한 눈에 쏙! 에너지 그래픽

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생산만큼 까다로운 수소 운반! 경제성+안전성 갖춰 떠오르는 수소 운송 기술은?

친환경 에너지원으로 주목받는 수소! 수소는 생산하기도 어렵지만, 운송하는 과정도 매우 까다로운데요. 심지어 운송 중에 수소가 손실될 수 있다는 사실을 아시나요?

수소를 안정적이고 경제적으로 적재적소에 공급하기 위해서는 적합한 운송 방법의 개발이 필요합니다. 다가올 수소 시대를 대비한 스마트한 운송 방법을 S-OIL이 준비한 인포그래픽과 함께 고민해 보세요!

1. 파이프라인, 튜브 트레일러를 이용한 수소 운송 원리와 개선점

수소는 고압 상태에서 가스의 형태로 저장되거나, 초저온 상태에서 액화하여 저장할 수 있습니다.  이렇게 저장된 수소를 수요처까지 해상, 육상 또는 배관망을 통해 안전하게 운송하는 기술이 필요합니다.

현재 가장 보편적인 수소 운송 방식은 기체 상태로 운반하는 것입니다. 기체 수소 운송 방식은 크게 파이프라인(배관)을 이용하는 것과 튜브 트레일러(카트리지)를 이용하는 것으로 나누어집니다.

먼저 파이프라인을 통한 운송법은 천연가스 공급과 마찬가지로 저압배관을 통해 대량의 수소를 최대 2,000km까지 장거리에 걸쳐 운송하는 방법입니다. 수소만 수송하는 수소 파이프라인으로 이용할 수도 있고, 기존의 파이프라인에 천연가스와 혼입할 수도 있습니다. 우리나라에는 울산, 여수, 대산 등 석유화학단지를 중심으로 약 200km의 부생수소 배관망이 이미 설치되어 있어 수소 운송에 활용 가능합니다.

파이프라인 운송 방식은 수소를 가장 에너지 손실 없이, 그리고 비용 대비 효율적으로 수송할 수 있어 안정적입니다. 다만, 운송량이 적고 수소 생산시설과 인접한 곳에 공급할 때만 적용 가능하며, 해상 운송은 어렵습니다. 또, 수소의 누출을 막기 위한 특별한 설비 구축도 필요합니다. 결론적으로, 배관을 통한 수소 운송은 거리가 멀수록 설비 투자 비용이 증가되어 비용적인 한계를 가져오게 됩니다.

반면, 튜브 트레일러는 기체 수소를 고압으로 압축한 뒤 전용 카트리지에 담아 운송하는 방식입니다. 고압으로 압축할수록 많은 양의 수소를 저장할 수 있으며, 압축 외에는 별도의 변환 과정이 필요 없어 공정도 비교적 간단합니다. 트럭 등 운송수단을 이용하여 파이프라인에 비해 좀 더 먼 거리에 많은 양을 운송할 수도 있습니다.

하지만 수소를 압축하는 과정에서 수소가 사용할 수 있는 에너지의 1/3이 소모되며, 운송 비용이 너무 높아 장거리 수송에서 경제성이 떨어진다는 문제가 있습니다. 또한, 옮길 수 있는 수소의 양이 제한적이다 보니, 장기적으로 봤을 때 미래 수소 사회에서 요구되는 수요를 감당하기 어려울 것으로 예상됩니다.

2. 수소 운송의 대안으로 떠오르는 세 가지 방법은?

따라서 향후 수소 공급량의 증가에 따라 더 효율적이고 경제적인 수소 저장, 운송 방법에 대한 연구와 개발이 필요한 상황입니다. 기체 수소는 부피당 에너지밀도가 낮아 기체 상태 그대로 운송하면 효율이 매우 떨어지므로, 물리·화학적 변환을 거쳐 저장 후 운송하는 방식을 고민해야 합니다.

물리적 변환은 극저온으로 온도를 낮춰 액화 수소로 만드는 방법입니다. 화학적 변환은 화학 반응을 통해 암모니아와 같은 물질로 바꾸는 방법이라고 할 수 있습니다.

이에 따라 액상 유기 화합물 형태로 수소를 운송하거나, 암모니아로 합성해 운송하는 방법, 액화수소를 활용하는 방법 등 세 가지가 대안적인 수소 운송 방식으로 주목받고 있습니다.

3. 액상 유기 화합물 형태로 수소를 운송하는, LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)

LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier: 액화 유기 수소 운반체)는 수소에 다른 물질을 첨가해 액상으로 변환한 화합물을 운송하는 방법입니다. 상온·상압과 유사한 온도와 압력 조건에서 유·무기 화합물을 이용하여 액상 형태로 수소를 저장하는 기술을 활용해 LOHC를 실현할 수 있습니다.

이렇게 하면 상온에서 액체로 존재하기 때문에 취급이 쉽고, 부피 대비 저장 용량이 높으며, 대량의 수소를 안전하게 운송할 수 있습니다. 유조선, 유조차량, 파이프라인 등 기존 인프라를 활용할 수 있다는 것도 장점입니다. 수소 저장과 추출 과정을 반복적으로 시행할 수도 있습니다.

하지만 수소를 다시 추출해 활용하기 위한 재변환 과정에서 많은 에너지와 비용이 소모되어 아직 상업화까지 도달되지 못하고 있습니다.

4. 수소를 암모니아화하여 운송하는, 하버-보슈법

하버-보슈법(Haber-Bosch process)은 질소와 수소를 고온과 고압에서 반응시켜 암모니아를 생산하는 공정인데, 이 공정을 적용해 암모니아를 운송한 후 필요할 때 암모니아를 분해해서 수소를 추출할 수 있습니다.

암모니아는 액화에 많은 에너지를 필요로 하지 않고, 분해할 때 수소와 질소만을 생성해 친환경적이기도 합니다. 특히 비료로 활용되고 있기 때문에 저장과 운송 분야의 밸류체인이 구축되어 있어 기존 인프라 사용 가능하다는 것이 큰 장점입니다.

다만, 암모니아를 수소로 재변환하는 크래킹(cracking) 공정이 상용화되어 있지 않아 이 설비를 구축해야 한다는 과제가 존재합니다.

5. 실현 가능 시기가 가장 가까운 운송 방식, 액화 수소

그렇다면, 실현 가능 시기가 가장 가까운 운송 방식에는 어떤 것이 있을까요? 대안적인 세 가지 수소 운송 방식 중 가장 먼저 실현되고 있는 것은 바로 액화 수소입니다. 액화 수소는 수소에 다른 물질을 첨가해 액상으로 변환하는 LOHC와 달리, 수소를 대기압 기준 영하 253℃까지 냉각해서 액체 상태로 변환한 후 탱크로리를 통해 운송하는 방법입니다.

액화 수소로 운송을 하면 기체 수소 대비 부피가 1/800로 줄어들어 운송 효율이 10배 이상 높아집니다. 이미 해외에서는 상용화된 기술로 1∼2bar의 낮은 압력으로 대량 운송이 가능해 대도시 내 공급에 적합하다는 것이 장점입니다. 온도가 높아지면 기화하므로 기체 재변환도 어렵지 않습니다.

물론, 액화 수소 역시도 개선해야 할 단점은 존재합니다. 액화를 위한 에너지 비용이 높고, 온실가스 배출량이 많다는 점인데요. 액화에 필요한 에너지는 약 11~13kwh/kg로, 천연가스 액화(0.3kwh/kg)에 필요한 에너지의 40배나 됩니다.

하지만 이런 단점에도 불구하고 액화 수소가 주목받는 이유는 버려지는 냉열을 이용하여 액화 공정에 활용하는 방법 등을 적용하여 비용과 탄소 배출 문제를 극복할 수 있을 것으로 보이기 때문입니다. 올해 인천, 울산, 창원 등 3곳의 액화수소 플랜트에서 액체 수소를 본격 생산할 예정입니다.

미래에는 수소가 에너지 산업과 무역의 중심을 차지하게 될 것으로 전망됩니다. 따라서 수소 운송 기술에 있어 경쟁력 확보가 필요합니다. 친환경 수소 에너지로 활기를 띄게 될 우리의 미래를 S-OIL과 함께 지켜봐 주시기 바랍니다!

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참고 · webzine.koita.or.kr/201909-specialissue/02-수소의-저장-운송-및-충전
          htwo.hyundai.com/ko/worldwide/insights/article/수소_Inside_2_수소의_운송과_저장_기술은_어디까지_왔을까%3F
          www.keei.re.kr/keei/download/KEIB_210913_3.pdf
          global-autonews.com/bbs/board.php?bo_table=bd_035&wr_id=665
          www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=110396
          eiec.kdi.re.kr/policy/materialView.do?num=231979&topic=
          www.integralkorea.com/?p=23440
          www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=78735
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          www.enetnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=4094
          www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12148