액체수소 모빌리티
모빌리티의 사전적 정의는 이동할 수 있는 능력을 뜻하지만, 실제로는 사람과 물품의 이동을 편리하게 하는 각종 서비스를 포함하는 넓은 의미로 사용된다. 수소 모빌리티는 수소에너지를 동력원으로 사용하는 교통 수단(vehicle)을 지칭하는 좁은 의미로 사용되고 있다. 액체수소 모빌리티는 액체수소 연료탱크가 탑재된 모빌리티를 지칭하며, 운용 공간에 따라서 육상 모빌리티(자동차, 기차, 건설기계 등), 항공 모빌리티(드론, AAM 등) 및 해상 모빌리티(선박, 잠수정 등)로 구분할 수 있다. 이 중에서 최근 기술 개발과 표준 개발 활동이 활발한 육상과 항공 모빌리티 중심으로 국제표준 개발 동향을 살펴보고자 한다.
수소 모빌리티 중에서 가장 먼저, 그리고 가장 가까이 대중에게 다가온 것은 수소 승용차라 할 수 있다.
2014년 현대자동차가 세계 최초의 양산형 수소전기차(Tucson ix FCEV)를 출시한 이래로, 도요타(미라이)와 혼다(클라리티) 등에서 연이어 수소 승용차를 출시하여 수소전기차가 우리 일상에 바짝 다가온 것을 느낄수 있다. 2020년 현대자동차가 세계 최초의 양산형 수소전기트럭(XIENT Fuel Cell)을 출시한 이후 중국의 국영 전기트럭 제조사인 시노트럭과 웨이차이파워 트럭 등이 연이어 수소 트럭을 출시하였으나, 다수의 압축 수소 연료탱크를 탑재하여 비교적 짧은 주행거리(400~500km, 수소 충전량 30~40kg)와 비교적 긴 충전 시간 (20~30분)이 요구되는 불편함이 있다.
2001년 미국 제너럴모터스 사의 HydroGen 3 프로젝트와 2006년 독일 BMW사의 Hydrogen 7 Project를 통해 액체수소 모빌리티에 대한 기대감이 높아졌으나, 안전 대기시간이라 할 수 있는 Holding Time(외부 침입열에 의해 기화된 수소가 탱크 내부 압력을 증가시켜 최대 허용압력에 도달할 때까지의 시간)이 하루에 미치지 못하는 등 초라한 결과가 나와 액체수소 모빌리티의 상용화가 어렵다는 인상을 남기게 되었다. 다행히 최근에 독일의 린데와 다임러 트럭의 협력으로 1,000km 이상 주행과 10분 내외의 짧은 시간에 충전이 가능한 신규 액체수소 충전 프로토콜을 개발하고, 이를 적용한 액체수소 연료탱크가 탑재된 트럭(GenH2) 시제품을 개발하여 실증연구를 수행 중이다.
국제표준화기구 수소기술위원회 (ISO TC197 / Hydrogen Technologies)
TC 197은 1990년 설립된 국제표준화기구(ISO) 내 기술위원회(Technical Committee)로, 수소 기술의 상용화를 위해 수소의 생산, 저장, 운반, 측정과 활용에 관한 시스템과 기술 표준을 개발하는 전문위원회이다.
대부분의 기술위원회가 하부위원회(SC, subcommittee)를 구성하여 세분화된 기술 표준을 개발하고 있는 것에 비해 TC 197은 표준 수요가 많지 않아서 하부위원회(SC) 없이 수소자동차 연료탱크 및 충전기술, 수전해 기술, 수소 품질 등의 표준 개발을 32년간 수행하였다.
최근 탄소중립의 수단으로서의 수소 기술에 대한 관심과 수요가 급증한 상황을 반영하여 2022년 말 총회 에서 SC1(Hydrogen at scale and horizontal energy systems) 하부위원회 설립을 의결하고, 대규모 수소 에너지 시스템 및 응용 분야의 표준화를 다루도록 하였다. 현재 TC 197의 의장국은 일본(의장: Mr Tetsufumi Ikeda)이며, 투표 및 의결권이 있는 33개 정회원(P-member)과 모니터링만 하는 18개 준회원 (O-member)이 참여하여 36개 작업그룹(WG, working group)을 통해 표준 개발을 수행하고 있다. 새로 설치된 하부기술위원회(TC 197/SC1)의 의장국은 캐나다(의장: Mr. Andrei Tchouvelev)이며, 24개 정회 원과 5개 준회원으로 구성되어 1개 작업그룹을 통해 표준개발을 수행하고 있다.
최근까지 다양한 형태의 수소 연료탱크 기술이 개발되었고, 이에 대한 실증 프로젝트 및 상용화가 진행되고 있다. 수소 충전 인프라가 부족한 상황에서 더 세분화된 충전소를 각각 구축하는 것은 바람직하지 않은 상황이다. ISO와 SAE(Society of Automotive Engineers)는 미래의 수소 충전소 구축 및 운영에 대한 표준화 방향을 제시하고 있는데, 수 톤 규모의 액체수소 저장탱크가 있는 부지에 여러 방식의 충전 모듈이 설치되는 액체수소 기반 다중모드 충전소를 지향하고 있다. 아직은 개별기술의 개발과 성숙이 완료되지 않았지만, 각 기술의 표준화와 상용화가 완료되면 액체수소 저장탱크로부터 고압기체수소(CGH2), 극저온압축수소(CcH2) 또는 과냉각액체수소(sLH2) 충전모듈이 둘 이상 설치된 액체수소 기반 다중모드 수소 충전소가 출현 할 수 있을 것이다.
자동차용 액체수소 국제표준 개발 동향
TC 197은 설립 초기부터 육상차량(자동차)용 액체수소 충전에 관한 표준(ISO 13984 Liquid hydrogen Land vehicle fuelling system interface, 1999)과 육상차량(자동차)용 액체수소 연료탱크에 관한 표준 (ISO 13985 Liquid hydrogen Land vehicle fuel tanks, 2006)을 제정하여 액체수소 자동차의 실증과 상용화를 지원하였다. 다만, 이후 수행된 GM사와 BMW사의 실증 프로젝트(2001년 HydroGen 3 및 2006년 Hydrogen 7)에서 매우 짧은 Holding Time이 나타났고, 이는 액체수소 연료탱크의 안전성에 대한 우려를 증폭시켰다. 액체수소는 비교적 저압에서 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 장점에도 불구하고, 적은 외부 침입열에도 쉽게 액체수소가 기화되어 내압 상승으로 이어져 하루가 안 되는 Holding Time을 가진다.
Holding Time 이후에는 지속적으로 수소를 배출해야 하는 것이 큰 문제로 남았다. 이로 인해 기존 표준 문서 들의 효용이 없어서 폐기하자는 주장이 지속적으로 제기되었으나, 다른 대안 기술이 출현하지 않아 그대로 유지하고 있었다.
최근에 Daimler의 요청으로 Linde가 개발한 과냉각액체수소 충전 프로토콜(Subcooled Liquid Hydrogen Fueling Protocol)은 기존 실증 프로젝트에서 나타난 매우 짧은 Holding Time의 문제를 해결하기 위해 연료 탱크의 최대 허용압력과 충전압력 및 충전속도를 크게 늘리고, 새로운 기술적 요소가 도입되어 Holding Time의 획기적 향상과 안전성과 경제성 및 편리성을 확보하는 결과를 얻게 되었다. 해당 기술은 2021년 초에 기술 백서(White Paper)와 함께 공개되어 관련 연구자들과 기업들로부터 큰 관심을 받게 되었다. 2022년 말의 ISO TC197 총회에서 과냉각액체수소 충전 프로토콜과 이에 적합한 연료탱크의 기준을 반영하도록 ISO 13984와 ISO 13985 표준 개정이 제안되어 채택되었고, 개정을 위한 작업그룹(working group)을 개설 하여 3년의 기한으로 개정 작업에 착수하였다.
과냉각액체수소란 <그림 3>의 푸른 바탕 영역(증기압곡선의 좌상부)에 해당하는 상태로, 기체와 액체가 공존 하는 평형상태(증기압 곡선상)로부터 멀어진 액체 상태를 의미한다. 외부 침입열에 의한 액체→기체 상전이와 이로인한 내압상승을 지연시키도록 상전환 경계(증기압 곡선)로부터 멀리 떨어진 상태가 되도록 액체수소를 가압하거나 냉각시키는 과정이 신규 충전 프로토콜의 핵심원리이다.
냉각 방식만 사용한 sLH2의 생성과 활용은 이미 우주발사체의 액체수소 연료탱크 충전 시에 활용되고 있다.
우주발사체용 연료탱크는 중량을 최소화하기 위해 진공단열용기가 아닌 단일 벽체의 비단열 용기를 사용하며, 발사 직전까지의 기화손실을 최소화하기 위해 약 18K, 7기압의 과냉각액체수소를 만들어서 충전하게 된다.
다임러 트럭에 적용하는 자동차용 sLH2 충전프로토콜에서는 냉각 없이 가압만을 통해 과냉각액체수소의 상태로 충전한다. 이는 추가적인 냉각 없이도 Holding Time이 충분히 길어서 냉각장치 설치·운영에 따른 충전소 구축과 운영비용 증가를 피하기 위한 것으로 알려져 있다. 그러나 20~25기압에 이르는 높은 최대 허용압력을 견딜 수 있게 하기 위해서는 내부용기의 두께가 두꺼워지고 기밀과 단열에 큰 비용이 소요되어 연료 탱크 제조비용이 크게 상승하는 문제가 있다. Holding Time 증가를 위해 자동차(또는 연료탱크) 제조기업 이나 충전사업자가 비용을 부담하게 된다. 충전소에 비해 월등히 많이 보급될 자동차의 제조비용을 줄이는 것도 합리적인 방법이 될 것이라고 생각한다.
① ISO TC 197/WG1(Liquid hydrogen - Land vehicle fuel storage system 개정)
독일 Forvia사의 Richard Trott이 의장(convener)이며 자동차 회사, 극저온 산업, 충전사업자 등에서 66명의 전문가가 등록되어 있는데, 우리나라에서는 현대자동차, 한국원자력연구원 등 6개 기관에서 9명의 전문가가 등록되어 활동 중이다. 2025년 말에 표준 개정을 완료하여 출간하는 것을 목표로 진행 중이다.
충전 표준 개정 작업그룹(WG35)과 긴밀하게 협력하며 개정을 진행 중인데, 증가된 충전압력 및 최대 허용 압력, 추가 또는 변경되는 연료탱크 부대장치 등에 대한 제작기준과 시험기준 등이 수록될 예정이다. sLH2 연료탱크와 기존 연료탱크의 가장 큰 차이점은 임계압력(~13기압) 이상의 고압(예: 16기압)으로 충전함 으로써, 저압 충전 시에 필요한 기체 수소 배출용 배관(backgas line)이 필요 없는 구조상의 차이점이다.
그 외에도 기존 시험규격 및 적합 판정기준을 재검토하고, 화재상황에 대비한 화염시험 기준과 충방전 시험 규격과 횟수 등 안전에 관계된 시준이 세밀하게 검토되어 반영될 예정이다.
② ISO TC 197/AWI 13984: Liquid hydrogen - Land vehicle fueling protocol
독일 다임러트럭 사의 Baptiste Ravinel이 의장(convener)이며, 79명의 전문가가 등록되어 있다. 우리나라 에서는 현대자동차, 한국원자력연구원 등 6개 기관에서 10명의 전문가가 등록되어 활동 중이다. 이것 역시 2025년 말 개정 표준 출간을 목표로 진행 중이다.
기존 액체수소 충전 표준문서(ISO 13984 Liquid hydrogen Land vehicle fuelling system interface, 1999)에 신기술(sLH2 충전)을 추가하는 방식으로 개정작업이 착수되었으나, 기존 충전기술과 이를 적용한 자동차는 사실상 상업화가 불가하다는 판단하에 sLH2 충전기술로 전면 대체하는 방향으로 개정 중이다.
이에 대해 일본 등 일부 회원국의 반발이 있기는 하지만, 상업적으로 활용될 수 있는 기술의 표준을 만든다는 ISO의 기본 방침을 고려하면 과거의 충전기술은 개정되는 표준에서 삭제될 가능성이 크다. sLH2 충전 표준의 대상이 되는 연료탱크의 크기(내용적)는 시뮬레이션 결과를 고려하여 500~4,000L로 제시되었다. 이는 액체수소 32~260kg을 저장할 수 있는 크기인데, 트럭 또는 버스와 같은 중대형 모빌리티가 주된 적용 대상임을 의미하기도 한다.
Linde Hydrogen Fuel Tech의 Simon Schofer 박사가 개발한 과냉각액체수소 충전과정은 3단계의 세부과정(Pre/Main/Post)으로 구성되어 있으며, 각 세부과정에 적용되는 판정기준의 수치값은 시뮬레이션과 실증 결과를 반영하여 수정될 수 있다.
과냉각액체수소 충전의 특징과 장점은 아래 표에 정리되어 있다.
과냉각 액화수소 충전소는 기존의 고압(700기압) 압축수소 충전소와 비교하여 건설비는 약 20%로 작아지며, 운영비는 30% 수준으로 감소될 것으로 전망된다<그림 6>. 내년부터 국내에 보급될 예정인 액체수소 기반 압축수소 충전소와 비교해도 건설비는 45%, 운영비는 약 58% 수준으로 낮다. 이러한 sLH2 충전기술의 표준화가 완료되어 상업화가 진행되면, 수소 충전소 보급 확대와 이로 인한 수소상용차의 보급이 가속화되어전 세계 온실가스 배출량의 약 12% 수준을 차지하는 수송 분야 탄소중립 목표 달성에 크게 기여할 것으로 예상된다.
항공용 액체수소 국제표준 개발 동향
2022년 말 TC 197/SC1 총회를 통해 항공용 액체수소 연료탱크에 관한 신규 표준 개발을 제안하여 예비단계 (PWI 20366, preliminary work item) 프로젝트(Project Leader: 최용남)를 승인받아 2023년 봄부터 활동을 개시하였다. 활동 결과를 TAB(Technical Advisory Board)에 보고하여 승인을 받으면 본 제안서를 제출하게 된다. 이후 회원국의 투표를 거쳐 가결되면, 신규 작업그룹을 통해 2024년부터 표준 개발에 착수할 것이다. 항공용 액체수소 연료저장 시스템 ISO 표준의 대상은 우선 탑승인원이 적은 유/무인기를 중심으로 한정할 예정이며, 향후에 중대형 항공기에 대한 기술개발과 표준 수요가 많아지면 추가적인 표준 개발이 진행될 수 있을 것이다. 본 표준의 내용에는 액체수소 연료저장시스템(연료탱크), 연료가스 공급시스템 (FGSS, Fuel Gas Supply System), 센서와 부대장비 등에 대한 제작, 시험 및 설치 기준과 안전기준 등이 수록될 예정이다.
항공용 액체수소 연료탱크는 육상용과 달리 항공운항 특성에 맞는 특별한 규제와 기술 기준이 부가적으로 요구되므로, 항공분야 전문기관과의 긴밀한 협력이 필수적으로 요구된다. 유럽민간항공기구(EuroCAE)의 작업그룹 WG80과 SAE의 AE-7F Taskgroup과의 Joint Task Force(Hydrogen and Fuel Cells Committee)가 2008년에 결성된 이후로 기체 및 액체수소 연료탱크를 탑재한 항공기의 기술 표준을 개발해 오고 있다. PWI 20366 프로젝트팀은 이곳과 접촉하여 두 차례 온라인 회의를 가진 바 있고, 이후로도 지속적인 협력을 이어가기로 합의하였다. 공항 수소충전에 관한 표준을 개발하고 있는 SAE의 AF-5CH (Hydrogen Airport Taskgroup)과도 접촉하여 상대방의 작업그룹에 서로 참여하여 액체수소 충전 표준에 관한 협력을 추진키로 의견을 교환하였다.
항공용 액체수소 연료탱크에 관한 ISO 국제표준 개발은 현재 개정작업이 진행 중인 자동차용 ISO 표준(ISO 13984 Liquid hydrogen Land vehicle fuelling system interface , ISO 13985: Liquid hydrogen Land vehicle fuel tanks)과 SAE와 EuroCAE에서 신규 제정중인 항공용 액체수소 저장시스템과 충전시스템 표준 작업과 연계하여 2027년 말까지 ISO 표준을 제정할 계획이다. 육상용과 항공용 연료탱크에 요구되는 기술적 요건<표 3>이 매우 상이한 것을 고려하여 연료탱크의 사양과 충전 프로토콜을 개발할 필요가 있다.
최근 미국, 유럽 등지의 스타트업은 액체수소를 연료로 사용하는 소형 항공기에 대한 기술개발과 실증을 활발 하게 진행하고 있다. 국내에서도 벤처기업 및 연구기관들이 액체수소 드론에 대한 기술개발과 실증을 활발하게 진행하여 이 분야의 글로벌 리더십을 확보하고 있다. 우리나라는 미국, 유럽 등과 법·규제 적용환경이 매우 달라서 시험 및 실증에 필요한 활발한 연구개발이 어려운 형편이다. 최근에 정부도 이를 고려하여 규제 샌드박스와 규제자유특구 등의 제도를 통해 제도적 장애를 덜어내려고 노력하고 있지만, 최종적으로 규제 기관의 승인을 받는 과정에서 기술 기준 또는 표준의 부재가 발목을 잡고 있는 형편이다. 지금 국내외에서 시도되는 표준개발 활동이 결실을 보게 되면, 국내 표준 및 코드 제정으로 이어져 연구개발 및 상업화에 큰도움이 될 것으로 기대한다.
항공용 액체수소 국제표준 개발 작업은 수소 항공 모빌리티를 계획하고 있는 국내외 기업, 기관 및 연구기관 들과의 적극적인 네트워킹과 협력이 요구되며, 성공적인 국제표준 개발과 상업화를 통해 전 세계 온실가스 배출량의 약 2%를 차지하는 항공 분야 탄소중립 달성에 크게 기여할 수 있을 것이다.
맺음말
현대자동차가 세계 최초로 양산형 수소차(승용차 및 트럭)를 출시한 이래로 수소 모빌리티 분야에서는 전세계를 선도하는 기술 국가임을 자부해 오고 있었지만, 수소 충전기술 및 관련 부품 산업에서는 주도권을 갖고 있다고 보기 어려운 게 현실이다. 탄소중립 달성을 위해 반드시 확보해야 할 중대형 상용차와 선박, 항공 분야의 수소 연료탱크 및 충전기술은 그 중심에 액체수소 기술이 자리하고 있다고 할 수 있다. 우리나라는 국내 대기업들의 적극적인 투자와 정부 지원 덕분에 수년 이내에 세계 최대 액체수소 생산 국가가 되는 매우 유리한 환경에 놓이게 된다. 그러나 얼마 전까지도 액체수소 모빌리티에 대한 관심과 투자가 매우 부족하여 연구개발과 실증사업이 제대로 추진되지 못하였고, 그로 인해 대량으로 생산될 액체수소를 소비할 수 있는 인프라와 환경이 갖추어져 있지 못한 상황이다.
육상(자동차)용 액체수소 연료탱크와 충전기술에 대한 국제표준 개정작업에 다수의 국내 전문가가 적극적 으로 참여하고 있고, 항공용 액체수소 연료탱크에 대한 국제표준 개발은 우리나라에서 주도하고 있는 분야 이다. 따라서 우리나라는 향후 5~10년 이내에 본격적으로 상업화와 보급이 예상되는 액체수소 모빌리티 분야의 기술 선도와 산업 분야의 글로벌 리더십 확보에 대해 큰 기대를 걸 수 있을 것으로 보인다.
이미 정해진 표준에 맞는 고도의 기술을 확보하는 기업은 제품 생산과 판매의 주도권을 가질 수 있지만, 치열한 경쟁을 해야 하기에 그 이익은 크게 가져가지 못할 수 있다. 또한, 새로운 표준이 출현하면 이를 따라 가기 위해 부단히 노력하여 치열한 경쟁을 하여야 한다. 그러나 기술의 표준을 주도하는 기업과 국가는 제품 생산의 경쟁력 확보 외에도 원천기술의 조기 확보와 방향 선도로, 추격 기업과 국가들이 넘보기 어려운 기술 주도권을 확보하고 이로 인해 보다 큰 이익을 안정적으로 확보할 수 있음을 명심해야 할 것이다.
