화석 연료의 CO₂ 없는 대안으로서 수소는 수십 년간 지평선에 있었고, 수소 저장을 위한 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 압력 용기의 성장도 확실히 증가해 왔습니다. 하지만 2020년, 수소는 유럽위원회(EC)가 2050년까지 지속가능한 경제와 기후 중립 EU를 위한 유럽 그린 딜 달성의 핵심 우선순위로 지정하면서 의무가 되었습니다. 항공 분야 수소 주요 이벤트:
산업에 관계없이 수소의 연료원으로서 생존 가능성은 젊지만 빠르게 진화하는 다양한 운송, 전달, 저장 기술의 급속한 개발에 달려 있습니다. 이 기술들의 상용화는 단순하지 않지만 해결되고 있습니다. 아래는 수행 중인 작업 요약입니다.
2020년 폴 에레멘코(Paul Eremenko, 전 에어버스 SE CTO, 네덜란드 라이덴 및 유나이티드 테크놀로지스 코퍼레이션, 미국 코네티컷주 파밍턴)가 공동 설립한 유니버설 하이드로젠의 목표는 수소 연료 인프라를 제공해 수소 동력 항공으로의 전환을 돕는 것입니다. 핵심 구성 요소 중 하나는 CFRP(탄소섬유 강화 폴리머) 프레임 내 트윈 H₂ 저장 탱크를 포함하는 연료 모듈입니다. "우리는 필요에 따라 현장에 모듈을 공급하므로 수소 저장 인프라가 필요 없습니다."라고 유니버설 하이드로젠 CTO J.P. 클라크(J.P. Clarke)는 설명합니다. "모듈들은 배터리나 갤리 물품처럼 단순히 비행기에 실립니다."
사진 제공: 유니버설 하이드로젠
모듈들은 50인승 대시(Dash) 8과 ATR 터보프롭 지역 항공기용으로 먼저 개발되었습니다. 이 모듈들은 길이 7피트, 직경 3피트 탱크를 특징으로 하며, 탄소섬유로 850바에서 H₂ 가스를 보유해 50kg/m³ 밀도 달성하거나, 표준 압력과 온도에서 액체 H₂(LH₂)를 보유해 71kg/m³ 밀도 달성하는 단열 금속 탱크를 사용합니다. LH₂ 탱크가 더 높은 체적 효율을 제공하지만, 냉각되지 않은 단열 탱크는 LH₂가 -253°C에서 유지되지 않으면 기화되므로 42시간 내에 사용해야 합니다. "두 타입 탱크 모두 충격 저항과 일부 하중 지지 능력을 더하는 경량, 구조적으로 최적화된 복합 프레임 내에 위치합니다."라고 클라크는 말합니다.
H₂ 가스 탱크들은 불투과성 폴리머 라이너, 드라이 탄소섬유 브레이드 레이어들, 케블라 아라미드 섬유 보호 외부 레이어를 포함합니다. "수지가 필요 없습니다."라고 클라크는 설명합니다. "라이너가 투과성을 해결하고, 탄소가 후프와 축 방향 하중을 처리하고, 외부 레이어와 프레임이 손상을 방지하므로 무게와 두께가 줄어듭니다. 이 통합 탱크 및 프레임 설계는 각 탱크 레이어에 기능을 매핑하는 것과 결합되어 질량 분율(mass fraction)에서 상당한 개선을 달성하게 했습니다."
질량 분율은 저장된 수소 질량을 전체 모듈 질량으로 나누어 계산하므로, 질량 분율이 클수록 좋습니다. "대시 8과 ATR 항공기 맥락에서 질량 분율과 체적 효율을 보는 매우 광범위한 트레이드 스터디를 수행했습니다."라고 클라크는 말합니다. "연료의 부피와 무게 대비 이 항공기들에 들어갈 수 있는 것, 달성 가능한 범위와 최대 이륙 중량, 중량 분포 등을 봅니다. 850바 H₂ 가스로 약 400해리(45분 예비 포함) 비행 가능하고, LH₂ 탱크로 약 550해리 가능합니다. 하지만 터보프롭 미션 평균 단계 길이는 약 300해리이므로, 이 비행들의 대다수는 CFRP 탱크를 사용한 기체 H₂ 시스템으로 수행할 수 있습니다."
유니버설 하이드로젠이 복합 탱크 제조업체와 파트너십을 맺을까요? "우리의 전략은 말이 되는 곳에서 파트너십을 맺고 핵심 비즈니스에 집중하는 것입니다."라고 클라크는 말합니다. 그는 유니버설 하이드로젠의 초점을 재차 강조합니다: "우리는 연료와 인프라 제공자가 되고 싶습니다. 모듈을 제공하고 필요한 곳에 가져가서 파트너들이 항공기 설계와 운영의 나머지 부분에 집중할 수 있게 할 것입니다. 우리의 목표는 수소 동력 항공의 이네이블러가 되는 것입니다."
항공처럼 해운도 CO₂와 기타 온실가스(GHG) 배출 감소를 위한 규제 하에 있습니다. 2018년 1월부터 5,000총톤 초과 선박이 유럽경제지역(EEA) 항구에서 화물이나 승객을 적하/하역할 때 CO₂ 배출을 모니터링하고 보고해야 합니다. 더 나아가, 선박으로부터 오염 감소를 위한 MARPOL 협약의 일환으로, 국제해사기구(IMO)는 2020년 1월부터 연료유 황 함량을 3.50% m/m(질량 대비 질량)에서 0.50%로 줄이도록 의무화했습니다. IMO는 또한 2008년 수준 대비 2050년까지 50% 감축을 추구하는 초기 GHG 전략에 전념했습니다.
"최선의 준수 가능성은 초기엔 액화천연가스(LNG)로 전환하는 것입니다."라고 오션 파이낸스(Ocean Finance, 그리스 아테네) 전무이사이자 EC 프로젝트 슈퍼그린(SuperGreen)과 스페이스테크포씨 코디네이터인 파나요티스 자하리우다키스(Dr. Panayotis Zacharioudakis)는 말합니다. 슈퍼그린은 전기 통근 선박과 피레우스 항구를 동지중해 네트워크의 다른 항구들과 연결할 두 척의 하이브리드 LNG/전기 카타마란을 포함하는 그리스의 지속가능하고 녹색 운송 시스템을 만들 것입니다. "이 프로젝트를 위해 CFRP 고속 페리를 건조 중입니다."라고 자하리우다키스는 설명합니다. "최첨단 금속 LNG 탱크를 쓰면 7미터톤 무게가 나가는데, 이는 승객 70명 조금 넘는 무게와 같습니다[1인당 수하물 포함 100kg]. 그래서 승객 수용력을 70명 줄여야 합니다."
왜 추가 무게인가요? "디젤에 비해 LNG는 극저온 -163°C에서 저장되어야 하고, 금속 탱크는 IMO의 기체 연료 요건(IGF 코드)을 충족하는 소재, 구조, 단열, 운영 시스템을 사용해야 합니다."라고 자하리우다키스는 말합니다. 오션 파이낸스에겐 추가 무게가 용납되지 않아, 가능한 해결책을 연구하기 시작했고 NASA와 함께 시마론 컴포지츠(Cimarron Composites, 미국 앨라배마주 헌츠빌)가 개발한 크라이오탱크(cryotanks) 보고서를 찾았습니다.
"이때 EASME(유럽 중소기업 실행 기구) 스페이스테크포씨 프로젝트를 시작했습니다."라고 자하리우다키스는 말합니다. "아이디어는 항공우주 기술을 해양 애플리케이션으로 개조하는 것입니다." 세 번째 프로젝트 파트너는 분류 협회 아메리칸 뷰로 오브 쉬핑(ABS, 미국 텍사스주 휴스턴)으로, 기술 검증과 자격을 맡습니다. 2019년 9월, ABS는 시마론의 초경량, 크라이오 능력 복합 LNG 탱크 컨셉 설계에 대해 원칙 승인(AIP)을 부여했습니다. 그 이후 서브스케일과 풀스케일 탱크들을 제작하고 테스트해 인증을 진행했습니다. "방금 마지막 테스트를 마쳤습니다."라고 자하리우다키스는 말합니다. "조금 더 있으면 해양 시장을 위한 복합 LNG 탱크 풀 인증을 갖게 될 것입니다. 이 탱크는 기존 금속 탱크 대비 85% 이상 중량 절감을 제공할 것입니다."
탱크 세부 사항 대부분은 독점이지만, 시마론 컴포지츠 설립자 겸 사장 톰 딜레이(Tom DeLay)는 탄소섬유와 첨단 열경화성 수지를 사용해 일부 수지 주입과 습식 필라멘트 와인딩으로 만든다고 말합니다. "25인치와 40인치 직경 탱크들을 테스트했고, 슈퍼그린용 CFRP 페리 건조자와 5입방미터[5,000리터] 용량 탱크들에 대해 이야기 중입니다. 이는 직경 2미터, 길이 2.5미터 탱크로 달성 가능합니다." 오션 파이낸스는 천 개 이상 그런 탱크 시장을 보고 시마론과 자동화 생산 구축을 위해 협력할 예정, 그리스에서 가능성도 있습니다.
수소는요? "이 LNG 프로젝트들을 마무리하면서도 수소를 보기 시작했습니다."라고 자하리우다키스는 말합니다. "유럽에서 많은 관심, 활동, 이제 자금이 가용합니다. 한 가지 이슈는 해양 규정이 LNG에 대해 최대 15일 보유 시간을 제공하는 탱크를 명시한다는 점입니다. 이건 LH₂에도 동일할 것입니다." 딜레이는 LH₂(-253°C, 위 참조)용 크라이오 능력 탱크 개발이 LNG(-196°C)용보다 훨씬 더 어렵다고 인정합니다. 그중 과제는 취성과 균열에 저항할 수 있는 소재를 찾는 것입니다. 그는 지금 오션 파이낸스와 함께 해양 선박용 액체 대 기체 H₂의 기술적, 경제적 요소를 보는 트레이드 스터디 완성을 돕고 있습니다.
주목할 만하게, 시마론 컴포지츠는 이미 수소와 기타 가스의 고압 저장을 위한 타입 IV CFRP 탱크를 개발했습니다. "우리의 원래 주피터(Jupiter) 탱크는 수소를 포함한 대부분의 산업용 가스 수송을 위해 4,350psi[300바] 압력으로 개발되었습니다."라고 딜레이는 말합니다. "그러나 수소는 더 높은 압력에서 더 효과적으로 수송되므로, 7,500psi[517바] 넵튠(Neptune) 탱크를 개발했습니다."
주피터와 넵튠 탱크 모두 UN ISO 11515 요건에 따른 수많은 테스트를 통과했으며, 다양한 직경과 길이(최대 26피트)로 제공됩니다. "이 탱크들은 트럭, 철도, 선박으로 표준 모듈로 운송하기 위해 개발되었습니다."라고 딜레이는 말합니다. "30인치 직경이 이상적인 포장 효율을 가져, 더 큰 직경 실린더보다 더 많은 수소를 운반할 수 있음을 발견했습니다. 19피트 길이로 표준 20피트 컨테이너에 9개 탱크를 넣을 수 있습니다. 탱크당 67kg 수소 가스로, 20피트 컨테이너에 600kg, 표준 40피트 컨테이너에 1,200kg을 이동할 수 있습니다."
"우리는 토레이[일본 도쿄], 미쓰비시 레이온[도쿄], 테진[미국 테네시주 락우드], 효성[한국 서울] 등 모든 주요 공급업체들로부터 탄소섬유를 구매합니다."라고 딜레이는 덧붙입니다. "하지만 넵튠용으로는 동시에 세 개의 다른 공급업체들과 인증받았습니다. 우리는 상업적으로 이용 가능한 제품들을 사용해 수지를 직접 제형화하고, 필라멘트 와인딩 중 장력과 오븐 경화 사이클을 매우 타이트하게 제어해 열응력을 방지하며 섬유와 수지 함량도 매우 타이트하게 제어합니다. 이 모든 게 탱크들의 기계적 성능에 기여합니다."
크라이오제닉 액체 저장이나 고압 가스 저장 중 어느 쪽이 필요하든, 딜레이는 기회가 커지고 있다고 봅니다. "우리의 전문성을 개발하는 데 수년이 걸렸습니다."라고 그는 말합니다. "로켓 연료 탱크부터 지금 개발·생산하는 대형 저장 및 수송 탱크까지. 1년 전만 해도 수소에 대해 회의적이었는데, 정부 밀어주기만의 이유라고 생각했습니다. 하지만 지금 매우 큰 주문들과 온갖 요청들을 받고 있습니다. 전 세계적으로 광범위한 산업들이 수소에 진지하게 투자하고 있고 정부들이 이 개발을 지원하고 있음을 볼 수 있습니다. 우리가 적시에 올바른 제품들로 준비된 것 같습니다."
수지
CompositesWorld는 8월 19일, 원래 미국 유타주 솔트레이크시티에서 개최 예정이던 연례 탄소섬유 컨퍼런스 2020을 완전히 디지털 온라인 행사로 진행한다고 발표했다. Carbon Fiber NOW로 명명된 디지털 컨퍼런스는 11월 17~19일 개최된다. CompositesWorld 전략 이니셔티브·이벤트 디렉터 Scott Stephenson은 탄소섬유 컨퍼런스는 항상 고가치 산업 행사였다. 주요 목적은 고수준 발표, 패널 토론, 가치 있는 네트워킹 기회를 통해 시의적절하고 가치 있는 최신 시장·기술 정보를 제공하는 것
제조사들은 곧 탄소섬유 복합재를 활용해 차량 연비를 35% 개선할 수 있게 될 전망입니다. 이는 연간 약 5,000달러의 연료비 절감에 해당합니다. 하지만 연비 절감이 탄소섬유 복합재의 유일한 용도는 아닙니다. 기업들은 가볍고 내구성 강한 명품 제작에도 탄소섬유를 활용합니다. 계속 읽어보시면 명품 복합재 제조 시 탄소섬유의 5가지 활용 사례를 확인하실 수 있습니다. 1. 자동차 탄소섬유는 강도 저하 없이 중량 절감이 필요한 다양한 부품에 적용 가능합니다. 하지만 소비자들은 탄소섬유 부품을 명품으로 인식해 찾기도 합니다. BMW,
