1. 서론
온실가스 대체 에너지로 자리 잡은 수소(Hydrogen)가 우리의 일상과 산업 환경에 안정적으로 정착하기에는 아직 더 많은 고민과 노력 및 시간이 필요한 것 같다.
그 동안 여러 각 분야에서 많은 노력한 결과로 분야에서의 역할을 안정적으로 정착하여 응용성과 다양한 파생적인 기술을 탄생시키고 있어 안정적인 정착에 희망이 있어 보인다. 고압으로 압축된 수소를 자동차연료에는 저장능력의 한계로 인한 주행거리 제한 등을 해결하기 위한 관련 인프라 구축에 많은 어려움이 따르고 있는 것 같다. 요즘 여러 분야에서 그 활용의 필요성이 논의 되고 있는 액화수소의 안전성에 대하여 기 발표된 논문과 연구보고서등의 내용을 인용, 요약정리 하여 관계자의 이해를 돕고자한다.
2. 액화수소(Liquid Hydrogn)
극저온(영하 200℃ 이하)유체인 영하253℃ 이하의 온도에서 안정적으로 다루어진 다는 물리적 특성 때문에 전문적인 관리기술이 필요하다는데 어려움이 있다.
우리는 일반적으로 수소를 2종류의 수소로 분류하고 있으며 가장 일반적인 수소인 정상수소(Normal hydrogen) 또는 경수소(輕水素)라고 하는 것과 수소 분자의 두 원자에 있는 양성자의 스핀이 같은 방향인 오르토-수소와 반대 방향인 파라-수소의 두 가지 다른 형태로 공존하고 있다. 오르토-수소와 파라-수소 분자는 물리적 성질이 약간 다르지만 화학적으로 동등하므로 수소 사용과 관련된 위험은 분자 형태에 관계없이 동일하다. 열역학적 평형과 상온에서 기체 수소는 75%의 오르토-수소와 25%의 파라-수소의 혼합물로 구성되지만 액화수소의 파라
수소 구성 비율은 일반적으로 99.5% 이상으로 유지된다.
3. 액화수소의 물리적 특성
액화수소는 원소수소의 액체 상태이며, 액체 상태로 존재하려면 파라수소 상태에서 임계점인 영하240.15℃이하로 보존되어야 하며 임계압력은 12.759atm으로 유지 되어야 한다. 대기압에서 완전히 액체상태의 파라수소가 유지 영하252.87°C로 냉각된 온도가 필요하다. 수소의 삼중점은 영하 259.35℃ 이고 임계압력은 7.042kPa이다. 또한 액체수소는 휘발유, 천연가스 또는 디젤보다 훨씬 더 높은 비에너지를 가지고 있다.
4. 액화수소의 저장
액화수소는 일반적으로 고밀도로 진공 단열된 밀폐공간에서 영하250℃ 이하의 온도에서 파라수소 형태로 농축 저장된다. 액체 수소의 밀도는 70.99g/ℓ(20K에서)로 기체수소에 비해 밀도가 약 800배 정도 높다. 수소 1kg에는 천연가스 1kg보다 약 2.5배 더 많은 에너지가 포함되어 있다. 비에너지가 다른 연료보다 2배 이상 높지만 이로 인해 체적 에너지 밀도가 현저하게 낮고 여러 배 더 낮다. 수소를 촉매를 사용하여 파라수소로 변환하여 저장하면 약 20% 정도 많이 저장할 수 있다.
액화수소 저장능력을 높이기 위한 방법으로 액화수소의 온도를 삼중점(영하 259.
35℃)이하로 낮추어 살얼름 형태의 슬러시 수소로 변환하여 저장 용량을 높일 수 있다는 논문이 NASA에서 발표되기도 하였다. 액화수소를 슬러시 화하면 약 70kg/m³인 수소의 밀도를 약 800kg/m³ 높일 수 있어 저장용량을 약 11배 이상으로 높일 수 있는 장점이 있는 것으로 알려져 있다. 슬러시 수소의 열용량은 약 0.788Kcal/kg·℃이고, 액체수소의 열용량은 약 1.0034.2Kcal/kg·℃으로 슬러시 수소가 증발하기 전에 더 많은 열을 흡수할 수 있음을 의미하며, 액체 수소보다 증발 속도가 더 느려서 BOG 발생량을 줄일 수 있으며 장기간 저장해야 하는 용도에 유용할 수 있다.
5. 액체수소 증발(Boil-off)
액체수소는 상대적으로 낮은 기화열과 낮은 끓는점 때문에 저장하기가 특히 어렵다.
액체수소는 단열성이 높은 용기에 저장하더라도 단열이 완벽하지 않으므로 액체로 열이 조금 전달되어 증발로 인한 수소 손실이 발생한다.
자동차 연료탱크와 같은 저장 부피가 작은 경우 하루에 증발율이 1% 이상일 수 있지만, 저장 부피가 증가할수록 감소하여 수십 입방미터 정도의 부피에서는 백분율로 떨어지게 되는데 일반적인 비등비율은 1~5%/일 이다. 참고로 LNG 탱크 설계 및 작동에 대한 현재 IMO 규정은 끓는 속도(BOR) 한도를 0.15%/일로 설정되어 있다. 액화수소 보존에는 필요한 비교적 많은 양의 에너지와 수소의 지속적인 비등 때문에 저장기간이 비교적 짧게 유지하게 된다.
위의 그림은 참고자료로 파라수소의 평형비율과 정상수소로의 변환 열량을 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 시간의 흐름에 따라 수소의 밀도가 낮아지며 따라서 동일한 밀폐공간에서도 저장량이 줄어든다는 것을 알 수 있다.
6. 안전 관리자가 실무에서 유용하게 활용 할 수 있는 응용 기술자료
가. BoilFAST
BoilFAST는 University of Western Australia 에서 개발하여 오픈소스로 제공하고 있는 프로그램으로 액화가스 저장 탱크의 BOG 발생량을 계산하고 시뮬레이션 할 수 있는 응용 S/W이다. 액화수소, LNG, 에탄, LPG, LN2 등의 액체상태 유체, 저장탱크 형상 및 열전달 설정의 범위를 지정하여 다양한 시나리오를 모델링 할 수 있다.
다음은 다운을 받을 수 있는 사이트이다. https://www.fsr.ecm.uwa.edu.au/software/boilfast/
나. HyKo-RAM(하이코램)
이 프로그램은 한국가스안전공사와 호서대학교가 미국 샌디아 국립 연구소(Sandia National Lab)와 공동 개발한 위험도 평가프로그램(S/W)으로 화학플랜트의 안전성 평가에 사용하는 정량적 위험성평가(QRA)를 수소분야로 전문화 한 것으로 수소와 관련된 저장 및 자동차용 수소충전소 인,허가 시에 사전 안전성 판단기준을 확인 하는 데 사용하는 오픈소스 응용S/W이다. 이 프로그램은 수소 관련 안전 관리자가 수시로 관리 시설에 대한 평가를 자체적으로 분석해볼 수 있어 예방안전관리에 많은 도움이 될 수 있을 것이다. 프로그램 다운은 한국가스안전공사에 문의하면 도움을 받을 수 있을 것이다.
다. HyRAM+
이 프로그램은 한국가스안전공사와 호서대학교가 개발한 HyKo-RAM(하이코램)의 모체로 미국 샌디아 국립 연구소(Sandia National Lab)가 개발한 ‘수소 및 기타 대체 연료 위험 평가’ 프로그램으로 수소 및 기타 대체 연료(예: 메탄 및 프로판)의 사용, 공급 및 저장 인프라의 안전성 평가와 관련된 공개적으로 사용 가능한 데이터 및 모델을 통합하는 소프트웨어 툴(Tool)이다.
버전-5에서는 액화수소, LNG, 에 탄, LPG, LN2 등 유체에 대한 방출 거동 및 화염 물리학의 다양한 측면에 대해 평가할 수 있는 정량적 위험성평가(QRA) 프로그램이다.
다음은 다운을 받을 수 있는 사이트이다. https://energy.sandia.gov/programs/sustainable-transportation/hydrogen/hydrogen-safety-codes-and-standards/hyram/
라. e-Laboratory
e-Laboratory는 유럽 지역의 수소 대응 자를 위한 트레이너 프로그램 교육기관(HyResponde)으로 수소의 물리적 및 안전성 관점에서 거동을 파악할 수 있는 가상 실험실이다. 오늘날 e-Laboratory는 20개 이상의 e-tools로 구성되어 있으며 추가 기여자와 함께 확장되고 있다.
e-Laboratory는 수소에 대한 실무 지식을 얻고자 하는 모든 최초 대응 자와 운영 및 개입 계획을 구상하거나 조정하려는 HAZMAT 안전 관리자를 대상으로 하고 있으며, 각 도구에는 입력 매개변수가 필요하며 저장 및 내보낼 수 있는 결과를 계산하고 시뮬레이션의 결과를 확인 할 수 있는 무료 사이트이다. e-Laboratory는 로그인을 통해 여기에서 액세스 할 수 있으며 기본적으로 ID는 HyResponderTrainer이고 PW는 safetyfirst이다.
다음은 이용 할 수 있는 사이트이다. https://elab.hysafer.ulster.ac.uk/accounts/login/?next=/
7. 결론
액화수소는 대량 수송·대량 저장이 가능해, 공간 절약과 고순도인 점 등의 장점이 있어 우주항공, 대형화물차 및 장거리 운행 차량 등의 연료로 활용 가능성에 많은 관심이 집중되고 있다. 수소가스는 액화되면 약 800배로 부피가 작아지므로 수소를 액화시키면 같은 용량의 용기에 압축수소의 4배 이상의 양을 충전할 수 있게 된다.
또한, 실제 수송에서는 고압수소트레일러 1회당 수송량이 약 3,000㎥인 반면 액화수소에서는 최대 12배인 3.6만㎥를 한꺼번에 운반하여 저장할 수 있는 장점이 있으나 액화수소의 까다로운 물리적 특성 때문에 저장관리에는 전문적인 기술이 필요한 분야이기도 하며, 특히 운송용 연료로의 정책에는 액화천연가스 활용을 추진한 경험을 참고로 하여 비전문가인 일반인도 일상생활에서 안전하게 활용할 수 있는 충분한 안전시스템 확보가 선행되어야 할 것이다.