서산 수소충전소.

[투데이에너지 박병인 기자] 수소경제 실현을 위해 민, 관이 힘을 합쳐 수소충전소 박차를 가하고 있는 상황이다. 수소충전소 확충 과정에서 일부 문제점이 발생하기도 했는데 이 중 대표적인 문제가 ‘수소충전시간’이다.

기존 사용하던 연료인 휘발유, 경유, LPG, CNG의 충전시간이 단 몇분 안으로 끝나는데 반해 수소충 전시간은 훨씬 긴 10분~20분 정도가 소요되기 때문이다.

여기에 수소충전시 고질병인 ‘노즐아이싱’ 문제도 충전시간을 지연시키는 요소가 되고 있다. 

수소충전구에 수분이 달라붙어 얼어버리기 때문에 이를 차량으로부터 탈거하기 위해 시간이 더욱 지연되고 있기 때문이다. 뜨거운 공기를 불어넣는 방식으로 녹일 때 최대 10분까지도 소요되고 있어 수소차를 구매한 소비자들의 불만을 사고 있다. 

이와 관련해 한국가스기술공사(사장 고영태)는 충전구 겉면으로 커버를 씌워 안에 질소를 불어넣는 방식으로 수분이 아예 달라붙지 못하도록 하는 기술을 개발해 눈길을 끌고 있다. 이에 가스기술공사의 노즐아이싱 방지 기술의 핵심은 무엇인지, 효과는 어느정도 인지 알아봤다. /편집자 주

■–40℃~–33℃ 서 충전, 아이싱 문제 필연적 발생
수소 급속 충전 시 자동차의 수소탱크 압력과 온도가 상승하는 수소의 특성을 고려해 국제충전 규격인 SAE J2601(수소충전 프로토콜)에서는 안전을 위해 충전 온도를 –40℃~–33℃까지 낮춰 충전하도록 명시하고 있다.

이로 인해 대기 중의 수분이 노즐에 달라붙어 얼어버리는 현상이 발생하면서 충전노즐이 탈거 되지 않는다. 이를 녹이는 시간만 대략 5분~10분이 소요되고 있어 수소 차량 구매자들의 불만의 목소리가 높은 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 수소충전소들은 외력에 의한 강제 탈거, 찜질팩 사용, 온수 직접 사용, 건공기 사용 등 다양한 방법으로 아이싱 문제를 해결하고 있지만 실효성은 부족한 상황이었다.

강제로 힘으로 충전노즐을 탈거 할 경우, 수소 차량의 노즐이 손상될 가능성이 있으며 운전자가 탑승하고 있을 경우에는 차량의 흔들림으로 인해 민원이 발생할 소지가 충분하다.

현재 가장 많이 사용하고 있는 방법은 고온의 공기를 이용해 수소 충전 노즐에 직접 분사하는 방법으로 간편하면서 효과적이지만 연소(폭발)의 3요소인 점화원(스파크), 가연물(수소), 산소(공기) 가 동시에 같은 장소에 존재할 경우 폭발의 위험 성이 있다.

이처럼 기존에는 충전노즐을 탈거하기 위한 방법 자체에 시간상, 안전상 한계가 있는 상황이었다.

■목표치 이상 스펙확보
이에 착안해 가스기술공사는 질소공급시스템을 활용해 노즐아이싱을 방지하는 것을 목표로 ‘가스 치환용 분리막방식의 이동식 질소공급 시스템 고도화’를 주제로 연구용역을 진행했다. 공동연구기 관인 ㈜에어레인과 함께 2017년 12월1일부터 2020년 11월30일까지 36개월 간 진행했다.

성능시험결과 기존 목표치였던 질소유량 100N ㎥/hr, 이슬점 –60℃, 질소압력 0.5MPa, 질소농도 98%를 상회하는 질소유량 1,009N㎥/hr, 이슬점 –80℃, 질소압력 0.6MPa, 질소농도 98.08 등의 스펙을 확보했다.

이에 가스기술공사는 수소충전기 노즐에 커버를 씌우고 그안에 질소를 불어넣어 수분이 달라붙는 것을 원천적으로 차단하는 방식의 기술을 청주 오창 수소충전소에서 실험했다.

12대의 차량을 대상으로 아이싱 테스트를 진행한 결과 연속적인 수소충전을 실시해도 노즐 접속부 내부에 아이싱이 발생하지 않아 실효성을 확인 했다.

■서산 수소충전소 테스트 진행
가스기술공사의 노즐 아이싱 방지기술의 핵심은 노즐커버와 질소발생장치라 할 수 있다.

노즐커버는 수소충전기 양대산맥이라 할 수 있는 WEH사, Walther사의 충전노즐에 모두 적용할수 있도록 개발돼 있는 상태다. 이외에도 노즐 형상에 따라 언제든지 커스터마이징도 가능하다.

질소발생기는 질소발생량 2N㎥/hr, 5N㎥/hr의 두가지 버전이 있다. 스펙은 공통적으로 질소 농도는 98% 이상, 압력은 0.5mPA, 탱크용량은 0.2㎥, 이슬점은 –40℃ 등이다.

또한 전기사양은 380v, 3hp, 2.5kW이며 인버터 설치 시 220v도 가능하고 소음은 50dB, 구성은 압축기, 필터, 드라이어, 분리막모듈, 질소탱크 등으로 이뤄져 있다.

가스기술공사 소속의 서산 수소충전소에서도 성능테스트가 진행됐다. Walther사가 제작한 수소 충전 노즐에 간이커버를 노즐에 장착하는 방식으로 확인했으며 테스트기간은 2021년 3월16일부터 3월31일까지 실시해 실효성을 확인하고 현재는 정식 노즐커버가 적용돼 있는 상태다.

■WEH사, Walther사 노즐에 모두 적용가능
앞서 설명했듯 가스기술공사는 수소충전소 노즐시장을 양분하고 있는 WEH사, Walther사 모두 대응 할 수 있도록 커버를 개발해 놓은 상태다.

다만 Walther사의 노즐에는 적용되는 커버를 개발하는 과정에서 다소 어려운 점이 존재했었다.

WEH사는 노즐 내부에 공압배관이 있어 질소나 뜨거운공기를 불어 넣을 수 있었으나 Walther사의 충전노즐은 내부에 공압배관이 없어 커버를 제작 하는데 어려움이 있었던 것이 사실이다.

가스기술공사는 이러한 기술적 어려움에도 불 구하고 Walther사의 수소 충전노즐의 결빙문제를 해결할 수 있는 장치를 추가 개발했다.

현재 WEH사 버전의 충전커버는 충북지역 오창, 도원, 삼보 수소충전소 3기, 경기 평택 1기, 충남 서산에 1기씩 설치돼 있으며 Walther사 충전 노즐버전 커버는 서산 수소충전소에 설치돼 수소 충전소의 고질병이었던 노즐 결빙현상을 해결하고 있다. 모두 노즐 결빙문제를 깨끗이 해결해 충전시간을 단축시킴으로써 수소충전소를 이용하는 소비자들의 호응을 이끌어 내고 있는 것으로 전해 졌다.

■비싼 초기가격? 설치 후 장점으로 해결
가스기술공사의 노즐아이싱 방지 기술은 장점이 많은 것은 사실이나 장비를 도입하는데 다소 비싼 가격이 단점으로 지목되고 있다.

이에 대해 가스기술공사의 관계자는 “초기비용이 다소 비싼 것은 사실이나 설치 후 경제성, 안전 성, 효율성 측면에서 장점이 많다”라고 설명했다.

먼저 질소발생장치 2N㎡/h 기준 전기사용량은 2.2kWh로 하루 평균 10시간 운영하는 수소충전소에 적용 시 전기세는 2,000원 수준으로 상당히 저렴하다.

이는 열을 활용하는 히팅방식과 비교해 상당히 저렴한 전기료만 발생하는 셈이다. 대체적으로 전기제품은 열을 활용하는 제품일수록 전기소모량이 높은데 가스기술공사의 질소공급방식은 전기 세가 저렴하다.

또한 소음발생량도 50dB정도로 타 기술보다 소 음이 적게 발생하고 있다.

특히 질소는 불연성 기체로 수소충전소 설비동에 장착된 AOV밸브의 작동 기체로 안전하게 사용할 수 있다. 비활성 기체인 질소는 독성이 없고 인화성이 없어 상당히 안정적인 기체 중 하나로 꼽힌다.

여기에 차량 타이어 질소 충전에도 활용할 수있다는 점도 장점이다. 질소의 경우 일반 공기보다 자연누출양이 적어 많이 사용되고 있다.

가스기술공사의 관계자는 “질소 충전의 경우 카센터에서는 추가 비용이 발생하지만 질소 발생장 치가 설치돼 있다면 무료로 충전할 수 있다는 장점이 있다”고 설명했다.

향후 가스기술공사는 수소충전소 구축 시 발생할 수 있는 문제점을 파악하고 분석해 안정적이고 안전한 수소충전소를 구축해 나갈 계획이며 질소 발생장치의 초기 설치비용을 낮출 수 있도록 노력해 나갈 전망이다.

현재 충청북도 내 운영 중인 수소충전소(청주 수소충전소, 충주 연수수소충전소)에서는 고압용 기에 대한 안전점검이 진행되고 있다.

한편 가스기술공사는 ‘Direct Filling’ 등 수소충 전기술력 확보에도 열을 올리고 있다.

Direct Filling 고압충전방식이란 저압용기를 사용해 기존방식과 동일하게 320bar로 차압충전하고 이후 700bar(충전율 95%이상)까지 차량충전은 압축기에서 차량으로 직접 충전하는 방식으로 고압용기를 사용하지 않고 대용량 고압수소충전이 가능한 기술이다.

수소버스에 충전이 진행되고 있다.

■ WHE사 노즐 적용, 서산 수소충전소
지난해 12월7일 개소해 본격적으로 운영에 들어간 서산 수소충전소는 수소충전인프라 확충을 위한 각업계의 노력이 들어가 있다.

서산시는 음암면 상홍리에 서산시 수소충전소 건설을 완료하고 본격적인 정상운영을 시작했으며 운영을 국내 최고의 고압가스설비 안전관리 및 유지정비 전문기관인 가스기술공사에 위탁한 바 있다. 서산 수소 충전소는 충남 지역 수소경제 실현의 핵심으로 그 역할을 충실히 수행하고 있다.

2018년도에 환경부로부터 국내 수소자동차 확산의 최적지라는 평가를 받으며 ‘수소버스 시범도시’로 선정된 서산시는 청정환경과 미래산업 선도를 위해 수소 충전인프라 및 친환경자동차 보급을 적극적으로 추진했다. 가스기술공사가 서산 수소충전소를 운영해 나가고 있는 가운데 최근 공사가 개발한 노즐아이싱 기술을 서산 수소충전소에 적용했다.

■충남지역 수소산업 핵심
서산 수소충전소는 지난해 1월 착공에 들어가 12월 완공됐으며 위치는 충난 서산시 음암면 상홍리 916이 다. 대지면적은 2,335m2로 설비동 면적은 273m2, 처리능력은 시간당 67kg의 수소를 처리할 수 있는 능력을 가지고 있다.

충전압력은 70MPa로 충전속도는 버스의 경우 1시 간당 2대, 승용차의 경우에는 1시간당 10대의 차량을 충전할 수 있다.건축주는 서산시청, 발주처는 충남테크노파크, 설비는 광신기계공업이 담당했고 수소충전소의 운영은 현재 한국가스기술공사가 맡고 있다.

서산충전소에는 중압 압축가스설비(52MPa) 2기로 시간당 223kg을 처리할 수 있으며 고압 압축가스설비 (96MPa) 2기는 시간당 67kg을 처리할 수 있다.

중압저장용기(52MPa) 4기는 시간당 95kg를 처리할수 있으며 고압 저장용기(96MPa) 4기는 시간당 118kg를 처리할 수 있다.

수소는 튜브트레일러 이송방식으로 들여오고 있다.

튜브트레일러에서 이송된 수소는 2기의 압축기와 4기의 저장용기를 거치며 400bar까지 승압되며 압력이 증가하면 열이 발생하기 때문에 충전기로 가기전 별도의 냉각과정을 통해 충전기로 전달된다.

냉각과정에서 -40℃~-33 ℃까지 냉각시키며 이 과정에서 별도의 조치없이 충전이 진행될 경우 노즐에 수분이 달라붙어 얼어버리는 ‘노즐 아이싱’이 발생한다.

노즐아이싱은 수소충전시간을 지연시키는 일종의 ‘고질병’ 같은 것으로 비가 오거나 여름철 등 습한 기후에 더욱 기승을 부리는 현상이다.

이를 방지하기 위해 가스기술공사는 노즐에 커버를 씌워 질소를 분사하는 형태의 노즐아이싱 기술을 개발했으며 현재 오창, 서산, 제천 등의 수소충전소에 적용하고 있다.

■노즐아이싱 방지, 질소발생기·노즐 커버로 구성
서산 수소충전소의 충전기는 총 3기로 분당 4kg를 처리할 수 있는 능력이 있다.

현재 수소충전소 3기 중에서 가운데 위치해 있는 B충전기에 가스기술공사의 노즐아이싱 방지 기술이 적용돼 있는 상태다.

노즐아이싱 방지기술의 핵심은 질소발생기와 노즐 커버에 있다. 질소발생기는 서산 수소충전소 사무동 뒤편에 자리 잡고 있었으며 우려와 달리 비교적 큰 소음이 발생하지는 않았다. 

제로 가스기술공사가 개발한 질소발생기의 소음발생량은 50db 수준으로 양호한 편이었다.

서산 수소충전소는 WHE 사의 노즐이 아닌 Walther사의 노즐이 적용돼 있다. WHE사의 노즐의 경우 결빙을 방지하기 위해 노즐 내부에 공압배관이 설치돼 있다. 반면 Walther사의 경우 이같은 공압배관이 없어 노즐아이싱 문제에 대응하기 어려운 실정이었다.

이에 가스기술공사는 최근 Walther사의 수소 충전 노즐에도 적용할 수 있는 커버를 개발해 현재 서산 수소충전소에 적용했다. 커버안에 건조한 질소를 불어넣어 원천적으로 수분이 달라
붙은 것을 방지하는 방식이다.

충전을 위해 서산 수소충전소에 진입한 수소 버스에 가스기술공사의 노즐아이싱 기술이 적용된 B 충전기를 활용해 수소충전을 진행했다.

수소 완충까지 약 10여분이 소요된 뒤 별도의 해빙작업없이도 쉽게 노즐이 탈거 되는 것을 확인할 수 있었다.

기존 수소충전소에서는 노즐의 결빙을 녹이는 데 최대 10분이 소요됐던 것에 비해 큰 노력을 기울이지 않고도 상당한 충전시간을 단축시 키고 있는 것이었다.

가스기술공사의 간편하고 진보적인 노즐아이싱 방지 기술이 향후 수소시장에서 확대될 것으로 기대되고 있는 상황이다.