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.

포스코가 일산 KINTEX에서 9월 8일(수) ~ 11일(토)간 열린 2021 수소모빌리티+쇼*에 참가했다.

포스코그룹은 포스코를 비롯해 포스코인터내셔널, 포스코건설, 포스코에너지, 포스코SPS, 포항산업과학연구원(RIST) 총 6개의 그룹사가 참여해 그룹 수소사업의 밸류체인(Value-Chain) 전반에 걸친 사업 계획을 발표했다.

l 눈에 확 띄잖아! 포스코 부스 둘러보기

전시장에 들어서니, 멀리서도 한 눈에 띄는 포스코 부스! 상단의 대형 파노라마에서는 Green With POSCO라는 문구와 함께 포스코그룹의 주요 수소 산업 이미지가 함께 슬라이드로 보여져 관람객들의 이목을 끌었다.

또한, 포스코 강재를 활용해 다양한 디자인과 질감을 구현한 부스는 튼튼하면서도 한 층 더 세련된 느낌을 받을 수 있었다.

포스코 부스는 크게 3개의 ZONE으로 구분되어 있었는데, 부스 입구로 들어서면 바로 왼편부터 만나볼 수 있는 수소 생산과정인 <자연으로부터의 수소를 만들다> 존을 시작으로 <수소의 저장•인프라인 세상과 수소를 연결하다>존, 마지막으로 수소의 활용기술이 담긴 <수소를 세상으로 움직이다>존까지 포스코의 수소사업 밸류체인(Value-Chain) 전반을 한눈에 만나 볼 수 있도록 구성됐다.

l 포스코, 친환경 실천 기업으로 도약하다

첫 번째로 만나본 <자연으로부터의 수소를 만들다> 존에서는 부생수소와 태양광과 풍력 등 재생에너지는 물론, 현재 포스코에서 추진 중인 프로젝트를 만나볼 수 있었다.

평소 수소에너지에 관심이 있었다면 부생수소에 대해 한 번쯤 들어본 적이 있을 것이다. 포스코는 부생가스인 COG와 FOG로부터 수소를 추출해 2026년까지 연산 7만 톤 생산체제를 구축 및 공급할 예정으로 이는 연간 46만 대의 수소 승용차에 공급할 수 있는 규모다.

현재 포스코인터내셔널은 경쟁력 있는 천연가스 및 LNG에서 수소를 추출하고 CO2를 포집 및 저장하여 만드는 블루수소와 블루암모니아에 관련해 동남아, 중동, 러시아, 호주 등의 지역에서 공동으로 프로젝트를 추진 중이다.

다음으로 주목해야 할 부분이 그린수소 생산이다. 재생에너지를 통해 생산된 전기로 물을 분해하여 만들어진 수소를 그린수소라 칭하며, 해상과 내륙 운송을 위해 암모니아 형태로 합성하여 운송하는 것이 특징이다.

포스코는 재생에너지원이 우수하고, 부지-인프라가 갖춰진 지역을 선점하여 가격 경쟁력 있는 그린 수소를 생산하고, 이를 암모니아로 합성하여 국내로 도입하거나 해외 수요처에 공급할 계획이다.

대표적으로 포스코가 개발을 주도하는 오만 프로젝트의 경우, 그린 암모니아 연산 120만 톤 규모의 대형 프로젝트며, 2040년 200만 톤, 2050년까지 연산 500만 톤의 그린 수소 생산을 목표로 현재 중동, 호주, 남미와 같이 다양한 지역에서 글로벌 메이저 기업들과 협력을 추진하고 있다.

또 하나 눈길을 끌었던 이것! 이게 무엇에 쓰는 물건이지? 하는 분들도 있을 것이다.

바로 재생에너지를 실생활에서 활용할 수 있는 사례를 적용한 모형으로 태양광을 이용한 조명시설과 휴게시설을 모형화 한 것이다.

그렇다면 과연 이 제품들에는 포스코의 어떤 기술이 들어간 것일까? 정답은 바로 포스맥(PosMAC)* 이다.

태양광이나 풍력설비는 극한의 상황에 노출되어 20년 이상을 버텨야 하는데 포스코에서 개발한 포스맥(PosMAC)과 풍력용 강재를 활용하면 오랫동안 설비를 안정적으로 유지할 수 있다.

또한, 포스코는 포항산업과학연구원과도 함께 암모니아 기반 수소추출 기술 상용화 개발을 추진 중이다. 다시 말해 해외에서 도입한 암모니아를 수소로 사용하기 위해선 암모니아를 분해하여 다시 수소로 추출하는 것이다. 현장에는 고망간강 저장탱크를 비롯해, 수소차 연료탱크, 수소배관 실물들도 전시되어 이해도를 높일 수 있었다.

뿐만 아니라, 스마트 기술로 건설하는 미래 수소도시 모형존에서는 포스코그룹이 보유한 밸류체인을 통해 해외수소의 도입과 우리의 일상생활로 이어지는 공급 프로세스를 한눈에 살펴볼 수 있었다.

<마지막 수소로 세상을 움직이다> ZONE에서는 수소의 활용 과정에 대해 알 수 있었는데 혼소 발전-암모니아, 혼소-수소 드론 연료 전지 분리판의 순서로 안내되어 있었고, 포스코의 다양한 수소 모빌리티 사업 계획에 대해서도 알리며 부스 투어는 마무리됐다.

특히, 기가스틸과 포스코 자체 개발 강재가 어떻게 적용 되었는지를 상세 설명과 함께 모니터 디스플레이로 영상을 감상할 수 있었고, 수소전기차 핵심 부품도 전시되어 평소 수소차에 관심이 많은 이들에게 다양한 정보를 제공하는 자리였다.

특히, 현장에서는 수소연료전지 분리판과 수소전기차 구동모터코아를 직접 눈으로 확인할 수 있어 이목을 집중시켰다.

‘수소연료전지 금속분리판용 극박 압연 및 성형 기술’은 수소연료전지 금속분리판의 핵심 소재인 스테인리스 스틸 Poss 470FC를 포스코SPS 고유의 정밀 극박 압연 기술을 통해 0.05mm의 얇은 두께로 구현하여 성형하는 기술로, 특히 후처리 공정을 통해 코팅 과정을 생략하여 환경 유해 물질을 최소화함으로써 친환경 소재로도 우수한 평가를 받고 있다.

또한, ‘e Autopos(이 오토포스)’ 솔루션인 셀프본딩(self-bonding) 기술에 대해 살펴볼 수 있었는데, 전기강판에 본드를 닷트(dot) 방식으로 도포해 적층하는 기존의 방법이 아닌, 전기강판 전면에 본드가 도포된 상태에서 가열∙가압 적층함으로써 소음과 효율을 혁신적으로 개선할 수 있는 신기술로 포스코가 2016년 개발했다. 포스코그룹은 지난8월 현대차•기아에 포스코 e Autopos 셀프본딩 기술 적용한 구동모터코아 공급권까지 확보하며 글로벌 1등 친환경차 부품사로 도약할 수 있는 전기를 마련하기도 했다.

마지막으로 포스코 전시의 하이라이트라고 할 수 있는 수소환원제철!

수소환원제철은 전통적 쇳물 생산 방식인 고로(용광로) 공법을 대체하는 신기술로, 석탄 대신 수소를 환원제로 사용해 기존 고로 공법과 달리 CO2 배출 없이 철을 생산할 수 있는 수소경제시대의 핵심 기술을 말한다.

실제 현장에서도 수소환원제철 관련 모형이 가장 큰 규모를 차지하고 있어 자연스럽게 동선에 따라 발걸음을 향하게 됐다. 특히 부스에 설치된 모형은 수소환원제철이 적용된 미래 도시를 표현한 것으로 어떤 과정을 통해, 우리의 실생활에 적용이 될 지를 쉽게 살펴볼 수 있었다.

포스코는 현재 보유 중인 파이넥스(FINEX)*기술을 기반으로 연구개발을 지속해 수소환원제철공법을 상용화할 계획으로, 포스코가 꿈꾸는 2050년의 제철소가 궁금하다면, 아래 영상으로 확인해보도록 하자.
*파이넥스(FINEX): 포스코가 세계 최초로 개발한 제철기술로 자연상태 가루 모양의 철광석과 일반탄을 바로 사용해 쇳물을 생산하는 설비를 말한다.

랜선으로 만나본 2021 수소모빌리티+쇼! 2050년 탄소중립을 달성하겠다는 포스코의 의지가 느껴지지 않았는가?

포스코는 앞으로 탄소 중립에 기여할 수 있는 다양한 탄소 저감 활동에 주력할 계획이다. 친환경을 실천하는 기업, 그린 수소 선도기업으로 도약할 포스코에 많은 관심과 기대 부탁드린다.

l 포스코의 수소산업 육성을 통한 탄소중립 달성 전략

에너지를 많이 소비하는 철강산업의 입장에서 그린수소(재생에너지만을 이용하여 만드는 수소)를 활용하여 탄소중립을 지향하는 전략은 도전적이지만 의미 있는 것으로 평가된다. 국내 대표적인 철강기업인 포스코는 지난해 12월 2050년까지 수소 500만 톤 생산체제를 구축해 미래 청정에너지인 수소 사업을 개척하고, 탈탄소시대를 선도하겠다는 의미를 담은 <수소경제를 견인하는 그린수소 선도기업> 비전을 선포한 바 있다.

포스코는 이러한 비전 실천을 위한 방안을 진행하기 시작했다. 지난해 포스코는 호주 철광석 회사 FMG와 신재생에너지를 활용한 그린수소 사업에서 상호 협력하기로 하고, 올해 들어 포스코는 유수 국내 연구소와 수소분야 연구협력 증진을 위한 업무협약을 수소사업 역량 확보에 본격적으로 나서기로 했다. 이어 포스코는 세계 해상풍력발전 1위 업체인 덴마크 오스테드와 MOU를 통해 해상풍력발전 단지 구축에 필요한 철강재 공급과 함께 풍력발전을 활용한 그린수소 생산에 참여하기로 하는 한편, 현대차•SK•효성그룹과 함께 국내 기업들의 참여하는 수소기업협의체를 설립을 준비하기로 했다.

l 철강산업과 결코 떼려야 뗄 수 없는 수소산업

포스코가 이렇게 수소산업에 적극적으로 나서는 이유는 수소가 철강산업과 밀접하게 연관되어 있기 때문이다. 우선 철강 생산부분에서 현재 포스코는 코크스 제조 공정에서 발생하는 부생가스(COG)와 천연가스를 이용한 연간 7천 톤의 수소 생산 능력을 갖추고 있으며, 약 3,500톤의 부생수소를 추출해 철강 생산 중 온도 조절과 산화 방지 등을 위해 사용하고 있다. 장기적으로는 탄소 배출이 없는 철강 생산방법인 ‘수소환원제철’ 공법을 상용화하기 위한 기술을 개발 중이다. 이 기술은 세계 어느 철강사도 상용화하지 못한 꿈의 기술로, 포스코는 이미 수소환원제철에 가장 가까운 독자 제선기술인 파이넥스(FINEX) 기술을 상용화하여 15년 가까이 안정적으로 운영하고 있다.

파이넥스 공법은 환원제의 25%를 수소로 이용한다. 포스코는 이러한 앞선 기술을 바탕으로 가동 중인 유동환원로 2기의 수소 농도를 단계적으로 높여가며 수소환원제철을 개발할 계획이다.

한편 수소산업은 새로운 특수 철강재 수요처가 된다. 수소 수송을 위한 특수 고압 강관, 액체 수소 저장을 위한 극저온강, 내식성과 전도성이 뛰어난 수전해 분리판과 연료전지 분리판, 해상풍력발전기용 내부식성이 뛰어난 특수 철강 등 수소산업 발전에는 각 용도에 적합한 철강재 개발 및 공급이 중요하다. 포스코는 세계 최초로 수소 연료전지 분리판용 철강제품을 개발해 국내에서 생산되는 수소차에 공급하는 등 수소 생산과 이용에 필요한 역량을 갖추고 있다.

▲ 포스코 스테인리스스틸 소재(Poss470FC)로 만든 연료전지 분리판이 2016년 북미국제모터쇼(NAIAS) 기술전시회 포스코 부스에 전시되어 있다.

l 갈수록 중요해지는 그린수소 확보의 중요성

탄소중립을 위해서는 수소환원제철 등 수소 이용기술 개발과 아울러 탄소 배출이 없는 그린수소를 적정한 가격에 안정적으로 확보하는 것도 중요하다. 수소는 우주 질량의 75%를 차지할 정도로 풍부하다 하나, 지구상에는 수소 기체가 매우 희박하다. 그래서 인류는 쉽게 구할 수 있는 수소원자가 포함된 화합물, 즉 물(H2O)이나 화석연료 등에서 수소를 추출하여 사용한다. 탄화수소 화합물인 화석연료에서 수소 생산은 비용이 저렴하나 필연적으로 이산화탄소(CO2)가 발생하며, 이를 제거하기 위해서는 CCS(Carbon Capture and Storage 탄소 포집 및 저장) 기술이 필요하다. 아직은 CCS에 비용이 많이 들며 국토가 협소한 우리나라에서는 저장 장소 확보도 용이하지 않다.

반면 재생에너지 전력을 이용한 수전해 수소는 탄소 배출이 없으나, 아직은 생산비용이 비싸다. 비록 최근 들어 재생에너지 발전단가가 많이 낮아졌다고는 하지만, 국토 면적이 협소하고 풍황 등이 열악한 우리나라는 재생에너지 발전 건설에 주민 수용성 확보와 복잡한 인하가 등으로 주요국에 비해 발전단가가 비싼 실정이다. 재생에너지 발전 비용 하락을 위한 획기적인 노력이 필요하다.

탄소 배출이 없는 그린수소나 블루수소를 경제적으로 확보하기 위해서 생산비용이 저렴한 해외에서 확보하는 방안을 적극적으로 검토할 필요성이 있다. 최근 연구에 따르면 국토 면적이 넓고 자연적 여건이 양호한 호주, 미국, 중동지역 등에서 수소를 저렴하게 생산할 것으로 전망되고 있다. 이들 지역으로부터 수소를 수입하거나, 재생에너지 발전 및 수소 생산에 직접투자를 통해 수소를 확보할 수 있다. 수입되는 수소의 부피를 줄이기 위해서는 액화가 필수인데, 암모니아로 변환시키는 방법이 현재로서는 가장 경제적인 방법으로 알려져 있다. 포스코에서 최근 친환경적인 암모니아 활용 기술 개발 등 수소사업 역량 확보 노력은 적절한 것으로 보인다.

▲ 2050년 국가별 그린수소 무역 전망 (출처: 블룸버그NEF Hydrogen Economy Outlook, 2020.3.30)

l 탄소중립 실현을 위한 민•관 협력의 필요성

탄소중립을 실현하기 위한 그린수소 확보 및 활용은 몇몇 기업의 노력만으로는 한계가 있다. 수소의 생산, 유통, 소비의 각 밸류체인별로 산업생태계가 구축되어야 하며, 초기에는 우선 정부의 선도적인 역할이 중요하다. 정부는 수소 관련 R&D투자를 적극적으로 확대하고, 민간의 R&D 투자에 대해서는 세제 감면 등의 인센티브를 제공할 필요가 있다. 그리고 정부가 수소 관련 기업들 간에 거래를 원활히 할 수 있도록 규제보다는 지원책을 제공해야 하며, 그린수소와 저탄소 전력에 대한 공급 인프라 구축 및 유연한 시장 제도를 마련해야 한다.

지난해 6월, 독일 경제에너지부 페터 알트마이어(Peter Altmaier) 장관이 국가전략을 발표하며 한 말이다. 독일이 발표한 국가수소전략은 독일에서 수소를 생산·운송·저장·활용하는 모든 기술을 개발한다는 것으로, 수소 발전에 대한 투자규모만 12조원에 이른다. 아시아 국가들은 과연 얼마나 앞서 있는 걸까? 한국은 2004년 친환경 수소경제 마스터 플랜을 수립하고, 2019년에 수소경제 로드맵을 발표했으며, 일본은 2014년에 수소연료전지 전략 로드맵을, 중국은 2017년에 차이나 수소 이니셔티브를 발표했다. 또한 한국은 지난해 7월 ‘한국판 뉴딜 정책’을 발표, 총 160조원의 투자금 중 그린 뉴딜 정책에만 약 73조원(국비 약 43조원), 신재생에너지만 놓고 보면 약 24조원의 국비를 투자한다고 발표했다.

독일이 수소의 생산에서부터 활용에 이르는 모든 기술을 개발한다고 선언한 것은 두 가지의 중요한 의미를 담고 있다. 하나는 수소 사업 모델에서 생산·운송·저장·활용을 각각 독립적으로 보기 보다는 전 과정을 체인처럼 가치사슬로 연결하여 접근한다는 점이고, 다른 하나는 수소 사업의 승패가 결국 수소를 다루는 기술에 달려 있다는 점이다.

포스코는 지난해 12월, 2050년까지 ‘탄소중립(Carbon Neutral)’ 달성을 선언하며, 그린수소 사업모델을 발표했다. 2030년까지 수소 관련 핵심 기술 및 생산 역량을 조기에 갖추고, 수소 사업을 그룹 성장 사업의 한 축으로 육성할 계획인데, 여기에는 수소를 ‘생산-운송-저장-활용’ 하는 데 필요한 강재 개발은 물론, 부생수소 생산 설비 증대, 수소 생산 핵심기술 개발, 수소를 활용한 철강 생산 기술인 ‘수소환원제철공법’에 대한 연구·개발에 이르기까지, 내부적으로 수소 관련 기술 역량을 강화한다는 것이 골자다.

그런데, 수소 관련 기술에는 어떤 것들이 있을까? 지난 <포스코의 수소 탐구생활> 입문편에서 수소의 생산과 스틸의 관계를 살펴 보았다면, 이번 시간에는 수소의 상태별 특성에 따른 수소 운송용 강재에 대해 살펴보고, 지난 시간에 예고했던 수소 생산과 활용 기술의 핵심 소재! 스테인리스스틸 분리판에 대해 알아보자.

먼저, 기체 상태의 수소를 다룰 때 가장 중요한 요소는 ‘압력’이다. 압력이 높아지면 수소는 금속에 침투, 열화시켜 금속을 깨뜨려버리는 ‘수소취성’을 일으키기 때문. 분자상태의 수소(H₂)는 금속에 침투할 수 없지만, 원자상태의 수소(H)는 워낙 미세하여 침투가 가능한데, 압력이 높아지면 이 원자의 개수가 늘어나 수소취성이 발생한다.

하지만, 수소의 압력이 높을수록 부피가 줄어들어 운송 효율이 높아지기 때문에, 기술은 점점 높은 수소의 압력을 소재가 견디는 방향으로 진화하고 있다. 단순한 수소 운송용 파이프라인도 지금은 20bar수준이지만, 100bar로 높여 운송 효율을 높이는 식이다. 일반적으로 수소전기차는 700bar, 수소충전소는 990bar를 견딜 수 있어야 하는데, 그렇다면 700bar는 어느 정도의 압력일까? ‘바(Bar)’는 압력을 측정하는 단위의 하나로, 해수면에서 100m 상공의 기압을 말하는데, 쉬운 예로 방수 시계에 적혀 있는 10bar는 수심 약 100m까지 견딘다는 뜻이다. 그렇다면 700bar는 수심 7,000m라는 상상을 초월하는 압력인 셈. 700bar를 무게로 환산하면 713.8kg/㎠이니, 1㎠크기의 손톱만한 작은 면적에 체중이 71kg인 성인 10명이 올라갈 때 받는 압력과 비슷하다고 할 수 있다.

결국, 수소에너지 상용화의 핵심은 고압을 견뎌내는 소재 기술력에 있다고 볼 수 있다. 여기에 수소전기차나 수송용 튜브트레일러는 소재 경량화라는 과제가 추가된다. 현재 수소 차량에 탄소섬유 등 복합소재가 쓰이는 것도 바로 이 때문. 그러나 복합소재는 가격이 비싸기 때문에, 가격 경쟁력을 갖춘 스틸의 수소 대응력이 높아진다면, 복합소재와 경쟁 가능한 소재가 되는 것은 물론, 수소 상용화의 시기도 앞당겨질 수 있을 것이다.

경량화가 필요한 수소 차량과는 달리, 수소 충전소는 탄소강으로도 990bar의 압력을 견디는 수송 배관과 저장 용기 제작이 가능한 데, 이때 사용되는 강관이 일반 용접강관 보다 압력에 강한, 심리스(Seamless)강관이다. 심리스강관이 압력에 강한 이유는 가운데가 비어 있는 둥근 모양의 강관을 용접하지 않고 만들기 때문에 이음매(Seam)가 없기 때문. 고압수소 저장용기는 이 심리스 강관의 직경을 넓혀서 제작하는데, 990bar급 용기는 대구경(大口徑) 심리스 강관을 사용하고 있으며, 현재 국내에서는 제작되지 않고, 전량 수입에 의존하고 있다. 소재·부품·장비의 국산화가 필요한 상황. 이에, 포스코는 국내는 물론 해외 심리스 강관사와 협력하여, 수소 배관·용기용 강재 수요 확대에 대비할 계획이다.

액체 상태의 수소를 다룰 때 가장 중요한 요소는 ‘온도’다. 수소는 -253°C 로 냉각하면 기체 대비 부피가 1/800로 줄어들어, 대량으로 수송 할 수 있다. 이 말은 액화 수소를 담는 탱크가 -253°C를 견뎌야 하는 극저온강이어야 한다는 뜻. 액화수소 수송선은 아직 전세계적으로 실증된 바 없으며, 유일하게 일본이 116m 길이의 실증용 소형 선박을 건조한 바 있다.

수소를 운송, 저장하는 또 하나의 방법은 수소를 다른 물질과 화학적으로 반응시켜 수소화합물을 만드는 것이다. 수소화합물에는 수소에 톨루엔을 결합한 유기수소화합물(MCH, 상온), 질소를 결합한 액화암모니아(NH₃, -33°C), 이산화탄소를 결합한 액화메탄(NHx, -160°C)이 있는데, 수소화합물은 액화 수소에 비해 저장 가능한 온도가 높아져 수송이 용이하다. 수소화합물에 대응할 강재는 이미 포스코에 개발되어 있기 때문에, 수소화합물을 만드는 작업에 대한 연구와 실증만 완료된다면, 수요가 점차 늘어날 것으로 예상된다.

l 수소는 스테인리스스틸을 타고~

CO₂ 제로 사회에 이상적인 에너지 공급원인 그린수소. 이를 생산할 때 가장 핵심이 되는 부품은 ‘수전해 분리판’이다. 수소를 생산하고 연료로 사용할 때 매우 중요한 역할을 하는 것이 바로 이 ‘분리판’이라고 불리는 금속인데, 분리판은 수소와 산소의 이동 통로로, 전기전도성이 높고 부식에 강해야 하기 때문에 분리판을 만드는 데에는 뛰어난 기술력이 요구된다. 분리판에는 수소전기차와 같이 수소를 연료로 사용하는 데 들어가는 ‘연료전지 분리판’과 수소를 생산하는 데 들어가는 ‘수전해 분리판’ 두 종류가 있다.

수전해 분리판은 물에서 수소를 생산(2H₂O → 2H₂ + O₂)하는 부품이기 때문에, 수소 자동차나 발전기의 연료전지 분리판과는 다른 역반응(2H₂ + O₂→2H₂O)으로 운용된다. 구동 환경이 연료전지 보다 고온, 고습하고 열악하기 때문에, 수전해 분리판은 연료전지 분리판 보다 더욱 뛰어난 내식성과 전도성이 요구되는 상황.

‘연료전지 분리판’은 내연 기관 자동차로 따지면 ‘엔진’에 해당되는 연료전지에 들어가는 분리판으로, 연료전지는 자동차에 주입된 수소를 전기에너지로 바꾸는 역할을 한다. 포스코는 2006년부터 연료전지 분리판 개발에 착수해, 2018년 수소전기차 ‘넥쏘’에 적용된, 세계 최초의 초고내식 스테인리스스틸 분리판 소재 Poss470FC를 개발, 상용화하는 데 성공했다.

과거에는 부식 방지를 위해 분리판에 금이나 카본 소재를 코팅했었는데, Poss470FC는 이런 코팅 없이도 내부식성과 전도성을 높인 동시에 제작 원가를 낮추고 제품 크기도 줄인 혁신적인 소재로 평가받고 있다. Poss470FC는 국제스테인리스스틸협회(ISSF, International Stainless Steel Forum)  2018년 신기술상(New Technology Award) 부문 금상을 수상했으며, 2019년 한국공학한림원  ‘대한민국 산업을 이끄는 산업기술성과 15선’에 선정됐다.

▲ 포스코 스테인리스스틸 소재(Poss470FC)로 만든 연료전지 분리판이 2016년 북미국제모터쇼(NAIAS) 기술전시회 포스코 부스에 전시돼 있다.

한편, 발전용 연료전지 분리판은 구동 환경이 100°C 이하인 수소전기차용 연료전지 분리판과는 달리, 600~800°C에서 작동되고 긴 시간 동안 시동되기 때문에 높은 내산화성과 전도성이 요구되는데, 현재는 독일, 일본에서 생산된 고가(高價)의 희토류가 첨가된 스테인리스강이 적용되고 있다. 이에, 포스코는 비싼 수입재를 대체할 수 있는 저원가·고전도성 강재 Poss460FC를 개발함으로써, 원천 소재 개발을 통한 국내 발전용 연료전지 산업 활성화에 기여하기 위해 노력하고 있다.

<포스코의 수소 탐구생활> 마지막편! 다음 시간에는 수소를 활용한 철강생산기술인 ‘수소환원제철공법’을 통해 수소와 스틸의 운명적 만남을 살짝 엿보기로 하자! 커밍쑨~

* 도움말 주신 분:
기술연구원 강재연구소 에너지조선연구그룹 고성웅, 이학철, 김우겸, 성현제 수석연구원
기술연구원 강재연구소 열연선재연구그룹 박경수, 박준학 수석연구원
기술연구원 강재연구소 STS연구그룹 김광민 수석연구원
기술연구원 철강솔루션연구소 수소차용470FC TF팀 김종희 수석연구원

<해저2만리>, <80간의 세계 일주>로 유명한 프랑스의 공상과학 소설가 쥘 베른(1828-1905). 그가 1874년 발표한 <신비의 섬>이라는 책의 한 구절이다. <해저2만리> 네모 선장이 북극해의 소용돌이에 휘말려 자취를 감춘 뒤, 마지막 생을 보냈던 섬. <신비의 섬>은 미국 남북전쟁에서 포로로 잡힌 다섯 사람이 열기구를 훔쳐 타고 달아나다가 무인도에 표류하는 해양모험소설이다. 만물박사인 주인공 덕분에 조난자들은 무인도에서 폭탄, 풍력발전소, 전기 등 생필품을 만들어 풍족하게 살아간다. 물이 연료로 쓰일 것이라는 건 주인공, 아니 쥘 베른의 상상일 터. 150년이 지난 지금 그의 상상은 현실이 되려 하고 있다. 수소경제시대가 우리 앞에 조금씩 다가오고 있는 것이다.

포스코 뉴스룸에서는 미래의 친환경 원료 ‘수소’와 운명적으로 마주한 ‘스틸’에 대한 이야기를 해보고자 한다. 수소와 스틸의 만남에 혹시 고개가 갸우뚱해지는 사람이 있다면, <포스코의 수소 탐구생활> 3부작으로 Follow~ Follow me!

l 압력과 온도에 민감한 수소의 동반자, 스틸

원소주기율표 1번인 수소(Hydrogen)는 약 140억 년 전 빅뱅 시 처음으로 생성된 원소로, 우주 질량의 75%, 원소 개수로는 90%를 차지할 만큼 풍부하다. ^*‘물을 만든다’라는 어원을 가진 수소와 산소가 결합된 물(H₂O)은 지구의 3/4을 차지하고, 전기화학적 반응을 통해 수소와 산소 간 분해·결합이 가능하니, 쥘 베른의 상상처럼 수소가 원료라면 무한에 가까운 에너지원이 되는 셈.

^*Hydrogen(수소)은 라틴어의 Hydro(물)와 접미사 -gen(만들다)의 합성어

그러나 수소를 원료로 쓴다는 것은 말처럼 쉬운 일이 아니다. 수소가 매우 예민하고 다루기 어렵기 때문. 기체 상태에서 수소는 압력이 높고, 공기와 일정 비율로 섞여 있을 경우, 열이나 불꽃, 햇빛 등의 외부 자극에 의해 폭발하는 성질을 가지고 있다. 때문에 기체 상태의 수소를 운반, 보관하는 소재는 압력에 강하고 안전해야 한다.

기체가 다루기 어렵다면, 액체는 어떨까? 액체 상태의 수소는 순간적인 접촉에서도 동상이 생길 수 있을 정도로 차갑다. 수소의 끓는 점이 -252.88°C 이기 때문에, 액화 수소를 운반, 보관하는 소재는 -253°C를 견뎌야 한다.

고압을 견디고, 폭발의 위험을 줄이며, 극저온에 강한 소재. 그렇다. 수소 사회를 앞당기는 보이지 않는 힘은 바로 성능이 뛰어난 수소용 소재를 만드는 기술력에 있으며, 그 중심에는 새로운 분야에 대한 도전과 혁신을 멈추지 않는 철강회사 ‘포스코’가 있다.

l 수소에도 종류가 있다?!

수소용 강재에는 어떤 것들이 있을까? 이를 알기 위해서는 먼저, 다양한 방식으로 생산되는 ‘수소들’에 대해 알아둘 필요가 있다.

첫 번째는 제철·석유화학·정유와 같이 기존 산업 현장에서 부수적으로 발생하는 부생가스에서 수소를 정제해서 사용하는 ‘부생수소’다. 다른 방식 대비해 제조원가가 절반 이하로 저렴하지만, 순도가 높지 않아 수소전기차에 사용되는 순도 99.999%의 수소를 생산하려면 많은 정제 비용이 추가로 소요된다. 현재 포스코는 철강 제조 공정에서 발생하는 부생가스(Cokes Oven Gas)와 천연가스(LNG)를 이용한 연간 7천 톤의 수소 생산 능력을 갖추고 있으며, 약 3,500톤의 부생수소를 추출해 철강 생산 공정 중 온도 조절과 산화 방지 등을 위해 사용하고 있다.

두 번째는 화석연료를 이용하는 ‘추출수소’로, 현재 생산되는 수소의 90% 이상을 차지하고 있는 방법이다. 일반적으로 추출수소를 그레이수소(Grey H₂)라고 부른다. 추출수소에는 천연가스의 주요 성분인 메탄(CH₄)을 이용하여 고온의 반응기에서 수소를 추출하는 수증기 개질법(CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂)이 대표적인데, 생산 과정에서 필연적으로 이산화탄소(CO₂)가 발생하게 된다. 온실가스인 CO₂를 줄여야 하는 상황에서 오히려 수소생산으로 CO₂가 증가하는 곤란한 상황. 그래서 그 중요성이 부각되고 있는 기술이 바로 CO₂를 포집, 압축, 수송하여 지하에 저장하는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술이다. 참고로 추출수소 중 석탄·갈탄이 원료인 수소는 브라운수소(Brown H₂), CCS기술이 적용된 추출수소는 블루수소(Blue H₂)라 불린다.

블루수소를 생산하는 과정에서 추출한 대량의 CO₂를 효율적으로 운송하기 위해서는 액화가 필요한데, 액화 CO₂용 강재에는 -60°C를 견디는 저온인성을 가진 고강도의 매우 두꺼운 극후물이 요구된다. 또한, 장거리 수송 효율을 높이기 위해 앞으로 저장 탱크가 대형화될 것으로 예상되는데, 포스코는 지난해 이미 탱크용량 51,000㎥, 강재두께 80mmt, -60°C 충격인성을 보증하는 500MPa급 강재를 선제적으로 개발 완료하여, 액화 CO₂용 강재 수요 발생에 대비하고 있다.

세 번째는 앞선 쥘 베른의 상상처럼 물을 연료로 이용하는 수전해수소, 일명 그린수소(Green H₂)로, 물을 전기분해(2H₂O → 2H₂ + O₂)하여 수소를 생산하며, CO₂가 발생하지 않는다. 그러나 물을 전기분해하기 위해서는 애초에 전기가 필요하다는 점에서 완전한 CO₂제로화는 아닌 셈. 때문에, 그린수소 생산을 논할 때 빠지지 않는 것이 바로 태양광·풍력 발전 등을 통한 재생에너지 생산이다.

l 그린수소 필수 아이템! 태양광·풍력 발전용 강재

포스코는 태양광·풍력 발전에 적용되는 강재도 시장 수요에 맞춰 적극 대응 중이다. 태양광발전 하부구조물은 일교차에 의한 응축수 부식이 구조물의 수명을 좌우하는데, 포스코는 여기에 일반재보다 최대 10배 이상 부식에 강한 인장강도 540MPa급의 포스맥(PosMAC, POSCO Magnesium Aluminium alloy Coating Product)을 적용해 시장을 확대하고 있으며, 소재의 강도를 높여 더욱 튼튼한 구조물을 만들기 위한 노력을 계속하고 있다. 풍력발전용 강재는 ‘19년 10월 기준 규격 全 범위 강종을 개발 완료해 현재 양산 중으로 현재 육상, 해상을 통틀어 전 세계 풍력발전기 10대중 1대는 포스코 강재로 만들어진다. 아울러, 풍력발전 대형화 추세와 개정된 규격에 맞춰 대응에 속도를 높이고 있다.

그레이수소, 브라운수소, 블루수소, 그린수소까지 정말 다양한 방식으로 생산되는 수소! 포스코도 지난해 12월 정부의 2050 탄소중립 선언에 동참하여, 자체적인 수소 생산체제 구축에 나섰다. 2025년까지 부생수소 7만 톤, 2030년까지 블루수소 50만 톤, 2040년까지 그린수소 200만 톤 체제를 구축하겠다는 것! 또한 2050년까지 수소 500만 톤 생산체제를 완성하고 매출 30조 원을 달성함으로써 탈탄소시대를 선도하겠다고 밝힌 바 있다.

그런데, 여기서 잠깐! CO₂제로 사회에 가장 이상적인 에너지원이라고 할 수 있는 ‘그린수소’가 바로 스테인리스스틸을 통해 탄생한다는 사실을 아는지?! 그린수소를 생산할 때 가장 핵심이 되는 부품이 ‘수전해 분리판’인데, 물을 분해하여 수소를 생산하고 연료로 사용할 때 매우 중요한 역할을 하는 것이 바로 이 ‘분리판’이라고 불리는 금속이다. 분리판은 수소와 산소의 이동 통로로, 전기전도성이 높고 부식에 강해야 하기 때문에 분리판을 만드는 데에는 뛰어난 기술력이 요구된다. 그런데 이 분리판의 핵심 소재가 스테인리스스틸인 것!

분리판의 종류는 수소를 생산하는 데 필요한 ‘수전해 분리판’과 수소를 사용하는 데 필요한 ‘연료전지 분리판’ 두 가지로 나뉘는데, 이 분리판에 대한 자세한 내용을 알고 싶다면 <포스코의 수소 탐구생활> 다음 편을 기대하시라! 커밍쑨~

* 도움말 주신 분:
기술연구원 강재연구소 에너지조선연구그룹 고성웅, 이학철, 김우겸, 성현제 수석연구원
기술연구원 강재연구소 열연선재연구그룹 박경수, 박준학 수석연구원
기술연구원 강재연구소 STS연구그룹 김광민 수석연구원
기술연구원 철강솔루션연구소 수소차용470FC TF팀 김종희 수석연구원