수소 액화 기술 – 초저온 저장의 한계를 넘는 소재·공정 혁신

영하 253도의 에너지를 다루는 과학

 

‘기체 수소’에서 ‘액체 수소’로, 에너지 패러다임의 진화

수소경제의 핵심은 단순히 수소를 ‘만드는 것’이 아닙니다.

“만든 수소를 얼마나 효율적으로 저장하고 운반할 수 있는가”가

경제성과 실용성을 결정합니다.

 

기체 수소는 부피가 너무 커서, 고압탱크에 압축해야 합니다.

하지만 압축 저장은 안전성·비용·에너지 손실 문제로 한계가 있습니다.

 

이 한계를 넘는 기술이 바로 ‘수소 액화(Liquid Hydrogen, LH₂)’입니다.

수소를 영하 253°C로 냉각시켜 액체로 만들면

기체 상태보다 약 800배 부피가 줄어들어,

저장 효율이 획기적으로 향상됩니다.

 

그렇지만 이 기술은 단순한 냉동이 아니라,

극저온 공학(Cryogenics)·고단열소재·공정제어가 융합된

첨단 과학의 결정체입니다.

 

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1. 수소 액화의 원리

기본 개념

수소를 액체로 만들기 위해서는

끓는점인 –252.9°C(20K) 이하로 냉각해야 합니다.

 

수소 액화 과정은 크게 3단계로 구분됩니다.

1️⃣ 압축 (Compression)

2️⃣ 냉각 및 팽창 (Cooling & Expansion)

3️⃣ 액화 (Liquefaction)

 

대표적인 방식은 Claude Cycle과 Brayton Cycle입니다.

 

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2. 수소 액화 공정의 구조

단계	공정명	설명
①	압축	기체 수소를 고압(10~20bar)으로 압축
②	예냉	헬륨·질소 등 냉매를 이용해 약 –100°C까지 냉각
③	팽창 및 액화	팽창터빈을 통해 단열 팽창 → 온도 –250°C 도달
④	저장	진공단열탱크에 액체 수소 저장

 

냉각 과정에서 사용하는 냉매와 단열소재, 터빈 설계가 액화 효율을 좌우합니다.

 

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3. 액화 과정의 에너지 문제

수소를 액체로 만들기 위해서는, 수소 1kg당 약 10~13kWh의 전력이 필요합니다.

이는 수소 연소 시 방출되는 에너지의 약 30% 수준입니다.

 

즉, 에너지 손실을 줄이지 않으면, 수소 액화는 상용화가 어렵습니다.

따라서 연구의 핵심은 에너지 효율 향상과 단열 성능 개선입니다.

 

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4. 액화 효율을 높이는 핵심 기술

(1) 다단 냉동 사이클(Multi-stage Cooling Cycle)

• 기존 단일 냉각 사이클의 한계를 극복
• 헬륨, 네온, 수소 혼합냉매 사용
• 단계별 온도 제어로 효율 20~30% 개선

(2) 고효율 팽창터빈 (Cryo-Expander)

• 마찰 손실을 줄여 단열팽창 효율을 극대화
• 일본 IHI, 한국기계연구원 등에서 독자 개발 중

(3) 극저온 열교환기 (Cryogenic Heat Exchanger)

• 표면적을 최대화하여 열전달 향상
• 재질: 스테인리스, 알루미늄 합금, 복합소재
• 마이크로채널 구조 적용

(4) 고성능 단열소재 (Insulation Materials)

• 액체수소 저장탱크의 열침입을 최소화
• 진공 다층단열(Multi-Layer Insulation, MLI)
• 에어로젤(Aerogel), 폴리이미드 단열 필름 등 적용

 

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5. 액체수소 저장 기술

액체수소는 극저온 상태이기 때문에, 열이 조금이라도 유입되면 바로 기화합니다.

이때 발생하는 기화가스(Boil-off Gas, BOG)는 손실과 폭발 위험을 초래합니다.

 

따라서 저장탱크 설계의 핵심은 ‘열차단’과 ‘BOG 회수’입니다.

구분	기술 요소	설명
진공 단열	탱크 내·외벽 사이 진공 유지	열전달 최소화
MLI (다층단열)	알루미늄 필름 수십 겹 적층	복사열 차단
BOG 회수 시스템	기화수소 재압축·액화	손실 최소화

 

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6. 수소 액화 플랜트의 설계

대표적인 상용 액화플랜트 구조는 다음과 같습니다.

 

1️⃣ 프리쿨링 유닛 (Pre-cooling Unit) : 질소·헬륨 냉매 이용

2️⃣ 액화기 (Liquefier) : 다단 팽창터빈, 열교환기 구성

3️⃣ 저장탱크 (LH₂ Storage) : 1,000~30,000㎥ 규모

4️⃣ BOG Recovery System : 재활용을 통한 효율 회수

 

한국, 일본, 독일 모두 ‘대형 액화 수소 플랜트’ 구축 경쟁을 벌이고 있습니다.

 

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7. 주요 국가별 기술 동향

국가	대표 기관/기업	특징
한국	한국기계연구원, 하이리움산업	세계 최초 ‘이동식 액화수소 충전소’ 개발
일본	IHI, Kawasaki Heavy Industries	액화 플랜트 상용화 및 선박 운송 기술 확보
독일	Linde, Air Liquide	산업용 대형 액화플랜트 기술 선도
미국	NASA, Air Products	우주연료용 액체수소 시스템 기반 민간확산

 

특히 Linde는 효율 90%의 초저온 액화 시스템을 상용화했고,

한국 하이리움산업은 소형 이동형 액화수소 충전 기술로 주목받고 있습니다.

 

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8. 수소 운송과 인프라

액체수소는 부피가 작고 압력이 낮아, 장거리 운송에 유리합니다.

• 육상운송: 극저온 탱크 트레일러
• 해상운송: 액화수소 운반선 (LH₂ Carrier)
• 파이프라인: 초저온 이중관 구조 연구 중

대표 사례

• 일본 “Suiso Frontier” 프로젝트 : 세계 최초 액화수소 운반선 (Kawasaki 제작, 2021년 실해상 운항 성공)
• 한국 : 울산–부산권 수소항만 인프라 구축 중

 

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9. 수소 액화 소재의 혁신

극저온 환경에서 사용되는 소재는 기계적 강도, 열팽창, 내열충격성 모두 중요합니다.

소재	용도	특징
STS 304L / 316L	탱크, 배관	내식성, 극저온 인성 우수
알루미늄 합금 (Al 5083)	열교환기	경량, 고열전도성
복합소재 CFRP, GFRP	탱크 외피	단열성·강도 우수
에어로젤 단열재	내부 단열층	초저열전도성 (0.02 W/m·K)

 

또한 탄소섬유 복합소재(FRP) 기반의 극저온 탱크는 중량을 40% 이상 절감하면서도

안전성과 단열성이 우수해 각광받고 있습니다.

 

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10. 액화수소의 안전성과 표준화

극저온 환경에서는 재료의 수축·균열·누출 위험이 높습니다.

이에 따라 각국은 엄격한 안전기준을 마련하고 있습니다.

• ISO 13984 / 21010 / 14687: 액화수소 저장·운송 국제표준
• 한국 KS B ISO 21029: 극저온 탱크 설계 기준
• 미국 CGA G-5.4: 액화수소 취급 안전지침

또한 AI 기반 실시간 온도·압력 모니터링 센서를 결합해

BOG 발생 및 단열 손상 여부를 예측하는 기술도 도입 중입니다.

 

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11. 수소 액화의 경제성

액화수소 1kg을 생산하는 데 약 1,000~1,200원의 비용이 소요됩니다. (기체수소 대비 약 1.5~2배 비쌈)

하지만 운송·저장비용까지 고려하면, 100km 이상 장거리 수송에서는 오히려 경제적입니다.

 

특히 대규모 수소발전·항공·조선 분야에서는

액화수소의 단위 수송비용이 40% 이상 절감되는 것으로 분석됩니다.

 

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12. 향후 연구 트렌드

1️⃣ 혼합냉매(Mixed Refrigerant)

• 헬륨·수소·네온 등 비율 최적화 → 효율 15% 향상

2️⃣ AI 기반 공정제어

• 공정 변수(압력·유량·온도)를 실시간 최적화

3️⃣ 고성능 단열재 연구

• 그래핀, 탄소나노튜브 기반 복합소재 단열재 개발

4️⃣ 수소-암모니아 복합 액화 시스템

• 수소 저장밀도를 높이고 에너지 손실 최소화

 

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수소 액화는 “저장기술”이 아닌 “에너지 기술”이다

수소경제의 핵심은 단순한 연료 생산이 아닙니다.

얼마나 효율적으로 저장하고, 이동시키며, 다시 사용할 수 있는가에 있습니다.

 

수소 액화 기술은 그 중심에서

에너지 손실을 최소화하고, 안전하고 효율적인 공급망을 만드는 핵심입니다.

 

초저온에서 작동하는 팽창기, 단열소재, AI 제어 시스템 등

모든 요소가 정밀하게 결합될 때,

우리는 비로소 “수소의 시대”를 현실화할 수 있습니다.

 

앞으로 수소 액화 기술은

탄소중립·우주항공·항만 물류 등 다양한 산업의 공통 기반이 될 것입니다.

그 말은 곧, “에너지 혁신의 중심에는 냉각 기술이 있다”는 뜻입니다.