[가스신문(2022.02.11)] [2022년 가스기술사 제언-2월] 액화수소 저장탱크 BOG(Boil Off Gas) 제어방…

한국가스기술사회와 한국가스신문사는 2022년 새해를 맞아, 가스분야 최고 기술자인 가스기술사를 통해 최신 가스기술을 공유하고 안전의식을 고취하는 공동기획을 마련했다.

이번 공동기획에서는 석유화학시설과 LPG, 안전, 수소 등 다양한 분야의 기술현황과 함께 사고예방을 위한 개선방안 등을 주제로 가스기술사의 특별기고를 매월 1회(연 12회) 기획 연재한다. 기고자는 가스기술사회 정회원으로 기고자 일부와 주제는 상황에 따라 변경될 수 있다.

항공우주연구원 선임연구원 이응우(공학박사)

인류가 최초로 달을 탐사했던 1960년대 미항공우주국(NASA) 아폴로(Apollo) 프로젝트의 새턴(Saturn) Ⅴ 로켓은 2단과 3단의 추진제가 액화수소와 액화산소로 구성되어 있었다. 추진제를 공급하기 위한 액화수소 저장탱크는 30여년의 우주왕복선 프로그램(Space Shuttle Program) 기간동안에도 같은 용도로 사용되었다. 우주개발 프로젝트를 수행해오며 액화수소 저장탱크에서의 증발손실과 운영상의 한계에 맞닥뜨리게 되었다.(구매한 수소의 약 50%를 손실하였다고 보고하고 있다.) 액화수소와 액화산소는 우수한 고성능 로켓 추진제이지만 극저온을 반드시 유지해야 하며 액화수소의 비점은 –253℃에 이른다.

액화수소 제어 기술은 오랜 기간 우주기술개발의 핵심으로 미항공우주국에서 1972년 아폴로 17호의 마지막 달 착륙 이후 반세기 만에 인류를 다시 달에 보내는 ‘아르테미스(Artemis)’ 프로그램을 계기로 또다시 주목을 받고 있다.

보잉이 제작한 신형 로켓의 추진제 역시 액화수소와 액화산소를 탑재한다. 케네디스페이스센터는 액화수소 저장탱크의 앞선 한계점을 극복하고자 IRaS(Integrated Refrigeration and Storage) 시스템 실증연구를 진행하였다. IRaS는 극저온 냉동시스템과 결합된 통합 열교환기를 사용하여 열에너지를 직접 제어하는 시스템이다.

IRaS의 개념은 4가지 기능을 추구한다.

첫 번째로 Zero loss LH2이다. 입열 등에 의해 과압이 형성된 얼리지를 벤트하는 것과 반대로 냉동시스템을 이용해 압력을 줄이는데 사용된다.

두 번째로 Zero Boil-Off(ZBO)이다. 탱크 내부 입열과 냉동시스템이 균형을 이룰 때 압력과 액체레벨이 일정하게 유지된다. 세 번째로 Liquefaction이다. 기체 수소를 IRaS 탱크에 도입하고 현장에서 액화하여 용기를 채울 수 있다. 네 번째로 Densification이다. 냉동능력이 탱크 내부 입열보다 클 경우 액화수소는 비점 아래로 냉각될 수 있으며 삼중점 부근까지 냉각하면 밀도가 대략 9% 증가하여 우주발사체 추진제 고밀도화 및 추진제 탑재량 증량에 상당한 이점이 발생할 수 있다.


로켓 엔진 연소 시험 모습.
이러한 기능을 달성하기 위하여 액화질소를 통해 예냉된 저온의 기체 헬륨이 냉동기를 거쳐 극저온의 기체 헬륨으로 300여 미터에 달하는 탱크 내부 열교환 튜브를 거쳐 증발가스를 제어하게 되는 방식이다. 이러한 증발손실을 제어하기 위하여 헬륨 냉매의 온도 제어, 저장탱크 압력 센서를 활용한 냉동기 제어, 필요에 따라 냉동시스템의 듀티 사이클링 On/Off를 통한 제어방법을 사용하고 있다. 증발제어를 위해 15센트의 전기료를 지출하면 수소에서 1달러를 절약할 수 있다고 제시하고 있다.

오랜 시행착오와 실증연구를 통하여 극저온 액화수소를 제어하는 기술 성숙도 앞에서 참으로 대단하다는 느낌을 지울 수 없다.

새로운 저장 기술은 펄라이트 단열재를 대체하기 위한 Glass bubble™과도 결합된다. 이는 soda-lime borosilicate glass로 이루어진 고강도, 저밀도의 중공 미소구체이다. 케네디 스페이스센터의 보고에 의하면 기존 펄라이트 단열재에 비하여 새로운 유형의 단열재로 수소 손실을 최대 46%까지 줄일 수 있음을 언급하고 있다.

지금까지 살펴본 바와 같이, 우주를 탐사하기 위해서 가스 분야의 중요성과 필요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 가스의 안전한 저장, 취급에 있어 앞으로도 더 많은 기술개발이 필요하며 이 과정에서 가스기술사의 역할이 중요할 것으로 판단된다. 마지막으로 우리나라도 우주 강대국들과 어깨를 나란히 하며 우주개발에 앞장설 수 있는 날을 꿈꾸며 이 글을 마친다.

출처 : 가스신문(http://www.gasnews.com)