수소 스테이션
-발생장치ㆍ고압압축기 등 6가지 요소 구성

  국내 수소스테이션 기술개발 현황

  수소에 관한 연구는 크게 제조, 저장, 이용에 관한 것으로 요약된다.

  이러한 수소의 제조, 저장, 이용을 가능케 하는 인프라로 수소충전소가 단연 각광을 받고 있는데 수소충전소는 단순히 만들어진 수소를 저장하는 장소가 아니라 수소를 직접 제조하고 저장하며 이용할 수 있는 시스템을 의미한다.

  수소를 생산하는 방법 중 수소충전소는 대부분이 천연가스를 매개로 해 수소를 생산하는 방법을 택하고 있다.

  수소충전소는 연료전지 자동차의 운행을 위한 수소공급 인프라로, 현재 구축돼 있는 대부분의 실증용 수소충전소는 압축 수소방식의 저장법을 사용하고 있다.

  수소충전소의 종류는 수소제조 방식에 따라 구분할 수 있으며 현장에서 수소를 생산하는 현장생산 방식과 원격지에서 생산된 수소를 수송해 공급하는 방식 등 2가지로 구분할 수 있다.

  이러한 수소제조 방식은 운영하는 수소충전소의 목적에 따라 달라지며 수소 제조기술 개발 및 수소공급 인프라 실증을 위한 수소충전소는 현장생산 방식을 주로 사용하고 있고 연료전지 자동차 실증운행 및 모니터링에 중점을 두는 수소충전소는 원격 생산 방식을 취하고 있다.

1. 수소스테이션의 기술개발 필요성

  미래 수소 경제의 실현을 위한 핵심 기술은 연료전지 자동차로 대표되는 연료전지 기술과 이를 운용하기 위한 수소를 생산, 저장, 공급하는 수소 인프라 구축 기술로 구분할 수 있다.

  현재와 같은 방식으로 수소를 생산할 경우, 대량생산에 의한 중앙 공급 방식이 수소 원가의 측면에서 높은 경제성을 가지나, 과도한 배관망의 투자비로 인해 초기단계에서는 적절하지 않다.

  따라서 수소 인프라 구축을 앞당기기 위하여 초기 단계에서는 소규모 분산 방식에 의한 수소 생산이 필요하며, 또한 향후에도 수소생산기술의 발전 및 생산된 수소의 활용에 따라서 중앙 및 분산 방식으로 수소를 공급하는 수소스테이션이 같이 병립할 것으로 예상된다.

  본고에서는 세계 각국에서 활발히 진행 중인 수소스테이션 건설 현황과 국내의 진행 상황 및 주요 기술적 항목들에 대하여 살펴보고자 한다.

2. 외국 수소스테이션 기술개발 동향

  각국의 연료 인프라나 지리적 여건에 따라 다양한 형태의 수소스테이션이 개발되고 있다. 북미와 유럽은 주로 물 전기분해 방식을 채택하고 있으며, 일본의 경우는 LNG, LPG, Naphtha, Kerosine 등의 화석연료를 이용한 수증기 개질 방식을 채택하고 있다. 생산된 수소는 액상 또는 고압 기체 방식으로 저장될 수 있으나, 현재 고압 기체 저장 방식이 효율의 측면에서 유리하다.

  <표 1>은 세계의 수소스테이션 건설 현황을 나타내었다. 미국과 유럽의 경우 대규모 연료전지 자동차 실증 사업과 동시에 진행되고 있으며, CaFCP(California Fuel Cell Partnership), CUTEProject (Clean Urban Transport for Europe) 등이 대표적이다.

  일본 역시 JHFC Project (JapanHydrogen & Fuel Cell Demonstration Project) 등을 통하여 활발히 진행하고 있다. 국내의 경우도 올해부터 산자부 수소?연료전지사업단에서 현대자동차의 연료전지 자동차와 국내에 설립 되고 있는 수소스테이션들을 연계한 Monitoring 사업을 시작하였다.

<표1> 외국의 수소스테이션 건설 현황

출처 : www.fuelcells.org, Worldwide Hydrogen Fueling Stations, 2004년

    * 정부지원 총 사업비(240억원/3년) 중 수소스테이션 건설비(약25억원/기 *4기)

4. 수소스테이션 구성요소 별 국내 개발 현황

  수소스테이션은 크게 수소제조장치, 고압 수소Compressor 및 저장 System, 그리고 Dispenser로 이루어진다.

가. 화석연료를 이용한 수소제조장치

현재 수소스테이션의 수소제조는 주로 LNG, LPG, Naphtha, Kerosine 등의 화석 연료를 Fuel Processor를 통하여 개질하는 방법과 물을 전기분해하는 방법에 의해서 이루어진다.

  Fuel Processor는 Refomate를 제조하는 Reforming System과 고순도 수소를 분리하는 PSA (Pressure Swing Adsorption)로 구성된다.

  Fuel Processor는 <표 3>에서와 같이 대형 Hydrogen Plant에 비해 상시 Star-Up 및 Shut-Down이 가능해야 하고, 자체 열 회수를 통하여 Feed인 Steam을 생산하여야 하며, 제한된 공간에 설치가 될 수 있도록 Compact하게 개발되어야 한다.

  Reforming System은 통상 상압과 고압 (< 10기압) 방식이 있다.

  상압 Reforming System은 상압 Reformate를 원료로 하는 MCFC나 SOFC에 적용될 수 있다.

  그러나 수소스테이션용 순수 수소를 생산하기 위해서는 PSA 분리장치를 거쳐야 하며, 이때 적어도 5기압 이상의 압력이 필요하므로 Reformate 압축을 위한 Syngas Compressor가 필요하나 고가의 장비이다.

  고압 Reforming System은 이와 같은 단점을 보완하고 있으므로 수소스테이션 용으로 적절하다.

  Fuel Processor 용으로서 Reforming System이 갖추어야 할 주요 요건들은 효율, 내구성, 운전용이성, 가격 등이다. 특히 Reforming 조건이 가혹하므로 특히 내구성에서 많은 검토가 수반되면 서 개발되어야 한다.

  세계적으로 Reforming System을 개발 제작하여 판매하는 회사는 50여개 정도이나, 기술적인 검증을 거친 회사는 Harvest, Osaka Gas, Rutgers, Mahler 정도이다. 국내에서는 한국가스공사와 한국에너지기술연구원이 상압 LNG Reforming System을 개발하고 있다.

  (주) SK는 상압 LNG Reforming System 개발을 금년 완료하였으며, 현재 고압 LNG 및 수소스테이션용 고압 LPG Reforming System을 개발하고 있으며 내년에 완료할 예정이다.

<표3> 대규모 수소 제조 공정과 Fuel Processor의 비교

나. 고압 수소 Compressor 및 Dispenser

  고압 수소 Compressor 및 Dispenser는 수소스테이션의 주요 구성 요소이며, 도입 가격도 높아 전제 장치비용에서 큰 비중을 차지한다.

  (주) SK에서는 현재 450 기압까지 압축할 수 있는 고압 수소Compressor를 도입하여 스테이션에 설치 예정이다.

  수소?연료전지사업단에서는 본 Compressor의 국산화 기술개발 계획을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.

  Dispenser는 산업자원부(지식경제부) 주관 국책과제의 일환으로 (주)덕양에너젠이 개발 중에 있다

5. 결론

  수소스테이션은 연료전지 자동차와 연계되어 미래 수소경제 실현을 위한 핵심기술이다. 미국이나 유럽, 일본에서는 CaFCP, CUTE, JHFC 등의 실증사업을 통하여 수소스테이션을 건설하고 있다.

국내에서도 금년부터 연료전지 자동차와 건설 중인 수소스테이션 연계하여 Monitoring 사업을 시작하였다.

  수소스테이션의 주요 구성요소는 수소제조장치, 고압 수소 Compressor 및 저장 System, 그리고 Dispenser 이며, 구성요소 모두 현재 국내 기술개발 중이거나 계발 계획을 가지고 있다.

  따라서 수년 내에 수소스테이션의 기술자립이 가능할 것으로 판단된다.

  그러나 개발된 구성요소들이 제품 국산화로 이어지기 위하여 성능이나 가격 면에서 세계 경쟁력을 가져야 한다.

◇수소충전소의 주요 구성요소

  수소충전소의 기본적인 구성은 수소발생장치, 고순도 수소 분리시스템, 고압압축기, 고압 저장조 및 주유시스템, 동력발생기 등 6가지 중 일부의 조합으로 이루어 진다.

  수소경제 진입 초기에 공급 가능한 현장 생산 수소제조방식은 화석연료의 개질 기술과 물 전기분해 기술이 적용될 수 있다.

  화석연료 개질기술은 고순도 수소발생장치로 수소생산용 개질기 및 고순도 분리장치를 채택하고 있으며 물 전기분해 기술의 고압압축, 저장 및 주유 시스템 구성은 동일하다.

◇수소충전소 국내 구축현황

◇해외 수소충전소 구축 현황

  전 세계적으로 2000년 이후 수소충전소 구축이 활발하게 이뤄지고 있으며 2005년을 기준으로 미국(26개), 독일(11개), 일본(11개), 캐나다(6개), 스웨덴(3개), 벨기에(2개) 등이 앞다퉈 수소충전소를 설치하고 있다.

  이 중에서도 일본, 미국, EU 등이 가장 대표적인 국가라 할 수 있다. 우선 일본은 오는 2020년 연료전지 자동차의 본격 보급 단계까지 연료전지 자동차 500만대, 수소충전소 3500개소를 보급한다는 적극적인 목표를 설정하고 연료전지 자동차, 수소충전소 기반 정비와 기술실증 시험을 실시했다.

  미국은 지난 1999년부터 4년 계획으로 공공도로에서의 연료전지 승용차와 버스의 운행 실증을 통해 실제적인 코드 및 표준화 촉진, 일반인에 대한 교육을 실시하고 있다.

  2005년 기준으로 65대의 연료전지 자동차와 15개소의 수소충전소가 캘리포니아주에서 운영되고 있으며 점진적으로 보급을 늘려 나간다는 계획이다.

  유럽 역시 연료전지 버스 실증 프로그램을 통해 33대의 연료전지 버스를 11개 도시에 운영하고 있으며 도시별로 다양한 방법으로 제조된 수소를 사용하는 수소충전소를 보유하고 있으며 유럽의 대표적인 기업들이 상용화를 위해 프로젝트에 깊숙이 참여하고 있다.

업체동향
-국내 수소압축기 제조업체 동향

내수 및 해외 시장으로의 공격적 마케팅 추진

  현재 100억원 정도의 규모를 보이고 있는 국내 수송충전용 고압 압축기 시장이 오는 2012년 800억원, 2020년 1조1,000억원을 웃돌 전망인 가운데 월드파워텍(주)과 광신기계공업(주), (주)지티씨 등 수소 압축기 생산업체들이 국내는 물론 해외 시장으로의 시장 확대를 추진하고 있다.

  국내 최초로 개발한 CNG압축기를 개발하여 국내 뿐만 아니라 해외에 공급하고 있는 광신기계공업은 2006년에 1,000만불 수출의 탑을, 지난해에는 국내 압축기 업계 최초로 ‘2,000만불 수출의 탑’을 수상했다.

  동사는 2006년 수소압축기 시장에도 진출, 수소 스테이션용 다이아프램 압축기 개발에 참여하고 있다.

  한편, 신일지티씨에서 지금의 상호로 변경하고 수소 및 CNG압축기 사업을 본격화하기 위해 부설 연구소 설립에 나서는 등 활발한 활동을 전개하고 있는 (주)지티씨는 연구소 설립을 통해 각종 압축기 설계 및 개발 시스템을 강화하고 있다.

  동사는 1998년에는 당시 국내 최초로 수소용 고압(450HP×69㎏/㎠)가스 압축기를 제작하여 울산 코리아PTG에 설치한 바 있다.

  1990년 세계물산으로 설립, 2005년 6월 수소순도 99.99%, 용량 800N㎥/hr, 압력 200kg/c㎡G의 수소압축기를 국내 최초로 국산화 개발하고, 같은 해 7월에 산업자원부(지식경제부) 중점지역 산업기술개발산업 수소충전용 왕복동식 압축기 개발과제지정업체로 선정되어 2008년까지 년간 45억원의 지원을 받고 있는 월드파워텍은 2006년 9월 수소압축기의 가스누출방지시스템을 실용신안 출원한데 이어 지난해에는 수소 압축기용 크랭크케이스 디자인 등록을 완료했다.

  2000년도에 비접촉식 피스톤, 산업용 공기 압축기의 역회전 시베어링 보호 유니트 등으로 실용신안을 획득하였고 최근에는 고압 천연가스 압축기, 고압 천연가스 압축시스템으로 실용신안을 획득하였다.

  광신기계공업이 생산하는 대표적인 압축기는 왕복동식 압축기와 스크류식 압축기, P.E.T Bottle용 고압 압축기, CNG충전시스템, 가스 터보 압축기, 진공펌프 등이다.

  최근에는 수소스테이션용 다이어프램(Diaphragm) 압축기를 개발 하고 있다.

  특히 광신은 오랫동안 독자적인 압축기 생산 기술력을 바탕으로 우리나라 실정에 맞는 CNG압축기를 개발, 2001년 12월부터 상업생산에 들어가 그 이듬해 3월 CNG압축기에 대한 실용신안 등록과 9월에는 CNG압축기 국산화 공로로 석탑산업훈장을 수훈하기도 했다.

  국내 CNG충전소 설립 증가와 보조를 맞춘 광신기계공업의 압축기는 국내 뿐만 아니라 동시에 동남아 시장 등 해외시장에서도 호평을 받기 시작했다.

  2000년 국내 최초로 개발한 CNG압축기를 국내 뿐만 아니라 해외에 공급하고 있는 광신기계공업은 2006년에는 1,000만불 수출의 탑 수상에 이어, 제44회 무역의 날 행사에서 국내 압축기 업계 최초로 ‘2,000만불 수출의 탑’을 수상했다.

  태국, 파키스탄, 방글라데시, 인도네시아, 말레이시아, 이란 등 동남아 시장은 물론 콜롬비아, 러시아, 우즈베키스탄 등 전 세계로 압축기를 수출한 결과이다.

  이 회사의 해외시장 진출은 오래전 준비단계를 거쳐 결실을 얻고 있다.

  지난 1996년 인도네시아에 지사를 설립한 것을 시작으로 일본 미쿠니 중공업과 투자 계약을 체결했다.

  2000년 뉴질랜드 인터맥사와 공동으로 CNG충전시스템 사업 진출 등으로 해외시장에 대한 철저한 시장조사와 체계적이고 지속적인 마케팅을 펼침으로써 수출 증대라는 결실을 얻고 있다.

  지난해 국제유가의 급등으로 각국이 석유제품보다 에너지부담이 적은 가스제품을 선호함에 따라 태국, 중국, 인도네시아, 말레이시아 등 동남아시아와 러시아, 콜럼비아에서의 CNG충전소 설립 증가가 올해도 계속될 전망이다.

  따라서 이들 지역에 대한 CNG압축기 수출확대를 위해 전시회 참가 등 공격적인 마케팅으로 경쟁사들의 추격을 뿌리친다는 전략이다.

  광신기계공업의 제품이 국내외에서 인정을 받고 있는 것은 기술연구소를 중심으로 매년 업그레이드된 신제품 개발이 뒤따르고 있기 때문이다.

  광신기계공업이 자랑하는 국산 왕복동식 고압 CNG압축기(Reciprocating CNG Compressor)는 내압형 크랭크 케이스(Crank case)로 실린더로부터 누설된 CNG가 크랭크 케이스내에서 흡입돼 가스누설이 전혀 없고 설치면적이 수입제품보다 50% 이상 적다.

  공기 압축기에서부터 가스 압축기에 이르기까지 소재 선정과 설계, 조합, 조립, 검사에 이르기까지 세계 최고의 기술을 보유하겠다는 의지가 남다르다.

  아울러 광신기계공업은 최후의 순간까지 고객들의 불편을 해소한다는 기업정신으로 사후관리에도 빈틈이 없다.

  국내시장은 본사와 서울영업소를 중심으로 전국 12개의 대리점을 통해 전국 어디든지 광신의 순정부품을 통해 일일 서비스가 가능하며 세계 시장에서도 어디에서든지 하루 이내에 고객지원이 이루어질 수 있도록 준비되어 있다.

  2006년, 광신기계공업은 수소압축기 시장에도 진출, 수소 스테이션용 당아프램 압축기를 개발하고 있다.

  현재 에너지 시장에서 볼 때 석유를 대체하는 신에너지기술이 수소를 사용하는 완전 무공해 에너지로 가는 것은 확정적이며 각 정부나 기업이 혼신의 노력을 하고 있고 이러한 현상이 세계적인 추세이다.

  그러나 현재 수소 스테이션용 다이아프램 압축기는 전량 수입하고 있는 것이 국내 실정이다. 광신기계공업에서 성공적인 개발이 완료되면 연간 500억 원 이상의 수입대체 효과가 있을 것으로 여겨진다.

  또한, 세계적으로는 활성화되지 않은 시장이므로 활성화 될 시에는 시장을 선점하는 효과도 있을 것으로 전망하고 있다.

  월드파워텍의 경쟁력은 단연 다양하고 광범위한 신기술을 보유하고 있다는 것이다.

  97년 7월 현대중공업의 LNGC선박용 어헤드 메인 스팀 터빈용 스톱밸브 어세이 국산화 개발을 시작으로 99년 11월에는 카고 오일펌프 구동용 스팀 터빈 시스템 초도품, 2000년 3월에는 한국중공업 미국 GE사 가스터빈용 팩킹 박스, 2003년 9월에는 풍력발전기 베어링 하우징 개발, 현재 일본 미쯔비시 유조선용 터빈 오일구동펌프(COPT) OEM 생산 등 그 연구개발 실적은 셀 수 없을 정도이다.

  이러한 노하우를 바탕으로 월드파워텍은 약 1년 3개월간의 연구 끝에 2004년 12월 CNG압축기 개발에 성공함으로써 천연가스 충전설비 분야로까지 사업영역을 확대했다.

  월드파워텍이 개발한 CNG압축기는 흡입압력 2.5~5.0KG/CM2G, 토출압력 255 KG/CM2G, 용량 1,108Nm3/hr, 모터동력은 190KW(HP)이다. 따라서 국내에서 사용 중인 어떤 제품과 비교해도 전혀 손색이 없는 제품이다.

  월드파워텍의 이러한 CNG압축기는 현재 인도, 인도네시아, 파키스탄, 캄보디아, 미얀마 에서도 호평을 받고 있다. 특히 캄보디아는 CNG압축기 뿐만 아니라 충전소 전부를 턴키방식으로 공사를 진행 중이다.

  월드파워텍은 수소압축기 개발에도 적극적이다. 동사는 산자부(지식경제부), 과기부, 환경부 등에서 수소에너지 관련 분야에 대한 연구를 주요 정책 사업으로 선정하여 활발하게 추진하고 있다. 또한 한국가스공사, GS칼텍스, SK 등 일부 대기업에서도 수소스테이션 기술개발 및 실증연구에 박차를 가하고 있는 등 본격적인 수소경제시대의 도래가 예견됨에 따라 수소압축기 개발에 착수하였다.

  이렇게 개발한 수소압축기는 압력 20Mpa, 동력 150마력, 800N㎥/hr급 대용량으로 2005년 11월에 덕양에너젠 대산공장에 설치해 성공적으로 운전 중이다.

  월드파워텍이 개발한 수소 고압압축기는 압축 성능은 외국 제품과 비슷하지만 가격은 30% 정도 싸다.

  이 회사는 또 360㎏/㎠의 수소를 압축,250∼300㎞를 달릴 수 있는 차세대 수소충전용 압축기 개발 중이다.

  지식경제부(산업자원부) 중점개발 과제로 선정돼 사업비 52억원을 지원받아 개발 중인 이 압축기는 오는 2009년 6월 상용화 될 예정이다.

  동사는 또 수소 자동차의 주행거리를 늘릴 수 있는 700㎏/㎠와 1100㎏/㎠용 수소 압축기를 개발해 세계적인 수소 압축기 전문회사로 도약할 방침이다

  지난 1990년 설립된 월드파워텍은 주로 발전설비와 공작기계, 유조선 카고 오일펌프 구동용 터빈과 제철설비 등을 생산, 매년 30% 이상 매출이 늘어나고 있는 창원소재 벤처기업이다.

  월드파워텍은 압축기 분야 세계 5위 기업으로 도약한다는 목표 아래 수소충전용, 화학플랜트 공정용, 프랜트 리사이클용, 패트 압축기 등 광범위한 압축기 전문 메이커로 성장하겠다는 야심찬 목표를 가지고 있다.

Tel 055-238-0085
www.gowpt.com

  또한 일본 IHI중공업에 OEM으로 암모니아 압축기를 제작, 납품했으며 일본 IHI중공업 BOG 압축기사업부로부터 통영 LNG기지 BOG압축기 제작용 주요 부품을 다량 수주해 납품하는 등 압축기에 대한 기술력을 축적해 왔다. 지티씨는 또한 스크루와 진공펌프, 밸브와 액세서리도 생산 중이다.

  아울러 지난해 9월에는 경남 함안군으로부터 압력용기 및 저장탱크에 대한 특정설비제조업 허가를 받아 10월 한국가스안전공사의 완성검사를 받은 바 있다.

  지티씨는 압축기에 관한 설계와 제작에 대한 기술력이 풍부하게 축적되어 있으며, 고객의 어떠한 요구에도 충분하게 부응할 수 있는 업체로서, 이러한 내용은 전국의 주요 산업체에 설치된 납품실적을 통해서 확인할 수 있다.

  한편 지티씨는 앞으로 국내외 전시회 참여 등으로 기존의 압축기 외 터보 압축기 및 수소와 CNG압축기에 대한 마케팅을 강화해 나갈 방침이다.

Tel 055-587-8877
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