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수소는 에너지를 안정적으로 확보하고 저탄소사회를 구축하는데 활용될 것으로 기대되고 있다.
일본 정부는 에너지 정책 지침인 「에너지 기본계획」에서 수소사회 실현을 위한 활동을 가속화할 것을 명기하고 목표를 달성하기 위해 「수소·연료전지 전략 로드맵」을 설정했다.
2014년 말 수소연료전지자동차(FCV) 출시로 FCV 시대가 본격화할 것으로 예상됨에 따라 관련 인프라 구축을 서두르고 있다.
수소 제조·운반 앞서 인프라를…
수소는 주로 석유정제, 석유화학, 소다·암모니아, 철강 제조과정에서 생산하고 있으며, 수소 공급능력은 생산량 가운데 자가소비를 제외한 나머지를 기준으로 산출한다.
일본 정유기업들은 수소 공급능력이 47억N㎥로 연료전지자동차로 환산하면 약 500만대가 1년 동안 소비할 수 있고, 철강이 12N㎥으로 2위를 달리고 있으며 석유화학이 10N㎥, 소다·암모니아가 각각 6N㎥으로 뒤를 잇고 있다.
수소를 운반하는 기술은 고압수소운송, 액화수소운송 기술이 실용화되고 있다.
JX에너지가 채용하고 있는 고압수소운송은 수소를 고압용기에 압축·충진해 운송하는 방식으로 운송량을 늘리기 위해 저장압력을 높이는 작업을 추진하고 있다.
20MPa 대형 봄베를 묶은 트레일러에 수소가스를 가압·충진해 운송하는 방법이 일반적이었으나 2013년 Kawasaki Heavy Industries가 일본 최초의 45MPa 복합용기(30LX24개)를 적재한 고압수소 트레일러를 개발했다.
JX에너지는 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)와 수소공급·이용기술연구조합(HySUT)의 공동 실증사업으로써 2013년 중앙기술연구소에 고압수소 출하 시험설비를 설치해 고압수소 출하 및 배송 시험을 실시했다.
해당 실험에서는 대형 수소압축기의 평가, 고압수소 트레일러의 수소 충진, Ebina 중앙수소충전소와 연계한 고압수소의 트레일러 운송 등 전체 공정에 걸친 실증을 통해 안전성을 확인했다.
주유소·수소충전소 일체형 서비스
수소를 충전하는 방식에는 정유공장 등에서 수소를 대량 생산해 수소 트레일러 등으로 충전소까지 운송하는 오프사이트 방식과, 수소충전소에 설치한 수소 생산설비에서 도시가스 및 LPG(액화석유가스) 등을 원료로 수소를 만들어 공급하는 온사이트 방식이 있다.
2가지 방식은 수소 공급방식이 다를 뿐 수소충전소 안의 압축기에서 디스펜서까지의 플로우는 동일하다.
JX에너지는 충전소 상용화에 앞서 그동안 각종 인프라의 실증사업에 참여하며 수소·연료전지 실증 프로젝트(JHFC) 및 HySUT 사업 등에서 총 4곳의 실증 충전소를 운용해왔다.
2013년에는 NEDO와 HySUT의 공동 실증사업의 일환으로 오프사이트 방식인 「Ebina 중앙수소충전소」와 온사이트 방식인 「Kaminokura 수소충전소」를 오픈했다.
양 실증충전소는 일본 최초의 주유소 및 수소충전소의 일체형 서비스로 가솔린 계량기와 수소 충전기의 병설 등에 관한 규제 재검토 및 기술개발 성과를 검증하고 상용 충전소에 반영했다.
수소충전소는 고압가스 제조 및 저장에 관한 기준을 규정하는 「고압가스보안법」, 건축물 설비 및 용도에 관한 기준을 규정하는 「건축기준법」, 주유소에 병설할 때는 급유소 안전기준을 규정하는 「소방법」을 적용받고 있다.
수소 운송·충진 안전대책 중요
수소는 안전하게 운송·충진하기 위한 요건이 요구되고 있다.
수소충전소는 내진설계가 돼 있기 때문에 지진이 발생했을 때 감진기를 통해 자동 정지한다.
또 수소 수용설비, 축압기 유닛에는 온도감지를 통한 냉각설비를 설치함과 동시에 디스펜서의 수소 충전 호스에는 자동차의 발진문제에 따른 호스 파손을 방지하기 위한 긴급 이탈 커플러(Coupler)를 설치했다.
누출 시 조기에 감지하고 확산을 방지하기 위해 트레일러실, 압축기 유닛, 축압기 유닛, 디스펜서에는 가스검지기를 통한 자동정지시스템을 채용해 운전중 누출 검사를 실시하고 있다.
수소가 누출돼도 응축되지 않토록 하기 위해 트레일러실, 압축기 유닛, 축압기 유닛, 디스펜서 윗부분 캐노피는 수소가 체류하지 않는 구조를 채용하고 있으며, 수소충전소 기기·설비는 화기와 충분한 거리를 유지하고 방폭기기 채용 및 접지 설치 등으로 착화를 미연에 방지하고 있다.
이밖에 사고가 발생해도 피해를 최소화하기 위해 트레일러실, 압축기 유닛, 축압기 유닛, 디스펜서 윗부분 캐노피에는 화염검지기를 통한 자동정지시스템을 채용해 운전을 감시하고 있으며, 압축기 유닛 및 축압기 유닛에는 콘크리트로 만든 장벽을 설치했다.
JX에너지, 상용 충전소 정비 본격화
「수소·연료전지 전략 로드맵」은 수소충전소 정비에 관해 2015년 4대 도시권을 중심으로 약 100곳의 수소충전소를 확보하는 목표를 제시하고 있다.
일본은 목표 달성을 위해 차세대자동차진흥센터(NeV)를 통해 수소충전소 설치 지원 및 연료전지자동차의 수요 창출을 강화하며 수소충전소 운용에 대한 보조금을 지급하고 있다.
또 자동차 생산기업 3사는 공동으로 수소충전소 정비를 촉진하기 위한 지원을 본격화하고 있다.
JX에너지는 수소·연료전지 전략 로드맵을 바탕으로 약 40곳의 상용 수소충전소 정비를 계획하고 있으며 수도권을 중심으로 주쿄(Chukyou)권, 큐슈(Kyushu) 등에서 16개를 오픈했고 앞으로 관서(Kansai) 지방으로 확대해나갈 계획이다.
2014년에는 수소 공급체제를 강화하기 위해 수소 제조·운송은 물론 단독형·이동식 수소충전소를 운영하는 자회사 ENEOS Hydrogen Supply & Service를 설립했다.
운송 효율화에 유기 수소화물 방식 부상
수소는 체적당 에너지 밀도가 낮기 때문에 수소 생산거점에서부터 소비지까지 효율적이고 경제적으로 옮길 수 있는 운반 기술이 중요하며, 화석연료 뿐만 아니라 재생에너지에서 생산한 이산화탄소(CO2) 프리 수소를 대량 이용함으로써 운송 효율이 뛰어난 새로운 대량 저장·운송시스템을 확립할 필요성이 요구되고 있다.
JX에너지는 기존 석유 인프라를 활용할 수 있으며 운송 효율이 뛰어난 유기 수소화물 방식을 활용한 운송 기술을 검토하고 있다.
유기 수소화물 방식은 수소화 반응을 통해 수소를 톨루엔(Toluene) 등의 방향족 유기화합물에 화학적으로 고정하고 MCH(Methylcyclohexane) 등 상온·상압 상태에서 액체인 화학제품으로서 저장·운송하며 수소 이용장소에서 탈수소 반응을 통해 수소를 추출해 재이용하는 기술이다.
MCH 및 톨루엔은 섭씨 마이너스 95도에서 100도의 온도 범위에서 액체 상태이며 상온·상압의 수소가스에 비해 500분의 1 정도의 체적으로 높은 수소저장밀도를 보유하고 있는 기술이다.
해당 방식은 1회 수소 운송량이 고압수소운송에 비해 2.5배 가량 많으며 원거리 수송에도 적합하고 톨루엔과 MCH는 가솔린에 포함된 성분이어서 탱크, 로리 등 기존 인프라 설비 이용도 가능하다.
수소충전소의 유기 수소화물 방식을 실용화하기 위해서는 수소충전소 안에 설치할 수 있는 소형 탈수소시스템 개발이 요구된다.
JX에너지는 내구성이 뛰어난 고활성 탈수소 촉매를 개발하는데 성공해 해당 촉매를 활용한 소형·고효율 탈수소 시스템을 개발하고 있다.
충전소에 탈수소 장치를 설치하기 위해서는 안전기준 정비 및 각종 법규, 규제를 적정화하는 것도 해결과제이며 현재 관계부처 및 관련기업, 대학 등과 협력해 리스크 평가 및 안전대책을 검토하고 있다.
안전운용이 최우선 과제
본격적인 수소사회를 실현하고 수소를 안정적으로 공급하기 위해서는 수소를 생산, 운반, 활용하는 단계에서 필요한 과제를 해결할 것이 요구되고 있다.
JX에너지는 인프라 정비를 추진하고 있으나 수소충전소 건설 및 운영비용이 높기 때문에 비용절감 노력이 요구되며 정부의 정책 아래 민관 협력으로 기술개발 및 규제 검토, 제도 설계·운영을 꾸준히 추진할 방침이다.
수소의 안전에 관한 사회 인식 향상도 과제로 부상하고 있다.
수소충전소 건설·운용평가를 통해 안전·안심을 실천하고 증명하며 친근감을 부여할 수 있도록 각종 이벤트를 통해 올바른 정보제공을 지속할 필요성이 커지고 있다.
JX에너지는 종합에너지기업으로서 정부, 지방자치단체, 관련기업 등과 연계해 수소에너지 사회를 구축하는데 기여할 방침이다.
표, 그래프 : <일본의 수소 생산능력 및 소비량><유기 수소화물 방식의 운송시스템><수소스테이션 플로우><에너지 수송방법 비교>
<화학저널 2016년 8월 15일>
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