수소저장

3. 물리적 저장

• 압축 수소(CGH₂)를 수소 탱크에 저장^[116]
• 액체 수소(LH₂)를 극저온 수소 탱크에 저장
• 슬러시 수소를 극저온 수소 탱크에 저장

3. 1. 압축 수소

3. 2. 액화 수소

3. 3. 극저온 압축 수소

3. 4. 기타 물리적 저장 방법

활성탄은 표면적이 높은 다공성 비정질 탄소 물질로, 표면적을 늘리고 기공 직경을 약 7 Å으로 최적화하면 수소 물리 흡착을 증가시킬 수 있다.^[86] 특히 담배꽁초와 같은 폐기물로 만들 수 있어 고용량 수소 저장 물질의 전구체로서 잠재력이 크다.^[87][88]

그래핀은 수소를 효율적으로 저장하여 그래페인을 형성할 수 있으며, 450°C 가열 시 수소가 방출된다.^[89][90]

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탄소 버키볼 및 나노튜브 기반 수소 운반체도 제안되었으나, 77K에서 수소 함량이 3.0-7.0 wt% 수준으로, 미국 에너지부 목표치(상온에서 6 wt%)에는 미치지 못한다.

탄소 나노튜브(CNT)는 MgH₂로 도핑하여 효율적인 수소 저장 기술로 활용될 수 있다.^[9] 금속 수소화물은 높은 이론적 저장 용량(7.6 wt%)을 가지지만, 높은 방출 온도로 인해 실제 적용이 제한적이다. 풀러렌 또한 수소 저장을 위해 연구되었으나, 방출 온도가 600°C로 높다.

금속-유기 골격체(MOF)는 금속 클러스터와 유기 리간드로 구성된 다공성 물질로, 높은 표면적과 기공 수로 인해 수소 흡수 능력이 뛰어나다. 2003년 이후 MOF 기반 수소 저장 기술 연구가 활발히 진행되고 있으며, 금속 이온과 리간드의 조합을 다양하게 변경하여 최대 수소 흡수를 위한 연구가 이루어지고 있다. 온도, 압력, MOF 조성이 수소 저장 능력에 영향을 미치며, 구조 변형을 통해 흡수 능력을 향상시킬 수 있다. MOF 촉매, MOF 하이브리드, 금속 중심 MOF, 도핑 등 다양한 MOF 변형 방법이 연구되고 있으며, MOF 하이브리드가 높은 표면적, 다공성, 안정성을 위한 재료로 유망하다.^[91]

2006년에는 MOF-74에서 77K의 낮은 온도에서 최대 7.5 wt%의 수소 저장 농도를 달성했으며,^[96][97] 2009년에는 NOTT-112 MOF로 77 bar 및 77 K에서 10 wt%를 달성했다.^[98] 2020년에는 NU-1501-Al이 14.0% w/w, 46.2 g/리터의 수소 전달 능력을 보였다.^[99][100]

H₂가 갇힌 클라트레이트 수화물은 2002년에 처음 보고되었으나, 안정성 유지를 위해 매우 높은 압력이 필요하다. 2004년 연구에서는 THF와 같은 촉진 물질을 첨가하면 실온과 수십 바의 압력에서 고체 H₂ 함유 수화물을 형성할 수 있음이 밝혀졌다.^[106][107] 이론상 최대 수소 밀도는 약 5 wt% 및 40 kg/m³이다.

러시아, 이스라엘, 독일 과학자 팀은 유리 모세관 어레이 기반의 혁신적인 수소 저장 기술을 공동 개발했다.^[108][109] C.En 기술은 미국 에너지부(DOE)의 2010년 온보드 수소 저장 시스템 목표를 달성했으며,^[110] 2015년 목표는 유연한 유리 모세관과 극저온 압축 수소 저장 방식을 사용하여 달성할 수 있다.^[111]

할로우 유리 마이크로스피어(HGM)는 수소의 제어된 저장 및 방출에 활용될 수 있다. 직경 1~100 μm, 밀도 1.0~2.0 gm/cc, 다공성 벽(개구부 10~1000 옹스트롬)을 가진 HGM은 무독성, 경량, 저렴, 재활용 가능, 가역성, 취급 용이성, 비폭발성 등의 장점을 가지며, 최대 150 MPa까지 수소를 담을 수 있다.^[112] 실온에서 확산율이 낮아 수소가 갇히지만, 300°C 이상에서는 가스 방출이 가능하여 운영 비용이 증가하는 단점이 있다.^[113]

HGM의 열전도율을 높이기 위해 코발트를 도핑하는 연구가 진행되었으며, 2 wt% Co 도핑 시 200°C 및 10 bar에서 3.31 wt%의 수소 저장 용량을 달성했다.^[112] 광 유도 가스 방출을 통해 수소 방출 속도를 높이는 연구도 진행되었으며, 0.5 wt% Fe₃O₄ 도핑된 붕규산 유리는 적외선 램프 강도에 비례하여 수소 방출이 증가했다.^[114] 2020년 현재 HGM 연구는 효율을 높였지만, 상용화를 위한 작동 온도 문제는 여전히 과제로 남아있다.^[115]

4. 화학적 저장

LOHC의 수소화 및 탈수소화에는 모두 촉매가 필요하다.^[55] N, O 등과 같은 헤테로 원자로 탄화수소를 대체하면 가역적 탈/수소화 특성이 향상된다.^[55]

초기 LOHC 연구는 높은 수소 저장 용량(6-8 wt-%)과 CO_x가 없는 수소 생산을 보이는 사이클로알케인에 집중되었다.^[55] 헤테로고리 방향족 화합물 (또는 N-헤테로고리)도 이 작업에 적합하며, N-에틸카바졸/N-Ethylcarbazol^de (NEC) 등이 연구에 사용된다.^[56] 이미 산업에서 열 전달 유체로 사용되는 [https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/2_3-Dibenzyltoluene 디벤질톨루엔]은 -39 °C (융점)와 390 °C (비점) 사이의 넓은 액체 범위와 6.2 wt%의 수소 저장 밀도를 가져 LOHC 물질로 이상적이다.^[58] 개미산은 4.4wt%의 수소 저장 용량을 가진 유망한 수소 저장 물질로 제안되었다.^[59]

LOHC로 보고된 사이클로알케인에는 사이클로헥세인, 메틸-사이클로헥세인 및 데칼린이 포함된다. 사이클로알케인의 탈수소화는 고도로 흡열 반응(63-69 kJ/mol H₂)이므로 고온이 필요하다.^[55] 데칼린의 탈수소화는 열역학적으로 가장 유리하며, 메틸-사이클로헥세인이 그 다음이다.^[60] 사이클로알케인의 탈수소화를 위한 촉매 개발 연구는 수십 년 동안 수행되어 왔으며, 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 및 백금(Pt) 기반 촉매가 널리 연구되었다. 그러나 코크스 형성은 여전히 촉매의 장기적 안정성에 큰 과제이다.^[61][62]

수소화 및 탈수소화에 필요한 온도는 단순 탄소 고리 화합물에 비해 헤테로고리 화합물의 경우 현저히 낮아진다.^[63] N-헤테로고리 화합물 중에서 포화-불포화 쌍인 도데카하이드로-N-에틸카바졸(12H-NEC)과 NEC는 비교적 높은 수소 함량(5.8wt%)을 갖는 유망한 수소 저장 후보로 여겨져 왔다.^[64] N-헤테로고리 화합물은 사이클로알칸의 불리한 열역학적 특성을 최적화할 수 있지만, 높은 비용, 높은 독성, 운동 장벽 등과 같은 많은 문제들이 해결되지 않은 채 남아 있다.^[55]

알킬(아릴)-3-메틸이미다졸륨 N-비스(트리플루오로메탄설포닐)이미데이트 염과 같은 이미다졸륨 이온 액체는 Pd/C 또는 Ir0 나노입자 촉매의 존재 하에 6–12개의 수소 원자를 가역적으로 첨가할 수 있으며, 차량 탑재형 수소 저장 장치의 대체 물질로 사용될 수 있다.

암모니아-질소와 같이 재사용을 전제로 하지 않는 것, 톨루엔-메틸시클로헥산과 같이 탈수소 후 재사용 가능한 유기 수소 운반체가 있다. 가역적으로 수소를 방출할 수 있는 유기 화합물을 유기 하이드라이드라고 부른다. 전자는 에너지 밀도가 높고, 체적 에너지 밀도는 121kg-H₂/m³로 액체 수소보다도 높을 뿐만 아니라, 이용 후의 물질을 순차적으로 폐기함으로써 기체를 경량화하여 연비를 개선할 수 있다.^[174] 다만, 암모니아는 수소만큼은 아니지만 고압 또는 저온에 의한 액화가 필요할 뿐만 아니라, 생성에는 고온 고압의 하버-보슈법을 필요로 하는 등 어려움이 따른다. 후자는 재이용, 저장이 용이하지만, 수소 저장 밀도는 톨루엔-메틸시클로헥산(47.0kg-H₂/m³), 벤젠←→사이클로헥산(56.0kg-H₂/m³), 나프탈렌←→데칼린(65.4kg-H₂/m³)이므로, 전자에 비하면 에너지 밀도가 떨어진다.

청정 연소 특성으로 인해 수소는 자동차 산업의 깨끗한 연료 대안이며, 수소 기반 연료는 온실 가스인 CO₂, SO₂ 및 NO_x의 배출을 크게 줄일 수 있다. 수소 연료 전지(HFC) 사용과 관련된 세 가지 문제는 효율성, 크기, 그리고 가스의 안전한 탑재 저장이다. 이 새로운 기술의 다른 주요 단점으로는 비용, 작동성 및 내구성 문제가 있으며, 이는 기존 시스템에서 개선해야 할 사항이다. 이러한 과제를 해결하기 위해 나노 물질의 사용이 기존 수소 저장 시스템의 대안으로 제안되었다. 나노 물질을 사용하면 더 높은 밀도의 시스템을 제공하고 DOE가 300마일로 설정한 목표를 향해 주행 거리를 늘릴 수 있다. 탄소 나노튜브 및 금속 수소화물과 같은 탄소 재료가 연구의 주요 초점이다. 이들은 현재 다른 대안에 비해 다재다능함, 다기능성, 기계적 특성 및 저렴한 비용으로 인해 탑재 저장 시스템으로 고려되고 있다.^[156]

=== 기타 화학적 저장 방법 ===

CO₂ 수소화 반응은 메탄올 경로를 이용하여 긴 사슬 탄화수소를 생산하는 데 사용될 수 있다. 이 방법은 포집된 CO₂ 정제, 물 분해로 얻는 H₂ 공급원, 반응에 필요한 에너지 투입 등의 장벽이 있지만, 친환경 H₂ 기술 발전과 촉매 연구를 통해 극복할 수 있다.^[12]

개미산은 수소 저장 물질로 효과적이지만 수소 밀도가 낮다. 그러나 수용성 루테늄 촉매를 기반으로 한 균일 촉매 시스템은 개미산을 H₂와 CO₂로 선택적으로 분해하여 수소 저장 물질로 사용할 수 있게 한다.^[66][67]

암모니아(NH₃)는 저온 및 저압 조건에서 액체 상태로 고밀도의 수소 저장이 가능하며, 물과 혼합하면 상온 및 상압에서 액체 상태로 보관할 수 있다. 암모니아는 하버-보슈법을 통해 생산되며, 이미 대규모 인프라가 존재한다. 암모니아는 유해한 폐기물 없이 수소를 생산하기 위해 개질될 수 있으며, 탄소 부산물이 생성되지 않아 "탄소 중립" 옵션이 될 수 있다.^[70] 그러나 암모니아는 표준 온도 및 압력에서 강한 냄새를 지닌 유독 가스이며,^[71] 연료 전지 멤브레인이 잔류 암모니아에 매우 민감하다.^[72] 루테늄은 암모니아 분해 반응을 촉매하는 데 가장 효과적인 전이 금속이다.^[73]

히드라진은 세포 내에서 분해되어 질소와 수소를 형성한다.^[77] 규소 수소화물과 게르마늄 수소화물 역시 수소 저장 물질의 후보이다.^[78][79]

아민 보레인(특히 암모니아 보레인)은 수소 캐리어로 광범위하게 연구되었다. 아민 보레인 점화는 질화 붕소 (BN)와 수소 가스를 생성한다.

암모니아-질소와 같이 재사용을 전제로 하지 않는 것, 톨루엔-메틸시클로헥산과 같이 탈수소 후 재사용 가능한 것이 있다. 전자는 에너지 밀도가 높고, 체적 에너지 밀도는 121kg-H₂/m³로 액체 수소보다도 높다.^[174] 후자는 수소 저장 밀도가 낮다.

4. 1. 금속 수소화물

금속 수소화물은 금속과 수소의 화합물을 이용하여 수소를 저장하는 방식이다.^[13] MgH₂, NaAlH₄, LiAlH₄, LiH, LaNi₅H₆, TiFeH₂, 암모니아 보레인, 팔라듐 수소화물과 같은 다양한 금속 수소화물이 연구되고 있다.^[13] 이 물질들은 높은 에너지 밀도를 갖지만, 비에너지는 일부 탄화수소 연료보다 낮은 경우가 많다.^[13]

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수소 경제에 사용하기 위해 제안된 수소화물에는 마그네슘 또는 전이 금속의 단순 수소화물과 나트륨, 리튬, 또는 칼슘과 알루미늄 또는 붕소를 포함하는 복합 금속 수소화물이 포함된다.^[16] 주요 후보는 수소화 리튬, 붕수소화 나트륨, 리튬 알루미늄 수소화물 및 암모니아 보레인이다.^[16]

프랑스 회사 McPhy Energy는 마그네슘 수소화물을 기반으로 한 산업 제품을 개발하여 Iwatani 및 ENEL과 같은 주요 고객에게 판매했다.^[16]

가역적 수소 저장은 좌절된 루이스 쌍에 의해 나타날수 있는데, 이는 붕수소화물을 생성한다.^[17][18][19]

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왼쪽의 포스피노-보레인은 1기압 및 25°C에서 1당량의 수소를 받아들이고 100°C로 가열하여 다시 배출한다. 저장 용량은 0.25 wt%이다.

Mg 기반 수소 저장 물질은 자원 풍부, 경제성, 낮은 밀도, 뛰어난 수소 저장 용량 (순수 Mg의 이론적 수소 저장량은 7.6 wt%)^[38][39][40] 등의 장점으로 인해 주목받고 있다.^[36] 그러나, 열악한 수소 흡수/탈착 속도 때문에 실제 응용에는 어려움이 있으며, 이를 극복하기 위해 용융, 분말 소결, 확산, 기계적 합금, 수소화 연소 합성법, 표면 처리 및 열처리 등 다양한 방법이 연구되고 있다.^[24] 또한, 합금,^{[25][26][27][28]} 나노 구조화,^[29][30][31] 촉매 첨가제에 의한 도핑,^[32][33] 다른 수소화물과의 나노 복합재 획득^[34][35] 등과 같은 방법으로 성능 향상을 위한 연구가 진행 중이다.^[36]

LiAlH₄은 1947년 처음 합성되었으며,^[41] 이론적으로 10.5 wt% H₂의 중량 용량을 가지며 세 단계로 탈수소화된다.^[42][43][44] 처음 두 단계는 총 7.9 wt%의 수소 방출량을 보이지만, 작동 온도와 탈착 속도는 개선이 필요하다.^[45]

KAlH₄는 한 단계 합성을 통해 제조되며,^[51] 세 단계의 탈수소화 메커니즘을 갖는다.^[52] 촉매 첨가 없이도 낮은 수소 압력과 온도에서 가역적인 반응이 가능하며, TiCl₃ 첨가는 첫 번째 탈수소화 단계의 작동 온도를 낮추는 효과가 있다.^[45][53]

수소는 자동차 산업에서 청정 연료 대안으로 주목받고 있으며, 수소 연료 전지 (HFC)는 온실 가스 배출을 줄일 수 있다.^[156] 그러나 효율성, 크기, 안전성, 비용, 작동성 및 내구성 등의 문제가 해결되어야 하며, 이를 위해 탄소 나노튜브 및 금속 수소화물과 같은 나노 물질을 이용한 연구가 진행되고 있다.^[156]

4. 2. 유기 수소 운반체 (LOHC)

불포화 유기 화합물은 많은 양의 수소를 저장할 수 있으며, 이러한 액체 유기 수소 운반체(LOHC)는 수소화되어 저장되고 필요할 때 탈수소화되어 수소를 방출한다. LOHC를 사용하면 약 6 wt-%의 비교적 높은 중량 저장 밀도를 달성할 수 있으며, 전체적인 에너지 효율은 수소로부터 메탄을 생산하는 것과 같은 다른 화학적 저장 옵션보다 높다. LOHC의 수소화 및 탈수소화에는 모두 촉매가 필요하다.^[55] N, O 등과 같은 헤테로 원자로 탄화수소를 대체하면 가역적 탈/수소화 특성이 향상된다.^[55]

초기 LOHC 연구는 높은 수소 저장 용량(6-8 wt-%)과 CO_x가 없는 수소 생산을 보이는 사이클로알케인에 집중되었다.^[55] 헤테로고리 방향족 화합물 (또는 N-헤테로고리)도 이 작업에 적합하며, N-에틸카바졸/N-Ethylcarbazol^de (NEC) 등이 연구에 사용된다.^[56] 이미 산업에서 열 전달 유체로 사용되는 [https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/2_3-Dibenzyltoluene 디벤질톨루엔]은 -39 °C (융점)와 390 °C (비점) 사이의 넓은 액체 범위와 6.2 wt%의 수소 저장 밀도를 가져 LOHC 물질로 이상적이다.^[58] 개미산은 4.4wt%의 수소 저장 용량을 가진 유망한 수소 저장 물질로 제안되었다.^[59]

LOHC로 보고된 사이클로알케인에는 사이클로헥세인, 메틸-사이클로헥세인 및 데칼린이 포함된다. 사이클로알케인의 탈수소화는 고도로 흡열 반응(63-69 kJ/mol H₂)이므로 고온이 필요하다.^[55] 데칼린의 탈수소화는 열역학적으로 가장 유리하며, 메틸-사이클로헥세인이 그 다음이다.^[60] 사이클로알케인의 탈수소화를 위한 촉매 개발 연구는 수십 년 동안 수행되어 왔으며, 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 및 백금(Pt) 기반 촉매가 널리 연구되었다. 그러나 코크스 형성은 여전히 촉매의 장기적 안정성에 큰 과제이다.^[61][62]

수소화 및 탈수소화에 필요한 온도는 단순 탄소 고리 화합물에 비해 헤테로고리 화합물의 경우 현저히 낮아진다.^[63] N-헤테로고리 화합물 중에서 포화-불포화 쌍인 도데카하이드로-N-에틸카바졸(12H-NEC)과 NEC는 비교적 높은 수소 함량(5.8wt%)을 갖는 유망한 수소 저장 후보로 여겨져 왔다.^[64] NEC를 12H-NEC로 전환하는 표준 촉매는 Ru 및 Rh 기반 촉매이며, 수소화 반응의 선택성은 7 MPa 및 130 °C-150 °C에서 97%에 달할 수 있다.^[55] N-헤테로고리 화합물은 사이클로알칸의 불리한 열역학적 특성을 최적화할 수 있지만, 높은 비용, 높은 독성, 운동 장벽 등과 같은 많은 문제들이 해결되지 않은 채 남아 있다.^[55]

알킬(아릴)-3-메틸이미다졸륨 N-비스(트리플루오로메탄설포닐)이미데이트 염과 같은 이미다졸륨 이온 액체는 Pd/C 또는 Ir0 나노입자 촉매의 존재 하에 6–12개의 수소 원자를 가역적으로 첨가할 수 있으며, 차량 탑재형 수소 저장 장치의 대체 물질로 사용될 수 있다. 이 염들은 대기압에서 최대 30 g L⁻¹의 수소를 저장할 수 있다.^[65]

암모니아-질소와 같이 재사용을 전제로 하지 않는 것, 톨루엔-메틸시클로헥산과 같이 탈수소 후 재사용 가능한 유기 수소 운반체가 있다. 가역적으로 수소를 방출할 수 있는 유기 화합물을 유기 하이드라이드라고 부른다. 전자는 에너지 밀도가 높고, 체적 에너지 밀도는 121kg-H₂/m³로 액체 수소보다도 높을 뿐만 아니라, 이용 후의 물질을 순차적으로 폐기함으로써 기체를 경량화하여 연비를 개선할 수 있다.^[174] 다만, 암모니아는 수소만큼은 아니지만 고압 또는 저온에 의한 액화가 필요할 뿐만 아니라, 생성에는 고온 고압의 하버-보슈법을 필요로 하는 등 어려움이 따른다. 후자는 재이용, 저장이 용이하지만, 수소 저장 밀도는 톨루엔-메틸시클로헥산(47.0kg-H₂/m³), 벤젠←→사이클로헥산(56.0kg-H₂/m³), 나프탈렌←→데칼린(65.4kg-H₂/m³)이므로, 전자에 비하면 에너지 밀도가 떨어진다.

청정 연소 특성으로 인해 수소는 자동차 산업의 깨끗한 연료 대안이며, 수소 기반 연료는 온실 가스인 CO₂, SO₂ 및 NO_x의 배출을 크게 줄일 수 있다. 수소 연료 전지(HFC) 사용과 관련된 세 가지 문제는 효율성, 크기, 그리고 가스의 안전한 탑재 저장이다. 이 새로운 기술의 다른 주요 단점으로는 비용, 작동성 및 내구성 문제가 있으며, 이는 기존 시스템에서 개선해야 할 사항이다. 이러한 과제를 해결하기 위해 나노 물질의 사용이 기존 수소 저장 시스템의 대안으로 제안되었다. 나노 물질을 사용하면 더 높은 밀도의 시스템을 제공하고 DOE가 300마일로 설정한 목표를 향해 주행 거리를 늘릴 수 있다. 탄소 나노튜브 및 금속 수소화물과 같은 탄소 재료가 연구의 주요 초점이다. 이들은 현재 다른 대안에 비해 다재다능함, 다기능성, 기계적 특성 및 저렴한 비용으로 인해 탑재 저장 시스템으로 고려되고 있다.^[156]

4. 3. 기타 화학적 저장 방법

CO₂ 수소화 반응은 메탄올 경로를 이용하여 긴 사슬 탄화수소를 생산하는 데 사용될 수 있다. 이 방법은 포집된 CO₂ 정제, 물 분해로 얻는 H₂ 공급원, 반응에 필요한 에너지 투입 등의 장벽이 있지만, 친환경 H₂ 기술 발전과 촉매 연구를 통해 극복할 수 있다.^[12]

개미산은 수소 저장 물질로 효과적이지만 수소 밀도가 낮다. 그러나 수용성 루테늄 촉매를 기반으로 한 균일 촉매 시스템은 개미산을 H₂와 CO₂로 선택적으로 분해하여 수소 저장 물질로 사용할 수 있게 한다.^[66][67] 개미산은 실온 및 대기압에서 53 g L⁻¹의 수소를 함유하고 있으며, 무게 기준으로 순수 개미산은 4.3 wt%의 수소를 저장한다.

암모니아(NH₃)는 저온 및 저압 조건에서 액체 상태로 고밀도의 수소 저장이 가능하며, 물과 혼합하면 상온 및 상압에서 액체 상태로 보관할 수 있다. 암모니아는 하버-보슈법을 통해 생산되며, 이미 대규모 인프라가 존재한다. 암모니아는 유해한 폐기물 없이 수소를 생산하기 위해 개질될 수 있으며, 탄소 부산물이 생성되지 않아 "탄소 중립" 옵션이 될 수 있다.^[70] 그러나 암모니아는 표준 온도 및 압력에서 강한 냄새를 지닌 유독 가스이며,^[71] 연료 전지 멤브레인이 잔류 암모니아에 매우 민감하다.^[72] 루테늄은 암모니아 분해 반응을 촉매하는 데 가장 효과적인 전이 금속이다.^[73]

히드라진은 세포 내에서 분해되어 질소와 수소를 형성한다.^[77] 규소 수소화물과 게르마늄 수소화물 역시 수소 저장 물질의 후보이다.^[78][79]

아민 보레인(특히 암모니아 보레인)은 수소 캐리어로 광범위하게 연구되었다. 아민 보레인 점화는 질화 붕소 (BN)와 수소 가스를 생성한다.

암모니아-질소와 같이 재사용을 전제로 하지 않는 것, 톨루엔-메틸시클로헥산과 같이 탈수소 후 재사용 가능한 것이 있다. 전자는 에너지 밀도가 높고, 체적 에너지 밀도는 121kg-H₂/m³로 액체 수소보다도 높다.^[174] 후자는 수소 저장 밀도가 낮다.

5. 지하 수소 저장

지하 수소 저장은 동굴, 염분 돔, 고갈된 유전 및 가스전을 활용하여 수소를 저장하는 기술이다.^[127][128] ICI는 수년 동안 대량의 기체 수소를 동굴에 문제없이 저장해 왔다.^[161] 대량의 액체 수소를 지하에 저장하는 것은 전력망 에너지 저장 역할을 할 수 있다. 왕복 효율은 약 40%이며 (vs. 양수 발전의 75~80%), 비용은 양수 발전보다 약간 더 높다.^[162]

유럽 실무 문서에서 참조된 또 다른 연구에 따르면, 대규모 저장을 위해 전해조, 염동굴 저장 및 복합 사이클 발전소를 사용하여 2,000시간 동안 수소를 저장하는 경우 €140/MWh로 가장 저렴한 옵션이다.^[163] 유럽 프로젝트 Hyunder^[164]는 2013년에 풍력 및 태양 에너지 저장을 위해 PHES 및 압축 공기 에너지 저장(CAES) 시스템으로는 충당할 수 없으므로 85개의 동굴이 추가로 필요하다고 밝혔다.^[165]

염동굴에 수소 저장에 대한 독일 사례 연구에 따르면, 독일의 전력 잉여분(2025년까지 총 가변 재생 에너지 발전량의 7%, 2050년까지 20%)을 수소로 변환하여 지하에 저장할 경우, 이러한 양은 2025년까지 각각 500,000 입방 미터 규모의 동굴 15개, 2050년까지 약 60개의 동굴이 필요하며, 이는 현재 독일에서 운영 중인 가스 동굴 수의 약 1/3에 해당한다.^[166] 미국에서는 샌디아 국립 연구소가 고갈된 석유 및 가스전에 수소를 저장하는 연구를 수행하고 있으며, 이는 약 270만 개의 고갈된 유정이 존재하므로 재생 가능하게 생산된 수소를 쉽게 흡수할 수 있다.^[167]

5. 1. 염 동굴 저장

5. 2. 기타 지하 저장 방법

6. Power to Gas (P2G)

전력 가스화는 전기 에너지를 가스 연료로 변환하는 기술이다.^[149][150] 물 분해를 통해 생성된 수소를 천연 가스 그리드에 주입하거나,^[149][150] 이산화 탄소와 수소를 메탄으로 변환하여 활용할 수 있다.^[149][150] 특히, 바이오메탄화는 고세균을 이용하여 혐기성 환경에서 메탄을 생성하는 효율적인 방법으로, 저등급 열만 필요하다는 장점이 있다.^[149][150]

SoCalGas는 잉여 재생 가능 전기를 천연 가스로 변환하는 더 간단한 방법을 개발했다.^[151] 영국은 수소 가스 전환이 전기 난방 시스템 구축보다 경제적일 수 있다는 연구 결과를 바탕으로 수소 주입을 준비하고 있다.^[152]

풍력, 태양광 발전으로 생성된 잉여 전력은 에너지 그리드의 부하 균형에 사용될 수 있다. Hydrogenics와 Enbridge는 캐나다에서 전력 가스화 시스템을 개발하기 위해 협력했다.^[153]

수소 파이프라인 저장은 천연 가스 네트워크를 수소 저장에 활용하는 방식이다.^[154] 독일의 가스 네트워크는 과거 도시 가스 운영 경험을 바탕으로 수개월 분의 에너지 요구량을 충족할 수 있는 저장 용량을 보유하고 있으며, 가스 네트워크를 통한 에너지 수송은 전력 네트워크보다 손실이 적다.^[154] NaturalHy는 기존 천연 가스 파이프라인을 수소에 활용하는 연구를 수행했다.^[154]

7. 수소 저장 기술의 안전성

8. 결론 및 미래 전망

수소 저장 재료 연구는 2000년부터 2015년까지 활발하게 진행되었으며, 특히 2000년대에는 과대 광고 주기 형태의 발전을 겪었다.^[168] 2010년까지 연구가 증가하는 속도로 성장했지만, 이후 성장세가 둔화되어 2015년에 정점에 도달했다.^[169]

국가별 연구 생산량을 보면, 2010년 이후 유럽 연합 국가, 미국, 일본은 생산량이 일정하거나 감소한 반면, 중국과 한국은 2015년까지 생산량이 계속 증가했다.^[169] 특히, 중국은 전체 기간 동안 가장 많은 논문을 발표하며 선두 자리를 유지했다.^[169]

연구된 재료 중에서는 금속-유기 골격체(MOF)가 가장 많이 연구되었고, 단순 수소화물이 그 뒤를 이었다.^[169] 2004년 이후 주로 연구된 새로운 재료(MOF, 붕소 수소화물), 전체 기간 동안 꾸준히 연구된 고전적인 재료(단순 수소화물), 연구가 정체되거나 감소하는 재료(AB5 합금, 탄소 나노튜브) 등 세 가지 유형의 재료가 확인되었다.^[169]

물리 흡착 기술은 아직 상용화 단계에 이르지 못하고 있으며, 소량 샘플에 대한 실험 연구만 진행되고 있다.^[170] 고압 및/또는 저온 조건이 필요하기 때문에, 현재 기술 수준에서는 압축 및 액화 방법의 부가 기능으로 간주된다. 물리 흡착 과정은 활성화 에너지가 필요 없고 상호 작용 에너지가 낮아 가역적이다. 금속-유기 골격체, 다공성 탄소, 제올라이트 등의 재료에서 수소는 기공 표면에 물리 흡착되며, 저장 용량은 주로 표면적과 기공 부피에 따라 결정된다. 그러나 수소와 흡착제 표면 사이의 약한 반 데르 발스 상호 작용으로 인해 주변 온도와 압력에서는 용량이 매우 낮아지는 한계가 있다.

LOHC는 화학 반응을 통해 수소를 흡수하고 방출하는 유기 화합물로, 미래 수소 저장 기술로 주목받고 있다.^[171] LOHC는 주기적인 과정에서 상당량의 수소를 저장하고 방출할 수 있으며, 대기 중으로의 화합물 방출을 방지한다. LOHC는 화석 연료와 유사한 에너지 저장 밀도와 관리성을 가지므로, 이동성 응용 분야에 풍력 및 태양 에너지를 제공하는 매력적인 방법으로 평가된다.^[171]

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