[비즈월드] #1. 본 문서의 일 실시예에 따른 연료 공급망 관리 시스템은 충전소의 운영 정보와 출하 센터의 운영 정보를 획득하는 정보 획득부, 상기 충전소의 운영 정보에 기초하여 상기 충전소에 대한 모니터링을 수행하고, 상기 충전소가 제공하는 연료에 관한 수요를 예측하는 충전소 관리부 및 상기 충전소의 운영 정보, 상기 출하 센터의 운영 정보 및 상기 충전소의 수요 예측 정보 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 충전소와 상기 출하 센터 간의 연료 공급망을 관리하는 출하 관리부를 포함할 수 있다.

#2. 본 발명은 액화수소 저장탱크, 충전건을 구비해 수소연료전지 자동차로 수소충전 압축 패키지로부터의 충전용 기체수소를 공급하는 충전기, 냉매와 충전용 기체수소와의 열교환을 통해 충전용 기체수소를 냉각하는 제1 열교환기 및 열교환을 통해 온도 상승된 냉매와 액화수소 저장탱크로부터 유입되는 기체수소를 열교환하여 냉매를 냉각하고 냉각된 냉매를 제1 열교환기로 배출하는 제2 열교환기를 포함하고, 열교환에 따라 제2 열교환기로부터 배출되는 기체수소는 수소충전 압축 패키지로 공급되어 수소충전 압축 패키지의 기체수소 스토리지에 저장되는 수소충전소에 관한 것이다.

오늘날에는 환경 보호의 중요성이 강조되면서 기존에 사용하던 화석 연료에 대한 규제가 강화되는 한편 태양광, 풍력, 수력, 연료전지 등 신재생 에너지에 관한 사업이 점진적으로 증가하고 있다. 그중에서도 특히 자동차 산업의 경우에는 기존의 내연 기관을 대신해 전기차와 수소차가 각광을 받고 있다.

이런 수소 연료의 경우 기존의 액화 천연가스(LNG)와 같이 운송 탱크에 저장한 상태에서 충전소의 저장 공간으로 공급하는 것이 아니라 수소를 저장 및 운송하기 위한 튜브 트레일러(튜브 트레일러) 자체를 교체하는 방식을 활용하고 있다. 

이처럼 최적의 시기에 충전소의 튜브 트레일러를 교체하기 위해서는 사전에 수소가 완충된 튜브 트레일러가 필요하다.

그러나 현재로서는 운영하는 튜브 트레일러의 수, 출하 센터의 설비가 한정적이기 때문에 미리 수소를 완충해 재고로 보유해놓고 필요 때마다 바로 공급하는 일반적인 물류 프로세스는 적용하기가 어렵다. 또 수소의 공급망 관리(SCM) 내 각 프로세스 영역별 시스템이 상이하고, 정보의 인터페이스(I/F)가 제대로 되지 않아 원활한 수소 공급 체계가 구비되기에는 한계가 있다. 뿐만 아니라 수소충전소의 소비량, 잔량, 수요예측, 튜브 트레일러 교체 시기, 차량 배차 현황 등 운영 전반에 대한 모니터링 불가하며 운송 사고 등 이슈 발생 때 즉시 파악하기 불가능하다는 문제점도 있다.

수소연료전지 자동차(또는 수소 자동차)는 구비된 내부 수소 탱크의 수소를 동력원으로 이용해 이동하는 자동차이다. 수소연료전지 자동차는 수소 탱크의 수소와 외부 산소를 반응시켜 획득되는 전기를 이용해 모터를 구동해 운행되고 내부에 연료전지 스택, 모터, 배터리 및 수소 탱크 등을 구비하고 배기가스와 오염물질을 배출하지 않는 친환경 자동차이다.

수소연료전지 자동차의 동력원인 수소를 수소 탱크에 충전하기 위한 수소충전소는 도로 주변 등의 필요한 위치에 설치된다. 

수소충전소는 고압의 수소 뱅크 스토리지를 다수 구비하고 수소 뱅크 스토리지에 저장된 수소를 디스펜서(충전기)의 충전건을 통해 수소연료전지 자동차의 수소 탱크에 충전한다.

안전을 고려한 고속 충전을 위해 수소충전소의 디스펜서는 일정한 범위 내의 저온으로 냉각된 수소를 수소연료전지 자동차로 공급한다. 

국제 기준에 의한 충전 표준에 따르면, 수소충전소는 기체 상태의 수소 뱅크 스토리지의 수소를 냉각해 -40도에서 -33도 범위 내의 냉각된 수소를 수소연료전지 자동차의 수소 탱크에 충전해야 한다. 국제 표준에 따른 온도 범위를 벗어나는 경우 충전 속도가 저하되고 수소 탱크의 폭발 위험이 발생할 수 있어 수소충전소의 운영이 규정이나 안전 제어에 따라 중단된다.

수소충전 압축 패키지로부터 공급되는 충전기의 기체수소는 국제 기준(SAEJ2601)에 따라 -40도에서 -33도 범위(또는 수소 충전소의 유형에 따라 다른 온도 범위) 내의 온도를 가지도록 냉각된다. 

충전기로 유입되는 기체수소는 열교환기로 출력되고 열교환기 내에서 냉매와 기체수소 사이의 열교환에 따라 기체수소가 냉각되고 일정한 온도 범위 내로 냉각된 기체수소는 충전기로 재유입되어 충전건을 통해 출력된다.

NEO SLICONE M-2, CO2, R507A 등의 냉매는 기체수소와의 열교환에 따라 온도가 상승되고 온도 상승한 냉매는 냉매냉각기로 입력되어 재냉각 후 열교환기로 순환 공급된다. 칠러(Chiller) 등으로 지칭되거나 나타내는 냉매냉각기는 냉매를 특정 온도 이하(예를 들어, -60도)로 냉각시키기 위해 많은 전력을 소비한다.

특히 냉매냉각기는 순환하는 냉매를 냉각하기 위해 기체수소 충전소의 전력 소비량 중 30% 이상의 전력을 소비하고 냉매냉각기에서 소비되는 전력을 획기적으로 줄일 수 있는 기체수소 충전소가 바람직하게 필요하다.

#1은 현대글로비스㈜가 2021년 5월 31일 출원(출원번호 제1020210070079호)해 올해 4월 12일 등록(등록번호 제102387420호)을 받은 ‘수소 공급망 관리의 최적화 플랫폼 및 그 방법’이라는 특허의 요약설명문이다.

해당 발명을 적용할 경우 그에 따른 효과는 수소 공급망의 전체 영역을 모니터링하고, 최적의 로직 적용을 통한 최적화 시스템을 구현함으로써 충전소의 소비량, 공급 주기, 잔량, 예측 수요 등을 실시간으로 모니터링할 수 있다는 것이다. 또 운송 정보의 접근이 용이하여 안정적인 운영 및 수급 관리가 가능하며, 각 충전소의 소비량, 예측 수요, 튜브 트레일러의 운영 현황 등의 정보에 기반하여 효율적인 충전 및 배차 업무를 수행할 수 있다고 연구진은 설명했다.

#2는 ㈜한국가스기술공사가 2021년 6월 15일 출원(출원번호 제1020210077111호)해 올해 4월 11일 등록(등록번호 제102386377호)을 받은 ‘액화수소 냉열을 활용한 수소충전소’라는 특허의 요약 설명문이다. 

해당 특허는 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소의 저온 온도 유지를 위해 냉매냉각기에서 소비되는 전력을 획기적으로 줄일 수 있는 수소충전소를 제공하는 데 목적을 뒀다.

또 이 발명은 액화수소의 냉열을 활용해 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소를 일정 범위 내의 온도로 유지, 수소충전소에서 소비되는 전력을 줄이고 액화수소의 열교환량을 제어해 일정 온도 범위 내의 기체수소를 수소연료전지 자동차로 제공하면서 열교환에 따라 가변적으로 온도 상승한 액화수소의 기체수소에 대한 온도 제어로 냉각에 이용된 액화수소의 기체수소를 수소충전 압축 패키지에 동적으로 충전할 수 있는 수소충전소 구성할 수 있도록 한다.

해당 발명을 실제 수소충전소에 적용할 경우 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소의 저온 온도 유지를 위해 냉매냉각기에서 소비되는 전력을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다고 연구진은 설명했다.

또 이 발명에 따른 수소충전소는 액화수소의 냉열을 활용해 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소를 일정 범위 내의 온도로 유지, 수소충전소에서 소비되는 전력을 줄일 수 있고, 액화수소의 열교환량을 제어해 일정 온도 범위 내의 기체수소를 수소연료전지 자동차로 제공하면서 열교환에 따라 가변적으로 온도 상승한 액화수소의 기체수소에 대한 온도 제어로 냉각에 이용된 액화수소의 기체수소를 수소충전 압축 패키지에 동적으로 충전할 수 있는 효과가 있다고 한다.

앞서 설명한 2건의 등록 특허는 모두 수소충전소와 관련이 있는 것이다. 최근 기후변화 대응정책의 일환으로 범세계적 차원에서 수소차와 수소 충전 시설에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.

실제로 시장전망 및 설치현황 해외 경제전문지(FORTUNE BUSINESS INSIGHTS, 2021) 발표 내용을 보면 수소충전소 세계시장 규모가 2021년 4억1000만 달러에서 2028년 26억7000만 달러(연평균 30.8% 성장)에 이를 것으로 전망됐다.

독일의 에너지 및 환경 컨설팅 업체인 LBST의 세계 수소충전소 현황보고서(2021)에 따르면 2021년 12월 기준, 전 세계에서 운영 중인 충전소는 685개소이며, 아시아 363개소, 유럽 228개소, 북미 86개소 등의 순서이었다.

국내 수소충전소는 2021년 12월 기준으로 전국에 170기가 설치(107개소에서 129기가 운영 중)됐고 올해 310기 구축을 목표로 하고 있으며 2040년까지 1200기가 설치될 예정이다.

이처럼 관련 시장 규모가 커지면서 세계 주요국의 수소충전소 관련 특허 출원도 덩달아 크게 늘어난 것으로 나타났다.

특허청(청장 김용래)에 따르면 수소충전소에 관한 세계 주요국의 특허출원이 2010년 이후 연평균 15.6%로 급증했다. 

수소충전소는 수소자동차에 350~700기압의 고압으로 수소 연료가스를 공급하는 소규모 플랜트 설비를 통칭한다.

지난 20여 년 동안 지식재산 세계 5대 특허청에 제출된 수소충전소 기술 출원 건수는 총 1352건이고, 국가별로는 중국(504건, 37.3%)에 가장 많이 출원되었고, 일본(282건, 20.9%), 미국(257건, 19.0%), 한국(171건, 12.6%), 유럽(138건, 10.2%)의 순이었다.

출원인 국적을 살펴보면 일본(31.3%, 423건)에서 기술개발이 가장 활발하다. 다음은 중국(29.2%, 395건)으로 2018년 이후 중국에서 출원건수가 급격히 증가했다. 이에 대해 특허청 측은 향후 중국의 기술 발전이 더욱 빨라질 것으로 예상된다고 내다봤다. 유럽(18.8%, 254건), 한국(9.9%, 134건), 미국(8.7%, 117건)이 그 뒤를 따랐다.

우리나라는 2010년 이후 출원이 크게 늘어나 연평균 5.5%의 출원 증가율을 보였지만 세계 평균(15.6%)에 비해 다소 낮은 성장세이다. 

최근(2019년 이후)에는 액화수소충전소 기술(8건)은 다른 나라(유럽 5건, 일본 5건, 중국 5건, 미국 3건)를 추월하고 있다. 반면 수소·전기·휘발유 등을 함께 충전할 수 있는 복합형 수소충전소 기술(6건)은 중국 21건, 미국 11건에 비해 상대적으로 저조한 출원을 보이고 있어서 향후 복합형 수소충전소 기술에 대한 연구개발 확대가 필요해 보인다.

액화수소는 기체수소 대비 800분의 1 규모의 부피로, 저장·운송 효율이 높고 폭발의 위험성도 상대적으로 낮아 액화수소충전소가 기체수소충전소에 비해 우수한 장점이 있다.

우리나라에서는 기업(79.9%)이 대부분의 출원을 차지하고 있지만, 대학(6.7%) 및 연구소(4.5%)가 다른 나라 평균(각각 3.6%, 2.3%)에 비해 다소 높은 비중을 차지하고 있어 민간기업에서뿐만 아니라 학계 및 연구계에서도 연구개발이 활발하게 진행되고 있다는 것을 방증했다.

홍기정 특허청 일반기계심사과 심사관은 “수소차의 보급 확산을 위한 핵심 시설인 수소충전소의 기술은 성장단계에 진입했고 관련 특허출원은 앞으로 더욱 증가할 것으로 예측된다”면서 “수소충전소 시장이 커질 전망이고 세계 특허출원이 가파른 증가세를 보이고 있는 만큼 우리나라도 핵심기술에 대한 경쟁력을 키워 세계 선두권 진입과 더불어 수소충전소 보급도 더욱 확대할 필요가 있다”라고 말했다.

[비즈월드=정영일 기자 / zprki@bizwnews.com]