수소탱크

수소탱크(hydrogen tank) 또는 수소연료탱크( hydrogen fuel tank)란, 수소자동차에서 수소 연료를 저장하는 탱크 장치이다.

개요

수소탱크는 차세대 연료 저장고로서, 고정식 동력, 휴대용 동력 및 운송을 포함하는 애플리케이션에서 수소 및 연료전지 기술을 발전시키는 핵심 기술이다. 이미 압축천연가스(CNG) 탱크용 기술을 개발한 것과 같이 자동차 산업의 요구를 충족시키기 위해 수소탱크의 재료와 설계 원리를 테스트하는 것은 매우 중요하다.

안전

수소 연료의 안전성

수소경제 로드맵을 발표하면서 정승일 산업부 차관은 "수소에너지와 수소폭탄은 전혀 다르다"며 "수소는 가장 안전한 연료로 평가받는다"고 말했다. 실제로 수소폭탄(핵융합반응)과 수소탱크 폭발(산화환원반응)은 개념·원리가 다르다. 또 정부는 종합위험도 분석에 따라 가솔린·프로판·메탄보다 수소가 안전하다고 설명한다. 이에 따르면 수소의 위험성을 1이라고 볼 때, 가솔린(1.44)·프로판(1.22)·메탄(1.03)이 모두 상대적으로 더 위험하다. 하지만 이는 4가지 연료를 항목별로 1~4위로 나눠 15개 항목 순위의 평균을 단순히 합산해 상대점수로 변환한 수치다. 예컨대 인화점이 낮은 순서대로 순위를 부여하고, 가솔린에 1점, 메탄에 2점, 프로판에 3점, 수소에 4점을 부여한다. 정부의 설명에 이덕환 서강대 화학과 교수는 “‘수소가 안전하다’는 말은 틀렸다”고 반박한다. 대신 “‘수소를 안전하게 관리할 방법은 있다’는 표현이 정확하다”고 설명했다. 화학을 전공한 대다수의 전문가도 ‘수소는 위험한 물질’이라는 표현에 동의한다. 워낙 폭발범위가 넓고 폭발 규모가 커서다. 공기 중 수소 농도는 많아도(75.6% 이내) 폭발하고, 적어도(4% 이상) 폭발한다. 우리가 위험하다고 생각하는 액화천연가스(LNG·(5.3~15.0%)보다 폭발범위가 7배나 넓다. 또 메탄(0.28 MJ)·프로판(0.25 MJ) 등 다른 연료보다 쉽게 불이 붙고(0.013 MJ·최소착화에너지), 불이 붙으면 LNG보다 10배나 큰 대규모 폭발이 발생한다.

강릉 수소탱크와 수소차 충전 용기의 차이

박기영 산업통상자원부(산업부) 대변인은 “전혀 다르다”고 설명했다. 사실이다. 폭발한 수소탱크는 연구실험시설용 용기다. 강철을 용접해 만들었다. 때문에 용접 부위에 이음매가 존재한다. 하지만 시중에서 볼 수 있는 수소차·수소충전소 충전 용기는 탄소 복합섬유로 제작했다. 재질이 강철보다 10배 이상 강력한 데다, 충격을 받으면 폭발하는 대신 찢어지면서 수소가 새어 나간다. 수소는 밀도가 낮아 누출하면 대기 중으로 빠르게 퍼진다. 다만 이 수소는 특별한 압력을 가하지 않아도 작은 불씨를 만나면 대규모 폭발로 이어질 수 있다.

수소차의 안전성

수소탱크도 다르지만, 각종 안전장치도 겹겹이다. 현재 국내서 유일하게 수소차를 시판하는 현대자동차(HYUNDAI MOTOR COMPANY)는 실시간 수소 누출을 모니터링하는 장치(수소누출 감지 센서)를 수소차 연료 공급 시스템 곳곳에 적용했다. 센서가 수소 누출을 감지하면 수소탱크 밸브를 차단하고, 수소탱크 온도가 상승하면 강제로 수소를 배출한다. 또 수소탱크가 폭발하지 않도록 화염방지물질(내화재)을 적용해 차가 완전히 불타도 수소탱크가 폭발할 가능성은 작다.

수소 에너지의 위험성

안전성과 경제성을 동시에 고려해서 판단할 문제다. 지금 기술로는 안전성이 다소 미흡한 부분도 존재하는 것이 사실이다. 그렇다고 당장 수소를 포기할 문제는 아니다. 수소가 미래의 에너지원으로 부상할 가능성이 있기 때문이다. 위험하더라도 경제성이 뛰어난 기술이 등장한다면 써야 한다. 도시가스가 위험하지만, 대중화한 것과 마찬가지다. 태양광·풍력 등 신재생에너지처럼 수소기술도 장기적 기술 개발이 필요한 미완성 기술이다.

수소 전기차의 수소 탱크 안전 사양

수소전기차 수소탱크의 내피는 수소의 투과를 최소화하는 폴리아마이드 라이너로, 외피는 700bar의 높은 압력을 견디는 탄소섬유 강화 플라스틱으로 만들어졌다. 수소전기차의 수소탱크는 낙하 충격 실험, 총격시험, 화염시험 등 국내외 각종 인증시험을 통해 안전성을 검증받았다. 수소탱크, 연료 공급 시스템, 연료전지 스택에는 실시간으로 작동하는 수소 누출 감지 센서가 마련돼 수소가 조금이라도 누출되면 빠르게 대처할 수 있다. 수소전기차의 연료전지 시스템은 수많은 돌발 상황에 대비해 안전하게 제어할 수 있도록 설계되어 있다. 수소전기차는 내연기관 차량과 동일한 조건의 안전성 평가와 함께 추가로 수소탱크 인증시험까지 받아 안전성을 확보한다.

수소 저장 탱크 구조

부피가 큰 수소를 압축하여 저장하는 용기로 수소차 재료비의 20%, 전체 원가의 12%를 차지하고 수소의 중량당 에너지 밀도는 가솔린의 3~4배지만, 면적당 에너지 밀도는 가솔린의 25% 수준이다. 따라서 최대한 압축하여 저장해야 효율적인 사용이 가능하다 저장 방식으로는 고압 수소가스 저장, 액체수소 저장 등. 대부분의 완성차 업체들은 고압 저장방식을 사용하고 있으며 비엠더블유(BMW)는 액체 수소 저장 방식을 개발 중이다. 수소 저장 용기는 700bar의 높은 압력과 수소가스 충·방전 시 약 -40도~80도까지의 온도를 견뎌야 한다. 수소전기차는 순수한 수소를 연료로 사용한다. 수소는 끓는점이 -252.87℃로 상온에서 기체 상태로 존재한다. 기체는 부피 당 밀도가 낮아 보관에 매우 큰 공간이 필요하다. 연료로서 효용성이 떨어지는 것이다. 따라서 같은 공간에 더 많은 수소를 보관하기 위해선 고압으로 압축해야 한다. 수소전기차가 700bar(약 690기압) 수준으로 압축한 고압 수소를 연료로 사용하는 이유다. 수소전기차에서 이 고압 수소를 안전하게 보관하는 부품이 바로 수소 연료 탱크다. 수소전기차 연료 탱크의 외피는 700bar의 높은 압력을 견딜 수 있는 탄소섬유 강화 복합재로 제작하며, 내부에는 내구 복원력이 뛰어난 폴리이미드(나일론 소재) 라이너를 삽입한다. 연료 탱크에서 고압으로 보관된 수소는 2단계 감압 장치를 거쳐 연료전지 스택에 전달된다. 저장부터 공급까지, 수소를 연료로 사용하기 위한 다양한 기술들이 시스템에 반영된 것이다.

그리고 전기적 신호에 의한 수소가스 차단 및 공급 기술, 외부 충격에 터지지 않는 견고함 등이 요구됨 수소차를 20년 이상 사용할 수 있으려면 내구성과 연비를 고려한 경량화 기술이 필요. 이를 위해 플라스틱 라이너로 탄소를 봉인하고 카본 파이버를 수천 번 감아 용기를 제조한다. 1kg 수소로 100km 정도 주행이 가능하며, 현재 상용화된 수소전기차에는 2개의 용기에 5~6kg의 압축 수소를 실어 500~600km의 주행이 가능하다.

향후 전망

수소업계는 전세계 수소차 시장 규모가 2020년 4만대에서 오는 2030년 500만대로 늘어날 것으로 보고 있다. 수소튜브트레일러 시장 역시 2020년 2억8500만달러(약 3265억원)에서, 2025년 10억 달러(1조1400억원)로 3배가량 증가할 것으로 예측한다. 전체 수소 탱크산업 규모는 2030년에 연간 12조원 규모로 늘어날 전망이다.

관련 기업

일진하이솔루스

일진하이솔루스㈜(Iljin Hysolus)는 수소탱크 시장에 진출한 대표적 기업 중 하나이다. 현대자동차‘넥쏘’의 수소연료 탱크를 전량 공급하는 등 양산에 성공했다. 지난 8일엔 타입4 수소튜브트레일러도 출시했다. 수소 충전소에 수소를 공급하는 역할을 하는 용기로 수소 500㎏을 실을 수 있다. 현재 20피트 컨테이너 형태로 설계됐으나 40피트 컨테이너로 용량을 키우는 방법을 고려하고 있다. 압축기와 충전기 등을 함께 부착해 이동식 충전소로 활용하는 방법도 검토하고 있다. 또 국내 기업 가운데 처음으로 ‘타입4’ 수소 연료탱크를 양산하고 있기도 하다. 수소탱크를 차량만에만 도입하는게 아니다. 두산모빌리티이노베이션의 수소 드론에도 일진하이솔루스의 연료탱크가 쓰인다. 0.2㎏의 수소를 저장해 2시간 가량 날 수 있다. 일진하이솔루스는 삼성중공업 에서 건조하는 수소 연료전지 선박에 고압 수소 연료탱크를 공급할 계획이다. 대형 컨테이너선에는 12.5㎏의 수소를 담을 수 있는 연료탱크가 100개가량 쓰일 것으로 예상된다. 일진하이솔루스는 장기적으로 도심항공모빌리티(UAM)에도 수소 연료탱크 수요가 있을 것으로 보고 있다. 일진하이솔루스는 이날 국내 최초로 타입4 수소튜브트레일러도 선보였다. 수소튜브트레일러는 수소를 생산지에서 충전소로 옮기는 역할을 한다. 현재 국내에서는 금속제로 만든 ‘타입1’ 수소튜브트레일러가 쓰인다. 총 무게가 40톤, 길이가 16m가량이다. 도심지에서는 회전이 어렵고, 서울의 경우 한강 다리도 건널 수 없다. 도심 내 수소충전소 신설에 걸림돌 중 하나였다. 탄소섬유나 플라스틱을 활용한 타입4 수소튜브트레일러는 무게 26톤, 길이 10m로 타입1보다 작고 가볍다. 도심 내 주행에 문제가 없다. 강도는 오히려 금속제보다 더 튼튼하다는게 일진하이솔루스의 설명이다. 특히 저장용량이 기존 300㎏에서 500㎏으로 늘어, 수소 충전소의 하루 필요량(500kg)을 차량 1대로 채울 수 있다. 기존의 200bar(기압)보다 높은 450bar까지 견딜 수 있어서다. 현재는 하나의 충전소에 수소튜브트레일러가 2~3대 필요한데, 타입4 수소튜브트레일러는 1대면 된다.

한화솔루션㈜(Hanwha Solutions)도 2030년 고압 탱크 시장 1위를 목표로, 국내·외 인증을 받으며 기술력을 쌓고 있다. 한화솔루션 첨단소재부문은 올해 초 드론용 수소 탱크 국내 인증을, 최근엔 차량용 수소연료 탱크 유럽연합(EU) 인증을 마쳤다. 한화솔루션은 튜브 트레일러 등에 쓰이는 수소 탱크 인증도 준비하고 있다. [에너지신문] 한화솔루션이 그린수소 사업 확대에 속도를 내고 있다. 한화솔루션은 미국 고압 탱크업체인 시마론(Cimarron)의 지분 100%를 인수하는 계약을 체결했다고 밝혔다. 한화솔루션은 미국항공우주국(NASA)에서 사내벤처로 출발해 세계 최고 수준의 고압탱크 기술력을 갖춘 스타트업을 인수, 그린수소의 생산, 저장‧운송 등 모든 밸류 체인에서 사업 역량을 구축하겠다는 각오다. 시마론은 NASA에서 23년 동안 항공 소재 분야 연구원으로 근무한 톰 딜레이가 2008년 사내벤처로 설립한 기업이다. 딜레이는 우주선용 고압탱크 특허를 비롯해 경량 탱크 관련 특허를 다수 보유하고 있으며, 시마론은 2015년 나사에서 독립해 현재 미국 앨러바마주 헌츠빌에서 대형 수소탱크, 항공 우주용 탱크 등을 생산하고 있다. 이번 인수를 통해 한화솔루션은 기존 수소 자동차용 탱크 외에 수소 운송 튜브 트레일러용 탱크, 충전소용 초고압 탱크, 항공 우주용 탱크 기술 등을 확보할 수 있게 됐다. 한화솔루션 관계자는 “미국 외국인투자심의위원회의 심사를 거쳐 내년 4월 내 인수작업을 끝낼 계획”이라면서 “인수 대금을 포함해 2025년까지 시마론에 약 1억달러를 투자해 글로벌 수소탱크 사업 전개를 위한 기반을 확보할 방침”이라고 말했다. 롯데케미칼㈜(Lotte Chemical Corporation) 도 타입4 수소 탱크를 개발하고 있다. '타입 4' 초경량 복합소재 수소탱크이며, 방식은 '토우 프리프레그(tow prepreg)'이다. '토우 프리프레그'는 탄소섬유에 에폭시를 함침(투입)시킨 뒤 와인딩(감기)을 하는 일종의 '드라이 와인딩'이다. 기존 '웻 와인딩'을 대체하는 새로운 방식이다. 최근 에어리퀴드코리아와 업무협약을 맺고 롯데케미칼이 생산하는 부생수소를 활용해 수소출하센터와 수소충전소 구축에 공동 투자하기로 했다. 이 과정에서 고압 수소탱크 기술과 관련한 협업도 진행할 계획이다. 롯데케미칼의 전신은 호남석유화학이다. 전통적인 석유화학업체인 롯데케미칼이 '수익원 다변화 및 신성장사업 발굴' 차원에서 수소탱크 제작 관련된 연구개발을 최근 수년째 해온 것이다. 임병연 롯데케미칼 대표이사 부사장도 올초 신년사를 통해 '수소경제'에 방점을 찍다. 임 부사장은 지난 27일 정기 주주총회를 통해 사내이사로 신규 선임되면서 신동빈 롯데그룹 회장, 김교현 롯데그룹 화학BU장(사장)과 함께 '3인 각자 대표체제'를 구축했다. 임 부사장은 신년사에서 "신성장사업 발굴에도 매진해야 한다. 최근 주목받고 있는 수소 산업은 당사에서도 적극적인 관심을 기울여야 할 분야"라며, "수소 저장 탱크 및 수소 인프라 구축 등 관련 분야에 대한 심도 있는 연구와 기술 개발이 있어야 한다"고 강조했다. 과거 롯데케미칼은 수소탱크 외에도 자동차용 소재를 개발한 바 있다. 현대차는 2014년 제네바 모터쇼에서 'HED-9 인트라도' SUV 콘셉트카를 내놨는데, 이때 롯데케미칼이 자동차용 강판 대신 경량화 소재로 쓰일 수 있는 플라스틱을 공급했다. 수소탱크는 수소전기차(FCEV)의 핵심 부품이며, 탱크를 구성하는 소재는 '탄소나노튜브'다. 수소전기차는 수소탱크의 수소를 연료전지 스택에 보내 공기 중의 산소와 결합할 때 발생되는 전기를 이용해 모터를 구동한다. 에스케이㈜(SK)는 SK E&S와 미국 플러그파워에 투자, 액화수소 시장에서 2023년까지 성과를 내겠다는 목표를 세웠다. 플러그파워는 차량용 수소 연료 전지, 액화수소 플랜트 등에 기술력을 갖고 있는 회사다. 에스케이와 에스케이 이엔에스가 지난 1월 약 1조8000억원을 투자, 9.9%의 지분을 확보해 최대 주주로 올라섰다. 플러그파워는 액화수소 운송·저장 분야에서 앞선 기술력을 갖고 있다는 평가를 받는다. 국내 액화석유가스(LPG) 시장 1위 업체인 에스케이 가스가 액화수소 사업을 추진한다. 주력인 LPG 유통 사업이 저유가와 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 여파로 부진하자 돌파구 마련에 나선 것이다. 기존 사업 노하우를 활용할 수 있는 데다 수소전기차 시장과 함께 성장이 예상되는 ‘수소 인프라’ 시장을 선점하기 위한 포석도 깔려 있다. 에스케이가스, 액화수소사업 승부수 띄웠다 경제계에 따르면 에스케이가스는 지난달 ‘수소 태스크포스’(TF)를 출범했다. 액화수소 기술을 확보하고, 에스케이가스의 기존 사업 노하우를 수소 사업에 접목하기 위한 조직이다. 액화수소 기술을 보유한 스타트업 하이리움산업과 기술협력을 위한 양해각서(MOU)도 체결했다. 2014년 설립한 하이리움산업은 국내에선 처음으로 액화수소 기술을 독자 개발했다. 기체수소를 액화하려면 온도를 -253도까지 떨어뜨려야 하는데, 이 회사는 냉매와 전기를 이용해 빠르게 냉각할 수 있는 기술을 보유하고 있다. 에스케이가스는 향후 수소차 시장이 커지면 수소도 액화 상태로 유통될 가능성이 높다고 보고 있다. 액화수소가 기체수소에 비해 부피가 800분의 1 수준에 불과한 데다 수소를 연료로 쓰려면 액화하는 것이 훨씬 유리하기 때문이다. 에스케이가스, 액화수소사업 승부수 띄웠다…액화수소의 핵심은 경제성이다. 비용을 최소화하면서 빠르게 냉각하는 기술을 확보해야 한다. 에스케이가스는 ‘액화천연가스(LNG) 냉열’을 통해 문제를 해결하려고 한다. 액화천연가스의 경우 -163도까지 온도를 낮춰야 하는데, 여기서 나온 냉열을 활용하면 값싸게 액화수소를 얻을 수 있다는 계산이다.

• 효성 : 효성도 린데그룹과 손잡고 액화수소 사업에 속도를 내고 있다. 효성중공업과 린데가 세우는 합작법인 린데하이드로젠은 효성화학 울산공장 내에 액화수소 생산공장을 2023년까지 짓고, 이곳에서 생산한 액화수소를 또다른 합작법인 효성하이드로젠이 유통하는 그림이다. 유통을 위해 필요한 수소 탱크와 액화수소 충전소도 구축해나갈 계획이다.효성첨단소재 (604,000원 상승6000 -1.0%)㈜가 한화솔루션㈜에 수소전기차 연료탱크 소재로 쓰이는 고강도 탄소섬유를 공급한다. 6년간 계약 규모만 총 1600억원에 이른다. 양사 간 협력이 향후 더 확대될 전망이다. 효성첨단소재는 2021년부터 6년간 한화솔루션에 고강도 탄소섬유를 공급하는 계약을 체결했다고 밝혔다. 효성첨단소재는 이번 계약을 통해 탄소섬유 부문에서 지속적인 성장을 기대할 수 있게 됐다. 탄소섬유 시장은 일본과 미국이 주도하고 있다. 효성은 순수 국산 탄소섬유를 개발해 높은 강도를 바탕으로 고압용기 시장을 집중 공략하고 있다. 탄소섬유는 안전성과 친환경성 때문에 차량의 압축천연가스(Compressed Natural Gas) 연료 탱크나 수소 연료 탱크에 사용된다. 연료 탱크는 수백 기압의 고압 상태로 가스를 주입해야 한다. 고강도 탄소섬유로 탱크를 감싸면 충분한 강도를 확보할 수 있다. 탄소섬유를 활용한 연료탱크는 특히 기존 금속 탱크보다 훨씬 가볍다. 주행성능이 개선되고 탄소배출량은 줄어든다. 고강도·고탄성·경량화 특성상 도심 항공 모빌리티(UAM), 항공 우주, 선박용 연료 탱크 등 다양한 용도로 확대 적용될 전망이다. 효성첨단소재는 2008년부터 탄소섬유 개발에 돌입해, 2013년 전주공장에서 생산을 시작했다. 탄소섬유 브랜드 ‘탄섬(TANSOME®)’의 탄생이다. 효성첨단소재는 2028년까지 전주공장에 1조원을 추가 투자해 연산 2만4000톤 규모의 탄소섬유 생산능력을 확보할 계획이다. 현재 4000톤 규모까지 증설이 완료됐다. 황정모 효성첨단소재 대표이사는 “탄소섬유는 기후변화대응과 수소경제 활성화 추진의 핵심 소재”라며 “탄섬의 소재기술로 안전하고 깨끗한 뉴 모빌리티 구현을 추진해 나가겠다”고 말했다.

참고자료

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• 다이어리, 〈수소차 구조 및 원리 (FCEV / 연료전지 / 스택 / 수소 저장 탱크 / 충전소 / 백금 / MEA / 현대차)〉, 《네이버 블로그》, 2018-12-20
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• 정리남 꿈꾸자인생, 〈수소연료전지자동차(수소차) 장점과 단점은?! (공기정화원리, 수소채취방법, 부생수소?)〉, 《티스토리》, 2020-10-09
• 권오은, 〈(르포) 탄소섬유 1만번 감아 ‘넥쏘’ 수소 탱크 만드는 일진하이솔루스〉, 《조선비즈》, 2021-07-11
• 권오은, 〈10년 뒤 年 12조원 수소탱크 시장… 일진 뛰고, SK·한화·롯데 쫓고〉, 《조선비즈》, 2021-07-13
• 신석주, 〈한화솔루션, 美 수소탱크 스타트업 인수〉, 《에너지신문》, 2020-12-28
• 연구조사본부, 〈'화학회사의 변신' 롯데케미칼, 신개념 수소탱크 개발 中〉, 《한국석유화학협협회》, 2019-04-01
• 안재광, 〈SK가스, 액화수소사업 승부수 띄웠다…수소 생태계 본격 참여〉, 《한국경제신문》, 2020-10-11
• 우경희, 〈한화·효성 1600억원 규모 합작, 수소탱크용 탄소섬유 힘 합친다〉, 《머니투데이》, 2021-04-05

같이 보기

• 수소
• 연료
• 탱크
• 수소자동차
• 수소에너지
• 수소경제

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