수소 저장 탱크 기술 동향 – 고압식 vs 액화식 비교와 향후 과제

이 글에서는 수소 저장 기술의 핵심인 고압 기체 저장 방식(Type I~IV 복합탱크)과 액화 수소 저장 방식(-253℃ 극저온 저장)을 비교하고, 향후 상용화 과제 및 기술적 진화를 분석한다. 현재 수소 모빌리티 및 플랜트 산업은 700bar급 고압 탱크가 주류지만, 장기적으로는 액화 및 금속수소화물 저장으로의 전환이 진행 중이다.

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1. 수소 저장의 기술적 배경

수소(H₂)는 단위 질량당 에너지 밀도가 높지만, 기체 상태에서는 부피당 에너지 밀도가 매우 낮다.
이 때문에 저장 효율이 산업화의 가장 큰 병목이다.
현재 상용 기술은 크게 세 가지로 분류된다.

1. 고압 압축 저장 (Compressed Gas Storage)
2. 액화 저장 (Cryogenic Liquid Storage)
3. 고체 저장 (Metal Hydride, Adsorption)

이 중 실질적 상용화는 1, 2번이며,
자동차·발전소용 수소 공급망 대부분이 두 방식을 병행 중이다.

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2. 고압식 저장 탱크 (Compressed Type, Type I~IV)

Structure of Type IV hydrogen storage tank – plastic liner with carbon fiber composite layers

① 구조와 재질

고압식 수소 저장탱크는 ASME Section VIII 및 ISO 11119에 따라
Type I~IV로 분류된다.

구분	구조	재질	최대압력	특징
Type I	금속 실린더	탄소강/알루미늄	~200bar	가장 단순, 중량 큼
Type II	금속라이너 + CFRP 보강	강/탄소섬유	~250bar	가격 저렴, 내구성 중간
Type III	알루미늄 라이너 + CFRP 풀랩	알루미늄+CFRP	~450bar	자동차용 시작점
Type IV	플라스틱 라이너 + CFRP 풀랩	HDPE+탄소섬유	~700bar	경량, 고가, 주류기술

700bar Type IV 탱크가 현재 수소전기차·충전소 표준으로 자리 잡았다.
예: 현대 넥쏘, 토요타 미라이 모두 Type IV 채택.

② 기술적 장점과 한계

• 장점: 빠른 충전 속도(3~5분), 구조 단순, 검증 완료
• 한계: 고압에 따른 누설·균열 위험, 제조단가 높음(약 $30/kg H₂ 저장비용)

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3. 액화식 저장 탱크 (Cryogenic Liquid Hydrogen)

액화수소 탱크 내부 구조 – 진공 단열층을 가진 이중벽 설계

① 원리와 구조

수소를 -253℃ 이하에서 액체 상태로 유지하는 방식.
통상적으로 진공 단열 이중벽 구조(Double-walled vacuum insulated vessel)로 제작되며,
ASME Section VIII Div.1 + KGS AC111 (한국고압가스안전기준)을 따른다.

항목	수치/특징
저장온도	-253℃
저장압력	약 1bar
에너지 밀도	약 8~10 MJ/L (기체의 800배)
재질	STS316L, 알루미늄합금
단열방식	고진공 + 다층 알루미늄 차폐단열(MLI)

② 장점과 단점

• 장점: 고에너지밀도, 대용량 저장·운송 효율 높음
• 단점: 냉각비용(에너지 소모 약 10~13kWh/kg H₂), 기화손실(boil-off loss), 단열 구조 복잡

액화 수소는 모빌리티보다는 플랜트·터미널용으로 확대 중이며,
일본 Iwatani·현대글로비스 등에서 2024년 이후 실증 중이다.

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4. 기술 비교 요약

Comparison of high-pressure and liquid hydrogen storage – pressure, temperature, and vessel structure

구분	고압식	액화식
저장압력	350~700bar	약 1bar
저장온도	상온(25℃)	-253℃
단위용량당 비용	약 30$/kg-H₂	약 15~20$/kg-H₂
충전시간	3~5분	10~15분
주 용도	차량, 소형충전소	플랜트, 해운·대형운송
규격	ISO 11119, SAE J2579	ASME Sec.VIII, ISO 21029

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5. 향후 기술 발전 방향

1. 고압식 경량화
   • 탄소섬유 소비량 20~30% 감축 연구 진행
   • Type V(라이너리스 완전 복합재 탱크) 개발 중
   • 수소 누설 차단용 나노코팅 기술 확대
2. 액화식 효율 개선
   • 액화 에너지 소비율을 30% 이하로 절감 목표
   • 초단열 진공구조 및 냉매 재활용 기술 적용
   • 극저온 펌프 효율 향상 (20→35%)
3. 혼합형 시스템 (하이브리드형 Cryo-Compressed Hydrogen, CcH₂)
   • 고압+저온 혼합저장 (Cryo-compressed Hydrogen, CcH₂) 연구 활발
   • BMW, Lawrence Livermore Lab에서 실증 진행
   • 고밀도(70g/L)와 빠른 충전 모두 달성 가능

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6. 산업적 전망

글로벌 수소 저장 시장은
2024년 약 38억 달러 → 2030년 110억 달러(연평균 18% 성장) 전망.
한국은 현대차, 효성중공업, 일진하이솔루스, 두산이 선도 중이며
액화 라인에서는 한화임팩트·하이리움산업이 실증 프로젝트를 수행 중이다.

정부는 KGS 기준을 기반으로
“수소 저장용 복합탱크 설계 인증 체계”를 ASME 수준으로 고도화하고 있으며,
2035년까지 액화수소 플랜트 10기 이상 구축을 목표로 한다.

한국에서는

• 고압식: 일진하이솔루스, 효성중공업, 두산
• 액화식: 한화임팩트, 하이리움산업, 현대글로비스
  가 주도하며, 정부는 KGS 기준을 ASME 수준으로 고도화 중이다.

정책 방향:

• 2035년까지 액화수소 플랜트 10기 구축
• 복합탱크 인증제 신설 및 소재 국산화 추진
• 수소운반선·모빌리티용 하이브리드 탱크 실증 확대

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마무리리

현재의 수소 저장은 Type IV 고압식이 주력, 액화식이 성장단계다.
고압식은 경량화·안전성 개선이 핵심 과제이며,
액화식은 냉각 효율 및 기화 손실이 기술적 병목이다.

궁극적으로는 고압 + 저온 하이브리드 시스템’(Cryo-compressed)이
양측의 장점을 절충한 차세대 저장 방식으로 자리 잡을 가능성이 높다.

수소 저장의 본질은 안전성과 효율의 균형이다.
현재는 700bar 고압식이 상용 중심이지만,
장기적으로는 액화 및 크라이오-컴프레스트 저장 방식이
차세대 표준으로 자리 잡을 가능성이 높다.

한국은 소재·설계·인증 역량을 갖춘 만큼,
액화 플랜트 및 극저온 단열 기술에 대한 선제적 투자가 향후 경쟁력의 핵심이 될 것이다.

 

 

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