“수소경제 성장기 진입, 액체수소 인프라 구축 必”

■ 한국기계연구원 에너지기계연구본부 플랜트융합연구실의 소개를 부탁드린다

한국기계연구원 에너지기계연구본부는 ‘국가산업을 선도하는 에너지기계기술 전문연구조직’으로 신기후체제에 대응하고, 미래에너지 기술 확보를 위해 에너지 시스템과 플랜트의 고성능화와 신뢰성 확보를 위한 공정, 안전, 융합 기술을 개발하고 핵심 기계 및 부품에 대한 연구를 수행하고 있다.

에너지기계연구본부 내 플랜트융합연구실은 플랜트와 타 기술 분야의 융합 및 플랜트 안전 기술 확보를 목표로 플랜트·신재생에너지 시스템 융합 기술을 포함해 플랜트 안전 설계 및 안전 설비 기술, ICT 플랜트 융합 안전 기술 등의 중점육성기술과 관련된 연구를 수행하고 있다.

현재 진행 중인 주요 과제로는 상용급 액체수소 플랜트 핵심기술개발 사업(국토교통부), 중동시장 진출을 위한 신재생에너지 해수 담수화 융합 기술 개발 사업(산업통상자원부) 등 기후변화 대응을 위한 신재생에너지/플랜트융합 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

■ 기계연구원에서는 수소 생산 및 수소 액화, 극저온 플랜트 기술에 대해 높은 기술력을 보유하고 있으며, 많은 연구가 진행되고 있는 것으로 알고 있다

수소는 재생에너지 전력을 이용 수전해 하는 방법이 이산화탄소 배출을 줄이는 가장 좋은 방법이다. 기계연구원은 2016년부터 산업통상자원부의 신재생 에너지 핵심기술 개발 사업을 통해 신재생 하이브리드 수소생산 기술을 연구하고 있다. 연료전지 수전해 기술에 기존 폐열활용 보일러 기술을 접목해 고효율 수소 생산을 하는 시스템을 개발하고 있다.

기계연구원은 2009년부터 3년간 기관고유사업의 일환으로 ‘중·소형(300N㎥/hr)급 수소액화시스템 설계 기술 개발’ 과제를 수행했으며, 이를 통해 헬륨냉각공정을 적용한 300N㎥/hr급 수소액화 공정 설계기술을 확보했고 네온 냉각시스템(2차 냉각시스템)을 이용한 Pilot 수소액화 시스템(5liter/hr)을 구축 및 운영한 경험이 있다.

KIST 주관 자기냉각 액화물질 융합연구단 과제(2011년∼2016년)에 참여해 액체수소 밸류체인 중 액체수소저장시스템에 대한 사고 시나리오 정량적 위험성 평가를 실시하고, 피해 영향 평가 및 대응기술관련 연구를 수행한 바 있다.

또한 고온초전도 전력케이블용 냉각시스템 개발, 초전도전력저장장치(SMES)용 Cryostat 개발, 소형 극저온냉동기 개발 등 극저온관련 연구를 통해 극저온 온도영역의 냉각시스템, 콜드박스 설계기술을 확보하고 있다.

그 외에도 극저온 플랜트에 활용 가능한 극저온 열교환기 개발, 수소액화용 2단 터보 팽창기 설계기술 등에 강점을 가지고 있다.

더불어 극저온 시스템 및 기자재의 성능평가를 위한 LNG·극저온 기계기술 시험인증 센터를 운영하고 있다.

수소의 활용 방법은 크게 두 가지다. 가장 비중이 높은 활용 방안은 수소 연료전지를 이용한 수소차량, 분산발전이며, 다른 하나는 기존의 발전 시스템에 연료로 수소를 활용하는 방안이다.

기계연구원은 연료전지 자체보다는 연료전지 시스템을 이루는 기계시스템(보기시스템) 및 기존의 발전플랜트와의 하이브리드 시스템 개발에 역량을 보유하고 있다. 현재 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업을 통하여 연료전지와 내연기관 엔진을 효율적으로 통합함으로써, 발전효율을 획기적으로 향상시키는 고효율 분산발전 시스템 통합 기술 개발을 진행 중이다.

또한 수소 내연기관 엔진을 드론, 로봇 등의 동력원으로 사용하는 수소엔진 파워팩 개발을 진행 중이며, 수소를 연료로 사용하는 가스터빈 개발을 추진 중에 있다.

기계연, 극저온 공정·극저온플랜트·수소안전 핵심 기술 보유
2023년 日 500㎏급 수소액화 실증플랜트 구축 및 생산 목표

■ 특히 에너지기계연구본부에서는 올 4월부터 2023년 말까지 국토교통부의 지원을 받아 총 연구비 390억원을 투입해 상용급 액체수소 플랜트 핵심기술 개발사업에 착수한 것으로 알고 있다

해당 사업은 향후 확대가 예상되는 수소 상용화 시장에 대비해 수소액화플랜트의 핵심기술을 국산화하고, 액체수소 기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

수소에너지는 현재 고압 기체수소 활용을 중심으로 구성돼 있지만 향후 안전성과 경제성이 우수한 액체수소를 주축으로 발전해갈 것이라는 전망이 우세하다.

다만 수소액화에 소요되는 에너지비용이 상대적으로 높기 때문에 이러한 단점을 해결하기 위해 LNG(액화천연가스)가 기화할 때 발생하는 냉열을 활용한 수소액화공정 설계기술을 확보하고 2023년까지 일일 처리용량 0.5톤의 파일럿급 수소액화 실증 플랜트를 구축하고, 실제 액체수소를 생산하는 것을 핵심 목표로 삼고 있다. 또한 향후 본격적인 상용화를 위해 일일 5∼50톤급으로 규모를 확대한 공정도 설계할 계획이다.

이와 함께 액체수소 생산을 위한 핵심 설비인 극저온 팽창기, 극저온 열교환기, 수소액화용 콜드박스, 극저온 밸브 등을 국산화 개발을 수행 할 예정이다.

수소의 대용량 저장을 위한 대용량 액체수소 저장탱크도 개발한다. 극저온 단열을 유지하면서도 안전하고, 압력에 잘 견딜 수 있는 탱크 개발을 목표로 하고 있다.

기계연구원 에너지기계연구본부는 극저온 공정, 극저온 플랜트의 핵심 기계기술에 설계 역량, 수소안전 기술을 보유하고 있다. 또한 본 사업에서는 연관기술 및 핵심 기자재의 실용화 경험을 보유한 국내 산학연 21개 기관이 참여하고 있다. 이러한 국내의 모든 역량을 활용해 기술개발을 성공적으로 이끌고자 한다.

■ 국내에서는 아직 액체수소가 상용화되지 못하고 있는데 최근 들어 액체수소에 대한 관심이 높아지고 있다

정부는 지난 1월 ‘수소경제로드맵’을 발표하고, 수소차·연료전지 세계시장 점유율 1위 등 세계 최고수준의 수소경제 선도국가로 도약하고자하는 비전을 선포했다.

이를 위해서는 수소의 대용량 생산, 저장과 공급 인프라의 구축이 필수적이다.

이에 따라 정부는 대용량 저장과 공급에 가장 강점을 가진 액체수소 핵심기술 개발 계획을 밝혔다.

향후 확대가 예상되는 수소 상용화 시장에 대비해 수소액화플랜트의 핵심기술을 국산화를 통한 저장/운송 효율 제고, 수소운반 선박 및 해외 생산 액체수소 인수기지 건설 등이 핵심이다.

또한 국토교통부도 도시기반의 수소 활용 및 보급 확대를 위한 ‘수소교통 정책’과 ‘수소도시 정책’을 추진하고 있다.

수소에너지는 현재 고압상태의 기체수소 활용을 중심으로 구성돼 있지만 향후 안전성과 경제성이 우수한 액체수소를 주축으로 발전해갈 것이라는 전망이 우세하다.

액체수소는 대기압으로 저장할 수 있어 200bar 이상의 고압으로 저장해야 하는 기체수소보다 안전성 측면에서 우수하여 도심지 활용에도 적합하다.

또한 기체수소를 액화하면 부피가 1/800로 감소하기 때문에 대용량 저장과 운송에도 유리해, 고압 기체수소 대비 저장 및 운송 효율이 약 10배 정도 증가할 것으로 보고 있다.

수소의 대용량 저장 및 운송 인프라의 모습은 우리나라의 도시가스 인프라에서 찾아볼 수 있다.

전 국민이 사용하는 도시가스는 전국의 LNG 생산기지에 액체 상태로 저장돼 있으며, 이를 기화해 파이프라인을 통해 전국에 공급하고 있다.

또한 파이프라인이 설치되지 않은 지역에는 LNG 운반 컨테이너를 통해 직접 액체상태의 LNG를 공급하고 있다.

수소의 대용량 운송을 위한 최적의 방안은 현재의 도시가스 배관망과 같은 수소가스 배관망을 전국에 설치하는 것이나, 이는 비용, 주민 수용성 측면에서 수소경제 사회가 완전히 성숙된 후에 가능한 방법이다.

수소경제의 성장기 진입을 위해서는 수소를 대용량 저장/운송하기 위한 액체수소 인프라를 구축해야 한다.

Mckinsey&Company의 전 세계 국가의 수소 활용 산업(수소차, 연료전지 발전)의 경쟁력 분석결과를 보면 우리나라는 일본과 더불어 최고 수준의 경쟁력을 확보하고 있다.

그러나 현 시점에서 수소 운송 및 대규모 저장 관련 산업 여건은 매우 취약하므로 대용량 수소 생산, 저장, 분배가 가능한 액체수소기반 인프라 구축을 통해 수소 활용 산업의 신성장 동력화를 추진하고, 미래 수소경제 사회에 대비해야 할 것이다.

또한 이러한 액체수소 기반 인프라는 향후 국방, 우주개발 등 미래 국가 안보측면에서도 활용될 수 있다.

■ 액체 수소 이외에 앞으로의 주요 연구 계획에 대해 듣고 싶다

현재 진행하고 있는 상용급 액체수소 플랜트 기술 개발을 바탕으로 안전한 수소 경제 사회가 활성화 될 수 있도록 관련 연구를 지속적으로 수행할 예정이다. 안전하고 효과적인 액체수소 공급을 위한 액체수소 생산 및 저장 효율 향상 기술, 액체수소 공급/운송 기술, 액체수소 운반 선박 기술, 액체수소 벙커링 기술 등의 연구를 지속적으로 수행할 계획이다.

더불어 해상의 국제 환경 규제 강화에 발맞춰 선박 분야에서도 친환경 연료 사용과 관련한 이슈들이 많다. 이와 관련해 LNG 추진 선박 기술, LNG 벙커링 기술, 수소 추진 선박 기술 등과 관련한 연구 분야에도 지속적으로 관심을 가질 예정이다.

이외에도 신재생에너지 생산, 저장 및 활용과 관련한 플랜트 융합 기술 분야도 지속적으로 연구를 수행할 것이다.

■ 마지막으로 우리나라 소재부품 산업 및 중소기업 발전을 위해 신소재경제신문 독자들에게 한 말씀 부탁드린다

우리나라는 대기업 위주의 급속한 경제성장을 이룩해 현재 세계 제조업 경쟁력 최상위 국가다. 그러나 좁은 국토, 풍부하지 않은 부존자원 등 더 이상의 성장에는 한계가 왔다. 이제 내실을 기해야 할 때다. 일본이 좋은 모델로 일본은 소재부품, 중소기업의 경쟁력을 바탕으로 여전히 세계의 제조업을 이끌고 있다. 다행히 우리나라도 완제품 수출구조에서 이미 소재부품 및 중간재 수출구조로 빠르게 변모하고 있다. 이러한 구조변화를 지속적으로 추구해야 한다.

모든 제조업 부가가치의 뿌리는 소재부품 산업이다. 이에 종사하시는 모든 소재부품 산업 관계자 분께 응원을 보내드린다.

▲ 한국기계연구원 본관동 야경

▲ LNG 냉열활용 파일럿 수소액화 플랜트 구축 예정 부지-한국기계연구원 LNG·극저온기계기술 시험인증센터