문종삼 한국에너지기술평가원 에너지안전 PD
안전관리 부문 신기술개발 R&D 정부예산 지원 가속화
예방중심의 선제적 안전관리체계 구축 통한 안전성 확보 필수
대용량 수소 운송·저장설비 제조기술 개발로 경쟁력 제고해야
[이투뉴스] 전 세계적으로 수소자동차 충전소는 ‘H2 리서치 글로벌 수소충전소 설치동향·전망’에 따르면 올해 5월 기준 693개소가 구축됐으며, 일본 154개소, 중국 146개소, 독일 91개소, 미국 78개소, 기타 146개소가 운영되고 있는 것으로 나타났다. 우리나라 수소자동차 충전소는 한국가스안전공사에 따르면 7월말 현재 총 141개소·175기가 설치되고, 139개소가 운영 중이며 2개소는 휴지상태이다.
이처럼 수소자동차 충전소 구축이 속도감 있게 추진되고 있으나, 높은 압력(20Mpa ∼87.5Mpa)의 압축·충전 환경에서 화재폭발 위험성에 대해 국민들의 불안감이 짙고, 수소자동차 충전소 신축 부지 인근 주민들의 반대 등으로 수소충전소 구축 실적은 당초 목표 310기에서 174기로 다소 저조한 실정이다.
해외에서는 수소자동차 충전소의 경제성을 제고하고 수소버스, 수소트럭 등 대용량 모빌리티 보급 확대와 연계한 액화수소 충전소의 경우 해외에서는 기술개발이 이뤄져 5월 기준 총 33기(출처:한국가스안전공사)가 상용화 운영 중이며, 미국 24기, 독일 6기, 일본 3기 등이 분포되어 있다. 반면 우리나라는 아직까지 액화수소 충전소 설계·시공·운전 기술개발이 기초단계로 올해부터 정부 출연금 지원을 통해 국산화 기술개발과 민간기업을 중심으로 규제샌드박스 승인을 받아 액화수소 충전소 구축·실증이 추진되고 있다.
우리나라 수소자동차 충전소 종류를 살펴보면 압축방식(기체)은 제조식, 저장식, 이동식, 패키지형으로 구분할 수 있다. ▶제조식은 수전해설비, 수소추출설비 등 수소제조설비를 통해 직접 수소를 생산해 수소자동차에 공급하는 형태의 충전소이며 ▶저장식은 외부에서 튜브트레일러를 통해 수소를 공급을 받아 운영하는 충전소이다. ▶이동식은 수소충전소 내 압축가스설비 및 수소를 저장 후, 허가 부지로 이동해 수소를 공급하고 운영하는 충전소이며 ▶패키지방식은 압축설비, 제어설비가 패키지 형식으로 구성된 충전소로 튜브트레일러를 통해 수소를 공급받아 운영하는 충전소이다. 한편, 액화수소충전소는 -253℃의 초저온 상태의 액화수소를 외부에서 탱크로리를 통해 공급받아 운영하는 충전소이다. <그림 1, 2 참조>
◆수소충전소 안전기술개발 정부예산 지원 동향
수소경제 활성화 정책과 수소경제 이행 기본계획에 따라 수소자동차 충전소는 급격하게 늘어나고 있어 예방중심의 선제적 안전관리체계 구축을 통한 안전성 확보가 필수적이다. 이에 따라 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원에서는 2021년부터 2026년까지 정부출연금 521억원을 지원해 기체수소 충전소 및 액화수소 충전소의 진단·평가 기술 및 검사장치 개발 등을 집중적으로 추진하고 있다.
기체수소 충전소 안전기술개발 과제별 세부내용을 살펴보면 ▶수소 저장탱크·압력용기 내부의 이물질을 찾아내고 제거하는 검사기술과 수소충전소 운전상태 압력용기 상태를 진단하는 비파괴검사기술 및 안전기준 수립·제도화 ▶수소충전소는 사용압력이 70MPa이상의 고압수소 환경으로 화재 폭발 위험성이 존재함에 따라 피해 확산에 대비할 수 있도록 실제 수소용기 폭발시험 실증시험을 통해 방호벽 설계 기술을 개발하고 설치기준을 현실화해 제도화 ▶고압수소 저장·사용에 따른 저장탱크·압력용기의 균열발생과 파열사고를 예방하기 위해 저장탱크 재료의 수소취성 안전성 검사기술과 검사장치 개발하고, 실증을 통한 안전기준 수립·제도화 ▶수소충전소 유형별(도심형·교외형), 모빌리티 유형별(버스, 기차, 선박, 화물차 등) 수소가스 누설 시 위험에 대비한 충전소의 피해영향을 평가하는 프로그램을 개발해 충전사업자 등에게 무료로 보급·활용 ▶압축기는 수소가스 충전을 위해 수소를 고압으로 압축하기 위한 충전소 핵심설비로 이에 대한 현장 성능평가 기술과 유지보수 가이드라인을 개발해 충전사업자 등에게 무료로 보급하는 것 등이다.
액화수소 충전소 안전기술개발의 경우 ▶극저온(-253℃) 액화수소 사용환경에서 액화수소 전주기 핵심부품의 압력·온도·유량 등에 대한 안전성을 검증하기 위한 성능검사 기술과 시험장치 개발 및 실증시험을 통한 안전기준 수립·제도화 ▶액화수소 저장탱크·압역용기 등에 대한 극저온(-253oC) 상태의 수소가스(Boil off Gas) 누출에 따른 사고위험을 차단하기 위해 진공·단열 성능평가 기술과 시험장치를 개발하고 액화수소 사용환경시험을 통한 안전기준 수립·제도화 ▶기체·액화수소 충전소의 설계단계부터 운전까지의 안전성 확보를 위한 안전해석 기반의 설계·운전 안전성 검증 사전진단 프로그램과 운영 가이드라인 개발·지원 ▶해외에서 상용화 중인 액화수소 충전소 기술을 도입해 국내 환경에 적합하게 대용량(1000kg/일 이상) 액화수소 충전소를 구축하고 안전성 평가를 통해 안전기준을 마련해 제도화 한 후 트렉레코드 설비 활용하는 등의 과제가 추진되고 있다. <도표1 참조>
참고로, 수소충전소 부품 국산화 개발 세부내용을 살펴보면 28개 부품 중 86%(24개)가 국산화 기술개발 또는 상용화를 완료했으며, 3개 부품은 정부출연금 R&D 예산 지원을 통해 2024년말까지 제품 개발을 완료할 예정이다. 다만, 국산화 기술개발이 완료된 24개 부품 중 42%(10개)는 트렉레코드 부족 및 신뢰성 문제 등으로 인하여 실제로 수소충전소 현장에 적용되지 않는 경우가 많아 2024년 말까지 상용화를 위하여 고도화 실증을 추진하고 있다. <도표2 참조>
◆대용량 수소 운송·저장설비 제조기술·안전기준 개발 필요
올해 7월 현재 수소자동차 보급수량은 2만4687대이며, 수소충전소에 수소를 운송·저장 공급하기 위한 튜브트레일러는 731대가 운행되고 있다. 튜브트레일러의 수소 운송·저장량은 약 200∼250kg으로 실제 수소충전소에 공급하는 용량이 약 200Kg이라는 점에서 하루 수소자동차 50대 충전 용량(250Kg)을 충족하지 못하고 있는 실정이다.
이 같은 수소충전소 구축 운영에 따른 경제성 등을 고려해 최근에는 수소충전소의 하루 충전 용량을 100∼150Kg까지 확대하는 추세이며, 미국, 스페인 등 해외에서는 대용량(350Kg) 컨테이너형 트레일러(타입2 용기 탑재)를 개발·상용화해 수소충전소 시장을 선도하고 있다. 따라서 우리나라도 기체수소 충전소 구축이 가속화고 있는 만큼 대용량 컨테이너 튜브트레일러 제조기술 및 안전기준 개발이 필요하다. <그림3 참조>
이와 함께 앞으로 수소버스, 수소트럭 등 대용량 모빌리티 보급 확대 추진에 따라 민간기업을 중심으로 2022년부터 액화수소 플랜트 구축이 진행되고 있으며, 2030년까지 40기 이상의 액화수소 충전소를 구축·운영할 예정이다.
이 같은 액화충전소에 수소를 공급하기 위해서는 액화수소 탱크로리를 해외에서 수입할 밖에 없다. 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원에서는 2022년부터 2024년까지 액화수소 탱크 트레일러 제조 국산화 기술개발을 진행하고 있으나, 운송·저장 용량(2.5톤)의 한계로 경제성·효율성 저하가 우려되는 상황이다.
이에 따라 미국 등 해외에서 상용화 운영 중인 ISO 탱크 컨테이너 제조기술 및 운송·충전·저장·사용 안전기준 개발을 통한 국내기업의 경쟁력 제고가 필요하다. 참고로, 국내는 고순도 암모니아, 헬륨, LNG, 질소, 이산화탄소, LPG 등 6종류의 ISO 탱크 컨테이너 제조·운송·충전·저장·사용 특례기준이 제정되어 운영되고 있다. <그림4 참조>