올해초 ‘고효율 수소에너지 제조.저장.이용기술 개발 사업단(단장 김종원)’은 제주 서귀포시에서 제1회 워크샵을 개최했다.
이번 행사는 수소개발사업단의 연구활동을 대내외적으로 알리고 각 분야별 연구원들의 정보교류 활성화를 위해 마련된 것으로 지난해말 이후 국내에서도 수소에너지에 대한 정부차원의 지원이 본격화되고 있는 상황에서 이번 워크샵은 산업용가스 업계는 물론 전체 에너지 분야 관계자들에게 매우 중요한 지표를 제공했다.
이에 행사기간 동안 발표된 총 45편의 연구논문 중 수소의 제조, 저장, 이용, 정책 부문을 총망라하여 시기적 또는 기술적으로 의미있는 주제를 선정하여 시리즈로 게재한다.
독자들의 이해를 돕기 위해 원문(原文)에 편집자의 부가설명과 첨언, 각색이 더해졌음을 미리 밝혀둔다.
현재 전세계 자동차 업계는 수소 연료전지 자동차의 실용화를 위해 부단한 노력을 기울이고 있다.
이미 GM, 포드, 크라이슬러, 토요타, 현대 등 주요 완성차 제조업체들은 2005년 이전 실용화를 선언한 상태이며 오는 2010년에 이르면 일반인들을 대상으로한 대량생산과 보급이 가능해 질 것으로 전망된다.
이러한 수소자동차의 상용화는 각국의 에너지 정책 및 환경정책 등과 맞물리면서 전세계 자동차 산업과 에너지 산업의 판도를 완전히 뒤바꿀 것으로 보여진다.
자동차 업계는 물론 각국 정부가 국가적 차원에서 수소 연료전지 자동차 관련 기술개발에 막대한 지원과 자금을 쏟아 붓고 있는 것도 이같은 이유에서이다.
이와관련 수소자동차의 현실화를 이룰 최대 관건이자 핵심과제는 단연 안전하고 효율 높은 수소저장기술의 확보이다.
연료로서의 효율성만을 놓고 보면 액체수소 저장방식이 최선의 선택이지만 안전성까지 감안했을때 현재 연구가 진행중인 수소저장기술중 실용화 가능성이 가장 높은 기술은 고압 기체수소 저장기술이다.
고압 기체수소의 경우 액체수소 등에 비해 저장용기의 중량 대비 효율이 탁월하고 시스템 구성도 비교적 단순해 자동차와 같은 수송기기에 장착하는데 효과적이기 때문이다.
그러나 수소는 에너지원으로 활용하기 에는 에너지밀도가 낮다는 한계를 지니고 있어 기존의 가솔린 자동차와 유사한 주행거리를 갖추기 위해서는 적어도 700bar 이상의 초고압 기체수소 저장기술이 요구된다.
이러한 700bar이상의 고압을 견딜 수 있는 용기는 현재로선 경량 및 고강성 탄소섬유를 채용한 복합재 압력용기가 유일한 해답으로 인정받고 있다.
이미 해외에서는 천연가스자동차의 압축천연가스(CNG) 저장용기로 200~250bar급 복합재 압력용기가 상용화되어 있으며 연료전지자동차용 350bar 복합용기도 실증단계를 거쳐 상용화에 이르고 있는 상태이다.
반면 국내에서는 CNG버스 보급이 활발히 이루어지고는 있지만 이에 장착되는 복합재 압력용기는 일반 스틸실린더에 유리섬유를 부분적으로 보강한 초보적 수준의 Type-II 용기가 활용되고 있으며 그나마도 대부분 수입에 의존하고 있다.(관련기사 제62호 40면)
제도적 측면에서도 천연가스차량(NGV)용 복합재 압력용기에 대한 기준은 제정되어 있으나 아직까지 Type-III 이상의 고성능 압력용기에는 적용된 사례가 없으며 인증에 필요한 각종 시험평가 장비도 거의 갖추고 있지 못한 실정이다.
이에따라 우리나라가 에너지 독립을 이룩하고 미래수소경제시대를 주도하기 위해서는 반드시 정치형(定置形) 고압기체수소 저장용기 및 관련 시스템의 기술확보가 중요하며 지금부터라도 부단한 개발과 투자를 통해 미국, 유럽 등 선진국과의 기술격차를 시급히 해소해야만 한다.
[주요업체 기술개발 사례]
연료전지자동차용 고압기체 수소저장기술의 개발은 350~700bar급 복합재 압력용기의 개발이 주축을 이루고 있으며 Quantum社, ATP Lincoln Composites社, Dynetek Industries社 등의 업체들이 연구개발을 통해 주목할 만한 실적을 올리고 있다.
최근의 경우 차량에 탑재하는 정치형 압력용기로 700bar급의 초고압 제품이 공간 및 주행거리의 제약을 극복할 수 있는 대안으로 인정받고는 있지만 부피, 비용, 중량, 압축기 효율, 기반시설, 공급망 등에 대한 다각적이고 충분한 연구가 뒷받침되어야만 정확한 결론을 내릴 수 있을 것으로 판단된다.
□ Quantum社
미국의 퀀텀社는 지난 2002년 업계 최초로 700bar급 수송용 복합용기를 선보인 업체이다.
관련업계에 따르면 이 회사는 최근 중량효율 6wt%(전체시스템 4.8wt%), 체적효율 31.5㎏/㎥를 달성한 것으로 알려져 있다.
또한 700bar 용기의 설계와 공정 최적화를 통해 30%의 비용절감을 이루어냈으며 45,000회 이상의 피로수명(fatigue life)을 기록했다.
이와관련 700bar 용기는 아직까지 파손모드에 대한 이해가 부족한 것으로 나타나 있기 때문에 이에대한 추가적인 연구를 통해 구조의 최적화를 이룬다면 중량효율 7.8wt%까지 달성이 가능할 것으로 전망된다.
350bar급 용기의 경우에도 7.5wt%(전체시스템 5.7wt%)의 중량효율을 달성했고 11.3wt%의 개념실험에 성공한 것으로 보고되어 있다.
덧붙여 이 회사는 개발한 제품의 실증작업을 통해 NGV2-2000과 EIHP(유럽수소통합프로젝트) 표준 등을 만족시켰다.
Quantum社의 복합재 압력용기는 폴리머라이너를 활용한 Type-IV 타입이며 <표-1>은 이 회사의 복합재 용기 개발목표를 나타낸 것이다.
□ ATP Lincoln Composites社
ATP社는 지난 92년 천연가스차량(NGV)용 Type-IV 복합재 압력용기의 생산을 개시한 이래 지금까지 10여년간 4만5천여개의 제품을 공급, 신뢰성을 입증받은 업체이다.
이 회사는 최근 연료전지차량(FCV)용 압력용기 분야에도 진출하여 350bar 용기를 생산하고 있으며 일본 혼다(HONDA)社의 시빅(Civic)과 FCX 연료전지자동차에 장착되고 있다.
특히 ATP社는 지난 2002년 700bar급 압력용기의 개발에 성공했다고 발표하기도 했다. 그러나 구체적인 성능에 대해서는 공개하지 않고 있다.
한편 ATP社의 Type-IV 압력용기에는 알루미늄 보스와 폴리머라이너 연결부에서의 가스누출 방지를 위해 자체 개발한 특허기술(미국특허 5429845)을 사용하고 있기도 하다.
□ Dynetek Industries社
캐나다의 Dynetek Industries社는 지난 91년 설립된 벤처기업이다. 97년부터 2년간 수소연료전지버스에 350bar 복합재 압력용기를 공급, 10만㎞이상의 주행거리 및 20만명 이상의 승객운송이라는 실증프로그램을 통해 제품의 내구성을 입증받은바 있다.
또한 현재 포드(Ford)社는 이 회사의 압력용기를 장착한 최신 연료전지차(모델 Focus)를 올해중 선보일 예정이다.
이에더해 Dynetek社는 최근 700bar급 탑재용 시스템 개발을 진행중에 있으며 이와함께 사용될 825bar급 이상의 지상저장시스템의 개발을 완료한 것으로 알려져 있다.
Dynetek社의 제품은 알루미늄 경량 라이너를 채용한 Type-III이며 수소의 침투성과 누출이 없고 신속한 충전이 가능하다는 점을 최대 강점으로 꼽고 있다.
또한 이 회사는 압력용기의 설계에 혁신적 기술을 적용, 여타 Type-III 용기에 비해 20%의 중량감소를 실현했으며 Type-IV와 비교해도 최대 18%까지 가볍다고 주장하고 있다.
□ Thiokol Propulsion
ATK Thiokol Propulsion社는 ATK그룹의 일원으로 세계적인 우주발사체의 추진시스템 제조업체이다.
이 회사는 지난 2000년 고압용기제조업체인 IMPCO Technologies社와 전략적 기술제휴를 체결, 수소연료용 저장탱크의 시장에 뛰어들었다.
이와관련 Thiokol社는 지금까지 압력용기의 전형적인 모델이었던 실린더 형태를 탈피하여 혼합구조형 저장탱크 방식을 채택하고 있다는 점에서 비상한 주목을 받고 있다.
이 방식은 차량의 디자인, 여유공간 등과 같은 주어진 조건에 맞춰 저장탱크의 형태를 다양하게 제작하는 것으로 실린더형 용기가 내압용기의 가장 이상적 구조임에 틀림없지만 부피가 크고 직선 모양을 하고 있어 공간활용에 제약이 있다는 사실에 착안한 것이다.
구조효율면에서 실린더 방식에 뒤떨어지므로 이에대한 보완이 필요하지만 이론적으로 실린더 방식 대비 최고 50%의 저장용적 증가를 기대할 수 있어 압력용기 제작기술의 또다른 한 방향으로 관심을 모으고 있다.
□ 美 DOE NHS 프로젝트
한편 미국의 경우 지난 2001년 발표된 국가에너지정책의 일환으로 DOE(에너지국)에서 ‘NHS(National Hydrogen Storage) 프로젝트’를 통해 수소 및 연료전지 관련 기술의 체계적이고 종합적인 개발을 추진중이다.
DOE는 여기에서 수소저장기술이 수소관련 산업의 실용화를 위한 가장 중요한 기술임을 명확히 밝히고 있으며 탑재용 수소저장(on-board hydrogen storage)기술이 자동차용 연료전지 시스템의 핵심으로 인지하고 있다.
<표-2>는 이러한 DOE의 수소저장기술 개발계획을 나타낸 것으로 탑재시스템을 중심으로 하여 목표가 설정돼 있다. 이는 탑재시스템이 공간, 중량, 비용 등의 제약으로 인해 여타 문제에 비해 기술적으로 한층 까다롭다는 이유에서이다.
[압력용기의 유형 비교]
수소저장용 압력용기 개발에 있어 중요한 이슈중의 하나는 바로 용기의 타입(Type)이다.
최적의 용기 타입을 결정하고 타당한 개발목표를 설정하기 위해서는 단순비교를 넘어선 심도 깊은 고찰이 요구된다.
<표-3>은 고성능 복합재인 Type-III와 Type-IV의 장단점을 비교한 것이다.
일반적으로 Type-III는 신뢰성 측면에 강점을 보이며 Type-IV는 가격과 중량면에서 유리한 것으로 받아들여지고 있다.
반면 Type-IV는 FCV용 수소저장용기로 사용할 때 누출을 비롯 수소에 대한 폴리머라이너의 침투성, 온도에 대한 취약성 등이 기술적으로 해결해야할 과제로 지적된다.
Type-III의 경우에는 기술적 어려움은 크지 않지만 용기의 용량의 커지면 공정이나 가격에서 Type-IV 보다 경쟁력이 떨어진다는 단점이 있다.
이러한 이론적 장단점에도 불구하고 현재 상용화되어 있는 CNG용 압력용기에 있어서는 Type-III와 Type-IV는 가격 및 중량이 거의 비슷한 상황이다.
즉 보다 안정적인 개발과 신속한 실용화를 추구한다면 일단 Type-III가 유리할 것이며 앞으로의 기술발전에 역점을 둔다면 Type-IV에 더 많은 관심을 두어야 할 것으로 보인다.
[수소저장기술 실용화의 과제]
FCV용 고압기체수소 저장기술의 실용화와 관련해 산업적, 기술적 걸림돌로 지적되고 있는 사항으로는 ‘고성능 복합재 용기의 소재와 제조방법의 제약으로 인한 고비용 문제’, ‘기체수소의 낮은 에너지밀도에 따른 저장시스템의 부피증가 문제’, ‘초고압 복합재 용기의 실제 사용 이력 및 파손 데이터의 부족’, ‘레규레이터.밸브.필터 등 관련 부품개발의 부재’ 등을 들 수 있다.
먼저 고비용 문제를 보면 현재의 복합재 용기 가격수준과 DOE의 목표가격(<표-2> 참조)과의 격차에서 확연히 드러나듯 비용부분은 현실적으로 해결에 어려움을 지닌 난제(難題) 중의 난제이다.
관련업계에서는 대량 생산에 돌입하면 DOE의 목표수준까지 제조비용을 절감할 수 있을 것으로 예측하고 있지만 반드시 섬유, 수지 등 원료소재 관련 기술들의 획기적인 발전이 뒷받침되어야 가능한 상황이다.
또한 중량이나 비용의 추가절감을 위해 압력용기의 설계 및 제조공정 관련기술들도 발전을 이루어야 하며 특히 필라멘트 와인딩 공정의 자동화 및 생산성 향상이 요구된다.
수소저장시스템의 크기 문제는 FCV의 설계개념 변화를 통해 해결방안을 모색할 수 있을 것으로 판단된다.
GM社의 신개념 FCV모델인 ‘하이-와이어’(Hy-wire, 사진)가 이같은 설계의 변혁을 꾀한 가장 좋은 예이다.
하이-와이어는 엔진 등 각종 장치들이 차량의 앞이나 뒤쪽에 장착되어야 한다는 고정관념을 깨고 소형모터와 변압기, 3개의 수소저장탱크, 제어용 컴퓨터 등 필요한 모든 장치를 28㎝ 두께의 차체 바닥 아래에 내장시켰다.
부족한 데이터의 경우 현장실험을 통해 해결이 가능한 문제이며 저장탱크에 스마트(smart) 센서를 부착, 압력용기의 상태를 실시간으로 모니터링 한다면 각종 사용이력은 물론 신뢰성 향상, 안전계수 저감, 중량 및 비용절감 등의 부대효과도 누릴 수 있을 것으로 보여진다.
[국내 연구개발 현황]
현재 연구팀이 진행하고 있는 고압기체 수소저장기술 개발의 최종 목표는 700bar급 복합용기(Type-III)의 실용화이다.
연구팀은 이를위한 1단계 목표로 초고압 수소기체 저장용 복합용기의 설계.해석.제작 기술개발 및 시험평가 설비구축, FCV용 350bar급 복합용기 시제품 개발 및 실증, 스마트 모니터링 시스템 개발 등 3개 과제를 설정하고 연구개발을 진행중이다.
이중 올해에는 FCV용 350bar급 복합용기의 설계.해석기술개발, 350bar 복합용기의 스마트 모니터링 개념연구 및 FBG(Fiber Bragg Grating)센서의 삽입 적용성 예측 연구 등이 추진되고 있다.
□ 핵심요소기술
초고압 복합용기의 개발을 위해서는 필라멘트 와인딩 복합재 압력용기에 대한 설계.해석기술과 이와 연계된 제작기술의 정립이 필수적이다.
라이너 형상설계는 내압구조의 복합용기가 최적의 형태를 유지하면서 필라멘트 와인딩에 적합한 모양을 제공해야 한다는 점에서 매우 중요하다.
이러한 필라멘트 와인딩 압력용기의 형상과 와인딩 패턴의 설계에는 ‘등장력(等張力) 돔(dome) 이론’이 적용되는데 이번 연구에서는 와인딩으로 인한 모양 변화까지 고려하여 이론을 체계화하고 이에 기초한 설계 툴(tool)을 개발하여 활용했다.
<그림-1>은 이렇게 개발된 설계시스템의 모니터 화면이다.
이와함께 복합재 압력용기의 상세 구조해석에는 ‘유한요소법(Finite Element Method)’이 필수적으로 사용된다.
이를통해 라이너와 와인딩의 두께 결정, 형상 및 와인딩 패턴에 의한 취약점 확인, 파손모드 확인, 자긴처리(Auto-frettage) 압력 설정, 자긴처리후 잔류응력 확인 등이 가능하다.
본 연구에서는 3차원 비선형 유한요소법을 정립했으며 해석방법의 타당성을 검증하기 위해 실험용 축소 시제를 제작, 파열실험을 실시했다.
<그림-3>은 파열실험 결과와 유한요소 해 결과를 비교한 것으로 두 결과가 5% 이내에서 일치하고 있다.
□ 350bar 용기 설계 및 제작사양
위와 같이 정립된 설계.해석기법을 토대로 사용압력 350bar, 내용적 72리터의 FCV용 복합용기에 대한 구조설계 및 해석을 수행했다.
이를통해 제작도면과 설계사양(표-4)을 결정했으며 라이너 제작을 위한 툴링(tooling)에 돌입했다.
라이너 제작이 완료되는데로 시제품 제작과 파열시험을 실시할 예정에 있으며 여기서 도출된 결과를 기초로 설계.해석.제작과 관련한 기술적 문제점을 찾아 개선방안을 마련함으로서 이른 시일내에 350bar용기 개발을 완료하고자 한다.
한편 <표-5>는 72리터급 압력용기에 대해 사용압력별(200~700bar)로 기초적인 설계.해석을 수행, 현재의 기술수준에서 실현가능한 기준 사양을 설정한 것이며 이를 해외 주요업체들의 기술개발 사례와 비교분석하여 단계별 목표를 설정했다.<표-6>
□ 시험평가시스템 및 인증
연구팀은 최종 연구목표가 700bar 초고압 압력용기 개발임을 고려하여 정밀시험시 최고압력인 파열 시험압력에 1.5배 정도의 여유압력을 적용, 2500bar급 파열시험기를 제작했다.
또한 파열압 시험과 더불어 정밀검사 및 양산체제 돌입시 지속적으로 수행할 수 있는 상온압력반복시험 설비를 구축, 수소용기에 대한 기본적인 성능시험을 자체적으로 수행가능토록 했다.
특히 최신 복합재 고압용기의 시험기술 및 정보 획득을 위해 미국의 용기제조업체와 공인검사기관과의 협력시스템을 구축하였으며 향후 환경시험, 온도시험, 충격시험, 화염노출시험, 낙하시험, 총격시험 등 각종 시험기술과 설비에 대해 기술지원을 받을 계획에 있다.
인증과 관련해서는 향후 FCV용 저장용기 인증을 위한 기반구축의 일환으로 현재 구비된 복합재 압력용기 제조설비 및 품질관리 시스템에 대해 한국가스안전공사를 비롯 미국 DOT, 유럽 CE 및 TUV 인증을 신청했다.
□ 스마트모니터링
FCV용 압력용기의 원천기술 확보를 위해 광섬유 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서를 이용한 스마트 모니터링 기술의 개발에도 나서고 있다.
FBG센서를 활용하면 상대적으로 장치가 단순해짐은 물론 광섬유 센서의 삽입을 통해 압력용기의 성형과정, 성형후 운용과정 등 모든 과정에서 용기의 내부 변형률을 측정할 수 있다.
