선박에서 수소를 대체 연료로 사용하는 것은 환경친화적이고 지속 가능한 운항을 위한 대안입니다. 탄소 기반의 연료에서 CO2, NOx, SOx 등 대기오염 물질이 배출되는 것과는 달리 수소는 대기오염 물질을 배출하지 않는 친환경인 에너지원입니다.
수소 연료는 또한 높은 효율성을 가지며, 전기추진을 위한 가장 적합한 에너지원으로 사용될 수 있습니다. 더불어, 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 배터리 선박이 가진 짧은 항속거리 문제점에 대한 대안책이 될 수 있습니다.
하지만 수소 연료의 도입과 사용에는 몇 가지 과제가 있습니다. 가장 큰 문제는 수소의 생산과 저장입니다. 수소는 지극히 가벼운 기체이므로, 저장하는 데 매우 높은 압력(700bar)이나 매우 낮은 온도(-253℃)가 필요합니다.
[표 저장 형태에 따른 수소 저장 밀도 비교]
| Primary Fuel | Formula | Density [kg/m3] |
Energy per mass [kJ/kg] |
Energy per vol [GJ/m3] |
H2 density [kgH2/m3] |
|---|---|---|---|---|---|
| Hydrogen | H2 | 0.09 | 141,890 | 0.013 | 0.09 |
| LH2 | H2 | 71 | 141,890 | 9.9 | 71 |
| LNG (Methane) | CH4 | 423 | 55,530 | ~ 20.5 | 106 |
| LPG (Propane) | C3H8 | 581 | 50,400 | 25.2 | 106 |
| Methanol | CH3OH | 793 | 22,700 | 18.0 | 99 |
| MCH | C7H14 | 862 | 42,500 | 26.9 | 96 |
| Ammonia | NH3 | 771 | 22,500 | 17.4 | 136 |
수소는 생산방법에 따라 다양한 색깔로 구분할 수 있습니다. 그린(재생에너지), 블루(LNG개질 + 탄소포집), 핑크(원자력 수소) 수소 등 다양한 방법에 따라 수소를 생산할 수 있는데, 전지구적인 탈탄소 목표를 구현하기 위해서 그린수소의 비중이 점점 더 커질 것으로 예상됩니다.
수소는 -253℃, 1atm에서 액화되며, 부피는 가스 수소 대비 1/845로 줄어듭니다. 이러한 액체수소는 투명하며, 무색이고 부식성이 없습니다. 수소의 액화는 특이하게 Ortho-Para 수소 변환이 고려되어야 합니다.
상온의 수소 (Ortho 수소 : Para 수소 = 75% : 25%)를 액화 설비에서 -253℃의 액체로 변환한 후, 탱크에 저장하게 되면, Ortho수소가 Para수소로 서서히 변환되면서, 액체 수소의 증발잠열(445.6J/g)보다 큰 변환열(527J/g)이 발생하게 되는데, 이 변환열은 이미 액화된 수소를 저장탱크 내에서 서서히 증발시켜 기체 상태로 변화시키므로, 액화 과정에 촉매를 이용하여 Ortho수소를 Para 수소로 변환시켜 주어야 합니다.
2020년 한국조선해양과 현대미포조선이 세계 최초로 상업용 액체수소 운송선(20k급)을 한국선급으로부터 개념승인(AIP)을 획득하였으며, ‘30년경의 상용화 목표로 기술개발을 추진 중입니다. 이와 더불어 액체수소 인수기지, 수출터미널 등 제반 인프라가 구축되고 액체수소 도입에 대한 경제성이 확보되면 본격적으로 액체수소 운송선 도입이 예상됩니다.
2014년 MSC 94th때, 일본과 호주는 IGC Code가 액화수소의 안전한 운송을 위한 요건을 포함하고 있지 않은 점을 지적하고, 안전성 요건 강화를 위한 수소 운송 규정에 대한 논의를 제안하였습니다. 2015년 CCC 2nd부터 논의를 시작한 수소 운송에 관한 규정 검토는 2016년 MSC 7th때, ‘액화수소 산적 운송에 관한 안전 규정안(결의서 MSC.420(97))’가 채택되었습니다. 그리고 2021년 호주-일본 간 액화수소를 산적 운송하는 시험 선박인 Suiso Frontier(세계 최초 액화수소 운송선) 호에 적용하였습니다.
현재 개발 진행중인 액화수소 운송 규정은 다음과 같습니다.
저희 한국선급은 해외에서 수소를 도입하는 국가 정책에 맞추어 2016년 국내 처음으로 액체수소 운송선 기술개발을 시작했습니다. 이후 국내 조선소 및 연구기관, 설계사 등과 협력하여 2030년 해상실증을 목표로 기술개발을 수행하고 있습니다.
이후 산업부의 지원으로 액체수소 운송선의 핵심시스템인 화물창, 적하역, BOG 처리 시스템에 대한 설계를 진행하고 있으며, 해수부의 지원으로 액체수소 운송선의 안전기준 개발을 수행중입니다.
또한, 액체수소 운송선의 상용화 및 국내 기술 확보를 위해 시험선 실증, 육상 테스트베드, 극저온 기자재 R&D 등에 대한 기술로드맵을 수립하고 있습니다.
우리선급은 액체수소 운송선에 대한 기준 및 선박용 연료전지시스템 지침을 개발하고 선급 규정으로 반영하고 있습니다.
우리선급은 수소의 선박적용 및 액체수소 운송선과 관련된 기술 및 규정 개발을 위해 국내 조선소, 기자재업계, 연구기관과의 협업을 통하여 국가 정책과 부합할 수 있는 기술내재화 및 고도화에 많은 노력을 기울이고 있습니다.