수소 수송 및 저장

화석 연료는 오늘날 대부분의 인프라에 전력을 공급하는 용도로 사용되지만, 연소 시 오염 물질, 특히 이산화탄소를 배출한다는 문제가 있습니다. 이산화탄소는 지구 온난화와 기후 변화를 일으키는 온실가스(GHG)입니다.

이와 달리 수소를 연소하면 이산화탄소나 이산화황(SOx) 같은 오염 물질이 배출되지 않고 무해한 수증기와 일부 산화질소(NOx)가 생성됩니다. 또한 수소는 수소, 천연가스 또는 이 둘을 혼합하여 사용할 수 있는 내연기관을 갖춘 기존의 많은 천연가스 터빈과 호환됩니다. 하지만 수소는 잘못 취급하면 매우 위험한 물질입니다.

먼저 수소 분자는 모든 원소 중 가장 작기 때문에 탱크와 파이프라인에서 누출될 경우 심각한 문제(화재 및 폭발 위험)가 발생할 수 있습니다. 피팅, 개스킷, 밸브 등 이러한 시스템을 밀봉하는 데 사용되는 재료와 기술을 특별히 고려해야 합니다. 불꽃 감지기, 가연성 가스 감지기 등의 환경 모니터링 장치나 압력 및 온도 트랜스미터와 같은 인라인 장치를 사용하여 밀폐 손실과 같은 비정상적인 이벤트를 감지해야 합니다. 수소는 이원자이기 때문에 천연가스 애플리케이션에서 자주 사용되는 적외선 기반 가스 감지기와 같은 최신 기술을 수소 가스 감지에 사용할 수 없습니다.

누출은 주로 취성의 결과로 발생하며, 이는 강철 및 기타 금속이 수소 원자를 흡수할 때 가장 자주 발생합니다. 이러한 원자는 재결합하여 금속 전체에 걸쳐 확산되는 수소 분자를 형성하고 소재를 약화시키는 기포를 형성하여 상온에서도 취성과 균열을 일으킬 수 있습니다. 따라서 용도에 따라 적절한 소재를 정하여 이러한 문제를 최소화하는 것이 중요합니다.

안전한 수소 저장은 수소 및 연료전지 기술 발전의 핵심 원동력입니다.

수소는 압축 기체 또는 극저온 액체로 저장할 수 있습니다. 압축 기체 수소는 일반적으로 350-700 bar (5,000-10,000 psi)의 탱크에 저장됩니다. 완전 액체 수소는 약 -253 °C (-423 °F)에서 저장할 수 있는 반면, 극저온 압축 수소는 약 -233 °C (-387 °F)에서 저장할 수 있습니다. 기체 저장은 장비 요건이 낮고 훨씬 경제적인 반면, 액체 저장은 에너지 저장 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있습니다.

액체 수소는 오랫동안 우주 발사를 위한 로켓 연료로 사용되어 왔습니다. 우주에서는 실린더, 튜브, 구형 탱크에 압축 기체 또는 극저온 액체로 저장되어 왔습니다. 기체 형태의 수소는 일반적으로 실린더에 저장됩니다. 그러나 액체 수소를 저장할 때는 외부로부터의 열 전달과 직접 연관되는 표면적을 최소화하기 위해 구형 탱크가 선호됩니다.

또한 수소는 고체 표면(흡착) 또는 고체 내부(흡수)의 물질 기반 시스템에 저장할 수도 있습니다. 이 방법은 누출과 통제되지 않은 연소의 가능성을 줄여주기 때문에 연료 밀도 요건을 충족하고 프로세스 안전성을 높이기 위해 개발되고 있습니다.

모든 수소 저장 시스템에 적용되는 안전 조치는 다음과 같습니다.

• 구조물, 차량, 열, 불꽃, 화염에서 멀리 떨어진 통풍이 잘 되고 흡연이 금지된 실외 공간에 저장하십시오.
• 저장 용기를 끌거나, 굴리거나, 밀거나, 떨어뜨리지 마십시오.
• 수소를 취급할 때는 스파크 방지 공구와 방폭 장비만 사용하십시오.
• 모든 장비와 배관을 접지하십시오.
• 비눗물을 사용해 수소 시스템의 누출 여부를 정기적으로 점검하고 화염을 사용하지 마십시오.

고밀도 수소 저장은 수송 시스템에 상당한 도전 과제를 안겨줍니다. 수소의 에너지 밀도는 휘발유보다 훨씬 낮기 때문에 같은 양의 에너지를 저장하려면 더 큰 탱크가 필요합니다. 일반적으로 차량용 수소 탱크는 천연가스 탱크보다 더 크고 더 높은 압력을 견딜 수 있습니다.

이렇게 추가적인 공간이 필요하기 때문에 공간 효율적인 방식으로 사람과 물건을 수송하는 차량의 기능이 떨어지고, 증가한 무게는 정해진 양의 에너지로 차량이 이동할 수 있는 거리에 부정적인 영향을 미칩니다. 또한 수소 연료전지는 내연기관보다 더 많은 공간을 차지하고, 무게를 증가시키며, 또 다른 잠재적 누출 원인이 됩니다.

수소 자동차와 트럭은 공급되고 있는 반면, 전 세계적으로 수소 연료 충전소의 수는 제한적입니다. 따라서 대부분의 사람들, 특히 일반 소비자들 입장에서는 실용적이지 못한 것이 사실입니다. 하지만 수소 인프라가 계속 발전함에 따라 추후 이러한 현실은 바뀔 수 있습니다.

이러한 단점에도 불구하고 수소 자동차와 장거리 트럭은 전기 자동차에 비해 상당한 장점이 있습니다. 몇 시간이 아니라 몇 분 안에 연료를 충전할 수 있고, 저장된 에너지는 시간이 지나도 성능이 저하되지 않습니다. 에너지 저장 밀도가 배터리보다 100배 이상 높기 때문에 연료가 배터리보다 훨씬 가볍고 컴팩트합니다. 마지막으로 최신 배터리를 생산하는 데 필요한 원료, 특히 리튬은 공급이 부족한 반면, 수소 연료전지를 생산하는 데 필요한 원료는 풍부합니다.

기체 수소가 생산되면 현지에서 소비하거나, 압축하여 인근 저장 탱크로 보내거나, 압축하여 실린더에 충전한 다음 수송하거나, 저장 밀도를 높이거나 장거리 수송을 위해 액화할 수 있습니다. 수소는 일반적으로 파이프라인, 트럭, 철도, 선박을 이용해 수송합니다. 파이프라인은 인근 생산 시설과 소비자 사이 그리고 안정적인 장기 수요가 예상되는 더 넓은 지역에 걸쳐 가장 자주 사용되는 수송 방법입니다.

단거리의 경우 튜브 트레일러에 길쭉한 고압 실린더를 적재하거나 극저온의 액체 수소 탱커를 이용한 트럭 수송이 가장 일반적입니다. 철도는 액체 수소를 중거리 수송하는 데 사용되며, 선박은 무거운 화물을 장거리 수송하는 데 적합합니다.

차량과 고정식 설비 모두에서 안전하게 사용할 수 있는 실용적인 소규모 수소 저장 시스템을 개발하기 위한 연구가 계속되고 있습니다. 수소 생산과 더불어 수송 및 저장 분야의 발전은 수소 경제를 촉진하는 기폭제가 될 것입니다.

산업계가 인프라에 수소와 기타 대체 연료를 도입하여 탄소 배출을 줄이려고 노력함에 따라 이러한 시스템의 안전한 엔지니어링, 설치, 운영 및 유지보수를 위해서는 적절한 교육이 반드시 필요합니다.