수소차? 이제는 수소 선박의 시대

수소차? 이제는 수소 선박의 시대

대학생신재생에너지기자단 17기 강하은

 

수소로 가는 연료전지 선박 기술

 대부분의 선박기술은 석유를 통해 얻어지는 동력으로 움직인다. 그러나 화석 연료는 환경오염 문제를 야기하기에 현대 사회는 친환경 선박 기술을 개발하기 위해 박차를 가하고 있다. 수소 연료전지 선박기술은 선박의 석유 연료 대신 수소연료전지를 사용하는 것으로 수소와 산소를 연료로 하여 물을 배출하는 무공해 온실가스 무배출 기술이다. 

 수소 연료전지로 추진되는 선박은 연료인 수소를 저장하고 수소를 공급하는 선박용 수소연료 저장 공급 시스템, 수소를 통해 전력을 생산하고 저장하는 수소 연료전지 시스템, 동력으로 전환하는 전기 추진 시스템으로 구분된다. 여기서 수소연료 저장시스템은 수소를 탱크에 저장하여 연료를 공급하는 시스템으로써 수소 공급조건 (통상 10 bar 이하, 상온) 환경을 갖추고 있다. 수소 연료전지 시스템은 공급된 수소를 통해 물로 만들어 전력을 생산하고 저장 시스템의 효율 증가를 위해 에너지저장시스템(ESS)과 함께 운영되기도 한다. 마지막으로 전기 추진 시스템은 생산된 전력을 선박의 추진 동력으로 전환하는 시스템으로, 전력의 변환과 전동기를 통한 동력 전달을 담당한다. 

[자료 1. 수소 연료전지 선박 개념도]

출처 : 한국과학기술정보연구원

 

국내외 수소 연료전지 선박의 기술, 어디까지 왔나?

(1) 연료 저장 공급 시스템

수소 공급의 기술 면에서 현재 액화 수소 저장을 위해 노력을 기울이고 있다. 수소 연료전지에서 수소 연료가 기체이기 때문에 발생하는 안정성의 문제, 큰 부피의 문제를 해결하기 위함이다. 이에 대해 유럽의 다국적 기업인 MAN Cryo사는 액화가스 저장 및 공급을 위해 액화 가스 시스템 기술을 개발하였고, 2018년 말 세계 최초로 수소의 액화 연료 공급 시스템에 대한 자격을 취득했다. 

 

(2) 연료전지 시스템

 전 세계적인 연료전지 시스템의 트렌드는 바로 '경제성'의 확보이다. 수소 연료전지는 시스템 구축 부분에서 백금 등의 촉매를 사용하기 때문에 가격 절감에 어려움을 겪고 있다. 이에 따라 백금을 사용하지 않고 연료전지를 작동시킬 수 있는 새로운 촉매의 개발 혹은 연료전지 자체 시스템 효율을 증가시키기 위한 연구가 지속되고 있다. 미국에서는 촉매의 비표면적을 늘려 활성화 효율을 높이는 코어쉘 촉매에 대해 많은 연구를 진행하고 있으며, 국내 기초과학연구원에서도 수소 연료전지 촉매 가격을 10분의 1로 줄일 수 있는 다공 나노코어쉘 구조의 촉매를 연구하고 있다. 여기서 코어쉘 구조란 아래 그림과 같이 중심에 존재하는 코어 물질을 쉘을 형성하는 물질이 둘러싼 구조로 되어있는 것이다. 이 구조는 표면적을 가장 증가시킨 형태로서 전기화학적 활성을 높이는 역할을 할 수 있다.

[자료 2. 촉매의 코어쉘 구조]

출처 : Nanoshell

 

국내 수소 연료전지 선박, 과연 가능성 있을까?

 수소 연료전지 선박은 세계 조선 해양 산업의 혁신을 불러일으킬 수 있는 친환경 기술로, 새로운 고부가가치 창출 시장으로 성장할 잠재가치가 있다. 특히 우리나라는 상당 수준의 조선기술과 저온 연료전지 기술을 가지고 있기 때문에 수소 선박 시장을 선도할 가능성이 크다. 그러나 실제로 가용될 수 있는 수소 연료전지 선박은 500kW급 이상의 용량을 가진 연료전지 시스템을 필요로 하며, 선박의 작동 환경상 흔들림에도 안정성을 유지해야 한다. 이를 위해 연료전지 선박의 내구성과 성능 확보를 위한 노력이 필수적이다. 또한 해외에서는 약 10년 전부터 개발을 지속적으로 이행했기에 국내 기술과의 격차를 줄이기 위해서는 선박용 연료전지 시스템에 대한 R&D 투자에 집중할 필요가 있다. 또한 정부에서도 만들어진 시스템을 실증화하기 위해 정책적, 재정적인 지원을 가해야 할 것이다. 

 

 

 

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참고문헌

[수소로 가는 연료전지 선박 기술]

1) 서용석, 조재현, 이제명, 김병수 "선박용 수소연료전지 기술 개발 동향과 방향", KEIT 동향보고서, 12월호, 28p~42p, 2019.12.

 

[국내외 수소 연료전지 선박의 기술, 어디까지 왔나?]

1) 민긍기, ‘글로벌 친환경 선박기자재 시장 동향 및 해외 시장 진출 전략’, 대한무역투자진흥공사, KDB산업은행 보고서, 2019.04

2) 서용석, 조재현, 이제명, 김병수 "선박용 수소연료전지 기술 개발 동향과 방향", KEIT 동향보고서, 12월호, 28p~42p, 2019.12.

3) 이호신, 정혜순, 서주환, 박종철, 「코어쉘 나노입자」, 한국과학기술정보연구원, 특허청, 12권, 3호, 2009

4) Ryan O'Hayre,「Fuel Cell Fundamentals」,  Third edition, Wiley, 2017