수소 저장은 어렵고 헬륨은 쉬운가요? 저장 기술 비교로 알아보는 두 기체의 차이점

서론: 같은 기체인데 왜 수소 저장은 어렵다는 이야기가 많을까요?

수소와 헬륨은 모두 가벼운 기체이며, 물리적으로 유사한 특성을 가진 것으로 보일 수 있습니다. 하지만 에너지 산업이나 과학·의료 산업에서 이 두 기체를 다루는 방식은 완전히 다릅니다.
특히 수소는 ‘저장하기 어렵다’, ‘운반에 기술이 필요하다’, ‘누출 위험이 있다’는 말이 자주 언급되는 반면, 헬륨은 마치 쉽게 저장되고 운송될 수 있는 기체로 인식되곤 합니다. 실제로도 이와 같은 인식은 일정 부분 사실에 기반하고 있습니다.

이 글에서는 수소와 헬륨의 물리적 특성 차이부터 시작하여, 각 기체의 저장 기술, 운송 방식, 산업적 적용 범위, 그리고 무엇이 이 둘을 다르게 만드는지를 비교 분석해보겠습니다.
단순한 기초 과학 지식을 넘어서, 에너지 산업과 미래 모빌리티 인프라와도 연결되는 내용이기 때문에, 수소차 운전자나 관련 업계 종사자뿐 아니라 수소경제에 관심 있는 분들께도 유익한 정보가 될 것입니다.

수소와 헬륨, 기본적인 물리적 특성은 어떤 차이가 있을까요?

먼저 수소(H₂)와 헬륨(He)은 주기율표상에서 가장 가벼운 두 원소입니다. 수소는 원자번호 1번, 헬륨은 2번으로 매우 작고 가벼운 기체이기 때문에 둘 다 대기 중에 거의 존재하지 않고, 지구 중력을 이기고 쉽게 우주로 빠져나가는 특성을 가집니다.
하지만 이 둘의 차이는 여기서부터 시작됩니다. 수소는 이원자 분자(H₂)로 존재하며, 인화성과 폭발성을 가진 연료입니다. 반면 헬륨은 단원자 기체(He)로서 불활성 기체입니다. 다시 말해, 헬륨은 다른 물질과 반응하지 않는 성질을 가지고 있어서 화학적으로 매우 안정적입니다.

수소는 연료로 사용될 만큼 화학 반응성이 뛰어나며, 이것은 에너지를 낼 수 있는 기반이 되지만, 동시에 보관 중에도 반응이나 누출 위험이 존재할 수 있는 원인이 됩니다.
또한 수소는 분자 크기가 작아 대부분의 금속이나 재질의 미세한 틈도 쉽게 통과합니다. 이 때문에 고압 저장 탱크나 배관에서도 누출을 막기 위해 고급 소재와 특수 설계 기술이 요구됩니다.
반대로 헬륨은 반응성이 없고 기체 분자도 상대적으로 덜 활발하게 움직이기 때문에 장기간 저장하거나 운송할 때 구조물에 손상을 줄 가능성이 매우 낮습니다.

이러한 특성 차이는 단순한 분자 구조의 문제가 아니라, 실제 산업 현장에서 설비의 내구성, 안전성, 유지보수 비용 등과 직접 연결되는 핵심 변수가 됩니다.

 

수소 저장 기술: 고압, 액화, 고체 저장까지 필요한 이유

수소는 연료로 사용할 때 높은 밀도로 저장되어야만 효율적으로 에너지로 활용될 수 있습니다. 하지만 상온에서는 매우 낮은 밀도를 가지기 때문에, 에너지 밀도를 높이기 위해 물리적 또는 화학적인 저장 방식이 필수입니다.
현재까지 가장 널리 쓰이는 저장 방식은 크게 고압 압축 저장, 액화 저장, 금속 수소화물 등 고체화 저장으로 구분됩니다.

고압 압축 저장은 수소를 350bar(상용차 기준), 700bar(승용차 기준) 수준으로 압축해서 탱크에 저장하는 방식으로, 수소차 연료탱크에 사용되는 주된 방식입니다.
하지만 이 방식은 압력을 유지하기 위한 고강도 복합소재 탱크(탄소섬유, 고분자 소재 등)가 필요하고, 탱크 제작 단가가 매우 높습니다.
또한 고압 상태에서의 누출은 폭발 위험까지 동반하기 때문에, 저장 및 충전 설비에도 고도화된 안전 시스템이 필요합니다.

액화 수소 저장은 -253°C라는 극저온에서 수소를 액체로 만들어 저장하는 방식입니다.
이 방식은 부피를 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 극저온을 유지하는 데 드는 에너지 소모가 매우 크고, 증발 손실(boil-off loss)도 존재합니다.
현재 액화수소는 주로 로켓 연료나 우주항공 분야, 그리고 극소수의 대용량 수소 저장 시스템에서만 사용되고 있습니다.

마지막으로 고체 저장 방식은 수소를 금속수소화물(MH), 탄소 나노튜브 등 특수 재료에 흡착하거나 화학적으로 결합시켜 저장하는 방식입니다.
이 기술은 아직 상용화 초기 단계이지만, 장기 저장과 안전성 측면에서 매우 유망한 기술로 평가받고 있습니다.

이처럼 수소는 저장 방식에 따라 복잡한 기술과 고비용 설비가 요구되며, 이는 수소차 충전 인프라 구축이나 연료 공급 비용에도 큰 영향을 미치고 있습니다.

 

헬륨 저장은 왜 더 단순하고 쉬울까요?

헬륨은 저장과 운송이 수소보다 상대적으로 훨씬 간단합니다.
첫째, 헬륨은 화학적으로 완전히 불활성인 기체이기 때문에 인화성이나 폭발 가능성이 없습니다. 이로 인해 저장소 내부에 특별한 반응 방지 장치가 필요하지 않으며, 일반적인 고압 탱크나 저압 용기에도 안전하게 보관할 수 있습니다.
또한 헬륨의 분자 크기는 작지만, 반응성이 없기 때문에 누출되더라도 폭발로 이어질 위험이 없습니다.

일반적으로 헬륨은 100~200bar 정도의 고압 실린더에 저장되어 의료, 반도체, 실험실, 풍선, 항공 등 다양한 분야로 유통됩니다.
보통 스틸이나 알루미늄 합금 탱크를 사용하며, 전문가가 아니더라도 쉽게 운반하고 연결할 수 있을 정도로 취급이 용이합니다.

물론 헬륨도 특정 조건에서는 액화가 필요합니다. 액화헬륨은 -269°C의 초저온 상태에서 존재하며, MRI 장비나 고온초전도체 냉각 용도 등에서 사용됩니다.
하지만 이러한 극저온 헬륨은 산업 전반에서 필수적인 수요는 아니며, 일반 산업·의료용 헬륨은 대부분 고압 기체 형태로 유통되기 때문에, 수소보다 저장이 훨씬 간편하다고 볼 수 있습니다.

또한 헬륨은 고압 충전 후 장기간 저장이 가능하며, 기체 손실률도 수소보다 훨씬 낮습니다.
이 때문에 헬륨을 사용하는 산업체에서는 보관 장비에 대한 유지관리 비용이 적고, 안전사고 위험도 낮기 때문에 전반적인 운영 효율이 높습니다.

 

결론: 같은 기체라도, 저장 기술은 전혀 다릅니다

지금까지 수소와 헬륨의 저장 기술을 비교해본 결과, 두 기체는 겉보기엔 비슷하지만 기술적 처리 방식과 산업적 난이도에서 현격한 차이를 보입니다.
수소는 에너지원으로서 매우 유망하지만, 작은 분자 크기, 인화성, 반응성 등으로 인해 저장과 운송에 높은 기술력과 비용이 필요합니다.
반면 헬륨은 불활성 기체로서 화학 반응 위험이 없고, 고압 또는 저압 상태에서 비교적 안정적으로 저장이 가능하다는 점에서 운영이 수월합니다.

따라서 수소 경제가 본격화되기 위해서는 저장 기술의 발전과 안전성 확보가 반드시 동반되어야 하며,
이 분야에 대한 기술 혁신은 수소 인프라의 보급 속도에 직접적인 영향을 미치게 됩니다.
수소차, 수소 드론, 수소 발전소 등 다양한 분야에서 효율적이고 안전한 저장 기술이 핵심 인프라가 되고 있는 현재,
수소의 ‘저장성’ 문제를 해결하는 것이야말로 수소 경제를 완성하는 마지막 퍼즐이라 할 수 있습니다.

헬륨처럼 저장이 쉬운 기체는 아니지만, 그만큼 수소는 에너지 가치가 높은 미래 연료이기 때문에,
기술이 뒷받침된다면 충분히 현실화가 가능한 자원입니다.
이제는 수소의 저장 기술에 대한 이해도 일반 소비자와 정책 담당자 모두가 가져야 할 필수 지식이 되어가고 있습니다.