 암모니아를 사용하기 위해서는 독성문제 및 누출을 해결할 수 있다는 조건에서 가능성을 보인다. 이는 앞서 언급한 누출 조기 감지 및 긴급 차단 설비를 마련하여 암모니아 누출 시 사고를 예방하고, 배관 접속부에 비산 방지 시설을 마련하여 암모니아 수소 지하저장을 상용화할 수 있을 것으로 판단된다.
결론적으로, 본 논문의 비교 연구는 암모니아 수소가 수소의 지하 저장에 적절하고 우수하다는 것을 시사한다. 지속 가능하고 효율적인 수소 저장 솔루션으로 전환하기 위해서는 경제성, 환경 친화성, 그리고 상용화 가능성을 고려해야 한다. 그 부분에서 암모니아가 다른 수소 형태인 기체수소와 액화수소와 비교하여 확연히 유리하다고 판단하였다.
지하수소저장기술은 앞으로의 발전가능성이 크다. 현재 세계 각지에서 연구되고 있는 기술인 만큼, 더욱 효율적인 방법으로 기술을 사용할 수 있는 방안을 생각해볼 필요가 있다. 본 연구에서는 지하저장기술에 대해 이해하고, 액화수소와 암모니아의 형태로 수소를 저장하여 지하저장기술을 더욱 효율적으로 이용할 수 있는 방안을 연구했지만, 수소를 액화수소, 암모니아 이외에도 다른 형태로 지하에 저장할 수 있는 기술 혹은 더욱 정교하고 효율적으로 이용할 수 있는 지하저장기술을 연구하여 신재생에너지의 공급 변동성에 대응할 수 있는 방안을 마련해야 한다. 이와 더불어, 다양한 기후변화대응 기술의 조합을 통해 기후변화에 대응하는 지속 가능한 사회 구축을 해야 할 것이다[89-114].
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