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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)

Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.28 No.2 pp.361-369
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2022.28.2.361

Technical Analysis and Future Development of Liquefied Hydrogen Carriers

Hyunyong Lee^*, Hokeun Kang^**, Gilltae Roh^***, Inchul Jung^***†

^*Senior Researcher, System Safety Research Team, Korean Register(KR), Busan 46762, Korea
^**Associate Professor, Division of Coast Guard Studies, Korea Maritime and Ocean University, 727 Taejong-ro, Yeongdo-Gu, Busan 49112, Korea
^***Principle Researcher, System Safety Research Team, Korean Register(KR), Busan 46762, Korea

* First Author : leehy@krs.co.kr, 070-8799-8783

^† Corresponding Author : icjung@krs.co.kr, 070-8799-8779

Received January 17, 2022 Review February 28, 2022 Accepted April 27, 2022

Abstract

Countries worldwide are shifting to a hydrogen economy to respond to stringent environmental regulations, and the transport of hydrogen between countries is expected to increase in the mid- to long-term. Hydrogen is traded between countries in different forms, such as ammonia, liquid hydrogen, and LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier), on account of the renewable energy resources in exporting countries, the type of hydrogen use in importing countries, and the technological maturity; however, it is not traded only in a singular form. As marine transportation of ammonia and LOHC is a relatively mature technology compared to that of liquid hydrogen, in this article, we analyzed the technical feasibility of liquid hydrogen carriers while identifying detailed technologies required for their future development and securing possible designs through various technical alternatives.

Key Words : Liquefied Hydrogen , Carrier , Boil off gas , Insulation , Vacuum

액화수소 산적 운반선의 기술성 분석 및 향후 개발 과제

이 현용^*, 강 호근^**, 노 길태^***, 정 인철^***†

^*한국선급 시스템안전연구팀 책임연구원
^**한국해양대학교 해양경찰학부 부교수
^***한국선급 시스템안전연구팀 수석연구원

초록

강화되는 환경규제에 대응하기 위해서 세계 각국이 수소 경제로의 전환을 본격화하고 있으며, 이에 중장기적으로 수소의 국가 간 물동량도 증가할 것으로 예상된다. 국가간 수소의 거래는 수출국의 신재생 에너지 자원과 수입국의 수소 사용 형태, 기술 성숙도 등을 고려하여 암모니아, 액화수소, LOHC 등의 형태로 이루어질 것이나, 어느 한 가지 형태로만 거래되지는 않을 것이다. 액화수소 대비 암모 니아와 LOHC의 해상운송은 상대적으로 성숙한 기술임에 본 글에서는 향후 액화수소 운반선 개발을 위하여 필요한 세부 기술들의 식별 및 다양한 기술적 대안들을 통해 가능한 설계안을 확보하면서, 그에 따른 기술적 타당성을 분석하였다.

키워드 : 액화수소 , 운반선 , 증발가스 , 단열재 , 진공

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Funding:

1. 서 론

강화되는 국제 환경규제에 따라 에너지 시장은 빠르게 변 화하고 있다. 2015년 12월 12일에 채택된 파리협정은 교토의 정서를 대체할 뿐 아니라 온실가스(GHGs)에 대한 국제사회 의 공감대를 이끌어 내었다는 의의를 갖는다. 다수의 선진 국과 개발도상국이 이 협약에 참여하였으며, 186개국이 온 실가스 감축목표 및 기여도에 대한 계획을 제출하였다(Farid et al., 2016).

대다수의 국가들이 화석연료 기반의 에너지 체제에서 벗 어나기 위해 신재생 에너지에 대한 투자를 늘리고 있다. 하 지만 신재생 에너지의 출력 변동성 및 국가별 재생에너지 자원 확보의 어려움 등이 재생에너지의 한계로 지적되고 있 다. 이러한 신재생 에너지의 한계를 극복하기 위한 방안으 로 수소가 주목받고 있다(Choi, 2020).

수소는 연료전지를 활용하여 무탄소 전기에너지, 열에너 지로의 변환이 용이하며, 재생에너지-수전해를 통해 생산된 수소는 국가간 거래을 통해서 국가별 재생에너지의 불균형 을 해결할 수 있다.

대량의 수소를 국가 간 효율적으로 이송하기 위해서는 선박을 통한 수소의 운송이 필수적이다. 선박을 통한 수소 의 운송은 LOHC, 암모니아 또는 액화수소의 형태로 가능하 다. 암모니아 운반선은 이미 상업적으로 운용되고 있으며, LOHC 운반선의 경우, 일반 케미컬 운반선을 활용할 수 있 어 기술 개발의 필요성이 크지 않다. 액화수소 운반선은 호 주-일본간 액화수소 운송 실증을 목표로 2019년 말 일본 가 와사키 중공업이 1,250m³ 용량의 탱크를 탑재한 선박을 건 조한 것이 거의 유일한 실적이라고 할 수 있다(KHI, 2021).

Wijayanta et al.(2019)은 암모니아, 액화수소 및 MCH (Methylcyclohexane)에 대해서 생산, 운송(호주-일본), 사용의 전 단계에서 경제성 및 에너지 효율을 분석하였다. 분석 결 과, 암모니아, 액화수소 그리고 MCH의 순서로 에너지 효율 이 높았으며, 경제성 관점에서는 고순도의 수소를 필요로 하는 경우, 수소의 추출/후처리를 필요로 하는 암모니아나 MCH보다는 액화수소가 더 나은 결과를 보여주었다. 하지만 암모니아를 별도 추출 없이 바로 사용하는 경우에는 암모니 아가 경제성이 높은 것으로 나타났다. Ishimoto et al.(2020)은 노르웨이에서 수전해와 메탄 개질을 통해서 생산된 수소를 액화수소와 암모니아의 형태로 각각 일본과 로테르담으로 수출하는 시나리오들에 대해서 경제성 분석을 수행하였다. 이 연구에서도, 사용처에서 암모니아를 추출하는 경우에는 액화수소가 암모니아보다 에너지 효율이 나은 것으로 나타 났는데, 이는 암모니아의 추출을 위해서 상대적으로 많은 에너지가 소모되기 때문이다. 암모니아 및 액화수소 형태의 수소공급 시나리오에서 액화수소 또는 암모니의 생산이 LCOH의 가장 많은 비율을 차지하였다. 짧은 거리(노르웨이 to 로테르담)의 운송에서 액화수소 운송은 강점을 가지는 데 이는 운반선 척수의 감소 및 BOG 총량이 줄어들기 때 문이다. Heuser et al.(2019)은 파타고니아에서 풍력 발전 및 수전해로 생산한 액화수소를 일본으로 수출하는 시나리오 에 대한 경제성 평가를 수행하였으며, 일본 요코하마 항으 로 수입된 액화수소의 가격은 €4.40/kg_H2 인 것으로 평가되 었다. Kamiya et al.(2015)은 호주의 갈탄을 이용하여 생산한 수소를 액화수소 운반선으로 일본으로 도입하는 수소 공급 체인에 관한 연구를 수행하였다. 이 시나리오를 기반으로 2025년 LCOH(Levelized Cost of Hydrogen)는 ￥29.7/Nm³으로 예상되었다.

액화수소의 해상운송을 포함하는 수소 공급 체인에 관한 경제성 분석은 다수 수행되었지만, 액화수소 운반선의 기술 성에 대한 연구는 많이 이루어지지 않고 있다. 이에 본 논 문에서는 향후 액화수소 운반선 개발을 위해 필요한 세부 기술들의 식별 및 다양한 기술적 대안들을 확보하면서, 그 에 따른 액화수소 운반선의 기술적 타당성을 분석하고자 한다.

2. IMO 동향

액화가스 산적운반선은 IGC 코드의 최저요건을 따라야 하지만 액화수소에 대한 요건은 규정하지 않고 있다. 대안 으로, IMO Resolution MSC420(97), Interim Recommendations for Carriage of Liquefied Hydrogen in Bulk에서 액화수소 산적운반 을 위한 잠정 권고안을 제공하고 있으며, 이는 향후 액화수 소 운반에 대한 최저요건의 기초를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다(Korean Register, 2021). 액화수소를 산적 운반하기 위한 잠정 권고안은 LNG와 같은 유사 화물과의 비교 연구 결과를 바탕으로 IGC 코드에 추가 또는 변경되어야 할 요건 을 식별하는 방식으로 개발되었다.

아래 Fig. 1은 Interim Recommendations for Carriage of Liquefied Hydrogen in Bulk의 개발과정을 보여준다.

3. 액화수소 산적 운반석 기술성 분석

본 장에서는 LNG와 액화수소의 물성 비교 및 LNG 운반 선 대비 액화수소 운반선에서 고려되어야 할 기술들을 분석 하였다.

3.1 액화수소의 물성 및 특성

수소는 상온에서 공기보다 가벼운 무색, 무취의 가연성 가스이다. 수소는 상온에서 2가지 형태로 존재하는데, 수소 분자 내에 2개의 양성자의 핵스핀이 동일한 방향인 수소 분 자를 Ortho 수소, 반대 방향인 수소 분자를 Para 수소라 한다. Ortho 수소와 Para 수소의 분자는 물리적 특성이 약간 다르 지만 화학적으로는 등가이다. 열역학적 평형 및 상온에서 기체 수소는 Ortho 수소 75%와 Para 수소 25%의 혼합물로 구 성되며, 온도가 낮아질수록 Para 수소로 변환되게 된다.

수소는 -253℃, 1atm에서 액화되며, 부피는 가스 수소 대비 1/845로 줄어든다(ISO, 2015;HSE, 2010). 수소 액화는 여타 다 른 상용 극저온 액체인 액체 질소, 액체 산소, 액체 헬륨 등 의 액화 방식과 유사하지만, Ortho-Para 수소 변환이 고려되어 야 한다. 상온의 수소를 액화 설비에서 -253℃의 액체로 변환 한 후, 탱크에 저장하게 되면, Ortho 수소가 Para 수소로 서서 히 변환되면서, 액화수소의 증발잠열(445.6J/g)보다 큰 변환열 (527J/g)이 발생한다. 이 변환열은 이미 액화된 수소를 저장탱 크 내에서 서서히 증발시켜 기체 상태로 변화시키므로, 액화 과정에 촉매를 이용하여 Ortho 수소를 Para 수소로 변환시켜 주어야 한다(HSE, 2010;AIAA, 2017). 또한 수소는 여타의 다 른 가스들과는 달리 반전 온도(약 -73℃)가 낮으며, 이보다 높 은 온도에서는 줄-톰슨 팽창에 의해서 온도가 높아진다는 특 징을 가지고 있다. Table 1은 수소의 물성치를 보여는 표이다.

수소가스는 점도가 매우 낮아 플랜지, 가스킷 등을 통한 수소 누출은 수소 시스템 설계 시에 중요한 고려 사항이다.

수소는 공기보다 약 14배 정도 가볍기 때문에 쉽게 확산 되는 특성을 가지고 있어 개방된 장소나 환기가 잘되는 지 역에서 수소 누출이 발생하는 경우 그 확산성과 부력 때문 에 누출이 발생한 부근에서 가연성 혼합물이 형성될 가능성 이 작다(ISO, 2015;HSE, 2010). 하지만 다른 가스와 마찬가지 로 환기가 잘 되지 않거나 밀폐된 지역에서 누출이 발생하 는 경우, 농도가 빠르게 위험 수준에 도달한다.

수소의 점화 에너지는 0.02mJ(2:1 수소/산소 혼합물)에 불 과해, 아주 적은 양의 에너지 만으로도 점화될 수 있다. 수 소는 4% v/v의 연소하한계와 75% v/v의 연소상한계를 가지 고 있어, 다른 가스에 비해서 상대적으로 높은 연소 범위를 가지고 있다(ISO, 2015).

수소는 금속의 기계적 특성을 크게 떨어뜨릴 수 있는데, 이러한 현상을 수소 취성라고 한다. 수소 취성에는 환경의 온도 및 압력, 순도 및 수소의 노출 시간, 응력 상태, 물리적 특성, 미세 구조 및 표면 조건과 같은 많은 변수가 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 체심입방구조를 가지는 금속들이 수소 취성에 취약한 것으로 알려져 있다(AIAA, 2017).

3.2 화물 탱크의 형식에 따른 용량

액화수소 운반선의 용량은 액화수소 공급 체인의 경제성 분석에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이에 본 절에서는 액화수소 운반선의 탱크 형식별 가능한 용량에 대해서 분석하였다.

극저온 액화가스를 저장하는 CCS(Cargo Containment System) 는 종류에 따라 차이는 있으나 기본적으로 화물을 담는 구 조적 용기와 용기의 내외부에 설치되는 단열재로 구성된다.

아래 Fig. 2의 탱크 형식 중에 멤브레인과 B 타입의 탱크 가 대형 LNG 운반선에 적용되고 있으며, C 타입의 탱크는 소형 LNG 운반선 또는 벙커링 선박에 주로 적용되고 있다.

C 타입 탱크는 상대적으로 내압성능이 우수하여 증발가 스(BOG)를 탱크 내부에 유지할 수 있다는 장점을 가지고 있 으나, 그 형상 특성상 대형화가 어렵고 공간효율이 낮다는 단점을 가지고 있다. 바칠라는 5,000m³ 탱크 2기를 가지는 LNG 벙커링선 모델을 개발하였으며(Wartsila, 2021), 현대중 공업 그룹은 20K급 액화수소 운반선의 개념설계를 완료하 여 한국선급의 AIP(Approval in Principle) 인증을 받았다 (seatrade Maritime, 2021). 이에 기반하여, C 타입 탱크 1기당 최대 5,000m³ ~ 6,000m³ 규모까지 제작이 가능할 것으로 예상 되며 액화수소 운반선박의 용량은 탱크 수에 따라서 약 20K 급까지 가능하다고 판단된다. Fig. 3은 6,500m³급 탱크 3기를 탑재한 19.5K급 액화수소 운반선의 배치도 예시이다. 물론 Bi-lobe 타입의 탱크를 적용할 경우에, 용량은 더 커질 수 있다.

멤브레인 타입 탱크의 경우 공간 효율성이 높으며 용량은 LNG선 기준으로 160K급 이상 제작이 가능하다. 하지만 이 는 탱크의 제작성 관점에서의 판단이므로 용량에 따른 적절 한 단열시스템 적용 가능성에 대한 고려도 필요하다.

3.3 화물 탱크의 형식에 따른 단열시스템

(1) C 타입 탱크의 단열시스템

LNG 연료 탱크에 적용되는 C 타입 탱크는 단일벽 구조에 폴리우레탄 폼을 단열재로 적용하거나 내조와 외조를 가지 는 이중벽 사이에 펄라이트 분말과 진공을 적용하는 방식이 일반적으로 적용되고 있다. 하지만 LNG 대비 약 90K가 낮은 액화수소의 온도를 고려하면 기존의 LNG 탱크에 적용한 단 열시스템으로는 그 한계가 명확하다. 액화수소용 C타입 탱 크에 적합한 단열시스템으로는, MLI(Multi Layer Insulation), 글라스 버블 또는 VIP(Vacuum Insulatied Panel) 등이 고려된 다. MLI는 복사율 값이 매우 낮은 금속을 얇은 Polymer Sheet 위에 박막 처리한 형태(Fig. 4)로, 탱크의 외조와 내조 사이 즉, 환형 구간에 여러 겹으로 겹쳐 설치하고 진공을 적용하 는 방식으로, 일본 가와사키 중공업의 액화수소 운반선에 적용된 사례가 있다(Takaoka et al., 2017).

MLI는 단열재로서의 역할을 거의 할 수 없기 때문에 외조 와 내조 사이의 진공 손실 시, 탱크 내 액화수소의 급격한 기 화가 발생할 수 있으므로 이에 대한 고려가 필요하다. 또한 5K급 이상의 이중벽 타입 C 탱크에 대한 진공 달성 및 유지 가능 여부가 중요한 변수로 고려된다. 탱크 내의 재료들로부 터 Outgassing 등을 포함하는 적절한 시나리오에 기초하여 시 간에 따른 Ageing 정도와 이에 따른 탱크 압력 거동의 분석 을 통하여, 화물 압력 제어시스템이 설계할 필요가 있다.

글라스 버블은 내부가 진공 상태인 유리 미소구체 (Microsphere)이다(Fig. 5).

글라스 버블은 내조와 외조 사이의 환형구간에 진공과 함 께 적용되며, 시공이 용이하다는 장점을 가지고 있으나 MLI 와 마찬가지로 탱크가 대형화 될수록 진공도 달성 및 유지 가 관건이다. Fig. 6과 같이 글라스 버블은 100millitorr 이상에 서는 MLI의 열전도도보다 작거나 거의 유사한 수준으로, 대 형 탱크에 고진공을 달성하기 어렵다는 점을 고려하면, 대 형 액화수소 탱크의 단열시스템으로 합리적인 대안이 될 수 있을 것이다.

다만, 글라스 버블의 선박 적용을 위해서는, 열사이클링 등으로 인한 글라스 버블 파손 등에 대한 추가적인 검토가 이루어져야 할 것이다.

내벽과 외벽 사이의 지지구조는 내벽과 외벽의 열수축의 차이를 충분히 흡수할 수 있으며, 열전도계수가 낮은 GFRP 와 같은 재료로 설계되어야 한다(Fig. 7).

(2) 멤브레인타입 탱크의 단열시스템

LNG 운반선에 적용되는 멤브레인 탱크의 경우 그 타입에 따라서 일부 차이는 있으나 R-PUF(reinforced polyurethane foam) Panel 또는 Perlite로 채워진 단열박스를 적용하고 있다.

LNG 운반선의 멤브레인 탱크(GTT사의 Mark III) 단열시스 템은 LNG와 직접 접촉하는 1차방벽과 이를 지지하는 상부 판넬, 2차방벽 및 하부 판넬로 구성되어 있다(Fig. 8).

하지만, 앞서 언급하였듯이, 기존의 LNG용 멤브레인 탱크 단열시스템을 액화수소용 멤브레인 탱크에 그대로 적용하 기에는 무리가 있다.

따라서, 액화수소탱크에 적합한 단열재를 식별하기 위해 서 액화수소 탱크로의 열 유입량 중 표면적을 통한 열입량 과 이를 고려한 단열재 두께별 대표 전도 계수의 요구치를 간략하게 분석하였다. 단열재 설치 부재, 지지 부재 및 Cargo Handling System을 제외하고 정육면체로 가정한 화물 용적과 이를 둘러싼 단열재만을 고려하여 검토하였으며 열전달은 외부 온도 45℃, 내부 온도 -253℃에 대한 전도만을 고려하 였다. 화물의 용적은 1K(1,000 m³)부터 60K(60,000 m³)까지 살 펴보았고, 단열재의 두께는 0.5 m부터 2.5 m까지 0.5 m 간격 으로 고려하였다. 고온 면과 저온 면의 면적이 상이함에 따 라, 전도를 통한 열 유입량 계산은 화물 용적의 외부 면적과 단열재의 외부 면적의 평균값으로 고려하였으며, 아래의 식 을 이용하여 계산하였다.

Q = \frac{B O R (\frac{%}{d a y})}{24 \cdot 3600 \cdot 100} \cdot ρ_{L N G} \cdot V_{tan k} \cdot h_{υ a p}

(1)

Q = k \times A \times \frac{Δ T}{L}

(2)

Q는 열량(kW), V는 용적(m3), ⍴는 액화수소의 밀도 (kg/m³), h는 증발잠열(kJ/kg), A는 표면적(m²), k는 열전도도 (W/mk), L은 단열재의 두께(m)를 나타낸다.

Fig. 9에서 40K급의 액화수소 탱크에 작업성 등을 고려하 여 단열재 두께를 0.5 m로 가정하면, 0.2 % BOR 만족을 위해 서 0.01 W/m⋅K 미만의 단열재/단열방안을 검토하는 것이 합리적이다. 앞서 가정한 바와 같이 다른 열 유입 성분을 제 외한 완전 밀폐된 화물탱크에 대한 검토이므로, 다른 열유 입 성분을 고려할 경우, 본 결과에서 보여주는 전도 계수보 다 낮은 전도 계수를 가지는 단열재를 적용할 필요가 있다. 물론 단열재의 두께별 제작 가능 여부, 시공성, 타 단열재와 복합 적용 등을 고려한 상세한 해석이 필요하다.

Table 2는 극저온 화물의 탱크에 적용 가능한 단열재들의 전 도계수를 보여준다. 제시된 단열재 중에서 K < 0.01 W/m⋅K 인 재료는 VIP(Vacuum Insulatied Panel)가 유일하며, VIP보다 전도 계수 측면에서 더 우수한 것으로 MLI(Multi Layer Insulation) 가 존재하나 멤브레인 단열시스템의 구조를 고려하면, 기술 적으로 적용이 어려울 것으로 판단된다. Fig. 10은 VIP의 일 반적인 구성을 보여준다.

액화수소 멤브레인 탱크의 IBS에 VIP를 적용 시, 기존 LNG 화물창의 IBS보다 온도가 낮아 운용 개념에 차이가 존 재한다. 기존 LNG 화물창의 IBS는 질소를 퍼징(Purging)하는 형태로 운용했지만 수소 화물창의 IBS는 온도가 질소의 어 는점(-210℃)보다 낮은 구역이 존재해 질소 퍼징을 할 수 없 다. 질소 대신에 헬륨을 적용하는 방법도 가능하지만, IBS 공간의 부피에 따른 헬륨의 양이 상당하며, 헬륨 저장탱크 와 압축기 등의 장비가 추가로 필요할 것으로 예상된다.

물론 IBS 공간에 진공을 적용하는 방법도 가능지만 대형 공간에 진공을 적용/유지하기 위한 기술의 개발 및 검증이 필요하다. LNG 멤브레인 탱크의 경우, 1차방벽 기밀성 확인 을 위한 Global Test를 통해 -800mbar 수준의 진공을 적용하 므로 일정 수준의 진공 적용은 구조적으로 가능한 것으로 예상된다. 하지만, 액화수소 운반선에서는 선박 수명주기 동 안 진공을 유지할 수 있는지, 해당 수준의 진공에서 질소 등 의 결빙 발생 여부에 대한 검증이 필요하다.

IBS에 진공을 적용할 경우, 진공 손실 시, 공기 유입으로 인한 공기응축 및 산소농축(Oxygen Enrichment)의 영향 등이 고려되어야 한다. 아울러, VIP의 Ageing에 따른 진공도 감소 와 BOG 발생량의 상관관계가 고려되어야 하며, 이를 위해서 액화수소 환경에서 VIP의 수명 예측 및 유지보수 기법 개발 이 필요하다.

아래 Fig. 11은 멤브레인 탱크의 단열시스템 배치 예시이다.

3.4 재료선정

액화수소 저장탱크, 배관 및 각종 기자재는 액화수소의 온도인 -253℃에서 저온취성과 수소취성에 내성을 가지는 재료로 선정이 되어야 하며, 가능한 재료로는 오스테나이트 계열의 스테인리스 스틸, 알루미늄 합금 등이다.

Fig. 12는 재료에 따른 열수축량을 보여주는 그래프이다. 20K에서 300K사이의 온도에서 알루미늄 계열의 경우 열수 축율은 0.4%이며, 스테인리스 스틸 계열의 경우 0.3%이다. 동일 조건에서 알루미늄의 수축량이 35%만큼 더 크므로, 수 축에 의한 응력 집중 등을 고려하면, 오스테나이트 계열의 스테인리스 스틸의 적용이 합리적이라 사료된다.

3.5 슬로싱(Slohshing)

액화수소는 밀도가 70kg/㎥으로 약 450~500kg/㎥ 정도인 LNG 대비 약 1/7 정도로, 슬로싱 하중이 매우 낮을 것으로 예상된다. 멤브레인 탱크의 경우, 액화수소 슬로싱 하중을 분석하고 최대 발생 가능한 슬로싱 압력을 산출하여 단열재 의 최적 밀도를 산출할 필요가 있다.

3.6 선형 및 Ballasting

액화수소의 낮은 밀도 특성으로 인해 화물 적재/비적재시 draft의 차이가 크지 않으므로 운항 효율을 극대화하는 최적 선형 설계안 정립이 필요하다. 단순 계산으로 160K급의 액 화수소 운반선과 LNG 운반선의 화물의 중량을 비교하면 약 6만 4천톤의 차이가 발생하는데, 일반적인 가스선 선형으로 고려 시 적재상태에서도 높은 VCG(Vertical Center of Gravity) 로 인해 많은 평형수를 채워야 한다.

따라서 복원성, Propeller immersion, Draught 변화량(화물 적 재/비적재시) 등을 고려한 최적 선형설계 및 Ballasting 방안 수립이 필요하다.

최적 선형 및 화물 중량을 고려하여, 선박의 추진 마력 이 추정되어야 하며, 이를 고려한 추진시스템의 설계가 필 요하다.

3.7 액화수소 적하역

액화수소 및 극저온 수소 증기를 포함하는 액화수소 적하 역 배관은 공기 중의 산소가 액화되어 발생하는 산소농축 현상을 예방하기 위해서, 노출된 표면이 -183℃에 도달하지 않도록 단열시스템이 적용되어야 한다.

액화수소 적하역을 위한 로딩암은 LNG 로딩암 기술을 기 반으로 수소의 낮은 점도로 인한 Swivel joint의 누출을 최소 화하기 위한 Seal 성능 향상 및 고효율 단열시스템의 적용이 필요하다.

액화수소의 적하역 절차는 LNG의 적하역 절차와 크게 다 르지 않으나 액화수소의 저온 특성으로 인한 적하역 방법에 차이가 존재한다. 탱크의 수리 등을 위해서는 먼저 Warm-up 및 Inert gas 퍼지를 통해서 탱크 내의 수소가스를 제거하고 공기 주입으로 Inert gas를 제거한 후에 수리 등의 작업을 진 행하다. 수리 작업 완료 후 Inert gas 퍼징을 통해서 공기를 제거하고 Gassing up(수소 퍼징)을 통해서 고체화될 가능성이 있는 Inert gas를 제거한다. 이후 저온 수소 가스 및 액화 수 소를 이용하여 Cool down 과정을 거친 후 액화수소를 탱크 에 로딩할 수 있다(Fig. 13).

3.7 BOG 처리시스템 및 추진시스템

액화수소 형태의 운송은 생산지/수요지에서 별도 공정 없 이 에너지 활용이 가능하므로 선호되었지만, 운송 과정에서 BOG(Boil-off Gas, 증발가스)를 처리하기 위한 기술적, 경제적 문제가 존재한다. 액화수소 운송 중 발생하는 BOG의 가장 경제적인 활용 방법은 선박에서 필요로 하는 전기와 추진시 스템의 연료로 사용하는 것이다. 특히 액화수소 운반선의 경우, BOG가 순수한 수소이므로 별다른 가공 없이 연료전지 에 공급할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

BOG 처리 및 추진시스템의 개발은 탱크 단열시스템과 함 께 고려될 필요가 있다. 즉 추진/발전을 위한 소요량 수준에 서 BOG를 억제할 수 있는 단열시스템의 개발이 필요할 것으 로 예상된다. 이외에도 BOG의 재액화, GCU(Gas Combustion Unit)를 통한 연소가 가능하다. 하지만 재액화의 경우 LNG 재액화 대비 상당한 에너지가 소모되어 적용에 한계가 존재 한다(Lee et al., 2019)

현행 선급 규칙에서 규정하는 상기의 BOG 처리 방안들 외에 액화수소 BOG를 희석하여 대기 방출하는 방안도 검토 할 필요가 있다. LNG 기반의 규칙에서는 위험 상황을 제외 하고는 LNG BOG의 대기 방출을 금지하고 있으며 이는 메 탄의 방출에 따른 대기오염 및 위험성에 기인한다. 수소의 경우 대기오염의 위험이 없으므로 Venting Point 주변 일정 영역을 화재/폭발 위험을 제거한 Safety Zone으로 설정하고 별도의 BOG 처리 설비 없이 희석 후 자연 Venting하는 방안 의 가능여부에 대한 검토가 필요할 것으로 사료된다.

액화수소 운반선의 추진시스템은 단기적으로는 기존의 화석연료를 적용하는 엔진이 적용될 수 있으나, 중장기적으 로는 BOG를 활용한 연료전지(PEMFC 또는 SOFC) 전기추진 의 적용이 가능할 것으로 예상된다.

Fig. 14는 BOG 처리시스템 및 추진시스템 예시로서 주추 진 엔진은 화석 연료로 구동되고, 발생하는 BOG는 연료전지 를 이용하여 hotel load 충당한다. 발생 BOG의 양에 따라서 GCU 또는 연료전지를 활용할 수 있으며, 발생 BOG만으로 hotel load를 감당하기 어려운 경우, 발전기 등을 적용할 수 있다. Hotel load 이상의 BOG 발생 시에는 배터리 등을 활용 하여 잉여 전력을 저장해 두는 것도 고려할 수 있을 것이다. 앞서 언급하였듯이 중장기적으로는 BOG를 연료로 하는 연 료전지 전기추진시스템의 도입이 예상되지만, 액화수소의 가격에 따른 OPEX(Ahn et al., 2017), 연료전지의 대형화 등 고려해야 할 부분이 많이 있다.

4. 결 론

강화되는 환경규제에 대응하기 위해서 세계 각국이 수소 관련 기술 개발을 가속화하고 있으며, 이에 중장기적으로 수소는 핵심 에너지 자원으로서 입지를 확보하고, 수소의 국가 간 물동량도 증가할 것으로 예상된다.

국가간 수소의 거래는 수출국의 신재생 에너지 자원과 수 입국의 수소 사용 형태, 기술 성숙도 등을 고려하여 암모니 아, 액화수소, LOHC 등의 형태로 이루어질 것이며, 어느 한 가지 형태로만 거래되지는 않을 것이다. 암모니아와 LOHC 의 해상운송은 이미 성숙한 기술로서 R&D의 필요성이 크지 않다. 이에 본 글에서는 액화수소 운반선 개발을 위해서 고 려하여야 할 기술적 사항들을 살펴보았다

1) 효율적인 단열시스템의 개발
- - 타입 C탱크의 경우, 진공 및 MLI/글라스 버블 단열 기술 의 적용기술 개발이 필요
- - 멤브레인 탱크는 IBS 진공유지 및 VIP의 Ageing에 대한 기술 연구가 필요
2) 액화수소의 낮은 밀도를 고려하여, 복원성, Propeller immersion, Draught 변화량(화물 적재/비적재시) 등을 고려한 최적 선형설계 필요
3) 효율적인 수소 BOG 처리 시스템 및 추진시스템의 개발이 필요
- - BOG 처리 및 추진을 위한 대용량 연료전지(PEM 또는 SOFC)의 개발이 필요
- - 수소 BOG를 희석하여 배출하는 방법에 대한 검증 및 검 토가 필요

액화수소 운반선 도입 초기에는 상대적으로 기술적 허들 이 낮은 타입 C 탱크를 탑재한 약 20K급 액화수소 운반선이 적합하며, 장기적으로는 멤브레인 타입의 액화수소 운반선 의 개발이 필요할 것으로 사료된다.

액화수소 운반선의 상업화에 성공하기 위해서는 기술의 신뢰성 및 안전성이 담보되어야 하며, 이를 위해 극복해야 할 기술적 과제들이 남아 있다. 국내 조선소들이 강점을 가 지고 있는 LNG 운반선 개발의 노하우를 활용하여 액화수소 운반선의 성공적인 기술 진입을 이루고 수소 공급 체인에서 액화수소가 중요한 축을 담당하기를 기대한다.

후 기

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평 가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (No. 20203020040030 & No. 20213030040460 & No. 20213030030290)

Figure

Fig. 1.

Development of Liquefied Hydrogen Carrier Interim Recommendation.

Fig. 2.

Classification of cargo tanks for ships

Fig. 3.

Example of deployment of a 20K class liquid hydrogen carrier using a Type C tank (6500m³×3, 17m(Diameter)× 30m(Overall length) for each tank, 2:1 elliptical head).

Fig. 4.

MLI(makesat, 2021).

Fig. 5.

Glass Bubble (Fesmire et al., 2008).

Fig. 6.

Thermal conductivity of each insulation system according to the degree of vacuum (Fesmire, 2015).

Fig. 7.

Example of Type C Tank Insulation System.

Fig. 8.

Insulation composition of LNG membrane tank (GTT Mark III)(GTT, 2021).

Fig. 9.

Conductivity coefficient required for insulation by liquefied hydrogen tank volume (assuming cube cargo tank, 0.2% BOR).

Fig. 10.

VIP configuration (Alam et al., 2011).

Fig. 11.

An example of an insulation system for a membrane tank.

Fig. 12.

Heat shrinkage according to the temperature of each material (AIAA, 2017).

* The total contraction at a given temperature as the temperature is lowered from 300 K to the lower temperature.

Fig. 13.

The procedure for purging pipes and tanks (Korean Register, 2021).

Fig. 14.

Example of BOG processing system and propulsion system.

Table

Table 1.

Properties of Hydrogen (IEA, 2019)

Table 2.

Thermal Conductivity Coefficient by Insulation Material

Reference

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