수소를 영하 253℃까지 냉각하는 이유｜액화수소 탱크와 BOG 쉽게 이해하기

쉽게 배우는 수소에너지 이야기

수소를 왜 영하 253℃까지 냉각할까?

액화수소가 필요한 이유부터 극저온 탱크의 구조와 BOG 관리방법까지 쉽게 알아봅니다.

수소는 미래 에너지로 기대를 받고 있지만, 실제로 저장하고 운반하려면 해결해야 할 문제가 많습니다.

수소는 상온에서 매우 가벼운 기체입니다. 같은 양의 에너지를 옮기려 해도 차지하는 공간이 커서 대량으로 운송하기가 쉽지 않습니다.

이러한 한계를 줄이기 위해 수소를 아주 낮은 온도로 냉각해 액체로 만드는 방법이 사용됩니다. 이렇게 만들어진 수소를 액화수소라고 합니다.

액화수소는 부피를 크게 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 약 -253℃라는 극저온을 계속 유지해야 합니다. 그래서 저장탱크와 배관, 밸브와 단열재에 일반 설비와는 다른 기술이 적용됩니다.

이번 글에서는 액화수소가 필요한 이유와 만들어지는 과정, 저장탱크의 구조, 증발가스인 BOG를 어떻게 관리하는지 살펴보겠습니다.

수소를 액체로 만들면 무엇이 달라질까?

상온과 대기압 상태의 수소는 매우 넓은 공간을 차지합니다. 기체 그대로 많은 양을 옮기려면 저장용기의 크기가 지나치게 커질 수 있습니다.

수소를 약 -253℃까지 냉각하면 액체로 바뀝니다. 액체 상태에서는 상온 기체수소와 비교해 부피가 약 1/800 수준으로 감소할 수 있습니다.

-253℃

수소가 액체 상태로 변하는 극저온 영역

기체수소

상온에서는 부피가 커서 대량 저장과 장거리 운송에 제약이 있습니다.

액화수소

같은 양의 수소를 더 작은 공간에 넣을 수 있어 대규모 운송에 유리합니다.

부피가 줄어들면 무엇이 좋아질까?

한 번에 운송할 수 있는 수소량이 늘어나고, 대형 저장기지나 충전소에서 필요한 공간을 줄일 수 있습니다. 해외에서 생산한 수소를 선박으로 운반할 때도 활용 가능성이 높아집니다.

액화수소는 어떻게 만들어질까?

수소를 액체로 만드는 과정은 가정용 냉동고처럼 한 번에 온도를 낮추는 방식이 아닙니다. 압축과 냉각, 팽창을 여러 번 반복해야 합니다.

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기체수소 압축

수소의 압력을 높여 열교환과 냉각과정을 진행하기 좋은 상태로 만듭니다.

2

예냉과 열교환

열교환기와 냉동사이클을 이용해 수소의 온도를 단계적으로 낮춥니다.

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팽창을 통한 추가 냉각

냉각된 수소를 팽창시켜 온도를 더 낮추는 과정을 반복합니다.

4

극저온 도달

온도가 약 -253℃ 부근에 도달하면 기체수소가 액체 상태로 변합니다.

수소를 액화하는 데 전기가 많이 필요할까?

수소를 극저온까지 냉각하려면 상당한 에너지가 필요합니다. 액화설비의 효율이 낮으면 생산한 수소의 일부 에너지를 냉각과정에 사용하게 되므로 고효율 냉동사이클과 열교환기 개발이 중요합니다.

액화수소는 왜 일반 탱크에 담을 수 없을까?

액화수소의 온도는 일반적인 냉동설비보다 훨씬 낮습니다. 보통 사용하는 금속과 고무, 씰과 밸브는 극저온에서 수축하거나 성질이 달라질 수 있습니다.

그래서 액화수소 저장설비에는 저온에서도 강도와 기밀성을 유지할 수 있는 전용 재료와 구조가 필요합니다.

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극저온 재료

저온에서도 쉽게 깨지지 않는 스테인리스강과 알루미늄 합금 등을 사용합니다.

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열수축 설계

온도가 크게 내려갈 때 발생하는 수축과 변형을 고려합니다.

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기밀 유지

배관과 밸브, 연결부에서 수소가 새지 않도록 극저온용 씰을 적용합니다.

액화수소 탱크가 거대한 보온병과 비슷한 이유

액화수소 저장탱크는 안쪽의 차가운 온도를 유지하기 위해 외부 열을 최대한 막아야 합니다. 구조적으로는 우리가 사용하는 보온병과 비슷한 원리를 사용합니다.

액화수소 저장탱크의 기본 구조

LH₂ · 약 -253℃

• 내조: 액화수소가 직접 저장되는 내부 용기입니다.
• 진공공간: 공기를 제거해 대류와 기체 전도에 의한 열전달을 줄입니다.
• 다층단열재: 외부에서 전달되는 복사열을 줄이는 역할을 합니다.
• 외조: 내부 용기와 진공층을 보호하고 외부 충격을 견딥니다.
• 안전장치: 압력센서와 안전밸브를 이용해 내부 압력을 관리합니다.

진공단열

내부 용기와 외부 용기 사이의 공기를 제거하면 공기를 통한 열전달이 크게 줄어듭니다. 보온병의 이중벽 사이를 비워두는 것과 비슷한 원리입니다.

다층단열재 MLI

얇은 반사필름과 간격재를 여러 겹 쌓아 외부에서 들어오는 복사열을 줄입니다. 우주산업과 극저온 설비에서도 활용되는 단열방식입니다.

극저온 단열재

설비의 구조와 용도에 따라 퍼라이트나 에어로젤 같은 단열재가 사용될 수 있습니다. 중요한 것은 열이 탱크 안으로 들어가는 경로를 최대한 줄이는 것입니다.

BOG는 왜 발생할까?

액화수소 탱크를 아무리 잘 단열해도 외부 열을 완전히 막을 수는 없습니다. 탱크 안으로 조금씩 들어온 열 때문에 액체수소 일부가 기체로 변합니다.

이렇게 발생한 기체를 BOG, Boil-Off Gas라고 부릅니다.

BOG가 계속 쌓이면 어떻게 될까?

탱크 안의 기체량이 증가하면서 내부 압력이 올라갈 수 있습니다. 압력을 일정하게 유지하려면 BOG를 다시 액화하거나 다른 용도로 사용하고, 필요할 경우 안전하게 배출해야 합니다.

재액화

기체가 된 수소를 다시 냉각해 액체로 돌려보내는 방법입니다.

연료로 활용

연료전지나 발전설비, 운송선의 보조연료로 사용할 수 있습니다.

압축 후 저장

BOG를 압축해 고압 기체수소 저장설비로 옮길 수 있습니다.

안전배출

비상상황에서는 안전밸브와 배출배관을 통해 지정된 장소로 내보냅니다.

BOG를 버리지 않고 다시 활용할수록 수소 손실과 운영비용을 줄일 수 있습니다. 따라서 최근 액화수소 설비에서는 저장탱크뿐 아니라 BOG 회수와 사용시스템도 중요한 부분으로 다뤄집니다.

액화수소 저장의 장점과 부담

구분	내용
저장밀도	기체수소보다 작은 공간에 많은 양을 저장할 수 있습니다.
운송효율	탱크로리와 선박을 이용한 대량 장거리 운송에 유리합니다.
액화비용	수소를 극저온까지 냉각하기 위한 전력과 설비가 필요합니다.
저장손실	외부 열 유입으로 BOG가 발생할 수 있습니다.
설비난이도	극저온 재료와 진공단열, 안전밸브와 계측장치가 필요합니다.

액화수소는 많은 양을 운송할 때 장점이 크지만, 적은 양을 짧은 거리에서 사용할 때는 액화비용과 설비비가 부담이 될 수 있습니다.

따라서 압축수소와 액화수소 중 어느 방식이 더 좋은지는 저장량과 운송거리, 공급처의 규모와 사용목적에 따라 달라집니다.

액화수소는 어디에 활용될까?

대형 수소충전소

버스와 트럭처럼 많은 수소를 사용하는 상용차용 충전기지에 활용할 수 있습니다.

수소 운반선

해외에서 생산한 수소를 해상으로 장거리 운송하는 방식으로 연구되고 있습니다.

우주발사체

액화수소는 로켓 추진제의 연료로 오래전부터 사용되어 왔습니다.

산업용 수소공급

대량의 수소가 필요한 공장에 액화 상태로 운반한 뒤 기화해 공급할 수 있습니다.

수소발전

연료전지와 수소발전설비에 필요한 연료를 대규모로 저장하는 방법으로 검토됩니다.

대형 모빌리티

선박과 철도, 항공기 등 고밀도 수소저장이 필요한 분야에서 연구가 이어지고 있습니다.

앞으로 해결해야 할 기술과제

액화에 사용하는 에너지 줄이기

수소를 액화하는 과정의 전력소비를 낮춰야 전체 공급비용을 줄일 수 있습니다. 이를 위해 대형 열교환기와 고효율 냉동사이클 개발이 필요합니다.

진공과 단열성능 오래 유지하기

탱크를 오래 사용할수록 진공성능과 단열상태를 안정적으로 유지하는 것이 중요합니다. 작은 단열성능 저하도 BOG 증가로 이어질 수 있습니다.

극저온용 부품의 내구성 높이기

밸브와 펌프, 배관과 센서가 반복적인 냉각과 가열조건에서도 정상적으로 작동해야 합니다.

BOG를 에너지로 다시 사용하기

발생한 기체수소를 재액화하거나 연료전지와 발전설비에 사용하는 시스템을 확대하면 수소 손실을 줄일 수 있습니다.

핵심 내용 한 번에 정리하기

액화수소 저장에서 기억할 내용

① 수소는 약 -253℃에서 액체 상태가 됩니다.

② 액화하면 상온 기체수소보다 부피를 약 1/800 수준으로 줄일 수 있습니다.

③ 액화공정에는 많은 에너지가 필요하기 때문에 설비효율이 중요합니다.

④ 저장탱크는 내조와 외조, 진공층과 다층단열재로 구성됩니다.

⑤ 외부 열 때문에 발생하는 BOG는 재액화하거나 연료로 활용할 수 있습니다.

⑥ 대량 저장과 장거리 운송 분야에서 액화수소의 장점이 커집니다.

자주 묻는 질문

액화수소는 정확히 몇 도에서 만들어지나요?

대기압을 기준으로 수소의 끓는점은 약 -253℃입니다. 실제 액화설비에서는 압력과 공정조건에 따라 운전온도가 달라질 수 있습니다.

액화수소 탱크도 압력이 높나요?

액화수소는 700bar 압축수소처럼 초고압으로 저장하지는 않지만, BOG가 발생하면 내부 압력이 상승할 수 있어 압력제어와 안전장치가 필요합니다.

BOG는 수소가 새는 것과 같은 뜻인가요?

BOG는 탱크 안의 액체수소가 열을 받아 기체로 변한 것입니다. 누설과는 다른 현상이지만 압력상승을 막기 위해 관리해야 합니다.

액화수소와 700bar 압축수소 중 어느 것이 더 좋은가요?

승용차처럼 소규모 저장과 빠른 충전에는 압축수소가 적합할 수 있고, 대량 저장과 장거리 운송에는 액화수소가 유리할 수 있습니다.

액화수소 저장은 단순히 수소의 온도를 낮추는 기술이 아닙니다. 액화공정과 극저온 재료, 진공단열과 압력제어, BOG 회수시스템이 함께 작동해야 합니다.

앞으로 수소를 먼 거리로 대량 운송하는 공급망이 확대된다면 액화수소의 중요성도 함께 커질 가능성이 있습니다.

다만 액화에 필요한 에너지와 설비비용, 저장 중 발생하는 BOG를 줄여야 실질적인 경제성을 높일 수 있습니다.

다음 글에서는 금속과 흡착소재를 이용해 수소를 저장하는 고체수소 저장방식을 살펴보겠습니다.