액화수소 설비·시설·부품에 대한 안전기준 마련 필요
수소공급용 배관망 실시간, 모니터링시스템 개발
수소충전소 구축 현황
전 세계적으로 수소자동차 보급 확대 및 수소충전소 구축 계획을 수립하고 미국, 일본, 유럽 등 주요 선진국은 수소자동차 실증과 수소충전소를 연계하여 인프라 보급 확대를 위한 글로벌 시장을 주도하고 있다.
현재(2020년 11월 기준) 전 세계에서 구축이 완료된 수소충전소는 약 500여개소로서 유럽 181개소, 일본 131개소, 미국 76개소, 중국 37개소 순으로 나타나고 있다. 전 세계 각국의 수소충전소 보급 계회은 미국, 독일, 영국이 2030년까지 각각 1,000개소를 구축하고, 일본과 중국은 2030년까지 각각 900개소 구축을 목표로 하고 있다.
우리나라는 2020년 11월 현재까지 전국에 52개소의 수소충전소가 구축이 완료되었으나, 45개소만 정상적인 운영을 하고 있고 휴업이 5개소, 가동 중단 상태 충전소가 2개소이다. 한편, 정부에서는 수소충전소 구축 목표 달성을 위하여 2020년까지 재정이 투입된 137개소에 대하여 단계별로 구축 절차를 진행하고 있으며, 2021년 상반기내에 100기 이상 구축 목표를 달성할 것으로 예상하고 있다 . 또한, 2022년까지 교통 수요가 많은 도심지역에 250개소를 구축하고 장거리 운행을 위한 고속도로 휴게소에 60개소를 구축하는 등 총 310개소 구축 목표달성과 2030년까지 660기, 2040년까지 1,200기 구축 계획을 차질없이 추진하고 있다.
국내 수소충전소 구축 형태
국내 수소충전소는 다양한 형태(단독, 융복합, 패키지형, 이동형 등)로 구축하고 있으며, 단독 수소충전소는 수소 공급설비(튜브트레일러, 압축기, 압축설비, 냉각기, 충전기)를 통해 수소자동차에 수소를 충전하는 시설을 말한다.
융합 수소충전소는 CNG 자동차 충전소, LPG 자동차 또는 기존의 주유소와 제조식 수소충전소를 하나의 사업소 내에 설치 운영하는 시설이며, 복합 수소충전소는 CNG 자동차 충전소, LPG 자동차 또는 기존의 주유소와 저장식 수소충전소 또는 다른 에너지원의 자동차충전소를 하나의 사업소 내에 설치 운영하는 시설을 말한다. 융·복합 수소충전소는 기존 부지를 활용하여 설치하기 때문에 부지 확보가 용이하고 건설 및 구축 비용이 절감되는 장점을 가지고 있다.
패키지형 수소자동충전소는 압축기, 저장용기를 기본으로 하여 수소자동차 충전에 필요한 설비(충전기 제외 가능)를 하나의 보호함에 장착한 충전시설을 일정한 장소에 구축하고 수소자동차에 수소를 충전하는 시설이다.
이동식 수소자동차 충전소는 수소를 연료로 사용하는 자동차에 수소를 충전하기 위하여 필요한 저장설비, 압축기, 축압기, 충전기를 차량에 장착하여 이동이 가능한 것으로서 충전방식은 축압기에 사전에 충전한 수소를 차압으로 수소자동차에 충전하는 방식과 압축기, 압축가스설비를 장착하고 외부의 저장설비로부터 수소를 공급받아 수소자동차에 수소를 충전하는 방식 및 압축기, 압축설비를 장착하고 수소발생설비(수전해 또는 추출)에서 수소를 공급받아 수소자동차에 수소를 충전하는 방식으로 구분할 수 있다.
이와 같은 수소충전소 인프라 구축 시장을 선점하기 위하여 전 세계적으로 글로벌기업들의 자체 상용화 기술 확보 등 기술경쟁이 치열하게 진행되고 있다. 일본의 경우 도요타, 혼다, JXTG 에너지, 에어리퀴드, 이와타니 등 11개 기업 컨소시엄을 구성하여 수소산업을 주도하고 있으며, 유럽은 린데, 에어리퀴드, 로열더치쉘 등 글로법 기업 협력을 통해 수소생산 및 충전소 구축 기술 선도하고 있다. 또한, 미국은 에어프러덕트, FEF(First Element Fuel)이 수소생산 및 수소충전소 구축 기술 상용화 보급을 활성화 하고 있는 추세이다.
우리나라는 효성중공업, 광신기계공업, 이엠솔루션, 하이리움산업 등이 글로벌 기업과 기술경쟁을 하고 있으나 2019년 산업연구원 전문가 조사 결과를 살펴보면 수소충전소 구축 기술은 선진국(미국) 대비 71.5% 수준, 신제품 개발력은 74.3%, 품질은 76.5% 수준인 것으로 나타나고 있다. 한편 우리나라 수소충전소 인프라 설비 주요 부품 국산화율은 42%(28개 중 12개 완료)수준이며, 2021년말 까지는 국산화율이 약 78%까지 향상될 것으로 전망하고 있다.
수소충전소 안전기술 기술개발 동향
미국, 유럽, 일본 등이 수소충전소 구축을 선도적으로 추진하였지만 우리나라도 그동안 꾸준히 수소충전소를 구축하고 있다.
수소충전소 보급이 빠르게 진행되고 있는 점을 감안하여 정부와 한국에너지기술평가원은 2016년부터 2020년까지 총 15개 기술개발 과제에 대해 정부 출연금 총 526억 원의 예산 지원을 통해 수소충전소 설비 부품개발 국산화 및 설비·부품의 안전성 확보 기술과 안전기준 개발을 추진하여 2020년 현재까지 총 4개 과제의 기술개발이 완료하였고 나머지 11개 과제는 2024년까지 기술개발 완료 및 사업화를 위한 체계적인 관리/평가 및 기술지원을 진행하고 있다.
기술개발이 완료된 과제 중 수소가스 운송을 위한 사용압력 45MPa 이상 내용적 300리터 이상의 복합재료 압력용기는 시장 진출을 위한 생산단계 검사를 준비하고 있으며, 압축 수소충전소 위험성 평가 소프트웨어는 수소충전소 구축 설계단계 및 운전중인 수소충전소에 시범적용을 통해 안전관리 강화에 기여하고 있다. 반면, 수소충전소 스테이션용 87MPa급 Type3 수소 저장용기 개발 제품은 아직까지 국내 수소충전소 인프라 구축 시장에서 수요자 불확실성으로 제품 사업화는 보류하고 있는 상태이며, 2020년 현재까지 수소충전소 안전기술 개발 현황은 다음과 같이 진행되고 있다.
안전관리 핵심기술 개발 전망
정부에서 2019년 1월 수소경제 활성화 로드맵을 발표하고 수소충전소 구축을 속도감 있게 추진하였지만 2019년 5월 강릉 과학단지 수소 저장탱크 폭발사고를 계기로 수소에 대해 국민들이 수소충전소 안전성에 대한 문제를 제기하고 위험·기피시설로 인식하면서 수소충전소 안전성 확보를 위한 안전기술 확대 필요성이 제기되었다.
이를 계기로 정부에서는 2019년 12월 수소안전관리 종합대책을 마련하고 지속가능한 안전생태계 조성을 위한 수소산업 안전관리 핵심 10대 기술 조기개발 추진을 발표하였으며, 2020년 7월에는 한국형 뉴딜 종합계획의 그린뉴딜 사업 10대 중점 투자분야의 그린 모빌리티 보급 확대지원 정책을 확정하였다.
이에 따라 한국에너지기술평가원은 정부 정책인 ‘수소안전관리 종합대책’,‘제4차 에너지 기술개발 계획’, ‘한국형 그린뉴딜 사업 10대 중점 투자분야’와 연계하여 수소충전소 인프라 안전관리 핵심기술 개발 신규사업 기획을 통해 2021년부터 2024년까지 정부 출연금 총 285억원을 지원하여 5개 분야의 안전관리 핵심기술 개발을 추진할 계획이다.
이와 관련된 주요 핵심기술 개발 내용을 살펴보면 첫 번째 기술은 수소충전소 저장탱크/압력용기 내 이물질이 유입·발생할 경우 수소 폭발의 원인이 되는 정전기를 일으킬 우려가 있기 때문에 이를 찾아내고 제거하는 이물질 탐상 비파괴검사 기술과 수소충전소 운전상태에서 압력용기의 안전성을 검증하는 비파괴검사 기술 개발 및 안전기준을 제도화 하는 것이다. 두번째 기술은 수소충전소는 사용압력이 고압(최고 95MPa) 수소 환경으로 수소가스 누출에 따른 화재·폭발 위험성이 존재하여 사고예방 및 피해 확산에 대비한 방호벽 하재·폭발 재현시험 등 통한 방호벽 설계 SW 개발 및 설치기준을 제도화 하는 것이다. 세 번째 기술은 고압수소 사용 시 저장탱크/압력용기에서 발생하는 균열·파열을 예방하기 위하여 재료에 대한 수소취성 안전성 검사 기술 개발 및 안전기준을 제도화 하는 것이다. 다섯번째 기술은 수소충전소 압축기는 고압(87.5MPa)으로 압축하기 위한 수소충전소 핵심설비로서 압축기별 위험요소에 대한 현장 성능평가/안전진단 시스템/안전점검 /유지관리 가이드라인을 개발하는 것이다.
또한, 수소충전소 및 배관망 안전 제고를 위한 필수 장비 국산화 기술 개발을 위하여 2021년부터 2024년까지 정부 출연금 120억원을 지원하여 4가지 핵심장비 개발을 추진할 계획이다. 개발하는 핵심장비는 수소충전소에서 가스 누출을 신속(응답시간 1초 이내)하게 검지할 수 있는 고신뢰성 수소가스 검지기 개발, 수소충전소에 공급하고 있는 수소가스 품질을 검증할 수 있는 이동형 수소품질 진단장치 개발, 수소충전소 설비·시설의 가스누출 등 멀티가스 누출 영상화 시스템 개발, 수소 공급용 배관망에 대한 실시간 안전관리 모니터링 시스템을 개발하는 것이다.
한편, (주)효성은 린데그룹과 합작으로 3,000억원 투자하여 울산시에 연간 1만 3,00톤 규모의 액화플랜트를 2021년부터 2023년까지 건설 완료를 발표하였고, 두산중공업은 창원시와 협력하여 1,200억원을 투자하여 창원시에 액화수소 플랜트를 2021년부터 2022년까지 건설 완료를 목표로 사업을 추진 중에 있으나 국내에는 액화수소 전주기 인프라 설비·시설·부품 등에 대한 안전성 검증·평가/사고예방 기술 및 안전전기준이 없는 상태이며, 안전기술/안전기준 개발 위한 정부 예산 지원이 필요한 실정이다.
