수소 상용화의 관건, 저장·운송 기술의 현주소

수소 상용화의 관건, 저장·운송 기술의 현주소

대학생신재생에너지기자단 28기 이건혁, 홍서연, 29기 조성현

저장과 운송 단계의 안전성, 경제성 확보가 상용화의 관건

수소는 자연계의 약 75%를 차지하는 원소로, 화석연료를 대체할 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 지구상에서 수소 원소는 단독으로 존재하지 않기에 따로 생산하는 과정을 거쳐야 하며, 생산 방식과 에너지원에 따라 그린수소, 블루수소, 그레이수소, 핑크수소 등으로 구분된다. 먼저 그린수소는 재생에너지 전력을 활용한 수전해 방식을 통해 생성되며, 핑크수소는 그린수소와 비슷한 수전해 공정에 재생에너지 대신 원자력 발전 전력을 활용해 생산된다. 그레이수소는 천연가스 개질 등 탄화수소 기반 추출수소 방식으로 만들어지고, 블루수소는 이런 추출수소 공정에 탄소포집저장(CCS) 기술을 결합한 방식으로 생성된다.

[자료 1. 수소 저장·운송]

출처 : FreePik

수소 경제 상용화를 위해서는 수소 생산 과정에서의 효율성과 친환경성에 더불어 수소의 저장·운송 단계의 안전성과 경제성에도 주목할 필요가 있다. 수소의 질량당 에너지 밀도는 142kJ/g으로 다른 화석연료와 비교했을 때 천연가스의 3배, 휘발유의 4배나 높지만, 부피당 에너지 밀도가 낮기 때문에 저장을 위해서는 추가적인 고압 압축이나 극저온 액화 등 별도의 공정이 필요하다. 안전성 측면에서, 수소는 확산성과 인화성이 높아 누출 시 화재나 폭발의 위험이 존재한다. 더불어 수소 원자는 크기가 매우 작아 금속의 표면에 쉽게 침투하며, 이에 따라 금속의 연성이 약해지고 균열이 발생하는 현상인 취화현상이 나타나기도 한다. 이런 특성으로 인해 수소 저장 탱크와 배관에는 특수 코팅 등의 소재 기술이 적용되며, 이 외의 많은 시스템적인 안전 설계와 인프라 구축에도 막대한 비용이 수반된다. 또한 수소를 압축 및 액화하는 과정에서도 많은 에너지가 소모되며, 이에 따른 설비 투자 비용 증가로 수소의 최종 단가가 상승하기도 한다.

기술적 완성도, 비용 절감, 안전성 확보 세 가지가 병행되지 않는다면 수소의 대규모 상용화는 기대하기 어려우며, 결국 수소 산업의 경쟁력은 저장·운송 기술의 효율성과 안전성을 동시에 확보할 수 있는지에 달려 있다고 볼 수 있다. 이에 따라 현재 수소 저장·운송 기술이 직면한 한계와 향후 발전 방향을 살펴볼 필요가 있다.

현재까지의 수소 저장 기술 - 고압기체 방식, 액화수소 방식

현재 주로 사용되는 수소 저장·운송 기술은 고압기체 방식과 액화수소 방식이다. 

먼저, 고압기체 방식은 수소를 압축가스 형태로 만들어 부피를 줄여 저장하는 것이다. 보통 기체수소를 350~700bar의 고압으로 압축한다. 메탄, 프로판 등 다른 기체를 저장할 때와 유사한 방식을 취하며, 가장 일반적으로 오랫동안 사용돼왔기 때문에 기술 구현 및 상용화 면에서 우세하다. 하지만 고압 수소 운송 방식의 경우 수소 압축 시 에너지 효율이 낮고, 장거리 운송일수록 운송 비용이 높아 경제성이 떨어진다는 한계점이 있다. 또한 높은 압력 등으로 인해 누출 시 제트 화염을 유발하거나, 폭발할 수 있다는 위험성도 가지고 있다.

[자료 2. 고압기체 저장기술과 액화 저장기술]

출처 :  수소경제 종합정보포털

액화수소 방식은 기체수소를 액화해 부피를 기체수소 대비 1/800로 줄여 한 번에 많은 양의 수소를 저장·이송하게 하는 것이다. 부피가 크게 감소하기 때문에 저장 효율이 높고 대량 운송에 유리하다는 장점이 있다. 하지만 수소를 영하 253℃까지 냉각해야 하므로 액화 과정에서 많은 에너지가 소모되고, 극저온을 유지하기 위한 단열 기술과 저장 설비 비용이 높다는 한계를 지닌다.

현재는 고압기체 방식보다 액화수소 방식을 선호하는 추세이며, 이들의 한계점을 보완하기 위해 추가로 다른 수소 저장·운반 기술이 연구개발 단계에 있다. 이제 본격적으로 현재 연구 개발중인 수소 저장·운반 기술에 대해 알아보자.

현재 연구 개발중인 수소 저장·운반 기술 알아보기

첫 번째 기술, '암모니아 전환 기술'

[자료 3. 암모니아 운반 탱크]

출처 : BAKERRISK

먼저 소개할 수소 저장·운반 기술은 암모니아 전환 기술이다. 암모니아 전환 기술은 주로 해외에서 생산한 수소를 국내로 운반하는 데 사용되는 운송 기술이다. 수소를 암모니아로 변환한 뒤 해상으로 장거리 운반하고, 다시 수소를 추출해 연료로 사용하게 된다. 암모니아(NH₃)는 질소 원자 1개와 수소 원자 3개가 결합한 구조를 띠며, 암모니아에서 질소 원자를 제거하는 방식을 이용하여 다시 수소를 만들어낸다.

이전까지 많이 사용되던 액화수소 방식은 상온에서 탱크를 낮은 온도로 유지해야만 수소가 액체 상태로 유지되기 때문에, 기화와 수송에서 전체 수소 에너지의 약 25~30%가 소비돼 결국 전체적으로 효율이 떨어진다는 한계점이 있다. 반면 암모니아는 액화수소와 달리 상온에서도 쉽게 액화돼 상태를 유지하기 쉽고, 액화수소 대비 단위 부피당 수소 저장용량이 1.7배가량 크다는 장점이 있다. 또한, 액화수소의 저장·운반을 위해서는 특수 코팅의 등 액화수소만을 위한 추가적인 시설을 구축해야 하지만, 암모니아는 이미 비료 원료 등 상업적으로 사용 중이기 때문에 기존 암모니아 저장·운송 인프라를 이용하여 유통할 수 있으므로 비교적 단순하고 저렴하다. 더욱이 암모니아 자체를 연소하는 경우에도 이산화탄소 배출이 없어 연료로 활용하기도 좋다. 

두번째 기술, '액상유기수소운반체 (LOHC)'

다음으로, 액상유기수소운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)다. LOHC는 수소를 액체 유기 화합물과 결합시켜 상온·상압에서 안전하게 저장 및 운반할 수 있는 기술이다. 방향족 화합물을 사용하여 수소를 저장 및 운반하게 되며, 방향족 화합물의 반복적인 수소화/탈수소화 과정을 통해 저장 및 방출된다. 구체적으로, 기체 수소가 톨루엔과 같은 액체 유기 화합물에 결합하면 메틸사이클로헥산(MCH)의 형태로 저장되고, 부피 또한 600~700분의 1로 작아져 쉽고 안전하게 대량 저장·운반할 수 있게 된다.

[자료 4. LOHC 기반 수소 저장·운송 시스템]

출처: Gemini

LOHC가 유기화합물을 사용하는 기술이다 보니, 경유, 휘발유 등과 성질이 비슷하여 기존의 석유화학 인프라를 그대로 활용할 수 있고, 수소의 저장과 추출 사이클을 반복할 수 있어 비용 절감 효과가 크다는 장점이 있다. 또한 고압 저장 용기나 극저온 설비가 필요한 기존 액화수소 방식이나 고압기체 방식보다 안전성 측면에서도 유리하다.

하지만 LOHC 기술 역시 완전한 기술이 아니다. 저장된 수소를 다시 활용하기 위해서는 탈수소화 공정을 거쳐야 하며, 그 과정에서 높은 온도와 촉매가 필요하여 추가적인 에너지 소모가 발생한다. 또한 수소화/탈수소화 과정에서 효율이 낮아질 우려가 존재하기 때문에 공정 효율을 높이기 위한 기술 개발이 중요한 과제로 지적된다. 

세 번째 기술, '차세대 수소 저장 기술, 고체수소 저장'

마지막으로, 고체수소 저장 기술이다. 수소경제로의 전환이 가속화되면서 저장 기술의 한계가 다시 도마 위에 오르고 있다. 상온·상압에서 기체로 존재하는 수소는 체적당 에너지밀도가 낮아 고압 압축이나 액화 방식에 의존해 왔지만, 이는 폭발 위험과 극저온 유지 비용이라는 구조적 부담을 안고 있다. 대안으로 주목받는 수소저장합금(금속 하이드라이드) 방식은 금속이 수소를 가역적으로 흡수·방출하는 반응을 이용해 액체수소 이상의 체적 밀도로 저장할 수 있고, 저압 조건에서도 운용이 가능해 상대적으로 안전성이 높다는 평가를 받는다.

[자료 5. 수소 저장장치에 대한 개략도]

출처: 특허 KR100955654B1

그러나 이 기술 역시 ‘완전한 해법’은 아니다. 수소 흡수 시 발열, 방출 시 흡열이 일어나면서 저장 시스템 내부 온도가 급격히 변하고, 온도 변화에 민감한 평형압 특성 때문에 충전 시간이 지연되거나 방출량이 감소하는 문제가 발생한다. 더구나 금속 수소화물 자체의 낮은 열전도율은 반응열 제어를 어렵게 만들어 대용량 시스템 설계의 걸림돌로 작용한다. 결국 금속 수소 저장 기술은 안전성과 저장 효율이라는 장점을 갖는 동시에, 열관리 기술이라는 또 다른 기술적 허들을 반드시 넘어야 하는 ‘미완의 차세대 기술’인 셈이다. 그럼에도 불구하고 열교환 구조 고도화와 복합 소재 개발이 병행될 경우, 도심형 분산 저장 시스템 구축과 수소 모빌리티의 안전성 향상, 극저온 설비 의존도 감소라는 기대효과를 가져올 잠재력은 분명하다. 문제는 기술의 가능성이 아니라, 상용화를 가로막는 열관리와 경제성의 벽을 얼마나 빠르게 넘느냐다.

최근 주목받는 액화수소저장과 운반 

수소 저장·운송 기술에 대한 관심이 높아지는 상황 속에서 액화수소 저장 시스템을 활용한 액화수소 운반선이 주목받고 있다. 액화수소 운반선은 수소 기체를 약 –253°C 극저온에서 액화시켜 부피를 줄임으로써 기존 대비 운송 효율을 10배 이상 높일 수 있는 고부가가치 미래 선박이다. 현재는 일본의 가와사키 중공업에서 1.25K급 운반선을 건조해 액화수소를 운반한 사례가 유일하다.

관련 기술 확보를 위해 각국 정부는 개발 추진 중다. 지난해 5월 한국의 산업통상자원부가 K-조선 액화수소 운반선 민관 합동 추진단을 출범하며 2028년까지 2.0K급 액화수소 운반선을 건조와 향후 160K 이상의 대형 운반선 개발을 추진하고 있다. 운반한 사례를 보유하고 있는 일본 또한 2030년 이전까지 160K의 액화수소 운반선을 건조하겠다는 프로젝트를 발표한 바 있다.

[자료 6. 액화수소 선박]

출처: HD현대 뉴스룸

그러나 여전히 어려움이 많다. 운송 효율을 극대화할 수 있다는 큰 장점이 있지만 아직 상용화된 대형 선박이 없을 정도로 기술 난이도가 높다. 수소를 액체 상태로 유지하기 위해 극저온을 유지하는 데 어려움이 크고, 수소가 체적당 에너지 밀도가 낮다는 특성이 있어 수소를 저장하는 탱크가 LNG 탱크보다 7.6배 이상 커야 한다는 단점을 가진다. 더구나 높은 건조 비용과 수소의 안전성 확보도 걸림돌로 작용한다.

액화수소 운반선이 수소 운송 시스템에 새로운 혁신을 가져다줄 것이라는 전망은 확실하다. 다만 기술적 한계 극복과 경제성 확보가 향후 상용화를 위한 핵심 과제로 남아 있다.

수소 저장과 운반의 미래 방향성

결국 고압·액화 저장의 높은 압축·냉각 비용, 암모니아·LOHC와 같은 화학적 운반체의 변환 에너지 손실, 그리고 금속 합금 저장 기술의 열관리 한계까지 수소 저장·운송 기술이 마주한 공통 과제는 ‘에너지 소모’다. 저장 효율을 높이는 기술 경쟁이 아니라, 저장 과정에서 낭비되는 에너지를 얼마나 줄이느냐가 상용화의 분기점이 되고 있다. 앞으로는 압축·액화 공정의 효율 개선, 수소 변환·재전환 과정의 에너지 최적화, 금속 합금 기반 저장 시스템의 열전도 구조 개선 등 전 주기적 접근이 병행되어야 한다. 

특히 저장 단계에서의 에너지 투입을 줄이면 수소 1kg당 실질 탄소 배출량이 낮아져 ‘청정수소’의 명분이 강화되고, 공급 단가 안정화로 산업·모빌리티 확산 속도 역시 빨라질 수 있다. 나아가 대규모 중앙 집중형 인프라에서 벗어나 분산형 저장 시스템 구축도 가능해진다. 수소경제의 미래는 생산량 확대가 아니라, 저장·운송에서의 에너지 낭비를 얼마나 정밀하게 줄이느냐에 달려 있다. 결국 기술의 성패는 효율, 그리고 그 효율이 만들어낼 구조적 비용 절감에 있다.

수소에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소 생태계의 그늘: 수소 모빌리티 시대의 이면", 26기 류호용, 27기 김주희, 29기 김민주, 김슬기, https://renewableenergyfollowers.org/renewable-energy/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=170035311&t=board

2. "그린수소, 미래 에너지 패권을 바꿀까", 27기 이서영, 천혜원,  28기 이건혁, 29기 염동혁, 조수윤, https://renewableenergyfollowers.org/renewable-energy/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=170022732&t=board

참고문헌 

[저장과 운송 단계의 안전성, 경제성 확보가 상용화의 관건]

1) 김수현, 에너지경제연구원 에너지포커스 2019 겨울호, “수소 저장/운송 기술 개요 및 현황”, https://www.keei.re.kr/keei/download/focus/ef1912/ef1912.pdf

2) 김순강, 사이언스타임즈, “수소 경제, 안정적 수소 공급 기술 관건 수소 경제 활성화 위한 기술적, 정책적 과제 논의”, 2020.09.10, https://www.sciencetimes.co.kr/nscvrg/view/menu/253?nscvrgSn=210849

3) 김훈, 세이프티퍼스트 닷뉴스, “수소이야기 5부- 수소저장 기술과 해결 과제”, 2021.06.06, https://www.safety1stnews.com/news/articleView.html?idxno=1600

4) 양성진, LGERI 리포트, “수소에너지 환상인가, 기회인가”, 2009.04.19, https://www.lgbr.co.kr/uploadFiles/ko/pdf/ind/LGBI1038-25_20090427085132.pdf

[현재까지의 수소 저장 기술 - 고압기체방식, 액화수소방식]

1) 정재훤, 조선비즈, “부피 800분의 1, 충전속도 4배… 액화수소 플랜트 본격 가동”, 2024.02.07, https://biz.chosun.com/industry/company/2024/02/07/XVFSRTDJKVGUBPFMAFBQWD23PI/

2) 최인수, 에너지신문, “액화수소, 수소산업 활성화 이끄는 ‘게임체인저’”, 2024.05.21, https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=202805

[현재 연구개발중인 수소저장·운반 기술 알아보기]

- 수소 저장 기술

1) 산업통상자원부, K-조선 드림팀, 세계 최고 ‘액화수소 운반선’ 개발한다, https://www.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148942984

2) KR 대체연료기술연구팀 노길태 수석, 액체수소 운반선의 국내외 기술동향 및 기술적 고려사항, https://kr-decarbonization.co.kr/2024/summer/kor/insights.html

3) Korea Register, 액체수소운송선 국내외 규격분석 및 시사점, 2021

- 암모니아 변화기술

 1) 이지훈, 한국경제, “탄소중립으로 가는길...그린암모니아 드림팀 떴다”, 2021.07.15, https://www.hankyung.com/article/2021071542601

2) 에너지정보문화재단, “그린 수소에 이은 ‘그린 암모니아’, 차세대 친환경 에너지로 떠오르다”, 2026.03.03, https://blog.naver.com/energyinfoplaza/224202163390

3) 한음표, 기계신문, “수소경제 한걸음 더... KIST, 저비용 고효율 암모니아 기반 수소추출방법 개발”, 2020.12.22, https://www.mtnews.net/news/articleView.html?idxno=9848

- 액상유기수소운반체 

1) 육지훈, 파퓰러사이언스, “화학연, 수소 경제 앞당길 핵심 소재 개발. 기술 난제 해결”, 2025.04.20, https://www.popsci.co.kr/news/articleView.html?idxno=22871

2) 탄소중립전략센터, KRICT 탄소중립 웹 플랫폼, “‘스티로폼, 수소운반체 되다’ UNIST, 신개념 LOHC 개발”, 2025.08.07, https://co2platform.krict.re.kr/news/view/page/8/id/1488#u

3) 한국가스공사, LOHC 탈수소화 촉매반응기, https://www.kogas.or.kr/site/koGas/1030506020000

- 차세대 수소 저장 기술, 고체수소저장 

1) 특허청, 등록특허 KR100955654B1 「수소저장합금을 이용한 수소저장장치」(출원 2007.12.28., 등록 2010.04.26.), 한국기계연구원.

[최근 주목받는 액화수소저장과 운반]

1) HD현대, HD현대 뉴스룸, "HD현대, 독자기술로 수소상용화 앞당긴다", 2025.01.14, https://www.hd.com/kr/newsroom/media-hub/press/view?&&detailsKey=3410

[수소 저장과 운반의 미래 방향성] 

1) 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 이홍원, “수소저장 기술의 현황과 과제”, 2006.12.19, https://www.reseat.or.kr/portal/cmmn/file/fileDown.do?menuNo=200019&atchFileId=d27835d283374dbb873b67f9aaff78c3&fileSn=1&bbsId=%27)