수소는 탄소배출이 없는 가장 깨끗한 에너지원의 하나이다. 수소를 에너지원으로 활용하기 위해서는 저장 기술이 매우 중요하며, 압축수소나 액화수소의 경우 안전, 비용, 운송 등의 면에서 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 solid H2 storage material 표면에 수소를 화학적으로 흡착하거나 material 내부에 흡수하는 기술이 대안으로 개발되고 있다. 하지만 수소 저장 밀도, 탈수소화 온도, 탈수소화 공정은 수소 저장 물질을 적용하기 위해 해결해야 할 사항들이다.
수소의 저장 및 운송의 한 축인 고체 수소 분야는 기체나 액체 수소 분야에 비해 부피나 무게 및 충전속도 등의 제한으로 자동차 연료전지의 연구나 상용화가 느리게 진행되고 있다.
기체 수소를 고체수소 저장 용기에 압축하여 저장하며, 이후 일정압력 이상으로 압축시키거나 온도를 낮추게 되면 기체 수소가 수소저장용기 합금에 달라붙어서 수소의 특징이 사라지는 고체 수소가 된다. 반대로 고체 수소의 온도를 올리거나 압력을 낮추면 기체 수소가 방출되어 연료전지를 통해 전기를 생산할 수 있다.
마치 스폰지가 물을 흡수하듯 magnesium borohydride나 sodium borohydride와 같은 금속이나 compound를 이용하여 많은 수소를 흡수하여 저장한다. 이후 온도를 조절하여 H2 release가 가능하다.
이를 위한 material로 LaNi5H6가 있으며, 이는 대기온도에서 수소를 저장 및 방출할 수 있지만 단점으로 무겁고 매우 소량의 수소를 저장할 수 있다. 자체 무게의 1.5wt%만 저장가능함. 다른 borohydride 물질도 있지만 매우 높은 온도 조건에서 수소가 방출되므로 사용에 제한이 따른다.
고체 수소 저장 용기의 재질로는 소듐 알라네이트, 마그네슘 아마이드등이 있다.
고체 수소 저장용기 재질은 마그네슘 계 하이브리드형 합금을 이용하여, 수소저장량을 증가시키고 상온 및 저압에서도 수소를 저장할 수 있다.
수소저장합금 무게당 수소 저장량에 따라 capacity가 결정되며, 고체인 매개물에 수소를 저장하여 기체 및 액체에 비해 안전하고 사용이 편리하지만, 고체수소를 위해 특정 온도로 유지하고, 수소 저장량이 아직은 높지 않다는 단점이 있다.
향후 에너지 수급 발란스에 따라 해외로부터 수소를 도입해야 할 수 있음에 따라, 고체화 수소 운송을 위한 저장용기에 대한 기술 개발도 요구된다.
수소를 액화하는데에도 많은 전력이 소비되며 이에 따른 온실가스 배출이 많게 된다. 따라서 액체상태로 운송하는 장점과 액화에 따른 단점을 극복한 방법이 액상 화합물 형태로 수소를 운송하는 것이다.
MCH to toluene
암모니아를 이용한 수소 캐리어의 경우 암모니아 부피대비 수소저장밀도가 동일 무게 비율을 갖는 액화수소의 수소저장밀도보다 약 2배 높다. 아울러 암모니아는 끓는점이 -33도로 필요한 에너지가 상대적으로 낮고 액화하기가 용이하며 LPG와 유사한 상변화 특성이 있어서 기존 LPG 인프라를 이용할 수 있는 장점이 있다. 수소로부터 암모니아를 생성하는 하버-보쉬 공정은 이미 개발되어 상용화되어 있으며, 암모니아를 분해하여 수소를 만드는 공정은 해외에서는 이미 상업화되어 있다.
고체 수소 저장은 수소를 고체 물질의 내부에 낮은 압력에서 저장하고, 사용할 때 재방출하는 개념이며, 무게당 저장 밀도가 낮아 모빌리티에 적용하기에는 한계가 있지만, 대규모 고정형 에너지 저장에 대한 필요성이 대두되어 다시 관심을 받고 있다.
수소는 연소후에도 온실가스가 아닌 물이 생성되어 친환경적이면서 전기와 가장 높은 효율로 상호변환이 가능한 물질이다.
수소는 자연계에서 분자 상태가 아닌 다른 원자들과 결합된 상태로 존재함에 따라 순수한 수소를 얻기 위해서는 많은 전기가 소모되거나 온실가스가 배출될 수 있다.
수소는 질량당 에너지 밀도가 높고 발전효율이 높지만 부피당 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있고, 분자 크기가 작아 다른 금속 표면에 잘 흡수되면서 금속의 취화현상이 일어날 수 있지만 여러 장점때문에 수소는 광범위하게 활용도가 높아질 것이다.
현재 수소의 운송과 저장에 드는 비용이 생산비용보다 더 큼에 따라 수소를 경제적 및 효율적으로 저장하는 방법에 대한 연구가 진행중이며, 이중 물리적 방법과 화학적 방법으로 크게 구분할 수 있다.
물리적 방법으로는 압축과 액화가 있다. 압축은 약 700bar까지 가압하여 주로 수소차에서 이용되고 있으며 압축열 제거를 위해 냉동기가 요구된다. 하지만 이 경우 탱크 무게 대비 5wt% 이상의 수소 저장이 가능하나, 압축시 더 많은 에너지와 고압에서의 수소 투과를 방지하기 위한 고가의 재질이 요구된다.
반면 액화는 부피를 크게 줄일 수 있어서 저장효율이 높고, 압력이 낮아 폭발위험성을 줄일 수 있다. 다만 수소 액화를 위해 헬륨을 이용하므로 대규모 투자가 요구되며 액화시에 압축시보다 더 큰 에너지가 소비된다. 아무리 저장 용기 및 단열이 잘 되어 있더라도 BOG에 따른 수소 기화는 발생하므로 장기적 보관에 한계가 있다.
화학적 방법으로는 흡착제 방식이 있으며 제올라이트의 미세 기공에 수소를 흡착, 저장할 수 있다. 금속 수소화물은 팔라듐, 마그네슘, 알루미늄과 같은 금속 원자 사이에 수소를 저장하는 방식으로 아직 초기 개발 단계이다. 유기 수소화물은 톨루엔과 같은 유기물에 수소를 결합 (MCH)하여 운송한 뒤 다시 역반응을 통해 수소를 추출하는 방식이다. 이를 위해 수소를 100도, 50bar로 압축후 액체 화합물안에 저장하고 운송이 된 후 다시 250도, 3bar에서 촉매와 반응시켜 수소를 분리하여 사용할 수 있다.
장점으로 별도의 투자없이 기존의 화석연료 저장 운송 인프라를 활용할 수 있다는 점이다. 무기 수소화물은 유기가 아닌 탄소가 없는 무기화합물을 이용하는 것으로, 주로 암모니아를 이용하여 수소를 저장 및 추출한다. 신재생에너지를 이용해 만든 전기로 물을 분해하여 수소를 만든 후 다시 질소와 반응시켜 암모니아를 만든다. 합성 액화 암모니아를 이송후 다시 암모니아를 분해하여 수소를 추출한다. 암모니아 분해를 위해서는 촉매와 멤브레인 기술이 요구된다.
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