기계연 김해 LNG·극저온기계기술시험인증센터 연구현장에서 연구원들이 설비를 점검하고 있다(위 사진). LNG 냉열활용 파일럿 수소액화 플랜트 구축예정부지. [한국기계연구원 제공]

일본이 우리나라에 대해 소재·부품·장비 수출규제조치를 시행한 후 이를 대체할 소재부품분야에서 국산화 성과가 속속 나오고 있다.

이런 가운데 최근 국내 산·학·연이 힘을 합쳐 차세대 미래에너지원 중 하나인 수소에너지 핵심기술의 국산화 개발에 착수해 그 귀추가 주목되고 있다. 국산화 완료시점은 앞으로 4년 후인 오는 2023년께로 예상되고 있다.

수소에너지에서 석유·천연가스·석탄 등의 화석연료는 부존량이 유한한 자원이다. 이 같은 이유에서 화석에너지를 대체할 미래에너지의 개발은 인류 존속과 국가 발전의 필수요소로 여겨진다. 현재 세계 각국은 수소에너지를 가장 현실적 대안으로 꼽고 있다.

수소에너지가 다양한 신재생에너지 중에서 유독 각광받는 이유는 명확하다. 수소에너지는 화석연료의 유한성과 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 유일한 대안이기 때문이다.

국가 미래 성장동력으로 꼽히는 수소에너지 기술은 차량을 중심으로 한 수송 분야를 비롯해 전기, 열 등 에너지 분야까지 다양한 신산업 창출이 가능한 핵심원천기술이다. 특히 에너지 자급률이 경제협력개발기구(OECD) 국가 중 33번째로 하위에 머물고 있는 국내 에너지 자립 및 에너지 안보를 위해서도 수소에너지 기술 개발 필요성은 높다.

정부도 올해 초 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표하며 세계 최고 수준의 수소경제 선도국가 도약을 목표로 천명한 바 있다. 전문가들은 우리나라가 수소경제 선도국으로 자리매김 하기 위해서는 수소 생산·저장·활용 등 핵심원천 기술 확보에 주력해야 한다고 강조한다.

이와 관련 한국기계연구원은 액체수소 생산기술 개발을 통해 수소경제 시대를 대비한 국가 미래성장동력 확보에 역량을 집중하고 있다.

기계연은 오는 2023년까지 국토교통부와 국토교통과학기술원의 지원을 받아 총 연구비 381억원을 투입하는 ‘상용급 액체수소 플랜트 연구단’을 출범하고 수소 상용화 연구에 착수한다. 연구단에는 기계연과 한국과학기술연구원(KIST), 한국과학기술원(KAIST), 중앙대, 홍익대 , 대주기계, 동화엔텍, 대우조선해양, 에에스엔에스밸브 등 연관 기술 및 핵심 기자재의 실용화 경험을 보유한 국내 산학연 18개 기관도 함께 참여한다.

기계연은 극저온 냉동기 개발, 액화천연가스(LNG)·극저온 성능평가 센터 구축 등 극저온플랜트 분야에서 축적된 역량을 바탕으로 수소액화플랜트 핵심기술 국산화와 액체수소 생산을 비롯한 관련 기술 개발을 추진한다.

수소에너지는 현재 고압 기체수소 활용을 중심으로 구성돼 있지만 향후 안전성과 경제성이 우수한 액체수소를 주축으로 발전해갈 것으로 전망된다. 수소액화에 소요되는 에너지비용이 상대적으로 높기 때문에 이러한 단점을 해결하기 위해 LNG가 기화할 때 발생하는 냉열을 활용한 수소액화공정 설계기술 확보에 나설 계획이다.

최병일 기계연 연구단장은 “이미 중소형 수소액화시스템 설계기술 개발을 통해 헬륨냉각공정을 적용한 수소액화 공정 설계기술을 확보한 경험이 있다”며 “액체수소저장시스템에 대한 사고 시나리오 정량적 위험성 평가를 실시하고 이와 관련된 대응기술관련 연구도 수행했다”고 설명했다.

액체수소는 대기압에서 저장이 가능하고, 기체수소대비 800배의 저장밀도를 가져 수소의 대용량 저장 및 활용을 위한 핵심 수단이다. 연구단은 향후 액체수소 생산의 경제성을 제고하기 위해 LNG의 기화열을 활용한 수소액화공정 설계기술을 확보하고, 오는 2023년까지 일일 처리용량 0.5톤의 수소액화 실증 플랜트를 구축해 액체수소 생산에 착수할 계획이다. 향후 본격적인 상용화를 위해 일일 5~50톤급으로 규모를 확대한 공정도 설계할 계획이다.

이와함께 액체수소 생산을 위한 핵심 설비인 극저온 팽창기, 극저온 열교환기, 수소액화용 콜드박스, 극저온 밸브 등 관련 핵심 장비를 국산화하고 대용량 액체수소 저장탱크도 개발해 수소액화플랜트 기술의 상용화 및 액체수소의 보급에도 역량을 집중할 방침이다.

특히 수소액화플랜트의 핵심기술 국산화로 저장·운송 능력의 효율성을 높여 수소운반 선박 및 해외 생산 액체수소 인수기지 건설 등을 추진한다는 계획이다.

최 단장은 “액체수소기반 인프라를 조기에 구축하고 미래 수소 경제 사회 도래에 발맞춰 수소 산업이 국가적인 신성장 동력으로 자리잡을 수 있도록 대비하겠다”고 말했다.

한편 기계연은 수소액화기술 연구개발 뿐만 아니라 신재생 하이브리드 수소생산 기술 개발도 진행중이다.

이 기술은 태양광, 풍력과 같은 신재생 전기를 수전해 장치에 공급, 이산화탄소의 배출이 없는 청정한 수소를 생산하는 기술이다.

이영덕 기계연 박사는 “연료전지와 내연기관 엔진을 효율적으로 통합해 발전효율을 획기적으로 향상시키는 고효율 분산발전 시스템 개발에 주력할 계획”이라고 말했다.

구본혁 기자/nbgkoo@heraldcorp.com

[공동기획 한국기계연구원]