[L1] 1 수소 개요 [L2] 1) 물리적 성질 및 열역학적 상태 [L4] - 수소는 표준 상태(STP)에서 무색, 무취, 무독성의 가연성 기체이며, 분자량($2.016$ g/mol)이 가장 낮아 확산 계수(Diffusivity)가 매우 높음. [L4] - 에너지 밀도 측면에서 저위발열량(LHV) 기준 $120.1$ MJ/kg, 고위발열량(HHV) 기준 $141.8$ MJ/kg을 보유하여 화석 연료 대비 질량당 에너지가 압도적임. [L5] * 체적당 에너지 밀도는 대기압 기준 $0.0107$ MJ/L로 매우 낮아 에너지 운송 시 고압 압축(Compression) 또는 액화(Liquefaction)가 필수적임. [L5] * 줄-톰슨 계수(Joule-Thomson Coefficient)가 역전 온도(Inversion Temperature, 202K) 이상에서 음의 값을 가지므로, 상온 팽창 시 온도가 상승하여 누출 시 자가 발화(Auto-ignition) 위험이 존재함. [L2] 2) 재료 공학적 측면의 수소 취성(Hydrogen Embrittlement) [L4] - 수소 원자가 금속 격자(Metal Lattice) 내부로 침투하여 연성(Ductility)을 저하시키고 파괴 인성(Fracture Toughness)을 감소시키는 현상임. [L4] - 특히 고강도 강철(High-strength Steel) 및 페라이트계 합금에서 심각하게 발생하며, 이를 방지하기 위해 오스테나이트계 스테인리스강(SUS 316L)이나 복합소재 라이너(Composite Liner)를 적용함. [L1] 2 수소 생산 기술 [L2] 1) 수증기 메탄 개질 (SMR: Steam Methane Reforming) [L4] - 정의 : 천연가스($CH_4$)와 고온의 수증기($H_2O$)를 니켈 촉매 하에 반응시켜 수소를 추출하는 방식임. [L4] - 특징: 현재 가장 상용화된 기술로 경제성이 높으나, 부생물로 이산화탄소가 발생함(Grey Hydrogen). 여기에 CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage)를 결합하면 Blue Hydrogen으로 분류됨. [L4] - 장단점 [L5] a. 장점: 대량 생산 가능, 낮은 생산 단가, 성숙된 기술(Proven Tech). [L5] b. 단점: 화석 연료 의존도 높음, 탄소 배출 저감을 위한 추가 비용 발생. [L2] 2) 수전해 기술 (Water Electrolysis) [L4] - 알칼라인 수전해 (AEC: Alkaline Electrolysis Cell) : 수산화칼륨(KOH) 수용액을 전해질로 사용하며 비귀금속 촉매를 적용함. 장치 수명이 길고 CAPEX가 낮으나 전류 밀도가 낮아 대형화 시 부지 면적이 큼. [L4] - 고분자 전해질막 수전해 (PEM: Proton Exchange Membrane) : 고체 고분자 전해질을 사용하며, 양성자($H^+$)의 높은 전도성을 이용함. 응답 속도가 매우 빨라 재생에너지의 출력 변동성 대응에 최적화됨. [L4] - 고온 수전해 (SOEC: Solid Oxide Electrolysis Cell) : 세라믹 전해질을 사용하여 $700\sim800^\circ\text{C}$ 고온에서 작동함. 열에너지를 직접 이용하므로 전기 분해 효율이 가장 높음. [L1] 3 수소의 저장 및 운송 [L2] 1) 물리적 저장 방식 [L4] - 고압 기체 저장 (High-Pressure Gaseous Storage) [L5] * 일반적으로 350 bar 또는 700 bar로 압축하여 Type IV 복합소재 용기에 저장함. [L5] * 충전 속도가 빠르고 기술 신뢰성이 높으나, 압축 시 상당한 일(Work)이 소모됨. [L4] - 극저온 액화 저장 (Cryogenic Liquid Storage) [L5] * 수소를 $20.3$ K($-253^\circ\text{C}$) 이하로 냉각하여 저장함. 기체 대비 체적 에너지 밀도가 약 800배 증가함. [L5] * 대량 운송에 유리하나, 지속적인 증발 가스(BOG: Boil-off Gas) 관리와 초단열(Super Insulation) 설계가 요구됨. [L2] 2) 화학적 저장 및 매체 (Chemical Carriers) [L4] - 액상 유기 수소 운반체 (LOHC: Liquid Organic Hydrogen Carriers) [L5] * 톨루엔 등 유기 화합물에 수소를 결합(Hydrogenation)하여 상온·상압에서 액체 상태로 운송함. [L4] - 암모니아(NH3) 변환 [L5] * 수소를 암모니아로 합성하여 기존 선박 및 탱크 인프라를 활용함. 단위 부피당 수소 저장 용량이 액화 수소보다 높음(1.5배 이상) [L1] 4 산업적 응용 및 사례 [L2] 1) 모빌리티 및 운송 (Mobility) [L4] - 수소 연료전지 차량 (FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle) [L5] * 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)를 주동력원으로 사용함. [L5] * 현대자동차의 '엑시언트(XCIENT)' 수소 트럭은 장거리 물류 운송에서 배터리 전기차 대비 짧은 충전 시간과 높은 적재 중량 이점을 증명함. [L4] - 철도 및 트램 [L5] * 가공 전차선 설치가 어려운 비전철 구간에 수소 열차를 투입함. 프랑스 알스톰(Alstom)사의 코라디아 아일린트(Coradia iLint)가 대표적임. [L2] 2) 산업 공정 및 탈탄소화 (Industrial De-carbonization) [L4] - 수소 환원 제철 (H-DRI: Hydrogen Direct Reduced Iron) [L5] * 철광석($Fe_2O_3$)에서 산소를 제거할 때 코크스(Cokes) 대신 수소를 환원제로 사용함. [L5] * SSAB의 HYBRIT 프로젝트 및 포스코(POSCO)의 HyREX 기술은 부산물로 $CO_2$ 대신 수증기를 배출하는 공정을 실증 중임. [L4] - 정유 및 화학 공정 [L5] * 원유의 탈황 공정(Hydro-desulfurization) 및 암모니아 비료 합성에 대량의 수소가 원료로 투입됨. [L2] 3) 전력 생산 및 계통 안정화 (Power Generation) [L4] - 수소 전소 및 혼소 터빈 [L5] * 기존 LNG 가스터빈을 개조하여 수소를 연소시킴. GE와 Siemens는 수소 혼소율 50% 이상의 대형 가스터빈 상용화를 추진 중임. [L4] - 분산형 연료전지 발전 [L5] * 인산형 연료전지(PAFC) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC)를 활용하여 도심지 열병합 발전(CHP)을 수행함. [L2] 참고) 관련 출처 (References) [L4] - IEA (International Energy Agency) - The Future of Hydrogen: Seizing today's opportunities. [L4] - DOE (U.S. Department of Energy) - Hydrogen Class: Fundamentals and Safety. [L4] - SAE J2601 (Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles). [L4] - ISO 14687:2025 (Hydrogen fuel quality — Product specification). [L4] - ASME B31.12 (Hydrogen Piping and Pipelines Standard).