수소 해상 운송기술은 해외에서 생산한 대량의 수소를 한국과 일본, 유럽처럼 에너지 수요가 많은 지역까지 운반하기 위한 핵심 기술입니다.
수소는 생산하는 과정뿐 아니라 저장하고 운송하는 과정도 중요합니다. 재생에너지가 풍부한 지역에서 수소를 생산하더라도 실제 사용처까지 경제적이고 안전하게 옮기지 못하면 에너지원으로 활용하기 어렵습니다.
이번 글에서는 국제 수소 공급망을 연결하는 액화수소 운반선, 암모니아 운반선, LOHC 운반 기술의 원리와 구조, 장점과 한계를 살펴보겠습니다.
수소 해상 운송기술이 필요한 이유
수소 생산에 유리한 지역과 실제 수소 소비가 많은 지역은 서로 다를 수 있습니다.
태양광과 풍력 자원이 풍부한 호주와 중동, 남미, 북아프리카 등은 재생에너지를 이용한 그린수소 생산에 유리합니다. 반면 철강과 석유화학, 발전과 운송 분야에서 많은 수소가 필요한 지역은 한국과 일본, 유럽과 같은 산업 밀집국가입니다.
생산지와 소비지를 연결하려면 수천 km의 바다를 건너야 합니다. 하지만 기체수소는 밀도가 낮고 부피가 크기 때문에 그대로 선박에 적재하면 운송효율이 매우 낮습니다.
따라서 수소 해상 운송기술은 수소를 액체로 만들거나 다른 물질에 화학적으로 결합해 부피를 줄인 뒤 선박으로 운반하는 방식으로 발전하고 있습니다.
액화수소 — 기체수소를 약 영하 253℃까지 냉각해 액체로 운송
암모니아 — 수소와 질소를 결합한 NH3 형태로 운송
LOHC — 유기액체에 수소를 결합해 상온 액체 형태로 운송
세 방식은 저장온도와 운반선 구조, 기존 인프라 활용성, 목적지에서 필요한 변환공정과 안전관리 방법이 서로 다릅니다.
액화수소 운반선
액화수소 운반선이란?
액화수소 운반선은 기체수소를 약 영하 253℃까지 냉각해 액체로 만든 뒤 극저온 화물창에 저장하여 운반하는 선박입니다.
수소를 액체로 만들면 기체 상태보다 부피가 크게 줄어듭니다. 그만큼 제한된 선박 공간에 더 많은 수소를 적재할 수 있어 대량·장거리 운송에 유리합니다.
액화수소 운반선은 외형적으로 LNG 운반선과 비슷해 보일 수 있지만 저장조건은 훨씬 까다롭습니다. 액화수소는 LNG보다 더 낮은 온도를 유지해야 하므로 화물창과 배관, 밸브, 펌프와 계측장치에 높은 수준의 극저온 기술이 필요합니다.
특히 외부 열이 화물창 안으로 들어오면 일부 액화수소가 기체로 변하기 때문에 단열성능과 BOG 관리가 액화수소 운반선의 핵심입니다.
액화수소 운반선의 주요 구조
| 구성 요소 | 주요 역할 |
|---|---|
| 극저온 화물창 | 약 영하 253℃의 액화수소 저장 |
| 단열 시스템 | 외부 열 유입과 액화수소 증발 최소화 |
| 배관과 밸브 | 액화수소의 적재와 이송, 하역 제어 |
| BOG 처리설비 | 자연 기화된 수소가스의 회수와 활용 |
| 안전감시 시스템 | 누출과 압력, 온도, 화재 위험 감시 |
극저온 화물창과 단열기술
액화수소 운반선의 핵심설비는 극저온 화물창입니다. 화물창은 매우 낮은 온도에서도 균열이나 과도한 변형이 발생하지 않아야 합니다.
수소에 장기간 노출되었을 때 재료의 성능이 저하되지 않는지도 확인해야 하며, 화물창과 배관 연결부의 기밀성도 중요합니다.
외부 열이 화물창 안으로 들어오면 액화수소가 기체로 변합니다. 이를 줄이기 위해 진공단열과 다층단열재, 고성능 복합단열재 등이 사용됩니다.
액화수소 운반선의 경제성은 화물창으로 들어오는 열을 얼마나 줄이고, 운송 중 발생하는 수소 증발량을 얼마나 낮출 수 있는지에 크게 좌우됩니다.
BOG 관리기술
액화수소는 단열된 화물창에 저장하더라도 외부 열의 영향을 완전히 차단할 수 없습니다.
이로 인해 일부 액화수소가 자연적으로 기화하며, 이렇게 발생한 기체를 BOG(Boil-Off Gas)라고 합니다.
BOG가 계속 발생하면 화물창 내부압력이 올라가고 운송할 수 있는 액화수소의 양도 줄어들기 때문에 적절한 처리설비가 필요합니다.
✔ 선박의 추진연료 또는 발전연료로 사용
✔ 압축한 뒤 별도의 저장용기에 보관
✔ 재액화 설비를 이용해 다시 액체로 전환
✔ 화물창 내부의 압력을 조절하는 데 활용
액화수소 운반선의 장점과 한계
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 장점 | 고순도 수소 직접 운송, 대량·장거리 운송, 목적지에서 화학적 분해공정 불필요 |
| 한계 | 액화 에너지 소비, 극저온 설비 필요, BOG 손실과 높은 초기 투자비 |
암모니아 운반선
암모니아가 수소 운반체로 주목받는 이유
암모니아는 질소 원자 1개와 수소 원자 3개가 결합한 화합물이며 화학식은 NH3입니다.
암모니아에는 수소가 포함되어 있기 때문에 수소를 직접 액화하지 않고 암모니아 형태로 변환해 운송할 수 있습니다.
액화수소가 약 영하 253℃에서 저장되는 것과 달리 암모니아는 약 영하 33℃에서 액체로 유지할 수 있습니다. 상온에서는 압력을 가해 액체로 저장할 수도 있습니다.
암모니아는 이미 비료와 화학원료로 세계 곳곳에서 대량 생산되고 있으며 오랜 기간 선박으로 운송되어 왔습니다.
기존 암모니아 운반선과 저장탱크, 항만 터미널과 배관을 활용할 수 있다는 점은 국제 수소 공급망을 빠르게 구축하는 데 큰 장점입니다.
암모니아 기반 수소 운송 과정
1. 수소 생산 — 재생에너지나 천연가스 등을 이용해 수소를 생산합니다.
2. 암모니아 합성 — 수소와 질소를 반응시켜 암모니아를 만듭니다.
3. 선박 운송 — 액체 암모니아를 전용 운반선으로 수요국까지 운송합니다.
4. 최종 활용 — 암모니아를 직접 연료로 사용하거나 수소를 다시 추출합니다.
암모니아 크래킹
운송된 암모니아에서 다시 수소를 얻으려면 암모니아를 질소와 수소로 분해해야 합니다. 이 과정을 암모니아 크래킹이라고 합니다.
2NH3 → N2 + 3H2
크래킹 과정에는 열과 촉매가 필요합니다. 분해 후 얻은 수소에는 미량의 암모니아나 질소가 남을 수 있습니다.
연료전지에 사용할 고순도 수소가 필요하다면 추가 정제설비를 거쳐야 합니다.
반대로 발전소와 산업용 보일러, 선박엔진처럼 암모니아를 직접 연료로 사용할 수 있다면 수소로 다시 분해하는 공정을 생략할 수 있습니다.
암모니아 운반의 장점과 한계
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 장점 | 비교적 완만한 액화조건, 기존 인프라 활용, 대량·장거리 운송과 직접 연료 활용 |
| 한계 | 독성과 누출위험, 크래킹과 정제 필요, 에너지 손실과 질소산화물 관리 |
LOHC 운반 기술
LOHC란?
LOHC는 Liquid Organic Hydrogen Carrier의 약자로 우리말로는 액상유기수소운반체라고 합니다.
특정 유기액체에 수소를 화학적으로 결합한 뒤 일반 액체화물과 비슷한 방식으로 저장하고 운송하는 기술입니다.
목적지에 도착하면 탈수소 반응으로 수소를 분리하고, 수소가 제거된 운반체는 다시 생산지로 회수해 재사용할 수 있습니다.
LOHC 후보물질
✔ 톨루엔과 메틸시클로헥산 조합
✔ 디벤질톨루엔
✔ 벤질톨루엔 계열 물질
✔ 기타 고안정성 유기액체
LOHC 운송 과정
1. 수소화 반응 — 수소를 유기액체에 화학적으로 결합합니다.
2. 저장과 해상 운송 — 수소가 결합된 LOHC를 액체 상태로 운반합니다.
3. 탈수소 반응 — 목적지에서 열과 촉매를 이용해 수소를 분리합니다.
4. 운반체 회수 — 수소가 제거된 유기액체를 생산지로 돌려보내 다시 사용합니다.
기존 석유 인프라 활용
LOHC의 가장 큰 장점은 상온에서 액체로 취급할 수 있다는 점입니다.
운반체의 종류에 따라 차이는 있지만 일반 석유제품과 비슷한 방식으로 저장하고 운송할 수 있습니다.
따라서 기존 유조선과 저장탱크, 탱크로리와 항만배관 등을 일부 활용할 수 있으며 초저온 화물창이나 고압용기가 필요하지 않습니다.
LOHC 운반의 장점과 한계
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 장점 | 상온 취급, 기존 석유 인프라 활용, 저장 편의성과 운반체 반복 사용 |
| 한계 | 수소화·탈수소 에너지, 촉매 필요, 운반체 무게와 회수물류 및 열화관리 |
수소 해상 운송기술 방식 비교
| 구분 | 액화수소 | 암모니아 | LOHC |
|---|---|---|---|
| 저장 형태 | 액체수소 | 액체암모니아 | 수소 결합 유기액체 |
| 대표 운송조건 | 약 -253℃ | 약 -33℃ 또는 가압 | 상온 액체 취급 가능 |
| 목적지 공정 | 기화 | 크래킹과 정제 | 탈수소와 정제 |
| 기존 인프라 활용 | 낮음 | 높음 | 높음 |
| 안전관리 | 극저온·누출·BOG | 독성·누출·질소산화물 | 유기물 누출·화재·열화 |
| 주요 강점 | 고순도 수소 직접 운송 | 대량운송과 기존 인프라 | 상온 취급과 저장 편의성 |
| 주요 한계 | 액화와 극저온 비용 | 독성과 크래킹 손실 | 탈수소 에너지와 회수물류 |
어떤 해상 운송 방식이 가장 유리할까?
액화수소와 암모니아, LOHC 가운데 하나의 기술이 모든 조건에서 가장 우수하다고 단정하기는 어렵습니다.
액화수소는 수소를 직접 운송할 수 있고 목적지 변환공정이 비교적 단순하지만 액화와 극저온 저장에 많은 비용이 필요합니다.
암모니아는 기존 글로벌 공급망을 활용할 수 있고 대량운송에 유리하지만 독성관리와 크래킹 기술이 필요합니다.
LOHC는 상온에서 비교적 안정적으로 취급할 수 있지만 수소화와 탈수소 과정에 에너지가 필요하고 사용한 운반체를 다시 회수해야 합니다.
✔ 생산지와 소비지 사이의 운송거리
✔ 한 번에 운송해야 하는 수소의 양
✔ 목적지에서 수소를 사용하는 방법
✔ 기존 항만과 저장설비 보유 여부
✔ 변환과 재변환에 필요한 에너지와 비용
✔ 누출과 독성, 화재를 포함한 안전성과 환경영향
실제 국제 수소 공급망에서는 선박 운송비만 비교해서는 안 됩니다. 수소 생산과 액화 또는 변환, 저장, 항만 하역, 재변환과 정제까지 포함한 전체 공급망 비용을 함께 비교해야 합니다.
미래 국제 수소 공급망
미래의 국제 수소 공급망은 하나의 운송방식으로 통일되기보다 지역과 사용처에 따라 여러 기술이 함께 사용될 가능성이 큽니다.
초기 수소시장에서는 기존 인프라 활용성이 높은 암모니아가 대규모 해상운송을 이끌 가능성이 있습니다.
발전소와 선박연료처럼 암모니아를 직접 사용할 수 있는 분야에서는 수소로 다시 분해하는 과정을 생략할 수 있기 때문입니다.
LOHC는 저장 안정성과 기존 석유 인프라 활용이라는 장점을 바탕으로 분산형 공급망과 특정 산업수요에서 활용될 수 있습니다.
액화수소는 화물창과 단열, BOG 관리기술이 발전하고 선박 규모가 커질수록 경제성이 개선될 가능성이 있습니다. 고순도 수소를 직접 공급해야 하는 시장에서는 중요한 운송수단이 될 수 있습니다.
수소 해상 운송기술 핵심 정리
✔ 수소 생산국과 수요국을 연결하려면 대규모 수소 해상 운송기술이 필요합니다.
✔ 액화수소는 고순도 수소를 직접 운송할 수 있지만 극저온 기술이 필요합니다.
✔ 암모니아는 기존 운반선과 저장 인프라를 활용하기 좋습니다.
✔ 암모니아에서 수소를 추출하려면 크래킹과 정제설비가 필요합니다.
✔ LOHC는 상온 액체로 취급할 수 있지만 탈수소 열에너지와 운반체 회수물류가 필요합니다.
✔ 운송방식은 거리와 물량, 최종 사용형태와 기존 인프라를 함께 고려해 선택해야 합니다.
✔ 앞으로는 한 가지 방식보다 여러 해상 운송기술이 함께 활용될 가능성이 큽니다.
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수소를 고압기체와 액화수소 형태로 저장하는 원리는 수소 저장기술의 주요 방식과 특징 글에서 확인할 수 있습니다.
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국제 수소시장과 공급망에 관한 추가 자료는 국제에너지기구 수소 기술 자료 를 참고할 수 있습니다.
마무리
수소경제가 국가 내부의 생산과 소비를 넘어 국제 무역시장으로 확대되려면 대규모 수소 해상 운송기술이 반드시 필요합니다.
액화수소 운반선은 고순도 수소를 직접 대량으로 운송할 수 있다는 장점이 있고, 암모니아 운반선은 기존 인프라를 활용해 비교적 빠르게 공급망을 만들 수 있습니다.
LOHC는 상온 액체로 비교적 편리하게 저장하고 운송할 수 있어 기존 석유 물류망과 연결하기 좋습니다.
앞으로는 수소 생산비용만이 아니라 액화와 변환, 선박 운송, 항만 하역, 저장, 재변환과 정제까지 포함한 전체 공급망의 효율이 경쟁력을 결정하게 될 것입니다.
결국 수소 해상 운송기술은 세계 여러 지역에서 생산한 친환경 수소를 필요한 국가와 산업까지 연결하는 바다 위의 에너지 네트워크라고 할 수 있습니다.