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문제 정의
- 본 특집기사에서는 수소 연료를 선박에 적용하기 위해 필요한 기술을 액화수소 저장 및 공급의 관점에서 서술하였다.액화수소를 저장하기 위해 필요한 단열 기술에 대해 정의하고 선박 탑재 액화수소 저장・공급 기술의 해외 프로젝트 사례를 기술적으로 분석하였으며 자동차에 탑재되는 액화수소 저장 탱크의 안전성 성능평가 절차에 대해 소개하였다.
- 본 특집기사에서는 수소 연료를 선박에 적용하기 위해 필요한 기술을 액화수소 저장 및 공급의 관점에서 서술하였다.액화수소를 저장하기 위해 필요한 단열 기술에 대해 정의하고 선박 탑재 액화수소 저장・공급 기술의 해외 프로젝트 사례를 기술적으로 분석하였으며 자동차에 탑재되는 액화수소 저장 탱크의 안전성 성능평가 절차에 대해 소개하였다.
- 이에 본 특집기사에서는 수소의 선박 연료 적용을 위한 기술 분야로서 액화수소 저장・공급 기술을 소개하고자 한다. 이를 위해 액화수소의 특성 및 극저온 단열기술에 대해 살펴보고, 액화수소 저장시스템, 연료 공급시스템으로 구분하여 이들의 기술적 분석을 수행한다.
가설 설정
- 이외에도 액화수소를 탑재한 수소 자동차의 터널내부 주행 도중의 사고를 가정하여, 터널 주행 시의 안전성 검토 또한 수행하였다. 해당 안전성 평가에서는 수소의 방출속도, 착화 위치, 연소의 거동, 화재 전이속도, 발생압력과 분포, 화재온도 분포 등에 대해 시뮬레이션 및 실험을 진행하였으며, 휘발유와의 비교를 통해 수소가 화재 및 이로 인한 피해 측면에서휘발유보다 상대적으로 안전하다고 보고하고 있다.
제안 방법
- 안전성 시험은 그림 11에 도시된 시험항목들을 바탕으로 수 행되었다. 가속시험, 진동시험, 진공 층 파괴에 의한 압력 파괴시험, 충돌 변형 시험, 탱크 관통시험, 화재 폭로시험으로구성된 시험과정을 통해 폭발로 인한 급격한 에너지 방출에 대해 조사하는 등 안전성 검토를 수행하였다. 해당 연구에서 안전밸브의 정상작동으로 탱크 내부의 액체수소가 기화하여 서서히 외부로 방출됨을 확인하였다.
- 다음으로, 수소 자동차의 충돌에 대한 안전성을 평가하기 위하여 그림 13의 실제 운행되는 차량을 대상으로 액체헬륨 (1 차), 액화수소 (2차)가 각각 충전된 (30 bar) 탱크를 탑재한 후전면부・후면부 충돌 테스트를 수행하였다. 해당 테스트의 결과로 충돌 후 액화수소 탱크 내부 압력이 충돌 전과 동일하며,차량에 장착된 센서에서도 수소 누출이 감지되지 않는 등 액화수소 탱크의 충돌 안전성을 확인하였다.
- 이를 위해 액화수소의 특성 및 극저온 단열기술에 대해 살펴보고, 액화수소 저장시스템, 연료 공급시스템으로 구분하여 이들의 기술적 분석을 수행한다. 마지막으로 액화수소의 안전성 관련 유사 연구사례의 고찰을 통해 액화수소의 선박 적용 시 수반되는 안전성 문제를 논의한다.
- 실린더형 지지대는 17개가 설치되며, 초기형 액화수소 운반선에 적용되는 크기의 1/3로 제작되었으며 주요 제원은 표 4에 나타냈다.본 시험에서 액화수소 대신 물을 채우는 충수 시험을 통해 지지대의 안전성 평가를 수행하였다. 지지대에 가해지는 하중은 내조 85톤을 포함하여 총 473톤의 하중을 가하였으며, 이는 액화수소 충전 조건보다 3배 이상의 하중이 가해지는 것이다.
- 이에 본 특집기사에서는 수소의 선박 연료 적용을 위한 기술 분야로서 액화수소 저장・공급 기술을 소개하고자 한다. 이를 위해 액화수소의 특성 및 극저온 단열기술에 대해 살펴보고, 액화수소 저장시스템, 연료 공급시스템으로 구분하여 이들의 기술적 분석을 수행한다. 마지막으로 액화수소의 안전성 관련 유사 연구사례의 고찰을 통해 액화수소의 선박 적용 시 수반되는 안전성 문제를 논의한다.
- 이외에도, 액화수소 저장탱크 사용압력 (700 bar) 상태에서 화재 시 발생할 수 있는 위험 상황을 고려한 시험 결과, 시스 템 및 탱크에서 국부화재가 발생했음에도 불구하고 탱크가 파열되지 않고 작동이 정상적으로 되는 것을 확인하였으며, 차량 기반시설 (충전소)에 대해 수소 누설 시의 안전성 평가, 실차 화재시험 등을 수행하였다. 전술한 시험 과정들은 수소 안전성 평가의 기본 토대로서 차량뿐만 아니라 일부 선박 안전성 평가에도 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 이중진공 단열구조는 304L 스테인레스강을 적용하였으며 10-3 Pa 이하의 고진공 상태를 유지하며 단열재간의 전도열전달 및 복사열전달의 차폐를 위해 MLI 단열방식을 적용하였다. 2016년 1,000 입방미터 규모의 액화수소 저장탱크 모형시험에 적용된 다중적층단열재는 알루미늄으로 양면 증착한 PET필름(polyethylene terephthalate film)과 적층 필름간 열전도를 방지하기 위한 부직포로 구성된다.
- 표 2는 해당 연구에 사용된 각 단열방식별 물성 데이터를 나타낸다. 해당 물성을 활용해 단열방식별 열유입량 및 액화 수소 기화량을 산출하였으며, 단열두께에 따른 단열층 중량 역시 해당 물성을 참고하여 산출되었다. 해당 연구의 결과로 진공 단열방식이 임무 수행에 요구되는 시스템, 추진연료 총 중량이 가장 적은 것을 확인하였으며, 상대적으로 단열층의두께 측면에서도 역시 타 단열방식에 비해 유리한 것으로 나타났다.
- 미국 항공우주국 (NASA, National Aeronautics and Space Administration)은 장거리 원격 무인 항공기용 수소연 료시스템 개발 프로젝트에서 액화수소 저장을 위한 단열방식간의 비교 연구를 수행한 바 있다. 해당 연구에서 스프레이 폼 단열 (SOFI, spray on foam insulation), 진공단열(vacuum jacketed insulation), 고・저밀도 에어로겔 (high・low density aerogel) 단열 각 방법들을 대상으로 14일 동안임무를 수행하기 위해 필요한 시스템 (탱크+단열층)과 추진연 료 등의 총 중량을 조사하여 비교 연구를 수행하였다. 각 단열방식들의 단열두께 또한 고려하여 연구가 수행되었다.
성능/효과
- 이와 같은 수소의 연소특성은 제트화재, 폭발, 폭굉 등의 원인이 된다. 결론적으로 수소의 폭굉 범위는 메탄, 프로판과 비교하여 상당히 광범위하고, 그에 반해 착화 에너지는 상당히 작음에 따라 액화수소의 폭발은 폭굉에 도달할 가능성이 상당하며 그만큼 위험하다는 것을 알 수 있다.
- 해당 결과에서 200 mm 두께의 저밀도 에어로겔의 충진 시 기화손실에 의해 2,500 kg 이상의 추가 연료탑재가 필요한 것으로 나타나며 이는 결과적으로 대량의 연료탑재 후 장기간 운항하는 선박에 있어 진공단열 방식 대비 경쟁력이 떨어지는 것으로 사료된다. 그러나 동일 연구에서, 5시간 임무 수행을 가정한 비교 결과는 두 단열방식간 소요 중량 차이가 크지 않은 것으로 나타났으며, 이를 고려한다면 단열층 설치 및 진공 유지를 위한 비용 등에 있어 약점이 있는 진공단열 방식을 대신하여, 비교적 짧은 운항시간을 가지는 소형선박에 에어로겔충진 방식 또한 유효한 단열방안으로 고려 가능한 것으로 사료된다.
- 2016년 1,000 입방미터 규모의 액화수소 저장탱크 모형시험에 적용된 다중적층단열재는 알루미늄으로 양면 증착한 PET필름(polyethylene terephthalate film)과 적층 필름간 열전도를 방지하기 위한 부직포로 구성된다. 다층적층단열재의 총두께는 10mm 이하로 40개 층으로 구성되었으며 단열성능 측정 결과, 40개층 이상으로 적층하더라도 단열성능의 개선은 기대하기 어려운 것으로 나타났다. 이를 3,000 입방미터 액화 저장 탱크에 적용하는 경우 예측되는 액화수소 기화율이 하루 0.
- 해당 시스템은 선체 갑판의 상부, 하부 모두 적용이 가능하도록 설계 되었으며, 시스템 사이즈, 용 량의 비례적 확장이 가능하여 선박 선종을 포함한 선박 크기,수소 공급 유형에 따라 유동적으로 적용 가능한 것이 특징으로 알려졌다. 언론매체를 통해 공개된 해당 시스템은 외관상그림 10과 같이 기존의 LNG 연료공급시스템과 유사하게 연료 탱크와 인접한 위치에 공급시스템이 박스 형태로 패키징 되어있는 것을 확인할 수 있다.
- 유리섬유강화 플라스틱의 허용 압축 변형률이 -8,000με으 로 해당 조건에서 측정한 최대 압축 변형률보다 3배 정도의 여유가 있어 이중진공 단열구조의 저장탱크를 지지하는 재료로서 강도 측면에서는 문제가 없는 것으로 나타났다.
- 다층적층단열재의 총두께는 10mm 이하로 40개 층으로 구성되었으며 단열성능 측정 결과, 40개층 이상으로 적층하더라도 단열성능의 개선은 기대하기 어려운 것으로 나타났다. 이를 3,000 입방미터 액화 저장 탱크에 적용하는 경우 예측되는 액화수소 기화율이 하루 0.07%에 이른 것으로 확인되었다.
- 표 3은 액화수소 저장탱크와 LNG 저장탱크에 적용되는 소재 및 단열 방법을 비교한 내용으로, 극저온 액화가스를 선박에 저장하기 위한 탱크로서 전체적으로 유사한 구조를 가지고있으나, 액화수소의 경우 더욱 낮은 저장온도, 수소에 의한 금속 취화를 고려하여 소재 및 구조가 달라짐을 확인할 수 있다.가령, LNG 탱크의 구조용 강재로서 주목받고 있는 니켈 합금 강의 경우 니켈이 다량 함유된 금속은 극저온 영역에서 우수한 기계적 강도를 보임에도 불구하고 수소취화에 민감하기 때문에 액화수소 저장 탱크용 구조 강재로 고려되지 않고 내수소취성이 뛰어난 스테인리스강이나 강도 대비 가벼운 알루미늄 합금강이 사용되리라 판단된다.
- Approval in Principle)을 획득하였다. 해당 시스템은 선체 갑판의 상부, 하부 모두 적용이 가능하도록 설계 되었으며, 시스템 사이즈, 용 량의 비례적 확장이 가능하여 선박 선종을 포함한 선박 크기,수소 공급 유형에 따라 유동적으로 적용 가능한 것이 특징으로 알려졌다. 언론매체를 통해 공개된 해당 시스템은 외관상그림 10과 같이 기존의 LNG 연료공급시스템과 유사하게 연료 탱크와 인접한 위치에 공급시스템이 박스 형태로 패키징 되어있는 것을 확인할 수 있다.
- 가속시험, 진동시험, 진공 층 파괴에 의한 압력 파괴시험, 충돌 변형 시험, 탱크 관통시험, 화재 폭로시험으로구성된 시험과정을 통해 폭발로 인한 급격한 에너지 방출에 대해 조사하는 등 안전성 검토를 수행하였다. 해당 연구에서 안전밸브의 정상작동으로 탱크 내부의 액체수소가 기화하여 서서히 외부로 방출됨을 확인하였다. 또한, 안전밸브가 폐쇄 되어 탱크가 파손됨으로써 결함이 발생한 경우, 관통 시험에의해 탱크에 구멍이 뚫리는 등의 극심한 경우에 대해서도 탱 크 외부에서 폭발을 일으키지 않고 수소가 완전히 배출될 때까지 연소될 뿐이라고 보고하고 있다.
- 해당 물성을 활용해 단열방식별 열유입량 및 액화 수소 기화량을 산출하였으며, 단열두께에 따른 단열층 중량 역시 해당 물성을 참고하여 산출되었다. 해당 연구의 결과로 진공 단열방식이 임무 수행에 요구되는 시스템, 추진연료 총 중량이 가장 적은 것을 확인하였으며, 상대적으로 단열층의두께 측면에서도 역시 타 단열방식에 비해 유리한 것으로 나타났다. 아래 그림 4는 단열두께별 임무수행에 요구되는 시스템, 추진연료 총 중량을 비교한 결과로 단열방식별 중량차이는 단열시스템의 중량 차이, 그리고 액화수소연료의 기화로인해 추가 탑재되는 연료의 중량에 기인한다.
- 다음으로, 수소 자동차의 충돌에 대한 안전성을 평가하기 위하여 그림 13의 실제 운행되는 차량을 대상으로 액체헬륨 (1 차), 액화수소 (2차)가 각각 충전된 (30 bar) 탱크를 탑재한 후전면부・후면부 충돌 테스트를 수행하였다. 해당 테스트의 결과로 충돌 후 액화수소 탱크 내부 압력이 충돌 전과 동일하며,차량에 장착된 센서에서도 수소 누출이 감지되지 않는 등 액화수소 탱크의 충돌 안전성을 확인하였다.
후속연구
- 영하 253도의 극저온 영역에서 기체상태 대비 1/800로 부피가 감소된 액화수소를 활용하는 것은 이미 액화천연가스 (LNG)의사례에서 확인하였듯 가스 연료의 선박 적용을 위한 필수 기술요소라 할 수 있으며, 국가 간 수소 에너지의 대량 교역에도 큰 활용성을 지니리라 판단된다. 그러나 LNG 대비 약 100℃가 낮은 극저온에서의 액화수소 연료의 저장・공급은 더욱 높은 수준의 유관 기술 확보가 요구될 것으로 전망된다.
- 이와 유사하게 탱크 내벽과 외벽사이에 일정량의 액화질소를 두어 이의 냉열로 전도 및 복사에 의한 외부 열유입을 최소화 하는 기술도 사용되고 있다. 그러나 선박의 경우 제한된 선체 연료저장 구획에서 공간효율을 높이는 방식으로 기술개발이 이루어져야하기 때문에 선박 적용 관점에서 그 효용성이 상대적으로 적다고 볼 수 있으나, 기화된 가스를 선박 주기관 (연료전지시스템 등) 에 공급하여 추진연료로 활용할 경우 본 단열방식 활용을 시도해볼 여지는 있는 것으로 사료된다.
- 해당 분야를 기술적으로 선점한다면 향후 온실가스 저감을 위한 규제가 강제된 후 기술을 선도하고 관련 시장에서의 국내 조선산업의 경쟁력 제고에 기여 가능하다. 나아가 선박용 액화수소 저장 및 공급 시장은 물론 장기적으로 수소경제 구축과 관련된 에너지 산업에의 파급효과 또한 기대할수 있으리라 판단된다.
- 액화수소의 경우 액화가스의 밀도가 LNG의 1/6 수준으로 (표 1) 슬로싱에 의한 단열층 파손 위험이 상대적으로 감소하리라는 판단 역시 단열방식의 변화 이유로서 작용한다고 볼 수 있다. 마지막으로 저장탱크의 지지구조 (support) 역시 기존의 목재-금속 support 구조에서 상대적으로 강도/열전도도 비가 우수한 복합소재가 채용될 것으로 예상되며, 형상적으로도 열유입 단면적을 최소화 하는 방향으로 기술 개발이 이루어지리라 사료된다.
- 액화수소의 선박연료 적용은 연료탱크의 단열뿐만 아니라 탱크 지지대를 통한 열유입 및 연료 주입 시의 기화손실 등이 함께 고려되어야 하며, 우수한 극저온 단열기술의 개발 및 이를 통한 경제적인 액화수소의 저장은 액화수소의 선박 연료적용을 앞당기는데 일조할 수 있으리라 판단된다.
- 전술한 바와 같이 액화수소의 효율적인 저장을 위해서는 외부 열유입에 의한 기화손실을 최소화 할 수 있는 극저온 단열기술의 확보가 요구된다. 액화수소의 저장뿐만 아니라, 액화수소의 이송, 수소의 액화공정에서도 단열시스템의 중요성이 크기 때문에 액화수소의 선박 연료 활용을 위한 주요 기술 문제로 극저온 단열기술을 인식할 수 있을 것이다.
- 그러나 액화수소의 저장은 영하 253도의 극저온이 유지된 상태로 이루어지기 때문에 저장 공간 외부로부터의 열유입에 의한 액화수소 기화가 일어나며, 이의 배출 또는 재액화에 따르는 손실을 최소화하기 위해서는 열유입을 차단하는 단열기술의 개발이 요구된다. 영하 163도의 온도에서 저장되는 LNG의 저장온도보다 100℃ 가량 낮기 때문에 LNG 저장용기에 해당하는 것 이상의 단열성능이 요구되며, 진공단열 등 향상된 단열시스템 확보가 필요할 것으로 판단된다.
- 이외에도, 액화수소 저장탱크 사용압력 (700 bar) 상태에서 화재 시 발생할 수 있는 위험 상황을 고려한 시험 결과, 시스 템 및 탱크에서 국부화재가 발생했음에도 불구하고 탱크가 파열되지 않고 작동이 정상적으로 되는 것을 확인하였으며, 차량 기반시설 (충전소)에 대해 수소 누설 시의 안전성 평가, 실차 화재시험 등을 수행하였다. 전술한 시험 과정들은 수소 안전성 평가의 기본 토대로서 차량뿐만 아니라 일부 선박 안전성 평가에도 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 아래 그림 5는 MLI가 진공층 내부에 포함된 진공단열 방식과 저밀도 에어로겔이 진공층 내부에 충진된 진공단열 방식의 기화손실에 의한 추가 연료 소요량을 비교한 결과이다. 해당 결과에서 200 mm 두께의 저밀도 에어로겔의 충진 시 기화손실에 의해 2,500 kg 이상의 추가 연료탑재가 필요한 것으로 나타나며 이는 결과적으로 대량의 연료탑재 후 장기간 운항하는 선박에 있어 진공단열 방식 대비 경쟁력이 떨어지는 것으로 사료된다. 그러나 동일 연구에서, 5시간 임무 수행을 가정한 비교 결과는 두 단열방식간 소요 중량 차이가 크지 않은 것으로 나타났으며, 이를 고려한다면 단열층 설치 및 진공 유지를 위한 비용 등에 있어 약점이 있는 진공단열 방식을 대신하여, 비교적 짧은 운항시간을 가지는 소형선박에 에어로겔충진 방식 또한 유효한 단열방안으로 고려 가능한 것으로 사료된다.
- 선박에 적용하는 대형 액 화수소 저장 기술의 경우 아직 완성품도 없을뿐더러 전 세계적으로 합의된 기술이 없기 때문에 현재 해외 선진국은 수소선박 분야의 연구 개발에 대한 아낌없는 투자와 지원을 진행 하고 있다. 해당 분야를 기술적으로 선점한다면 향후 온실가스 저감을 위한 규제가 강제된 후 기술을 선도하고 관련 시장에서의 국내 조선산업의 경쟁력 제고에 기여 가능하다. 나아가 선박용 액화수소 저장 및 공급 시장은 물론 장기적으로 수소경제 구축과 관련된 에너지 산업에의 파급효과 또한 기대할수 있으리라 판단된다.
- 해당 선박을 통한 해상 액화수소 운반에 대한 실증시험 이후, 2030년까지 16만 입방미터의 Moss type 액화수소 운반선 2척을 추가적으로 건조할 계획에 있다. 파일럿 선박에 탑재되는 액화수소 화물창은 현존하는 IGC code를 만족하도록 설계되었으며 2014년 ClassNK로부터 기본승인을 획득한 바 있다.
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