수소공급 인프라 구조물용 소재의 개발동향

[사무국]

재료·소재분과 · 김영식

  수소는 현재의 화석에너지를 대체할 수 있는 미래의 클린(clean)에너지일 뿐만 아니라 태양열, 풍력과 같은 출력변동이 심한 재생 에너지의 저장과 수송 수단으로 가치가 매우 높다. 따라서 수소의 생산, 저장, 이송 및 이용 기술에 관한 연구개발이 매우 중요한 과제로 되어 있다.

  수소는 범용의 에너지 중에서 중량 에너지 밀도 (gravimetric energy density)가 가장 높고 체적 에너지 밀도(volumetric energy density)는 가장 낮다. 따라서 이의 수송과 저장 시는 에너지 밀도를 높이기 위해서 고압과 저온을 유지할 필요가 있다. 에너지 밀도를 최대로 높이기 위해 수소를 액화시키기 위해서는 소요되는 에너지 소모가 많고 액체 상태를 유지하기 위해서는 –253℃의 극저온이 요구된다. 이의 대체 수단으로 금속과의 화합물 상태로 하거나 또는 암모니아(NH3)나 메탄올(CH3OH)과 같은 유기화합물 상태로 만들어 저장과 수송을 쉽계 하는 방법이 개발되어 있다.

  수소는 인화성(flammability)과 폭발성이 높고 또한 저장과 수송용 구조물 금속에 대한 수소 유도 파괴 (Hydrogen Induced Fracture)의 위험성이 있어 이의 취급 시는 재해의 위험성에 충분히 대비해야 한다. 따라서 수소의 저장과 수송 및 공급망 구축을 위해서는 수소의 물리적, 화학적 특성을 파악하여 그에 부합한 소재의 개발과 선정 및 이의 이용 기술이 필요하다.

  현재로서는 수소의 저장과 수송 수단으로 가장 많은 실용화가 이루어지고 있는 방법은 압축 수소와 액화 수소에 의한 저장과 수송 방법이다. 다음으로 실용화가 진척되고 있는 방법은 암모니아나 매탄올과 같은 유기화합물 상태로의 저장과 수송 방법이며, 금속 수소화합물에 의한 고체 상태로의 저장과 수송 방법은 현재로서는 살용화를 위한 실증시험 단계에 있다고 볼 수 있다.

  수소의 수송은 단거리, 소량의 경우에는 저압의 금속 수화물 상태로도 수송이 가능하나, 대량의 수송은 압축가스 상태나 액화 수소 상태로의 수송이 실용화되고 있다. 수송 거리가 1,500km를 초과하면 기체 상태로 1~3MPa의 압력으로 파이프라인을 통한 수송이 적합하다고 보고되어 있다. 수송 거리가 200km 이하이고 소비처가 흩어져 있으면 고압(20MPa) 수소의 트레일러가 일반적으로 이용되며, 수송 거리가 1,500km 이하이면 극저온 액화 수소 상태로 선박에 의한 수송이 적합하다고 보고되어 있다. 파이프라인 수송의 장점은 이미 잘 구축된 천연가스 수송 파이프라인을 이용할 수 있다는 것이다. 그러나 기존의 천연가스 파이프라인을 수소 수송용으로 활용하기 위해서는 수소 취성을 방지하기 위해서 새로운 코팅 방법이 필요하다.

  일반적으로 압축 수소 가스와 액화 수소탱크 재료로 가장 많이 사용되고 있는 재료는 STS 304와 316 오스테나이트계 스테인리스강과 Fe기 슈퍼알로이(Super alloy) 인 A286 강 및 Al 합금인 A6061, 7060이다. 금속재료 외에 섬유 강화 플라스틱(FRP)은 금속재료보다 우수한 피로 강도와 극저온 영역에서도 취성을 나타내지 않는다는 점에서 극저온 고압 용기 재료로 선호하는 재료이다. 우주선 분야에서는 탄소섬유재의 CFRP는 추진체의 액체산소와 액체수소의 용기로도 사용되고 있다.

  <그림 1>은 제2세대 모빌리티 탑재용 극저온 압축 수소 텡크 구조와 그 구성 소재를 보인 것이다.

  이러한 수소탱크는 극저온(대략 –233℃) 압축 수소 저장 탱크로 안전성과 단순한 리퓨엘링(refueling) 공정으로 앞으로 그 적용이 크게 확대되리라 생각한다.

  수소 공급 인프라 구축을 위한 고압 극저온 영역에서 수소 적용을 확대해 나가기 위해서는 실 환경에서 싸이클릭 피로강도(cyclic fatigue strength), 수소 취성, 용접부의 처리 등에 대한 더 많은 연구가 이루어져야 한다.