산업혁명 이후 약 260년간 오늘날 경제는 천연자원을 사용해 제품을 생산하고, 해당 제품을 소비한 후 매립이나 소각을 통해 단순 폐기하는 선형 경제 구조였다. 이러한 시스템은 자원 고갈, 환경오염, 폐기물 발생 지구온난화 문제를 야기했다. 지금 지구는 지구온난화로 인한 기상 이변에 시달리고 있다. 2019년 9월에 시작된 호주 산불은 대표적인 기상 이변 피해 사례다. 기상학자들이 기후변화로 인한 온도 상승이 산불의 장기화에 기여했다고 분석한 바 있다. 기록적인 고온 현상과 유례없는 가뭄이 땅을 건조하게 하고, 곧 유례없는 산불로 이어졌다는 것이다.

세계경제포럼(WEF)에서 발표한 ‘2020 세계 위험 보고서’에 따르면, 기후변화를 비롯한 환경 문제들이 2020년대에 인류가 맞닥뜨릴 가능성 높은 위협 요인 TOP 5를 독차지했다. 가장 큰 위협으로 ‘기상이변’이 선정되었으며, 이어 2~5위로는 기후변화 대응 실패, 자연재해, 생물다양성 손실, 인간 유발 환경재난 순으로 꼽혔다.

이와 같이 전 세계가 직면한 환경문제의 해결 방안으로 순환경제 개념이 부상하고 있다. 전지구적인 자원 낭비와 환경 파괴 문제를 해결하는 효율적인 접근이라고 여겨지기 때문이다. 이 모델은 ‘생산-소비-폐기’에 이르는 일방통행식 과정을 벗어나 천연자원 사용 최소화 및 자원 순환이용을 극대화하는 것이다. 즉, 순환경제는 제품의 전 생애주기에 잠재된 재활용성을 극대화해 지속가능성과 이익창출을 동시에 실현할 수 있는 새로운 경제시스템이다.

자원순환 시스템은 자원고갈, 토양·해양 환경오염, 온실가스 감축 등의 문제를 해소해 전 지구적 탄소중립을 달성하는 최적의 방식이라 할 수 있다. 이에 업계는 시대적 과제인 온실가스 감축을 위해 ‘2050 전자·전기·전지 탄소중립 공동선언문’을 발표하기도 했다. 특히, 전지업계는 이차전지의 성능개선, 안정성 확보와 함께 생산·재활용·폐기 등 전지 제품 전 과정에서의 탄소배출량을 줄이기 위한 노력도 병행할 계획이다.

전기차도 온실가스를 배출한다?

유럽연합은 ‘24년부터 역내 판매되는 이차전지의 탄소발자국 공개를 의무화하고, ‘27년에는 기준을 초과하는 제품의 판매를 금지하는 규제를 더 강화할 예정이다. 다시 말해, 자동차를 만드는 과정에서 소모되고 배출되는 에너지부터 자동차를 운행하면서 사용하는 연료와 전기, 부품 교체, 폐기·재활용까지 자동차 전과정평가*를 도입해 규제하는 것이다.
*전과정평가(LCA, Life Cycle Analysis) : 제품 및 서비스를 포함한 모든 산업활동이 환경에 미치는 영향을 평가하는 방법을 의미한다.

매연이 없는 전기차는 주행 중 이산화탄소를 배출하지 않지만, 제조단계에서는 기존 내연기관차보다 더 많은 이산화탄소를 배출하고 있다. 전기차가 연료 생산 단계부터 차량 운행까지 자동차 온실가스 배출량 전 과정 평가(LCA)에서 내연기관차 대비 절반 이하의 이산화탄소를 배출하지만, 전기차 전체 생애주기 탄소발자국의 30%가 이차전지에서 발생하고 있다 는 점이 주목할 포인트다.

이차전지 단독 기준으로는 전체 CO₂ 배출량 중 약 20%가 셀 제조 공정에서 발생하고 있으며. 양/음극재, 전해액, 분리막 등 주요 소재는 이미 원료 단계에서 상당량의 탄소발자국을 내포하고 있다. 따라서 배터리 셀 제조 업체뿐 아니라 소재 생산 기업들도 제조와 생산의 에너지 효율을 높이고 재생에너지를 이용하는 등 온실가스 저감에 노력을 기울여야 하는 상황이다.

순환경제 측면에서 제조단계에서 재생자원의 사용량을 높이고, 사용단계에서는 공유경제 시스템을 도입해 사용 빈도가 낮은 제품의 재활용성을 높이며, 폐기단계에서는 사용 후 제품의 성능을 복원해 수명을 연장하거나 유가자원을 회수, 재생원료로 재활용함으로써 탄소저감을 실천할 수 있다.

결국 이차전지 산업에서도 탄소 배출 관리가 핵심 경쟁요소임에 틀림없다. 이에 포스코케미칼은 2035년까지 배터리소재 부문에서 탄소중립을 달성하겠다는 목표 하에 국내외 경쟁사 대비 소재 생산 과정에서의 환경영향을 측정 및 공개하면서 글로벌 환경 규제에 선제적으로 대응할 수 있는 ESG 경쟁력을 강화하고 있다.

“▲ 지난 ‘22.10월에 포스코케미칼 손동기 양극소재실장(사진 왼쪽)과 한국환경산업기술원 김종환 친환경안전본부장이 인증서를 들고 기념촬영하고 있다.

실제로 ‘21년 1월 천연흑연 음극재의 환경영향을 투명하게 공개해 환경성적표지* 인증을 획득하고, 10월에는 PN6(니켈 함량 60% 이상) · PN8(니켈 함량 80% 이상) 양극재의 환경성적도 공식 인증을 받은 바 있다.
*환경성적표지 : 제품의 원료 채굴부터 생산, 사용 및 폐기 등 전체 제품 주기에 대한 환경영향을 환경부가 평가해 표시하는 국가공인 인증제도를 말한다.

순환경제의 구현은 환경오염 억제와 신규 일자리 창출 등 사회·경제적 파급 효과가 클 것으로 바라보고 있다. 글로벌 경영 컨설팅 기업인 액센츄어(Accenture)와 맥킨지(McKinsey)에 따르면, 순환경제 구축으로 2030년까지 4조 5000억 달러의 경제적 가치 창출과 함께 글로벌 탄소 배출량 48%, EU의 에너지 소비 37% 감축을 전망했다. 포스코케미칼을 포함한 배터리소재 기업들은 향후 △광물 · 원료 공급망 다변화 △보호무역주의 및 환경규제 대응을 위한 현지 투자 확대 △폐배터리 리사이클링 인프라 구축 △재생에너지 전력망 확보 등 국내 소재산업의 생태계 강건화를 위해 계속해서 많은 노력을 기울여야 할 것이다.

전 세계가 탄소중립 조기달성을 위해 전기차 보급 확대에 주력하고 있다. 월스트리트저널이 자동차 시장조사업체 LMC 오토모티브 연구를 인용해 전한 통계에 따르면, 지난해 전기차 글로벌 판매가 약 780만 대에 달한다고 한다. 다시 말해 전 세계에 팔린 신차 10대 중 1대는 전기차였던 것이다. 전기차 보급대수는 내연기관 완전 퇴출이 본격적으로 시행되는 2030년을 기준으로 기하급수적으로 늘어날 전망이다.

하지만 전기차 판매량이 증가하는 것은 곧 전기차에서 배출되는 ‘사용 후 배터리’ 즉, 폐배터리도 함께 늘어난다는 것을 뜻한다. 폐배터리는 외부 노출 시 화재나 폭발 위험이 있고, 매립이나 소각 시에도 환경오염 악화로 이어질 수 있어 처리 문제가 대두되고 있다. 또한 배터리 제조에 필요한 리튬, 니켈 등 원재료 가격이 인상되는 상황에서 폐배터리 내 포함된 고가의 희유금속을 추출 및 재활용한다면 순환경제 차원에서 환경적 가치와 경제적 가치를 동시에 창출할 수 있다.

l 배터리 순환경제의 필요성

배터리 순환경제는 폐배터리 내 금속을 추출해 신규 배터리 제조에 활용 또는 판매하거나 폐배터리를 기존 용도가 아닌 다른 용도로 재사용함으로써 지속가능성을 추구하는 친환경 경제 모델이다. 배터리 순환경제의 이점은 크게 세 가지다. △폐배터리 산업 활성화를 통한 경제적 이익과 고용 창출 △배터리 제조비용 절감 및 공급망의 안정성 상승 △이산화탄소 배출량 감축이다.

배터리 재활용 산업이 활성화되면 중국 등 배터리 자원보유국에 대한 의존도를 낮출 수 있고 국내 배터리 공급망 선순환에도 긍정적인 영향을 끼친다. 배터리 원자재 채굴 및 정제 과정에서 온실가스 발생을 피할 수 없는데, 배터리의 순환형 생태계를 구축하면 환경오염을 최소화하면서 자원에 대한 접근성을 높일 수 있다.

국내 전기차 폐배터리 배출량은 2029년 기준 약 80,000개에 이를 것으로 예상되며, 글로벌 전기차용 배터리 재활용 시장 규모는 2020년 약 4,000억 원에서 2025년 3조 원으로 연평균 47% 성장한 뒤 2030년 12조 원, 2040년 87조 원으로 연평균 26%의 성장세를 보일 것으로 전망하고 있다.

반면, 급증하는 폐배터리에 대한 수거 및 재활용 방안에 대해서는 제대로 정비되어 있지 않은 실정이다. 이를 규제하기 위해 유럽은 오래전부터 적극적으로 전기차 도입을 해온 만큼, 현 상황에 맞게 개정된 ‘EU 배터리 규제안*’을 내놓기도 했다. 이번 규제안은 아직 의무조항은 아니지만 추후 각국의 동의를 얻어 의무화할 예정이며. 앞으로 발생될 폐배터리를 국가 차원에서의 재활용·재사용 확대 기반을 마련할 것으로 기대되고 있다.
*EU 배터리 규제안이란? 기존 2006년에 발표한 EU 배터리 지침이 잘 시행되고 있는지 자체적으로 평가해 현 폐배터리 상황에 맞게 개정한 것을 말한다.

l 폐배터리 처리방식, 재활용(Recycle) VS 재사용(Reuse)

폐배터리는 잔존 수명과 상태에 따라 크게 재사용(Reuse)과 재활용(Recycle)의 두 가지 방식으로 처리된다. 재사용은 배터리를 다른 용도의 배터리로 다시 쓰는 방식이며, 재활용은 배터리에서 니켈, 망간, 리튬 등의 소재를 회수해 새 배터리 제작에 쓰는 방식이다. 특히, 잔여 충전 성능이 낮은 경우에도 폐배터리 속 리튬이나 니켈, 코발트 등 배터리 제조 시 필요한 필수 광물을 회수할 수 있어 고부가가치 자원으로 꼽힌다. 재사용의 대표적인 사례는 ESS(전력저장장치, Energy Storage System)이다. 팩 단위로 묶인 여러 개의 폐배터리를 연결해 ESS를 구축해 전력을 저장해두고 사용하게 되면, 배터리를 새로 만들 필요 없이 전력 저장고를 구축할 수 있다. ESS로 재사용되는 배터리는 통상적으로 10년 이상 더 쓸 수 있는 것으로 알려져 있다.

l 폐배터리 리사이클링 시장 활성화를 위한 포스코의 노력

한국에서는 독자적인 기술개발이나 다양한 기업들과 리사이클링 협약 등 폐배터리 재활용 기술을 확보하기 위한 적극적인 투자로 전기차 배터리 생태계가 조성되고 있다. 대표적으로 포스코홀딩스는 2020년 12월에는 90억 원을 투자해 폴란드에 리사이클링 상공정*을 담당하는 이차전지 재활용 공장 ‘PLSC(Poland Legnica Sourcing Center)’을 세우고, 리사이클링 기술을 보유한 중국 화유코발트사와 JV(합작법인)를 통해 광양 율촌산업단지에 하공정**을 담당하는 포스코HY클린메탈을 설립해 생산역량 규모를 키우고 있다.
*상공정 : 배터리 생산과정 중 발생되는 스크랩을 수거해 분쇄하고 열처리를 거쳐 중간재인 블랙파우더를 제조한다.
**하공정: 블랙파우더에서 유가금속을 추출하는 용매추출 공정을 통해 이차전지 소재를 생산한다.

PLSC는 2월부터 양산에 돌입해 유럽 지역 이차전지 제조과정에서 발생하는 스크랩과 폐배터리를 수거·분쇄한 블랙파우더를 연간 약 8000톤 생산한다. 포스코HY클린메탈도 올해 1공장 가동을 통해 PLSC 등에서 공급받은 블랙파우더로 리튬과 니켈, 코발트 등 양극재 원료를 추출할 계획으로, 연간 탄산리튬 2500톤, 니켈 2500톤, 코발트 800톤을 생산 가능하다.

포스코그룹은 에너지 전환이라는 산업적, 사회적 변화 요구에 대응해 안정적인 폐배터리 확보는 물론 포스코의 미래성장과 사회적 가치를 함께 창출하고자 재활용 관련 새로운 산업생태계 구축에 힘쓰고 있다.

전기차와 배터리 산업은 미래 경쟁력 확보를 위한 가장 핵심적인 산업 중 하나이다. 국내 폐배터리 재활용 시장은 산업 초기 단계로 시장 활성화를 위해서는 △폐배터리의 명확한 기준 설정 △배터리 이력 관리 △회수 인프라 구축 및 세제 지원 △재활용 단계별 국가표준 제정 등 아직 해결해야 할 과제들이 많다. 유럽을 필두로 2030년부터 이차전지 재활용 원료 사용이 의무화되기 때문에 앞으로 배터리 재활용 시장은 더욱 성장할 것으로 전망되는 만큼, 폐배터리 선점 및 재활용 기술 경쟁력을 확보할 수 있도록 활발한 논의와 지원이 필요한 시점이다.

l 에너지 대전환 시대, 핵심은 ‘배터리’

세계는 화석 연료 중심에서 재생에너지 중심으로 ‘대전환’이 일어나고 있다. 시대적 전환의 동력이 되고 있는 기후위기 극복을 위해 주요 국가에서 다양한 혁신기술을 개발하고 있다. 이때 우리 생활에 긍정적인 영향을 미칠 유망분야 중 하나로 꼽히는 것이 바로 배터리 기술이다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 배터리는 리튬이온전지이다. 리튬이온전지의 성능은 새로운 전자제품과 전기차에 대한 폭발적인 수요에 힘입어 끊임없는 기술개발로 향상되었다. 배터리의 성능이 좋다는 것은 에너지 밀도가 높은 것을 뜻한다. 리튬이온배터리의 초기 에너지 밀도는 200Wh/L, 80Wh/kg 수준이었고, 지금까지 3배가량 증가했다. 실제로 2011년 전 세계에서 가장 많이 팔렸던 전기차인 닛산 리프는 1회 충전 시 120Km 정도 주행이 가능했는데, 에너지 밀도가 높아진 덕분에 최근 출시된 모델은 500Km 수준에 달한다.
*에너지 밀도 : 단위 부피 또는 단위 무게 당 가지고 있는 에너지의 양을 말한다. 즉, 에너지 밀도가 높다면 같은 에너지를 가지고 있다 하더라도 부피가 작거나 무게를 적게 만들 수 있다.

하지만 높은 에너지 밀도는 그만큼 화재나 폭발 위험성을 가지고 있다. 독일보험협회 산하 화재예방 연구소인 VDS의 ‘S+S Report International’에 따르면 리튬이온배터리는 기계적 손상, 과방전, 과충전으로 인해 전기적 결함, 내부과열, 외부로부터 이차적 열 방출 등이 발생해 폭발반응이 일어날 수 있다고 말한다.

l 전고체 배터리가 ‘꿈의 배터리’인 이유

이러한 위험을 차단하기 위해 고체전해질이 새로운 차세대 배터리 기술로 떠오르고 있다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 가연성의 액체에서 고체로 대체한 전지를 말한다. 전고체 배터리의 메가트렌드(megatrends)는 ‘우수한 안전성’, ‘높은 에너지 밀도’, ‘고출력’, ‘넓은 사용온도’, ‘단순한 전지 구조’라 말할 수 있다. 그렇기 때문에 폭발의 위험에서도 자유롭고, 또 고체전해질은 0℃ 이하의 저온이나 60~100℃ 고온에서 액체전해질보다 전도 성능이 향상된다는 장점이 있다.

전고체 배터리로 전기차 배터리 모듈, 팩 등의 시스템을 구성할 경우, 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 안전장치 및 분리막이 따로 필요하지 않아 관련 부품 수를 줄일 수 있다. 이에 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 제격이 된다. 즉, 전지의 고용량화, 소형화, 얇은 필름과 같은 형태 다변화 등 사용 목적에 따라 다양하게 활용이 가능한 차세대 유망 기술로서 현재 다양한 고체전해질 물질의 개발이 빠르게 진행되고 있다.

고체전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머 3가지 종류로 나눌 수 있다. 먼저, 산화물계는 저항이 높아 충전 속도가 빨라야 하는 전기차용으로는 적합하지 않고 소형전지에 주로 적용된다. 폴리머계 전해질은 기존 액체전해질 기술과 유사하고 제조 공정도 비슷해 비용 경쟁력을 갖추고 있다. 이 중에서 기술적으로 가장 앞서가고 있는 분야는 황화물계다. 황화물계 전해질이 가장 높은 이온전도도를 보유하고 900Wh/L 이상의 높은 에너지 밀도로 구현할 수 있어 우수한 셀 성능으로 평가돼 활발한 연구가 진행되고 있다.

l 전고체 배터리 기술적 걸림돌

전고체 배터리가 리튬이온배터리의 최대 약점인 안전성을 개선할 유망 기술임은 확실하지만, 상용화하는 데 있어 아직 해결해야 할 숙제가 많다.

전해질의 본질적인 기능은 ‘리튬 이온의 이동수단’이다. 안정성도 중요하지만, 무엇보다 리튬이온이 원활하게 이동하도록 ‘이온전도도’가 높아야 한다. 하지만 전해질이 고체인 관계로 전극과 전해질의 밀착성이 떨어져 불연속 계면을 형성한다. 이렇게 되면 배터리 성능을 저하시키는 내부의 저항이 증가하게 한다. 따라서, 전해질과 양 극판의 접촉을 최대화하고 접촉면에서의 저항을 최소화해야 하는 기술적 과제를 해결해야 하는 상황이다.

또 고체전해질은 액체 전해질보다 상온(15~25℃)에서는 이온전도도가 낮은 특성이 있다. 그 때문에 상온에서 작동이 필요한 스마트폰과 같은 IT기기에 적용하기 쉽지 않다. 따라서 상용화가 되면 주변 온도 제어가 가능한 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 분야에 우선 적용될 것으로 바라보고 있다.

l ‘꿈의 배터리’ 향한 K-배터리 3사의 치열한 경쟁

급속도로 커지고 있는 배터리 시장 내 전고체 배터리 기술은 연구개발 초기단계지만, 향후 전기차 시장의 ‘게임 체인저’로 기대하고 있다. 한국과학기술정보원구원(KIST) ASTI 마켓 인사이트에 따르면, 세계 전고체 배터리 시장규모는 2020년 약 6,160만 달러에서 연평균 34.2%의 높을 성장률을 나타내 2027년 약 4억 8.250만 달러의 큰 시장을 형성할 것으로 전망하고 있다.

이런 시장의 움직임을 감지한 배터리 제조업체들은 국내외 주요 대학·연구기관 등과 손을 맞잡으면서 전고체 배터리 개발에 속도를 내고 있다. 리튬이온 배터리의 경우 K-배터리의 기술력이 상대적으로 앞서있지만, 전고체 배터리 등 차세대 분야에서는 독자적으로 연구하기엔 큰 부담이 따르기 때문에 세계적인 연구진과 함께 R&D 투자를 적극적으로 추진하고 있다.

업계에서 유일하게 고분자계와 황화물계 전고체 배터리를 모두 개발 중인 LG에너지솔루션은 2026년 고분자계, 2030년 황화물계 배터리를 각각 상용화한다는 목표다. 삼성SDI와 SK온은 2027년과 2030년 각각 황화물계 배터리 상용화를 계획하고 있다.

l 포스코, 전고체 배터리 시장 정조준

포스코는 올해 산화물계 전고체 배터리 업체 프롤로지움(Prologium) 지분 투자, 황화물계 고체전해질 생산 본격화 등 차세대 이차전지소재 분야 사업 포트폴리오 강화에 나서고 있다.

프롤로지움은 2006년 대만에서 설립된 세계 최초의 전고체 배터리 제조기업으로, 현재 독일의 다임러그룹 등 주요 완성차업체와 함께 전기차용 전고체 배터리를 공동 개발하고 있다. 포스코홀딩스는 프롤로지움과 협력해 및 핵심소재인 전고체 배터리 전용 양극재와 실리콘 음극재, 고체전해질 공동개발 및 글로벌 공급 체계를 구축할 방침이다.

또 포스코그룹은 올해 10월 포스코JK솔리드솔루션*의 고체전해질 생산공장을 준공했다. 이번 준공을 통해 연산 24톤 규모의 고체전해질 생산라인을 갖추게 됐다. 이는 전기차 약 1,000대 분량으로, 아직 극초기 단계인 고체전해질 시장에선 국내 최대 규모다.
*포스코JK솔리드솔루션 : 2022년 2월 포스코홀딩스가 국내 최고 수준의 고체전해질 기술을 보유한 정관(JK)과 함께 설립한 합작법인.

고체전해질 사업은 포스코그룹의 대표적인 미래 소재사업이다. 포스코JK솔리드솔루션 공장 준공을 발판 삼아, 생산규모를 수천 톤 급으로 확대해 차세대 이차전지소재 시장을 선점할 계획이다. 현재 주류를 이루고 있는 리튬이온전지뿐 아니라 전고체 배터리까지 밸류체인을 확장해 전기차 소재 시장을 선점한다는 전략이다. 미래를 저장할 배터리 기술, Post LiB 시대가 열리는 그날까지 포스코의 노력은 계속될 것이다.

l 전기차 배터리의 핵심소재, ‘음극재’

배터리 산업의 메가 트렌드는 크게 세 가지로 말할 수 있다. 바로 배터리의 장수명화, 전기차 보급 확대를 위한 고속 충전, 주행가능거리 확대를 위한 고용량화이다. 지난 시리즈에서 다뤘던 양극재가 전기차의 주행거리와 배터리 출력을 좌우한다면, 양극재만큼이나 전기차 배터리에서 중요한 소재가 바로 음극재다. 전기차 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하기 때문이다.

배터리 재료비 원가 비중의 약 14%를 차지하는 음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 충전 시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 음극재의 소재인 흑연의 층 사이사이로 들어가면서 흑연이 팽창해 부피가 늘어나게 된다. 다시 말해, 흑연의 팽창은 시간이 지날수록 구조 변화를 일으켜 배터리의 용량이 줄어드는 원인이 된다. 최근 배터리 업계는 고용량 배터리에 대한 시대적 요구에 맞춰 차세대 음극 소재 개발을 앞다퉈 진행하고 있다.

현재 음극재는 규칙적인 층상구조로 쌓여있는 흑연을 주로 사용하고 있으며, 크게 천연흑연과 인조흑연으로 나뉜다. 천연흑연은 리튬이온을 보관할 수 있는 가장 안정적이면서 저렴한 재료였으나, 사용 중 팽창 문제로 구조적 안정성이 점차 떨어지자 이를 개선한 인조흑연의 사용 비중이 점차 높아지는 상황이다. 인조흑연은 3000℃ 이상의 고온열처리를 통해 만들어져 천연흑연에 비해 결정성이 높고 구조가 더 균일해 안정성이 높다. 다만 석유계피치나 콜타르 원료를 가공해 침상코크스를 만들고, 침상코크스를 분쇄한 뒤에 뭉쳐서 가열하는 등의 추가 제조공정으로 가격이 비싸다.

흑연은 탄소 원자 6개당 리튬이온 한 개가 저장되지만, 실리콘은 원자 4개당 리튬이온 15개가 저장되는 구조를 갖기 때문에 실리콘 기반 음극재 단위 에너지 용량이 흑연보다 약 10배가량 높다. 결국 실리콘 음극재는 흑연계 음극재보다 고용량 · 고출력의 성능을 가지고 있어 전기차 배터리의 주행거리를 혁신적으로 늘리는 차세대 소재로 주목받고 있다.

l 몸값 높아지는 실리콘 음극재

시장조사업체 SNE리서치가 19일 발표한 ‘리튬이차전지 음극재 기술동향 및 시장전망’ 보고서에 따르면 2019년 기준 전체 음극활물질 수요량은 약 19만 톤이다. 보고서는 2025년까지 전체 음극활물질 수요량이 약 136만 톤으로 연평균 39% 성장할 것으로 전망했다. 이 가운데 가장 높은 비중을 차지하는 인조흑연은 2019년 53%에서 2025년 60%로 소폭 증가할 것으로 보인다. 두 번째로 높은 비중을 차지하는 천연흑연은 43%에서 28%로 비중이 다소 감소하지만, 여전히 인조흑연에 이어 가장 많이 사용되는 음극활물질이 될 것으로 보인다.

이때 주목할 만한 점은 음극재 시장 수요 비중에서 가장 낮은 비율로 차지하는 실리콘 음극재를 오는 2025년 11% 성장으로 전망한 것이다. 높은 에너지밀도를 기반으로 전기차 주행거리를 확보하는 것이 전기차 시장이 당면한 과제로서 실리콘 음극재의 전지 내 사용 비중은 점차 높아질 것이란 얘기다.

실리콘 음극재는 기존 흑연계 음극재보다 에너지밀도가 약 10배 높아 전기차의 주행 거리는 늘리고, 급속 충전 설계가 쉬워 충전 속도를 단축할 수 있다는 장점이 있다. 게다가 실리콘은 친환경적이고 지구상에 풍부하게 존재해 경제적인 소재이기도 하다. 이 같은 장점에도 불구하고 실리콘 음극재는 배터리 충전 시 4배가량 팽창하는 문제와 팽창한 음극이 방전할 때 이전과 같은 형태로 돌아오지 않는다는 위험성이 있다. 배터리 업계는 실리콘 구조 안정화를 위한 연구 개발을 진행하고 있으며, 배터리의 부피 팽창 부작용을 어떻게 빨리 개선하느냐가 시장 주도권을 확보할 수 있는 포인트가 될 것이라 보고 있다.

l 음극소재 국산화에 나서는 포스코케미칼

전기자동차 및 에너지 저장산업 성장에 따라 음극재 수요가 계속 늘어날 것으로 전망하는 가운데, 중국이 전 세계 대부분의 흑연이 매장되어 있을 뿐 아니라 생산과 공급을 점유해 전 세계 음극재 시장 72%를 차지하는 독보적인 입지를 자랑한다. 중국의 주요 음극재 생산 기업은 베이터뤼(BTR), 즈천과기(Zichen), 산산과기(Shanshan) 등이 있다. 일본 기업으로는 히타치(Hitachi)와 미쓰비시(Mitsubishi)가 있고, 우리나라는 현재 포스코케미칼이 국내 유일하게 천연흑연 기반 음극재를 양산공급하고 있다. 배터리 제품보다 핵심 소재에서 생기는 부가가치가 더 크다는 점을 감안하면 소재 국산화가 시급한 시점이다.

이에 포스코케미칼은 흑연 공급망을 확보해 음극소재 국산화 및 대한민국 배터리 산업 경쟁력 강화에 힘쓰고 있다. 특히, 국내 최초로 인조흑연 음극재 생산체제를 구축하기 위해 블루밸리산업단지에 연산 8,000톤 규모 인조흑연 음극재 1단계 공장을 착공했다. 종합 준공될 시 포스코케미칼은 연산 1만 6,000톤 규모 인조흑연 음극재 생산 능력을 갖추게 되며, 이는 고성능 전기차 기준 약 42만 대에 공급 가능한 양이다.

이에 그치지 않고 포스코케미칼은 천연흑연과 인조흑연의 강점을 모두 살린 저팽창 음극재를 독자 개발하며 차세대 음극재 개발에도 힘을 쏟고 있다. 저팽창 음극재는 천연흑연을 활용해 제품 가격은 낮추고 팽창 방지를 위한 소재 구조를 개선해 인조흑연 수준으로 충전 시간을 단축하고 수명은 늘린 소재다.

한편, 포스코그룹(포스코홀딩스)은 지난 7월 실리콘 음극재 전문 기업 테라테크노스를 인수했다. 테라테크노스는 2017년부터 연속식 SiOx 제조 기술을 개발해온 국내업체다.

SiOx는 나노실리콘 입자 위에 산화물계 실리콘을 합성하여 실리콘의 팽창을 최소화한 음극재로, 테라테크노스는 SiOx제품의 연속제조공정 기술을 보유한 것으로 알려져 있다. 포스코홀딩스는 최근 인수한 테라테크노스의 사명을 포스코실리콘솔루션으로 바꾸고 계열사로 편입시켰다. 앞으로 포스코케미칼이 축적한 음극재 양산 노하우를 바탕으로 음극재 사업을 확장해 나갈 방침이다.

포스코실리콘솔루션은 SiOx 음극재 사업화를 위해 국내 배터리 업계와 SiOx 샘플 제품을 테스트하고 있으며, 앞으로 포스코케미칼과 협력해 제품 고도화 및 양산에 나설 예정이다. 소재 업계 관계자는 “이미 흑연 음극재를 양산하고 있는 포스코케미칼이 SiOx 음극재까지 양산한다면 음극재업체로서 종합적인 포트폴리오를 구축하게 됨으로써 경쟁력이 한층 올라갈 것”이라고 말했다.

국내에서 유일하게 음극재와 양극재를 동시 생산하는 포스코케미칼은 △인조흑연 음극재의 장수명화 △저팽창 천연흑연 음극재 생산능력 확대 △전기차 주행거리 향상을 위한 실리콘 음극재 양산 △전고체 배터리 시대를 열어갈 리튬메탈 음극재 개발까지 ‘소재의 힘’으로 글로벌 전기차 산업의 고도화를 주도해 나갈 것으로 기대된다.

l 주행성능이 향상된 배터리 등장

불과 몇 년 전과는 달리 요즘 도로에서 전기차를 종종 볼 수 있다. 최근 출시된 전기차들은 1회 충전에 평균 300km까지 운행이 가능하며, 하루가 다르게 주행거리가 계속해 늘고 있다. 멀지 않은 시대에 1회 충전으로 평균 600km 이상 주행하는 전기차 시대는 곧 도래할 것이다.

국내 배터리 제조사들은 ‘에너지 밀도’ 높이기 위해 치열하게 경쟁 중이다. 동일한 부피와 무게를 가진 배터리라도 에너지 밀도가 높으면 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있기 때문이다. 이에 업계는 에너지 밀도를 결정하는 니켈의 함량을 80~90%까지 높인 ‘하이니켈’ 배터리를 적극적으로 개발하고 있다.

니켈 90%의 하이니켈 배터리를 탑재하면 1회 충전으로 평균 600km 이상 주행이 가능해지는데, 서울과 부산(직선거리 기준 약 300km) 왕복이 가능하다는 얘기이다. 이런 장점으로 인해 배터리 업계에서는 NCMA 배터리의 채택 확대와 `하이니켈 배터리`로의 전환이 가속화할 것으로 보인다. 단, 니켈 함량이 높을수록 충방전 과정에서 구조적 불안정이 발생하여 배터리 수명이 저하될 수 있기 때문에, 수명특성이 우수한 하이니켈 배터리 생산 여부가 바로 배터리 제조사의 기술경쟁력을 설명한다고 할 수 있겠다.

l 배터리용 니켈 수요 확대

니켈은 전성과 연성이 매우 우수하고 대부분의 환경에서 내식성을 가질 뿐만 아니라, 고온 및 저온 강도 또한 우수한 특성을 지닌다. 이에 현재 니켈이 가장 많이 사용되는 분야는 스테인리스스틸(STS)이다. 스테인리스스틸에 녹이 스는 것을 방지하는 역할을 해주기 때문이다.

지금까지 니켈의 소비 비중은 스테인리스스틸용 80%, 이차전지용 7%이었지만, 전기차 시장의 폭발적인 성장에 따라 2차전지용의 수요가 점차 증가하는 추세다.

SNE리서치에 따르면 세계 배터리용 니켈 수요가 금속 기준 2022년 38만 5000톤에서 2025년 84만 1000톤, 2030년 237만 톤으로 올해보다 각각 2배, 6배 증가할 것이라고 예상하고 있다. 시장 규모로 보면, 2022년 77억 400만 달러에서 2025년 185억 1100만 달러, 2030년 710억 8800만 달러로 커진다는 얘기다.

l 2차전지용 고순도니켈 필요성 대두

니켈의 종류는 순도에 따라 고순도 니켈인 Class 1 니켈(순도 99.8% 이상)과 Class 2 니켈(순도 99.8% 이하)로 구분된다. 짧은 전기차 주행거리를 증가시킬 수 있는 고용량 배터리의 필요성이 대두되자, Class 1 니켈이 배터리 양극재의 원료로 수요가 빠르게 증가하고 있다. 배터리 양극재에 투입되는 니켈 함량이 높을수록 고용량 배터리를 만들 수 있어서다.

하지만 Class 1 니켈은 전체 니켈 생산량의 35%를 밑돌 정도로 생산량이 적어 공급 부족이 우려되는 상황이다. 이에 각 기업들은 Class 1 니켈, 특히 배터리 양극재용 니켈 공급망 확보와 대체 방안을 모색하고 있다.

니켈은 주로 인도네시아, 필리핀, 러시아에서 생산되고 있다. 특히, 인도네시아가 적극적인 투자유치와 중국의 대규모 투자가 맞물리면서 전 세계 니켈의 20% 보유하는 세계 1위 생산국으로 부상했다. 하지만 인도네시아가 2020년 자국 제조업 보호를 위해 광석 수출 금지를 발표해 공급의 난항이 예상된다. 더군다나 전 세계 니켈의 10%를 생산하는 러시아발 사태로 인해 니켈 가격은 더욱 급등한 상황이다.

앞으로 전기차와 친환경 에너지 시장의 확대로 니켈의 수요는 2020년 대비 2040년 약 20배까지 상승할 것으로 예측돼, 공급 위험성이 여전히 높은 수준으로 자리할 것이다. 자원빈국임에도 불구하고 주력 산업이 핵심광물에 의존하고 있는 우리나라에게는 해외 수입원의 안전한 확보와 확대가 절실한 때이다.

l 포스코의 생산능력 확보를 위한 노력

포스코의 경우 급증하는 전기차 배터리 수요에 대응할 수 있도록 기존 스테인리스스틸용 니켈 일부를 배터리용 고순도 니켈로 전환하는 투자를 진행하고 있다. 스테인리스스틸용 니켈을 배터리용 니켈로 전환하는 과정은 크게  2단계로 이뤄진다. 먼저 포스코 그룹사 에스엔엔시(SNNC)가 스테인리스 원료로 사용하는 페로니켈에서 철을 제거하는 공정을 거쳐 니켈 순도가 75%인 니켈매트*를 만든 후, 포스코가 이 니켈 매트를 습식정제해 순도 99.9% 이상의 배터리용 고순도니켈을 생산하는 구조다. 오는 2023년까지 연간 2만 톤(t) 규모(전기차 50만 대에 공급할 수 있는 규모)의 전기차 배터리용 니켈을 생산하는 공장을 국내에 구축할 계획이다.
* 니켈매트: 니켈을 제련해서 만들어지는 중간생산물로 니켈 함량 70~75% 포함

▲ 호주 레이븐소프 니켈광산 전경

또한, 포스코는 호주, 인도네시아 등의 글로벌 니켈사와 합작해 생산능력을 확충해 나갈 방침이다. 지난 2021년에 호주의 니켈 광업·제련 전문 회사인 레이븐소프 지분 30% 인수하면서 니켈의 글로벌 공급망을 안정적으로 확보할 수 있게 됐다.

국내 생산과 국외 투자를 통해 포스코는 전기차용 배터리의 핵심 원료인 리튬과 니켈, 흑연 등 원료부터 양극재와 음극재까지 모두 공급 가능한 국내 유일 회사로서 2차전지 소재 밸류체인 경쟁력을 향상시킬 것으로 기대된다.

모바일 기기에 탑재되는 소형전지 중심의 2차전지 산업은 전기자동차(EV), 에너지저장시스템(ESS)용 중대형전지를 생산하면서 그 위상이 크게 변화했다. 더불어 ‘전동화·무선화·친환경화’이라는 글로벌 트렌드의 부상으로 성능이 우수한 2차전지에 대한 수요가 급증하는 추세다.

l 리튬이온배터리 구조와 작동 원리

현재 배터리의 주류로 자리 잡은 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 4가지 요소로 구성되며, 양극(+)과 음극(-) 물질의 ‘산화환원 반응’으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 장치다. 다시 말해 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하면 배터리가 충전되고, 반대로 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가면 배터리가 방전되는 원리다.
*산화환원 반응이란 반응물 간의 ‘전자(e-) 이동’으로 일어나는 반응으로, 전자를 잃은 쪽을 ‘산화’됐다고 하고 전자를 얻은 쪽을 ‘환원’됐다고 말한다.

l 힘 세고 오래가는 배터리의 근원, 양극재

배터리가 저장할 수 있는 에너지 양은 배터리의 용량에 전압을 곱한 것인데, 양극재가 바로 배터리의 성능을 좌우할 ‘용량’과 ‘전압’을 결정하는 핵심 소재다. 리튬이온배터리를 구성하는 네 가지 요소 중 양극재에 더욱 주목해볼 만한 이유다. 특히나 양극재 시장은 전기차 및 에너지저장시스템 등의 수요가 급성장함에 따라 연평균 33% 증가해 2025년에는 275만 톤 규모로 성장할 전망이다.

배터리 성능과 특성을 결정짓는 양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 이루어져 있다. 주로 사용되는 금속 성분은 에너지밀도를 결정하는 니켈(Ni), 안정성을 높이는 코발트(Co)와 망간(Mn), 출력을 향상하는 알루미늄(Al)으로, 어느 원소를 어떤 비율로 조합하느냐에 따라서 양극재의 △용량 △에너지밀도 △안정성 △수명 △가격경쟁력이 달라진다. 전기차로 쉽게 설명하자면, 용량은 주행거리, 에너지밀도는 전기차의 출력, 안정성은 배터리의 화재 등 사고를 제어하는 능력, 수명은 배터리 사용 기간에 영향을 미친다.
국내 전기차 배터리 사업자들은 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄) 두 종류의 삼원계 배터리*를 주력으로 하고 있다. 그중에서도 주행거리와 출력이 우수한 NCM 양극재가 현재 전기차용 이차전지로 가장 많이 사용되고 있다.
*삼원계 배터리 : 양극재에 리튬 코발트 산화물(LCO)을 기본으로 니켈과 다른 금속 원소를 추가해 총 세 가지 금속 원소가 들어간 배터리를 의미한다.

최근 원자재 가격 변동에 따라 값비싼 코발트의 함량을 줄이고, 니켈의 함량을 60% 이상으로 높인 ‘하이니켈 배터리’가 개발되는 추세다. 니켈 비중을 높이면 동일한 크기의 배터리에 용량을 증대시켜, 전기차 주행거리를 확보할 수 있는 장점도 있기 때문이다. 다만, 니켈 함량이 높아질 때 안정성이 떨어지는 단점이 있어, 안정성을 높이기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.

NCA의 경우 니켈, 코발트, 알루미늄의 구성 비율이 8:1:1로, 니켈 함량이 높고 알루미늄이 포함돼 타 소재에 비해 배터리 밀도와 출력이 높다. 이러한 이유로 NCA는 원통형 배터리 등 소형전지에 주로 쓰이고 있다.

CATL 등 중국계 배터리 제조사에서 주로 생산하는 LFP(리튬·인산·철)는 코발트와 니켈을 사용하지 않고, 대신 철(Fe)를 사용한다. NCM 대비 약 30% 이상 저렴하며 안정성이 높은 반면, 에너지밀도가 낮아 주행거리가 짧고 출력이 낮은 단점이 있다. 이에 에너지 밀도를 높여 주행거리를 확보하는데 집중하고 있다.

l 양극재 생산능력 확대에 강세 보이는 포스코케미칼

현재 포스코케미칼의 양극재 생산능력은 올해 말 기준 연산 10.5만 톤에서 2025년 34.5만 톤, 2030년 60.5만 톤까지 확대해 2030년까지 글로벌 1위 수준의 양극재 양산 능력을 확보할 계획이다. 포스코케미칼은 단일공장 기준 세계 최대수준의 연산 9만 톤 수준의 양극재 광양 공장을 올해 10월 준공할 예정이다. 포스코그룹은 원료 경쟁력과 양산 능력이 집적된 광양만 율촌산단의 양극재 컴플렉스를 통해, 배터리소재 글로벌 선도기업으로의 도약을 목표로 하고 있다.

전기차 시장의 확대와 함께 에너지 저장 밀도의 증가, 안전성 향상, 급속 충전 등 리튬이온전지의 성능 향상에 대한 요구가 계속해서 높아지고 있는 상황이다. 기존 소재의 성능 향상과 핵심 기술에 대한 지속적인 연구 개발을 통해 안전하면서 지속가능한 새로운 양극소재를 발굴해 우리 삶의 풍요를 가져오길 기대한다.

AI, IoT, 웨어러블 기기(Wearable Device) 등 정보통신기기와 전기자동차 산업 분야 성장의 동력원으로 ‘이차전지’ 필요성이 점차 커지고 있다. 전 세계 기업들은 뚜렷한 성장세를 보이는 2차전지 시장에서 우위를 선점하고자 기술개발에 뛰어들고 있다.

2차전지는 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 1차전지와 달리, 방전이 되면 충전을 통해 반영구적으로 재사용할 수 있다. 다시 말해 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환해 저장했다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 장치다.

2차전지는 지난 120여 년 동안 납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지 등 다양한 형태로 일상생활에서 유용하게 쓰이고 있었다. 대표적인 2차전지로 꼽히는 ‘리튬이온전지’는 휴대용 전자기기 사용자 수가 늘면서 잦은 충전 없이 오래 쓸 수 있는 배터리를 요구하는 목소리가 커지자 개발된 것으로, 1990년 일본 SONY사가 최초로 상용화한 이래로 현재까지도 그 원천기술을 근간으로 삼고 있다.

리튬이온배터리는 높은 에너지밀도와 우수한 출력을 자랑하고, 메모리 효과*가 없어 수명이 길다는 장점이 있어 다양한 분야에서 활용되고 있다.
*메모리 효과 : 충전지를 완전 방전되기 전에 재충전하면 전기량이 남아 있음에도 충전기가 완전 방전으로 기억하는 효과를 가지게 되어, 최초에 가지고 있던 충전용량보다 용량이 줄어들면서 충전지 수명이 줄어드는 현상을 말한다.

특히, 2차전지는 전기차가 급부상하면서 없어서는 안될 존재가 되었다. 전기차 생산 업체가 2차전지를 소비하는 가장 큰 고객군이기 때문이다. 전 세계 국가들이 환경오염을 줄이기 위해 내연기관차 퇴출과 동시에 전기차 보급 확대를 본격화하고 있다. 전기차 구매 유도를 위한 보조금도 늘어나는 추세다. IEA에 따르면 2020년 전기차 판매를 지원하기 위해 각국 정부가 전년 동기 대비 25% 증가한 140억 달러를 지출했다고 한다.

국제에너지기구(IEA)는 ‘2021 글로벌 전기차 전망’ 보고서를 통해 2030년까지 글로벌 시장에서 보급되는 전기차가 최대 2억 3,000만 대에 이를 수 있다고 내다봤다. 현실화할 경우 현재 글로벌 자동차 시장에서 3%에 불과한 전기차 점유율은 12%로 급등하게 된다.

전기차 시장이 급성장하면서 배터리의 주요 원자재인 리튬의 수요도 급증했다. 현재 리튬계 이차전지에 사용되는 리튬의 원료로 탄산리튬과 수산화리튬이 사용되고 있다. 탄산리튬은 주로 스마트폰, 노트북, 전동공구용 등 에너지 용량과 밀도가 상대적으로 낮은 배터리 제작에 사용된다. 수산화리튬은 탄산리튬보다는 에너지밀도와 용량이 높은 배터리 제작에 사용된다. 특히 수산화리튬은 한 번 완충시 500km이상 주행거리가 나오는 고용량 전기차 배터리에 제격이기에 사용량이 점차 증대하고 있는 상황이다.

다만, 단기간 내 리튬의 생산량 확대에 한계가 있어 리튬의 가격이 폭등한 상황이다. 이에 각국은 안정적으로 원자재를 확보하기 위해 리튬 프로젝트를 진행하고 배터리 제조 능력을 키우는 등 다양한 시도를 하고 있다.

이에 따라 포스코도 그룹의 성장 동력으로 이차전지소재 사업을 집중 육성하기 위해 원료와 소재 사업에 지속적으로 투자하고 있다. 포스코는 독자적으로 개발한 고유 리튬추출기술을 보유하고 있다. 이 기술은 광석 및 염수를 원료로 사용하여 배터리급 고순도 리튬을 만드는 기술로, 포스코는 2017년 탄산리튬, 2018년 수산화리튬을 각각 국내 최초로 생산하기 시작했다.

▲아르헨티나 염수리튬 시범공장 전경. 이차전지 양극재의 핵심 소재인 리튬은 전기를 생성, 충전하는 역할을 한다.

해외 원료확보에도 적극 나섰다. 2018년 포스코가 인수한 아르헨티나 염호 ‘옴브레 무에르토’ 매장량은 1,350만 톤으로 전기차 3.7억 대(대당 배터리 용량 55.7kwh 기준)를 생산할 수 있는 양이다. 2020년에는 아르헨티나 염수리튬 데모플랜트 검증을 성공적으로 완료했다. 포스코는 전 세계에서 유일하게 폐2차전지와 리튬 광석, 염호까지 활용 가능한 리튬 생산체제를 확보하게 돼 연간 6만5,000톤 규모의 리튬을 생산할 것으로 전망하고 있다.

리튬 전쟁이라는 용어가 등장하면서 리튬 확보량, 가공능력이 최근 국가 경쟁력으로 언급되고 있다. 하지만 장점이 많은 만큼 극복해야 할 과제도 있다. 전 세계 리튬 배터리 대부분이 사용 후 쓰레기가 되고 약 5%만이 재활용되는 상황에 처해있다. 치솟는 리튬 배터리 수요를 충족시키기 위해 친환경적으로 재활용할 수 있는 방법을 모색할 수 있도록 더욱 적극적인 기술 개발이 진행되어야 할 시점이다.

국제사회가 함께 공동으로 노력하는 최초의 기후 합의가 무엇일까? 바로 2016년에 체결된 ‘파리기후변화협정(Paris Climate Agreement)이다. 지구온난화 방지를 위해 온실가스를 줄이자는 전 지구적 합의안으로, 지구의 평균 온도를 1.5도를 넘지 않도록 노력하는 것을 목표로 내걸고 있다. 이후 갈수록 심각해지는 기후위기 대응을 위해 100여 개가 넘는 나라에서 ‘2050 탄소중립’을 앞다퉈 선언하며 주요국 중심으로 구체적인 추진전략을 마련하고 있다.

EU는 2050년 탄소중립 달성을 위해 2030년 감축목표를 기존 40%에서 55%로 상향 조정해 법제화했으며, 미국은 바이든 행정부 출범 이후 파리협약 재가입과 함께 청정에너지 및 저탄소 인프라에 2조 달러 지원 계획을 발표했다. 일본은 탄소중립 선언 이후 해상풍력, 수소 등 주요 분야의 목표와 계획을 포함한 그린성장전략을 발표했으며, 중국은 2060년 탄소 중립을 목표로 향후 5년간 저탄소 경제 기초를 다지기 위한 산업 및 에너지 구조조정을 실시해 에너지 이용의 효율성을 극대화할 계획이다.

우리나라는 2020년 10월 탄소중립 공식 선언 후 그 해 12월 2050 탄소중립 추진전략을 공개한 바 있다. 주요 내용은 △경제구조의 저탄소화 △신유망 저탄소 산업 생태계 조성 △탄소중립 사회로 공정 전환이다. 이에 온실가스 배출량의 높은 비중을 차지하는 제조업 부문의 탄소중립이 핵심과제로 대두되고 있다.

2018년 기준 제조업의 온실가스 배출량은 철강, 석유화학, 시멘트, 정유 순으로 이들 4개 산업이 산업부문 내 온실가스 배출의 약 76%를 차지하고 있다. 다만 한국경제 성장의 주춧돌 역할을 하는 제조업의 온실가스 감축만을 강조하기보다 산업 경쟁력을 잃지 않으면서 신성장력 창출의 기회로 만들 탄소중립 추진전략이 필요하다.

특히 철강산업의 도전과 혁신을 요구하는 목소리가 커지고 있다. 외부적으로 저탄소 제품에 대한 요구와 수요가 매년 높아지는 추세이며, 내부적으로 공정전환, 원료전환 등 탄소 저감을 위한 새로운 기술 개발 및 대규모 설비 투자가 요구되는 것이다. 이에 온실가스 배출이 많은 고로 공정에서의 탄소 저감을 위한 기술개발이 활발히 진행 중이다. 바로 철광석의 환원에 사용되는 코크스 대신 수소를 활용하는 ‘수소환원기술’이 철강산업의 대표 감축 수단이다.

포스코는 수소환원제철로의 전환 기술개발을 앞당겨 탈탄소화 목표 달성과 동시에 혁신설비 솔루션 글로벌 공급자로 도약하고 있다. 포스코형 수소환원제철인 HyREX(Hydrogen Reduction) 공법은 포스코가 보유하고 있는 파이넥스(FINEX) 유동환원로 기술을 기반으로 가루 상태의 철광석과 수소를 사용하여 쇳물을 제조하는 기술이다.

어떤 원리로 철이 이산화탄소 발생 없이 생산되는 것일까? 바로 이름에 답이 있다. 수소‘환원’제철이라고 하는 이유는 수소(H₂)가 철광석(Fe₂O₃)에서 산소를 분리시키는 환원제의 역할을 하기 때문이다. (Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O) 이 과정을 통해 물(H₂O)과 함께 철(Fe)이 생성되는데, 이를 직접환원철, 전문용어로는 DRI(Direct Reduced Iron)라고 한다. 다시 말해 그린 수소를 투입해 유동환원로에서 직접환원철(DRI)을 생산하고, 100% 재생에너지를 사용하는 전기로에서 직접환원철(DRI)를 녹여 철강을 생산하는 것으로, 이산화탄소 배출량은 제로(0)가 된다.

현재 환원제로 쓰고 있는 것은 바로 ‘석탄’에서 발생하는 가스, 즉 일산화탄소(CO)다. ‘고로’라고 불리는 큰 용광로에 철광석과 석탄을 넣어 1500°C 이상의 고온에서 녹이면, 일산화탄소(CO)가 발생해 철광석(Fe₂O₃)에서 산소를 분리시키는 환원반응(Fe₂O₃+ 3CO → 2Fe + 3CO₂)이 일어나는데, 이때 이산화탄소(CO₂)가 다량 배출돼 기후 변화를 촉진시킨다.

탄소중립 이행을 가속화하고 있는 상황에서 HyREX 기술은 온실가스를 획기적으로 감축할 수 있다. 다만, 포스코가 2050년 HyREX 체제로 전환하기 위해서는 연간 370만 톤의 그린수소 및 3.7GW 규모의 재생에너지 전력의 공급이 필요하다. 철강의 탄소중립 비전이 달성될 수 있도록 국가 인프라 구축에 정부 지원이 필요한 시점이다.

세계 각국은 수소경제로의 전환, 즉 수소의 안정적 생산·저장·운송에 필요한 모든 산업과 시장을 만들어내는 경제산업구조로 전환하고 있다. 세계적 컨설팅 업체인 맥킨지에 따르면, 2050년 전 세계 수소경제 규모가 2조 5,000억 달러(약 3,000조 원)에 달한다. 수소위원회도 전 세계 수소 소비량은 매년 증가해 2050년에는 수소에너지가 전 세계 에너지 수요의 약 18%를 차지할 것이라고 전망했다. 이는 132억 6,000만 배럴의 석유를 대체하는 규모로, 수소가 화석연료 중심의 에너지 시스템에서 벗어나게 할 게임체인저 역할을 해줄 것으로 기대하고 있다.

우리나라 역시 수소사회로 진입하기 위해 수소 활용 기술 분야에 적극 투자하고 있다. 특히, 수소차 분야 시장 활성화를 위해 수소차 보급뿐만 아니라 수소 생산량을 늘려 공급가액을 낮추는 등 다양한 비전을 제시하고 있다. 또, 이런 목표를 적극 추진하기 위해 지난 2020년 7월 수소 경제 위원회를 출범하기도 했다. 수소 경제 위원회는 경남과 호남, 중부, 강원 등 4곳에는 중규모 수소 생산기지를 설치하고 전국 곳곳에 소규모 수소 생산기지 40곳을 추가로 구축하겠다는 계획을 발표한 바 있다. 또한 수소 모빌리티, 연료전지, 액화 수소, 수소충전소, 수소 생산을 위한 수전해 설비 등 수소 경제에 필수적인 5대 분야에서 소재, 부품, 장비 개발을 추진해 2030년까지 수소 전문기업을 육성할 예정이라고 한다.

지금까지 해외기술 및 설비에 의존하던 생산방식에 벗어나 우리나라가 온실가스를 저감하는 기후 선도국으로 자리매김하도록 수소의 환경적, 경제적 이익을 먼저 선점할 필요가 있다. 위기를 기회 삼아 제조공정 혁신을 일으켜 기술사업화로 추진한다면 세계로 뻗어나가 저탄소 설비를 공급하고 수출하는 글로벌 선도기업 및 국가로 발돋움할 기회가 올 것이다.

인류는 산업혁명 이후 탄소경제 속에서 비약적 발전을 이뤄냈다. 하지만 무분별한 화석연료의 사용은 인류를 위협하는 부메랑이 되어 심각한 환경오염이 발생하고 있다. 전 세계적으로 나타나는 이상기후와 심각한 지구온난화 현상에서 벗어나기 위해서는 ‘탈(脫)탄소경제’로의 전환이 필수적이다. 기후변화의 근본적인 원인은 화석연료 사용 증가로 공기 중 급격히 늘어난 온실가스인데, 그 중 절대적 비중을 차지하는 것이 이산화탄소이기 때문이다.

일상 속 에너지 절감을 통해 탄소 배출량을 줄이려고 노력을 하고 있지만, 턱없이 부족한 상황이다. 우리가 사용하는 전기의 대부분이 여전히 화석연료로부터 얻고 있기 때문이다. 이에 전 세계가 주목하는 에너지 전환은 크게 두 가지 방식이 있다. 태양광, 풍력 등 자연의 힘을 이용해 전기를 생산하는 재생에너지와 수소에 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 수소에너지를 활용하는 것이다.

다만, 우리나라 지형 특성상 태양광 · 풍력 · 수력 등과 같은 자연을 이용한 재생에너지는 날씨와 지역에 따라 생산량을 제어하기가 어려운 단점이 있다. 그와 달리 수소에너지는 에너지 안보, 환경 등 다양한 측면에서 많은 장점을 갖고 있다. 오염물질을 전혀 배출하지 않는 청정에너지원으로 온실가스 배출 문제의 근본적이 해결책이 될 수 있고, 우리나라와 같이 에너지수입 의존도가 97%에 달하는 자원빈국에서는 수소에너지가 에너지 자립의 중요한 대안이 될 것이다.

이러한 장점으로 인해 세계 주요국 뿐 아니라 우리나라 역시 탄소중립*시대의 핵심에너지로 수소를 주목하고 있다. 세계적 컨설팅 기업 맥킨지가 발표한 수소 관련 보고서 ‘Hydrogen Meet Digital’에 따르면, 2050년 국내 수소 사용량은 약 1,690만톤에 달할 것이라고 전망했다. 이는 2015년(약 240만톤) 대비 약 7배가 늘어나는 것으로, 연간 최종 에너지 수요의 약 21%를 수소에너지의 의존한다는 것이다. 특히, 우리나라는 수소연료전지 발전 상용화에 성공했고, 수소전기차 및 발전용 수소연료전지 보급 1위를 기록할 정도로 수소경제 구축에 앞장서고 있다.

*탄소중립이란? 인간사회에서 배출되는 이산화탄소의 실질적인 배출량이 0이 되도록 하는 것을 말한다. 탄소중립 실현을 통해서 지구온난화를 막고 이에 따른 이상기후 현상을 막는 것이 주요목적이다.

그렇다면, 모든 수소 에너지가 청정 에너지원일까? 반드시 그렇지만은 않다. 수소는 생산방식과 친환경성 정도에 따라서 그레이수소 블루수소 그린수소로 구분 가능하다.

현재 생산되는 대부분의 수소 약 96%가 그레이수소로, 천연가스를 고온·고압 수증기와 반응시켜 수소를 추출하는 방식이다. 그레이수소 1톤 생산할 때 이산화탄소 10톤이 발생하는 단점이 있지만 가장 저렴한 비용으로 인해 가장 많이 사용하고 있다.

블루 수소는 CCS 기술*을 이용해 그레이 수소 생산과정 중 만들어지는 이산화탄소를 다시 활용하거나 저장한다. 따라서 그레이 수소보다는 이산화탄소 배출이 적어 친환경성이 높고 그린수소보다는 기술경쟁력이 확보되어 있어서 현재 현실적인 대안으로 주목받고 있다. 다만 이산화탄소 배출을 완전히 제거하지 못하기 때문에 한계가 존재한다.

*CCS(Carbon Capture and Storage) : 대기 중에 있는 이산화탄소뿐 아니라 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집해 활용하거나 저장하는 기술

그린수소는 물의 전기분해를 통해서 얻어지는 수소로, 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없어 궁극적인 친환경 수소라 할 수 있다. 여기서 중요한 것은 화석연료가 아닌 신재생에너지 발전을 통해 얻은 전기를 사용한다는 것이다.

그린수소 생산의 핵심 기술로 ‘수전해 시스템’이 꼽힌다. 수전해는 전기로 물을 분해해 산소와 수소를 생산하는 친환경적 방법이다. 그러나 우리나라는 아직 수전해 설비의 효율이 상대적으로 낮고 핵심 소재 기술이 부족해 상용화에 어려움을 겪고 있다.

현재 그린수소가 화석연료 기반 수소 대비 단가가 높은 이유 중 하나도 수전해 설비 비용이 높기 때문이다. 현재 우리나라 그린수소의 평균가격은 kg당 약 1만원으로 그레이 수소(약 5000원)보다 비싸다. 우리나라는 아직 수전해 기술 관련 시장이 크지 않기 때문에 국산 수전해 설비의 효율이 경쟁국에 비해 낮고 핵심 소재 기술도 부족한 실정이다.

수소는 매년 수요 증가는 물론, 활용 분야도 석유화학산업 중심에서 수송, 발전 분야까지 확대될 것으로 전망되는 차세대 에너지원이다. 따라서 정부와 기업은 차세대 그린수소 분야의 국산 수전해 설비 기술 경쟁력을 높이고 관련 시장을 확대해 비용 절감에 더욱 힘써야 한다.

대표적으로, 우리나라 철강기업 포스코가 2050년까지 수소 500만 톤 생산체제를 구축해 미래 청정에너지인 수소 사업을 개척하겠다는 비전을 선포한 바 있다. 이에 따라 수소를 활용한 철강 생산 기술인 ‘수소환원제철공법’ 연구와 수소를 ‘생산-운송-저장-활용’ 하는데 필요한 강재 개발, 부생수소 생산 설비 증대, 수소 생산 핵심기술 개발 등 다양한 역량 강화에 힘쓰고 있다. 그린수소 유통 및 인프라 구축 등 다양한 사업 기회를 모색해 수소 경제 사회의 최대 수소 수요업체이자, 생산업체로 도약하기 위한 대규모 투자를 벌일 것으로 보인다.

앞으로도 우리나라 대표 그린수소 선도기업으로 자리매김하기 위한 포스코의 행보를 기대해 본다.

인류가 수소를 하나의 원소로 인식하게 된 것은 언제일까? 에너지원으로서 수소의 역사는 약 300년 전으로 거슬러 올라간다. 1783년 프랑스 화학자 앙투안 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier)가 실험을 통해 물을 수소와 산소로 분해하는데 처음으로 성공했으며, 역으로 수소를 태우면 물이 생성된다는 사실도 밝혀냈다. 그는 이 검증을 통해 ‘물을 만들어내는 신비로운 원소’라는 의미에서 ‘수소’로 이 원소의 이름을 명명한 최초의 인류가 되었다.

수소를 대표하는 가장 큰 특징은 ‘가장 가볍다’와 ‘매우 풍부하다’로 볼 수 있다. 수소는 원자번호 1번, 원소기호 H의 원자로 지구 상 가장 가벼운 무색, 무미, 무취의 기체이다. 우리 몸의 대부분을 차지하는 물(H₂0)의 구성 원소이기도 하며, 질량 기준으로 우주의 75%를 차지할 만큼 풍부해 ‘영구 원료’라 표현해도 무방할 정도로 고갈 우려가 없다.

또한, 수소는 공기와 혼합한 후 불꽃을 튀겨주면 폭발적인 연소반응을 보일 정도로 대표적인 가연성 물질이다. 연소 시 소량의 물과 극소량의 질소산화물(NOx)을 제외하고는 오염물질이 전혀 배출되지 않는다. 특히 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 생성하지 않기 때문에 친환경 에너지솔루션으로 주목받고 있다.

수소의 장점을 활용해 연료전지의 연료로 이용하면 편리하게 전기 에너지를 얻을 수 있다. 수소연료전지는 물을 전기분해하는 반응의 역반응을 이용한 장치이다. 물을 전기분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생하는데, 반대로 수소를 공기 중의 산소와 반응시키면 전기와 열, 그리고 물이 발생한다.

일반적으로 연료를 태워 전력을 생산하는 과정과 달리, 수소연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 매우 효율적이다. 이 수소연료전지를 발 빠르게 사용한 곳이 있는데, 바로 미국 항공우주국(NASA)였다. NASA는 1969년 7월 인류 최초로 달 착륙에 성공한 아폴로 11호에 수소연료전지 3대를 탑재한 바 있다.

우주선 1대당 최대 2,300W까지 전력을 생산할 수 있었던 아폴로 11호의 수소연료전지는 우주선 내 무수히 많은 기기를 작동시킬 전기를 생산했고, 이 과정에서 분해한 물은 우주비행사의 생명수가 되었다. 즉, 자원 순환이 가능한 점을 이용해 필요에 따라 효율적으로 사용한 수소연료전지가 달 착륙 성공에 큰 역할을 한 것이다.

우주 기술 분야에 활용되던 수소에너지는 공기보다 밀도가 낮은 수소의 특성으로 수소 자동차에 사용되고 있다. 석유파동 이후, 화석 연료 가격이 폭등하고 고갈 공포까지 더해지자 국제적으로 대안 에너지를 탐색하면서 수소 자동차에 대한 관심은 더욱 고조되었다.

수소 자동차는 전기차에 비해 상대적으로 짧은 충전 시간과 긴 주행거리가 강점이면서 배기가스의 주성분이 물이기 때문에 높은 발전효율과 친환경성을 동시에 잡고 있다. 비용 효율 등의 문제를 해결해 시장성을 갖춘다면 대기 오염을 일으키는 휘발유, 디젤 자동차의 대안으로 제격일 것이다. 수소 자동차의 시장성을 확보하기 위해서는 충전 인프라의 확충이 우선적으로 요구된다. 운영 효율성까지 개선한다면 수소 자동차의 대중화는 앞당겨질 수 있다.

한편, 수소에너지는 석탄, 석유, 가스와 달리 전기처럼 만들어 내야 하는 2차 에너지다. 수소를 추출하는 방법은 정유 및 제철 공장 등의 부생수소를 활용하는 방법, 화석연료를 개질*하여 얻거나 신재생에너지를 활용한 물의 전기분해 방식 등 크게 세 가지로 나눌 수 있다.
* 개질(reforming): 석유를 정제하는 공정으로, 열이나 촉매의 작용에 의해 탄화수소의 구조를 변화시켜 부가가치가 높은 화학제품을 생산하는 것

현재 수소는 화석연료의 수증기 개질을 통해 주로 생산되지만, 친환경적이면서 경제성까지 갖춘 수소 제조가 가능해지면 ‘수소에너지의 시대’가 펼쳐질 것이다. 세계 에너지 기구 IEA에 따르면, 세계 수소에너지 사용량은 2020년 약 9천만 톤에서 2030년 2억 톤으로 증가할 것으로 전망하고 있다. 아직은 주위에서 수소에너지를 찾기 어렵지만,. 수소는 산업용 기초 원료부터 발전·수송·산업·건물 부문 등 다양한 분야에서 에너지원으로 활약하고 있다. 수소 열차, 선박, 드론과 같은 운송수단, 중장비, 친환경 도심 발전소 등이 그 사례다.

세계 각국이 화석연료 중심의 에너지 시스템에서 수소를 주 에너지원으로 사용하는 ‘수소경제(Hydrogen Economy)’로 전환하는 추세로, 수소 운송산업, 수소 충전 인프라 산업, 재생에너지와 수소생산 산업, 수소연료전지 발전 산업 등으로 이루어진 새로운 생태계가 곧 도래할 것으로 보인다. 무한한 가능성을 가진 수소에너지를 통해 하루라도 빨리 인류가 당면한 에너지 및 기후변화 문제를 동시에 해결해주는 지속 가능한 친환경에너지 시스템의 구축을 기대해 본다.