수소 연료 전지 선박 상용화를 위한 주요 기술적 과제 및 해결 방안

수소 연료 전지 선박이 해운업의 미래를 이끌어갈 핵심 기술로 주목받고 있지만, 상용화를 위해서는 해결해야 할 여러 기술적 과제들이 있습니다. 이러한 과제들을 극복하기 위한 노력들이 활발히 진행되고 있습니다.

수소 연료 전지 선박 상용화를 위한 주요 기술적 과제 및 해결 방안

1. 수소 저장 기술

  • 과제: 수소는 에너지 밀도가 낮아 많은 부피를 차지하며, 액화 수소는 극저온(-253°C)을 유지해야 하는 어려움이 있습니다. 고압 가스 수소는 저장 탱크의 부피와 무게가 상당하여 선박의 공간 활용 및 중량에 제약을 줍니다.
  • 해결 방안:
    • 액화 수소 저장 기술 고도화: 극저온 단열 기술을 발전시켜 증발가스(Boil-Off Gas) 발생을 최소화하고, 저장 탱크의 경량화 및 대형화 기술을 개발해야 합니다.
    • 액체 유기 수소 운반체(LOHC) 및 암모니아 활용: 수소를 액체 상태의 다른 물질(예: LOHC, 암모니아)에 저장하여 운반한 후, 선상에서 수소를 추출하여 사용하는 기술 개발이 진행 중입니다. 이는 수소 저장의 부피 문제를 해결하고 기존 액체 연료 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있습니다.
    • 고압 수소 탱크 기술 발전: 고강도 경량 소재 개발을 통해 고압 수소 탱크의 효율을 높이고, 안전성을 확보하는 연구가 필요합니다.

2. 연료전지 시스템의 효율 및 내구성

  • 과제: 해상 환경은 진동, 염분, 온도 변화 등 육상보다 가혹하여 연료전지 스택 및 시스템의 내구성과 신뢰성 확보가 중요합니다. 또한, 장시간 운전 시 효율 저하를 방지하고 스택의 수명을 늘리는 것이 관건입니다.
  • 해결 방안:
    • 해상 환경 특화 연료전지 개발: 선박의 움직임과 해상 환경에 강한 내진, 방수, 방염 기능을 갖춘 연료전지 스택 및 주변 시스템을 개발해야 합니다.
    • 고효율 촉매 및 소재 개발: 연료전지의 핵심 부품인 촉매의 성능을 향상시켜 효율을 높이고, 내구성이 뛰어난 소재를 적용하여 스택의 수명을 연장하는 연구가 필요합니다.
    • 시스템 통합 및 최적화: 연료전지, 수소 저장 장치, 전력 변환 장치 등 전체 시스템을 효율적으로 통합하고, 운전 제어 기술을 고도화하여 최적의 성능을 발휘하도록 해야 합니다.

3. 안전성 확보

  • 과제: 수소는 가연성이 높아 누출 시 화재나 폭발 위험이 있습니다. 따라서 수소의 저장, 공급, 사용 전 과정에서 엄격한 안전 기준과 기술이 요구됩니다.
  • 해결 방안:
    • 첨단 수소 누출 감지 시스템 : 수소 누출을 신속하고 정확하게 감지할 수 있는 센서 및 시스템을 개발하고, 압력 빌드업(Pressure Build-Up) 하부에 드립 트레이 및 온도 센서를 설치하여 수소 누출을 감지하는 방안을 적용할 수 있습니다.
    • 자동 차단 및 환기 시스템: 누출 감지 시 자동으로 수소 공급을 차단하고, 강제 환기 시스템을 가동하여 수소 농도를 낮추는 기술을 적용해야 합니다.
    • 방폭 설계 및 안전 규정: 선박 설계 단계부터 방폭 개념을 적용하고, 국제해사기구(IMO) 및 각국 해사 당국의 엄격한 안전 규정 및 표준을 준수해야 합니다.
    • 선원 교육 및 훈련: 수소 연료의 특성과 비상 상황 대처 방법을 숙지할 수 있도록 선원들을 대상으로 한 전문 교육 및 훈련이 필수적입니다.

4. 비용 문제

  • 과제: 현재 수소 연료전지 시스템 및 수소 생산 비용이 기존 연료 시스템에 비해 높아 상용화에 걸림돌이 되고 있습니다.
  • 해결 방안:
    • 대량 생산을 통한 규모의 경제: 연료전지 스택 및 수소 저장 탱크의 대량 생산 체계를 구축하여 생산 단가를 낮춰야 합니다.
    • 기술 혁신 및 부품 단가 인하: 지속적인 연구 개발을 통해 핵심 부품의 성능을 향상시키고 제조 비용을 절감해야 합니다.
    • 정부 보조금 및 세금 혜택: 초기 시장 형성을 위해 정부의 친환경 선박 전환 보조금, 세금 감면 등 정책적 지원이 필요합니다.
    • 그린 수소 생산 비용 절감: 재생에너지를 활용한 그린 수소 생산 기술의 발전과 대규모 생산을 통해 수소 연료 자체의 가격을 낮추는 것이 중요합니다.

5. 수소 공급 인프라

  • 과제: 선박에 수소를 공급할 수 있는 항만 내 수소 벙커링 시설이 전 세계적으로 매우 부족하며, 수소 운송 네트워크도 아직 미비합니다.
  • 해결 방안:
    • 주요 항만에 수소 벙커링 시설 구축 : 국제 해운 노선의 주요 항만에 수소 생산, 저장, 공급이 가능한 벙커링 터미널을 구축해야 합니다.
    • 육상 및 해상 수소 운송 시스템 개발 : 수소 생산지에서 항만까지의 효율적인 육상 운송 시스템과, 해상에서 선박에 직접 수소를 공급할 수 있는 벙커링 선박 개발이 필요합니다.
    • 국제 협력 및 표준화 : 글로벌 수소 공급망 구축을 위해 국가 간 협력을 강화하고, 수소 벙커링 절차 및 안전 표준을 국제적으로 통일해야 합니다. 

이러한 기술적 과제들을 해결하기 위한 전 세계적인 노력과 투자가 지속된다면, 수소 연료 전지 선박의 상용화는 더욱 가속화될 것입니다.

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