ECIL

[경상국립대학교 기계융합공학과 이진광 교수]

이진광 교수님 연구실 - Eco Cryo Innovation Laboratory(친환경 에너지 공학 연구실)

이진광 교수 연구 소개 및 약력

 경상국립대학교 기계융합공학과 이진광 교수 연구팀이 KAIST 등과 공동연구를 통해 액화수소 운반선의 증발수소 재액화 시스템 설계 기술을 개발했다. 이 재액화 시스템 설계 기술은 기존 헬륨 냉매를 이용한 재액화 플랜트에 비해 저비용 고효율을 달성한 것이 장점이다. 이진광 교수는 대우조선해양(현 한화오션)과 한국조선해양에서 18년 동안 근무하며 LNG운반선의 핵심 기술 개발에 기여, '대한민국 10대 기계기술상’과 ‘특허청장상’ 등을 수상하기도 했다.

Q1. 최근 ‘액화수소 운반선의 증발 수소 재액화 시스템 설계 기술’을 개발했다고 들었다. 어떤 기술인가.

 액화수소는 매우 낮은 온도(약 -253℃)에서 보관되는데, 선박이 항해 중 주변의 열이 탱크로 조금씩 스며들게 되면 일부 수소가 기체로 증발된다. 이를 증발수소(BOH, Boil-Off Hydrogen) 라고 한다. 이 증발수소는 그냥 배출하거나 연료로 사용하지 않으면 압력 상승과 수소 손실 문제를 일으킨다. 이번 연구에서는 기화된 수소를 다시 액체로 바꾸는 냉동 시스템, 즉 ‘재액화 시스템’을 설계하고, 최적화를 통해 성능 최적화를 이룬 것이다. 핵심은 ‘화물인 수소 기체를 냉매로 직접 사용하는 역 브레이튼 사이클’을 활용하여, 선박 내에서 순환 구조로 증발 수소를 재액화하여 화물의 손실을 최소화 하고 화물창 압력을 유지하여 안전하게 액체수소를 운송할 수 있게 하는 기술이다.

Q2. 특히 기존 수소 액화시스템이 가진 한계를 개선했다고 하는데, 차별화된 장점은 무엇인가.

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 기존 수소 액화 기술은 육상 플랜트 기준으로 상용화 되어, 선박에 적용하기 어려운 점이 있었다. 기존 수소 액화 기술은 상온의 수소를 다루고 있으나, 액화 수소운반선의 저온(약 –150℃~–200℃) 및 저압(대기압)의 증발수소가스를 액화시키는 플랜트가 필요하다. 본 개발은 기존 수소 액화 플랜트와의 비교는 큰 의미가 없으며, 현재 전 세계적으로 개발 중인 대형 액화 수소 운반선에서의 고효율 재액화 시스템 설계를 개발한 것에 큰 의미가 있다. 기존 헬륨 냉매를 이용한 재액화 플랜트에 비해 저비용 고효율을 달성한 것이 핵심으로, 차별화된 장점은 크게 3가지로 설명할 수 있다. 첫째, 액화를 위한 냉매를 화물과 동일한 수소를 사용함으로써, 냉매 보충에 대한 문제 해결, 둘째, 최적화를 통해 초기설계 보다 약 40% 정도의 효율 증가 마지막으로 기존 헬륨 기반 냉동 시스템 보다 비용 및 효율을 개선시킨 것이다.

Q3. 새로 개발한 수소 재액화시스템 기술의 상용화까지, 해결해야할 단계가 있는가.

 본 연구에서 개발한 재액화 시스템은 현재 설계 최적화 및 시뮬레이션 기반 기술 개발 수준에 있으며, 상용화를 위해서는 다음과 같은 기술적·제도적·산업적 단계들을 체계적으로 밟아나가야 한다. 우선, 시제품 제작 및 선박 환경에서의 실증 실험이 필수적이다. 극저온 조건에서 작동하는 재액화 시스템은 기계적 진동, 선박 경사, 반복 시동/정지 등 해상 운항 특유의 물리적 환경에 대응해야 하므로, 이를 검증할 수 있는 모듈형 실증 시스템을 선행적으로 구축할 필요가 있다. 또한, 국내에는 아직 수소 재액화 시스템을 실증할 수 있는 인프라와 규제가 미비한 상황이기 때문에, 육상 기반의 수소 실증 시험장을 통해 기초 안전성 확보와 규제 샌드박스 적용 검토가 선행되어야 한다. 이 과정은 향후 국제 인증 획득에도 중요한 기반이 될 것으로 생각된다. 더불어, 핵심 기자재의 국산화도 매우 중요한 요소이다. 특히, 극저온 대응이 가능한 고효율 열교환기와 고압 수소 압축기의 국산 설계·제작 기술은 현재까지 대부분 수입에 의존하고 있는 영역이며, 향후 대량 생산 및 가격 경쟁력 확보를 위해 반드시 국산화를 추진해야 한다.

Q4. 상용화된다면 수소산업 어떤 분야에 적용가능하며, 기대할 수 있는 효과는.

본 기술은 궁극적으로 대형 액화수소 운반선에 적용되는 것을 목표로 개발되었으며, 이는 수소의 대량 해상 운송을 가능하게 함으로써 글로벌 수소 공급망 구축과 수소사회 진입에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 뿐만 아니라, 액화수소 추진 운반선이나 벙커링 선박과 같은 선박 시스템에도 설계 변경을 통해 유연하게 적용될 수 있으며, 항만에서의 수소 벙커링 인프라에도 확장 가능성이 크다. 이외에도, 육상 액화수소 충전소의 증발 수소가스 처리 문제를 해결하기 위한 솔루션으로도 활용이 가능하여, 수소 저장 및 운송 과정 전반에 걸쳐 실용적으로 적용될 수 있다. 이러한 다양한 적용 분야에서 본 재액화 기술이 상용화된다면, 국내 조선 산업과 기자재 산업의 기술 자립 및 국제 경쟁력 확보에 크게 기여할 수 있고, 수소 운송 과정에서 발생하는 에너지 손실과 온실가스 배출을 최소화함으로써, 탄소중립 사회로의 전환을 가속화하는 데도 중요한 역할을 할 것이다.

Q5. 앞으로 후속 연구나 산업계 기술이전 계획이 있는가.

 현재 국내 조선업계는 LNG 운반선을 설계하고 건조할 수 있는 충분한 역량을 보유하고 있음에도 불구하고, 여전히 프랑스의 GTT사가 보유한 LNG 화물탱크 기술 특허에 의존하고 있는 실정이다. 실제로, 환율에 따라 차이는 있지만 척당 약 100억 원 규모의 로열티를 지불하면서 LNG 운반선이 건조되고 있다. 이러한 상황은 우리나라가 여전히 극저온 화물시스템 분야에서 핵심 기술 자립에 도달하지 못했다는 점을 시사한다. 에너지 패러다임이 빠르게 수소 중심으로 전환되는 흐름 속에서, 액화수소 운반선과 관련 기술은 향후 조선 및 에너지 산업의 새로운 성장 동력이 될 것이다. 이에 따라 국내 주요 조선소들과 관련 연구기관들도 액화수소 화물시스템에 대한 기술 독립과 원천 기술 확보를 목표로 꾸준한 노력을 기울이고 있다. 나 역시 이러한 흐름에 발맞춰, 극저온 에너지 시스템의 핵심 기술 국산화와 설계 자립화를 위해 다양한 액체수소 재액화 시스템 개발 및 고도화, 액체수소 재기화 및 벙커링 시스템 개발, 수소 운송 및 저장 전주기 시스템에 대한 통합 모델링 및 최적화 연구, 수소 연료 활용을 위한 선박 내 에너지 통합 연구를 단계적으로 진행할 예정이다.

Q6. 이번 성과는 국제학술지에 발표된 것으로 안다. 학술지와 공동 연구진을 소개한다면.

[동아대학교 조선해양공학과 정원관 교수(좌) KAIST 기계공학과 장대준 교수(우)]

 본 연구는 경상국립대학교 기계융합공학과 ECIL(친환경 에너지 공학연구실)와 협업을 진행한 곳은 KAIST 기계공학과 IESEL(혁신 에너지 시스템 공학연구실)의 장대준 교수님 그리고 동아대학교 조선해양공학과 EPEL(에너지 공정 공학연구실)의 정원관 교수님과 협업을 진행하여 좋은 결과를 도출할 수 있었다. 이번 성과물이 발표된 Applied Energy는 에너지 공학 분야에서 세계적으로 가장 권위 있는 국제 저널 중 하나로, 1975년부터 글로벌 학술 출판사인 엘스비어(Elsevier)에서 발행되고 있다. 이 저널은 에너지 시스템의 분석과 최적화, 에너지 변환 및 보존 기술, 재생에너지 활용, 에너지 저장, 수소 및 탄소중립 기술 등 에너지와 관련된 다양한 공학적 주제를 폭넓게 다루며, 학계와 산업계 모두에서 높은 평가를 받고 있다. 특히 Applied Energy는 이론적 연구뿐만 아니라 산업적 응용 가능성까지 고려한 연구를 중시하기 때문에, 실제 에너지 시스템 설계, 운용, 정책 및 경제성 평가 등을 포함한 실용적인 연구도 활발히 게재되고 있다. 최근 기준으로 임팩트 팩터(Impact Factor)가 10을 넘을 정도로 인용도가 높은 저널입니다. 현재 이 저널은 에너지 및 연료(Energy & Fuels), 화학공학(Chemical Engineering) 분야에서 각각 Q1 등급에 속하며, 에너지 분야 최상위 저널로 분류되고 있다.

Q7. 끝으로 개인적으로 하고 싶은 연구나 포부는.

[경상국립대학교 기계융합공학과 ECIL 연구실]

 앞으로 기후 위기와 에너지 전환이라는 인류 공동의 과제에 대응하기 위해, 탈탄소 에너지 및 관련 시스템 기술 개발을 중심으로 폭넓고 실용적인 연구를 수행해 나갈 계획이다. 단기적으로는 저탄소 연료인 LNG를 비롯해 무탄소 연료인 암모니아, 이산화탄소 및 메탄올을 활용한 에너지 시스템에 중점을 두어, 관련 공정의 효율화 및 최적 설계를 통해 국제 경쟁력을 갖춘 기술 기반을 확보하는 데 기여하고자 한다. 특히, 선박 및 육상 인프라에 적용 가능한 고효율 열·유체 시스템을 개발하는 데 집중할 예정이다. 장기적으로는 에너지 밀도가 높고 활용 잠재력이 큰 극저온 액체수소 시스템의 개발에 주력할 것이다. 저장–운송–활용에 이르는 전주기적 시스템의 열역학적 최적화 및 운영 기술 개발을 통해, 수소 경제 실현의 핵심 기반을 마련하고자 한다. 또한, 이러한 연구 활동과 병행하여 미래의 훌륭한 엔지니어를 양성하는 교육자로서의 책무도 중요하게 여기고 있다. 현장성과 학문성을 균형 있게 갖춘 교육을 통해, 학생들이 복잡한 에너지 시스템을 이해하고 설계할 수 있는 실무 역량을 갖추도록 적극 지도하여 산업계와 사회가 요구하는 창의적이고 책임감 있는 공학 인재를 양성하는 데 앞장설 것이다.