수소자동차시대로 가는 안전한 도로, 그 길을 닦는 측정표준
그동안 100여 년의 자동차 역사는 가솔린과 디젤 등 화석연료를 바탕으로 발전해왔다. 그러나 2000년대에 접어들며 환경자동차로 불리는 하이브리드카가 등장했고, 최근에는 100 % 전기로 움직이는 전기차도 나왔다. 근시일 내에 수소연료전지자동차도 상업화 될 예정이다. 이처럼 다양한 자동차 에너지원이 속속 등장하며 미래자동차의 향방에 관심이 집중되고 있는 가운데, 충전 시간이 길고 주행거리가 짧은 전기자동차보다 수소자동차의 대중화가 더 빠를 것이라는 예측이 나오고 있다. 

미래 자동차시장의 패권을 노리는 수소연료자동차
현재 수소를 이용한 자동차는 수소연료를 직접 연소시켜서 작동하는 수소자동차와 수소로 전기를 만들어 이를 활용하는 수소연료전지자동차로 구분된다. SOX나 NOX와 같은 배기가스를 배출하는 가솔린(휘발유)이나 디젤(경유)연료와 달리 수소를 연료로 사용하는 자동차는 배기구로 물밖에 배출하지 않는다. 이미 벤츠, BMW 등에서 수소자동차 모델을 개발해 선보였지만 고가이다 보니 상용화까지는 시일이 걸릴 것으로 보인다. 이에 비해 수소연료전지자동차의 상용화는 아주 가까이 다가와 있다. 국내 자동차 회사들도 이미 수소연료전지자동차 양산체제를 구축하고, 생산 및 판매 계획까지 수립한 상황이다. 이렇게 기술적으로는 실용단계에 와있지만 실제 상용화를 위해서는 몇 가지 해결해야할 과제가 남아있다. 수소연료전 지자동차에 대한 제반 기준의 마련, 충전소 등 인프라 확충, 수소가스의 안전한 공급(저장, 운반)을 위한 기술 확보가 필요하다.  

과제와 대책, 그리고 표준
“문제는 연료전지의 수명인데 현재 중간적 단계지만 기술적으로 많이 접근해 있습니다. 또 하나의 문제가 수소가스를 대량으로 안전하게 수송하고 저장하기 위한 기술을 확보하는 것입니다. 수소가스를 저장, 수송하기 위한 제반기술과 수소가스를 이용하기 위한 법적, 제도적 장치 마련을 위한 기술적 자료가 필요 하죠.” 자동차 회사에서 당장 완벽한 수소연료전지자동차를 생산한다 해도 수소가스를 수송하는 파이프나 튜브 트레일러, 충전소의 안전성이 검증되지 않으면 ‘그림의 떡’이나 마찬가지. 이러한 검증을 수행하는 곳, KRISS 에너지소재표준센터의 백운봉 박사를 만났다.  

“수소는 크기가 매우 작아서 고압환경에서 금속재료에 침투하여 확산되기 쉽습니다. 그러면 수소취화현상이 일어나 작은 충격에도 쉽게 파손 될 수 있죠. 파이프나 수소충전소의 저장탱크 재료에 대해 수소취화현상이 일어나는지 여부를 평가해줘야 합니다. 그런데 재료마다 화학성분 함량과 특성이 모두 다르기 때문에 수소취화현상에 대한 면밀한 검증이 필요합니다. 일부 알루미늄 합금이나 스테인리스강 같은 경우 큰 문제가 없다고 밝혀진 재료지만 압력을 어디까지 견딜 수 있는지도 테스트해야 하죠.”

기존에는 이러한 재료시험 평가를 해외 인증기관에서 받아야 했다. 하지만 KRISS에 수소안전연구동이 건설되면서 국내에서 평가할 수 있게 된 것. 수소안전연구동에서는 수소의 생산·수송·저장·이용설비의 안전성 확보를 위한 다양한 연구를 수행하고 있다. 즉 설비재료의 수소 손상 민감도 측정기술을 개발하고, 직접 수소 누출 측정을 실시하는 한편, 축적된 측정 데이터를 토대로 한국형 수소설비의 설계표준을 마련하고 있다. 수소안전연구동의 실질적 설계를 맡았던 백운봉 박사는 미국과 일본을 방문해 연구시설을 직접 보고 해당 전문가들을 만나 정보를 얻어가며 한국형 수소안전연구동을 설계했다.  

수소안전연구동은 고압으로 압축된 수소가스 환경 속에서 재료의 특성을 측정할 수 있게 특수 설계된 장치들이 있는데 ‘230 MPa 초고압 압축기’를 비롯해, 초고압 수소가스 환경에 재료를 장시간 노출시켜서 특성 변화를 관찰하기 위한 ‘초고압 수소 취화조’, 초고압 수소가스를 가둘 수 있는 ‘초고압 오토클레이브 융합 재료역학시스템’ 등을 갖추고 있으며, 수소누출 상시감시 및 긴급 차단/배출 시스템, 방폭 안전장치 및 방폭벽이 완벽하게 구현된 고압시험구획과 수소재료 시험이 원격으로 제어되도록 한 제어실로 구성되어 안전한 수소연구가 가능하다. 국내 유일의 설비이자 세계적으로도 기술 및 시설면에서 최고수준으로 꼽힌다.  

‘표준’이라는 안전한 도로
국내 자동차 업계가 전격적으로 수소연료전지자동차 사업에 나선 가운데 KRISS 에너지소재표준센터에서도 관련된 다양한 연구를 진행하고 있다. 현대자동차에서 출시를 앞두고 있는 수소연료전지자동차의 밸브재료 테스트를 수행했으며, 울산 ‘수소타운’ 조성과 관련해 파이프재료 선정에 참여했다. 또한 합성천연가스(SNG)나 수소(H)-압축천연가스(CNG) 혼합연료의 법적근거 마련을 위해수소 함량에 대한 표준 제정도 진행하고 있다.  

“앞으로 수소연료전자자동차가 상용화되면 계속 세부적인 기준들이 필요하게 될 겁니다. 예를 들어 안전을 위해서 수소충전소의 저장탱크 설계기준 결정 이라든지, 탱크의 재료는 어떤 것을 쓰고 두께는 얼마로 할 것인가 같은 기준들이죠.” 수소를 이용한 자동차의 실현을 위해서는 아직 기술적으로 해결할 것들이 많다. 가스상 수소의 다음 단계로는 보다 에너지밀도가 높은 액화수소를 연료로 사용하기 위한 안전성 평가연구도 진행하고 있다. 액화수소를 사용하려면 다시 기화시키는 과정을 거쳐야 하는데 자동차의 가감속을 원활하게 하기 위해서는 기화시키는 속도를 제어하는 기술은 물론 20K(영하 253 °C)의 극저온 상태의 액화수소를 안정적으로 저장하는 기술도 필요하다. KRISS는 현재 가스상 수소에 대한 연구 장비 2대를 운용하고 있으며, 추가하여 액화수소 내에서 시험할 수 있는 설비를 구축하고 있다. 이 설비가 구축되면 액화수소 환경에서 수소 손상 민감도를 측정할 수 있는 능력을 갖추게 될 것이다.  

기술적 문제와 더불어 넘어야 할 또 다른 산은 국민들의 인식이다. 수소연료충전소를 위험시설이라고 생각하는 선입견을 바로잡기 위해서도 과학적인 근거, 즉 표준이 반드시 필요하다. “일반적으로 수소에 대한 막연한 두려움이 있어요. ‘수소’ 하면 ‘수소폭탄’을 먼저 떠올리거든요. 하지만 수소는 개방된 공간에서는 폭발하기 어려워요. 물론 ‘위험하지 않다’고 말로만 해서는 안 되겠죠. 그래서 표준을 제시하는 것이 중요합니다.” “저희가 하는 일이 극한 환경을 선도해가는 거예요. 사람들이 위험하다고 생각하는 것을 연구하니까요. 그러려면 다른 기술들이 실현되기 전에 제일 먼저 표준을 마련해놔야 해요. 그런 점이 힘들지만 한편으로는 재미도 있고 뿌듯합니다.” 화석연료를 대신할 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 수소. 하지만 비용과 성능, 그리고 무엇보다 안전이 확보돼야만 수소자동차시대가 열릴 수 있다. KRISS 에너지소재표준센터는 늘 그 선두에서 ‘표준’이라는 탄탄한 도로를 닦아놓을 것이다.