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.

요즘 초록이의 관심을 한 몸에 받고 있는 건 바로 ‘그린뉴딜’입니다. 화석에너지 중심의 에너지 정책을 신재생에너지로 전환하면서 지속 가능한 발전을 도모하는 그린뉴딜. 친환경을 사랑하는 초록이가 그냥 지나칠 리 없겠죠?

그린뉴딜의 주요 움직임 중, 우리나라는 물론이고 전 세계에서 각광받는 것이 단연 풍력발전이군요. 초록이도 언젠가 비행기에서 내려다본 바닷가에 거대한 바람개비들이 서있었던 기억이 나네요. 오늘은 해상풍력발전과 그 안에 숨은 포스코의 솔루션에 대해 공부를 해보려고 합니다.

l 지금도, 앞으로도 해상풍력발전이 대세다

어디 보자. Global Wind Energy Council 보고서에 따르면 글로벌 풍력 시장이 2013년 이후 연평균 24%씩 크게 성장했구나. 2019년 새롭게 설치된 용량만 해도 60.4GW라니. 앞으로는 어떨까? 2024년에는 신규 설치량이 총 73.4GW고, 눈에 띄는 건 해상풍력의 비중이 25% 이상으로 크게 늘어난다는 거네. 바다는 육지보다 바람도 일정한데다 세기도 센 편이고, 일조권과 소음 문제도 해결할 수 있으니까 해상풍력 인기가 높아지고 있구나.

이렇게 풍력발전이 확대되면 석탄화력발전이나 LNG보다도 훨씬 친환경적인 에너지 소비를 기대해도 되겠지. 그런데 풍력발전기는 바람이 강하게 부는 곳에 설치를 해야 할 텐데, 역으로 그 바람 때문에 구조물의 안전과 내구성에 문제는 없을지 걱정인데? 특히 해상풍력은 바닷물을 어떻게 견디는 걸까. 풍력발전기에도 분명 스틸이 들어갈 테니, 철석이한테 한번 물어봐야겠다!

l 풍력발전기 메인 소재, 대체불가능한 ‘스틸’

철석아! 요즘 해상풍력발전 프로젝트가 엄청나게 늘어나더라. 바닷가에 그렇게 거대한 구조물이 서있는 게 안전한 거야?

걱정 마 초록아. 안전한 풍력발전기를 만들기 위해서 포스코가 풍력발전기 제작사들과 오랫동안 협업해오고 있으니까. 네 말대로 풍력발전기는 거대한 구조물인데다가 가혹한 자연환경에 항상 노출되어 있고, 구조물 꼭대기에 설치된 터빈은 아주 긴 시간 반복적으로 회전해야 하기 때문에 파손되거나 결함이 생길 위험이 크지. 그래서 포스코에는 풍력발전기를 위한 여러 가지 강재가 준비되어 있어. 먼저, 터빈 속 모터의 전력 손실을 줄여서 에너지 효율을 높이는 △무방향성 전기강판 Hyper NO, 터빈 회전체의 마찰을 적게 만들기 위해 내구성을 극대화한 △베어링용 선재 PosWIND(POSCO Windpower), 타워와 하부구조물이 거친 환경을 견딜 수 있도록 강한 강도, 내구성을 지닌 후판 △풍력용강이 등이 있지. 특히 풍력발전 산업이 발전해오면서 풍력타워와 하부구조물만 전문적으로 제작하는 업체들이 많이 생겼거든? 근데 이 업체 모두가 스틸로 만든 원형 모양의 강관을 전문적으로 다루는 회사라고 해. 스틸은 그만큼 해상풍력기에 없어서는 안되는 소재고, 안전한 풍력발전기 제작을 위해 소재 연구를 계속하고 있어.

▲ 풍력발전기는 지지대 역할인 ‘타워’와 바람을 맞고 회전하는 ‘블레이드’, 겉으로는 보이지 않지만 에너지를 생성해내는 ‘발전기’와 타워를 해저에 단단히 고정하는 역할을 하는 ‘하부구조물’로 구성되어 있다.

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스틸의 어떤 점 때문에 풍력발전기의 메인 소재로 쓰이는거야?

스틸의 막강한 항복강도(Yield Strength)와 피로강도(Fatigue Strength) 때문이지. 용어는 어렵지만 개념은 간단해. 일반적으로 풍력발전기는 20~25년의 수명을 갖도록 설계되는데, 수명 기간 동안 반복적이고 다양한 방향과 크기의 바람, 파도에 노출되잖아. 우선 항복강도는 소재가 외부의 힘을 받아도 변형을 일으키지 않고 견디는 힘이야. 항복강도 355MPa이라 하면, 소재에 355Mpa의 응력이 발생해도 이 소재는 구부러지거나 변형이 생기지 않는다는 뜻이지. 그런데 355MPa의 응력이 바로 가해질 수도 있지만, 이보다는 약한 응력이 반복적으로 가해져서 결국 소재를 망가뜨릴 수도 있잖아? 그걸 버티는 게 피로강도야. 피로강도가 90MPa이라고 하면, 응력의 변화량(최댓값-최솟값 차이) 90MPa를 2백만 번 견딜 수 있다는 뜻이지. 풍력발전기 하부구조용에는 주로 항복강도 355MPa, 피로강도 90MPa의 후판이 사용돼. 이런 후판을 우리는 ‘풍력용강’이라고 부르지.

그러니까 풍력용강은 반복되는 하중에도 쉽게 파괴되거나 구부러지지 않는 특성을 가진 두꺼운 강재라는 거군.

맞아. 풍력발전기에서도 가장 많은 하중을 받는 하부구조물에는 위와 같은 강도를 지닌 두께 70~100mm의 풍력용강이 주로 사용돼. 엄청 두껍지? 각종 강도에, 바닷물을 견디기 위한 내식성도 갖춰야 하고 두께도 두껍다 보니 생산하기도 힘들지만 고객사 입장에서는 원가부담이 큰 소재야. 그래서 필요한 게 뭘까? 바로 포스코의 솔루션이지~ 고객이 원하는 품질은 보증하면서 원가경쟁력은 올리고, 최적의 설계를 만들 수 있도록 이용기술을 제공하는 것! 특히 요즘 풍력발전시장의 트렌드인 ‘대형화’를 앞당기기 위해 포스코가 꽤나 힘쓰고 있거든. 한 번 들어볼래?

l 세계 최대 해상풍력발전 단지, 포스코 솔루션과 함께 커졌다!

– 대형 모노파일 풍력타워 339대 심은 세계 최대 해상풍력발전 단지 Hornsea

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대형화가 트렌드라. 풍력발전기가 커지는 게 어떤 의미가 있어?

터빈을 대형화하고, 타워를 더 높이 올려서 우수한 풍질(風質)을 얻고 발전 효율을 증대시키기 위해서야. 1991년 덴마크에 설치된 세계 최초의 해상풍력발전 단지 빈데비(Vindeby)의 발전기는 높이 54m에 발전용량 0.45MW에 불과했지만, 최근에는 높이 190m 이상에 발전용량 8MW를 갖춘 발전기들이 바다에 세워지고 있거든. 자연히 타워와 하부구조물도 더 커지겠지? 타워는 직경 5m하던 것이 6m 이상으로 커지고 있고, 하부구조물 역시 예전에는 직경이 주로 7m였는데 요즘은 8m 이상으로 대형화되는 추세야.

타워는 바닷물 위로 나와있어서 본 적이 있는데, 하부구조물은 어떻게 생긴 거야?

하부구조물은 여러 가지 타입이 있는데, 크게 고정식과 부유식으로 나눌 수 있어. 이중 현재까지 가장 인기 있는 방식은 고정식인 ‘모노파일(Monopile)’이라는 건데 경제성이 가장 좋아서 글로벌 에너지기업들이 많이 채택하고 있지. 모노파일의 하부구조물은 바닷물 속에서 반복되는 진동, 부유체와의 충돌, 거친 파도 등과 같은 극한의 환경에서 타워를 지켜주는 버팀목이야.

이 모노파일이란 거에도 스틸이 핵심 소재라는 거지?

맞아. 모노파일 형식으로 지어진 대표적인 곳이 바로 영국 Hornsea 해상풍력발전 단지야. Hornsea는 1, 2차 단지를 합쳐서 총 339대(1차 174, 2차 165)의 발전기가 총 2.6GW의 발전 용량을 갖춘 세계 최대의 해상풍력 단지거든. 발전기 1대당 기존 5~6MW급인 터빈 능력을 1차에서는 7MW, 2차에서는 8MW까지 늘리면서 구조물이 대형화됐어. 그래서 모노파일도 직경이 8m에 이른데. 이렇게 Hornsea 단지가 발전기 규모를 획기적으로 대형화할 수 있었던 데는 포스코의 솔루션이 함께 했어.

– 에너지업계의 핫 키워드 ‘LCOE’, 포스코는 어떻게 만족시켰을까

이 발전 단지를 운영하는 글로벌 에너지기업 오스테드(Ørsted)는 단지의 운영효율을 높이기 위해 터빈 대형화를 추진했어. 장기적 관점에서 높은 발전 효율은 곧 운영사에 원가절감을 가져다주니까. 업계에서는 이런 원가절감을 포함해서, ‘LCOE(Levelized Cost of Energy, 균등화 발전비용) 저감’이 핫 키워드야. LCOE는 발전시설의 초기투자비와 연료비, 유지비 등에 환경오염, 안전비용 등 사회적 비용까지 모두 포함해 추정한 전력 생산비용을 뜻해. 요즘 지어지는 풍력발전 단지는 대부분 LCOE 저감의 논리에 의해 설계되고 있어. 그리고 LCOE 저감을 위해서는 발전기의 대형화가 필수적인 거야.

그렇구나. 발전기가 대형화된다면, 발전기를 만드는 스틸도 그에 맞춰 강해져야겠네.

상식적으로 생각하면 발전기가 커지니까, 타워나 하부구조물도 더 강한 강도의 스틸을 써야 할 거 같잖아? 그런데 여기 기막힌 아이러니가 생겨. 오히려 강도가 더 약한 강재의 주문이 들어오기 시작했거든.

응? 타워가 더 커지는데, 강도가 약한 소재를 주문한다고?

방금 네가 한 말을 곰곰이 되짚어봐. 하부구조물이 특정한 하중을 견디기 위해서는 구조물의 직경, 두께, 강도 3가지 요소가 결합되어야 하는데, 직경과 두께가 커지니까 오히려 강도는 약해질 수 있는 거야. 

그렇네! 크기를 굳이 줄이지 않아도 된다면, 크기가 커졌으니 강도를 낮춰도 되겠네.

예를 들어 강도가 아주 센 소재로 지름 1cm 짜리 기둥을 만들다가, 이번에는 지름을 2cm로 늘리게 됐다고 생각해봐. 구조적 성능이 강해지니 소재의 강도를 그보다 살짝 낮춰도 필요 하중을 충분히 버틸 수 있게 되지. 게다가 강도가 약한 강재가 더 저렴할 거 아냐. 에너지기업들은 이런 계산법으로 LCOE 관점에서 기존에 요구되던 강도보다 조금 약하고 가격은 저렴한 강재로 더 큰 하부구조물을 만들고자 했어. 원래 항복강도 355MPa의 풍력용강을 주로 사용하다가, 이제 275MPa급의 강재도 사용할 수 있게 된 거지. 근데 포스코는 항복강도 275MPa급 풍력용강을 그전까지 단 한 번도 주문받은 적이 없었거든. 어떻게 했을까?

“아 죄송합니다. 그건 만들어본 적이 없어서요” 그랬을 리는 없고..

새로운 강종은 양산하는데 최소 6개월 이상이 소요되는데, 고객은 하루빨리 275MPa의 풍력용강을 받아보길 원했어. 포스코의 묘안은 바로 355MPa급의 풍력용강과 275MPa급의 풍력용강을 동시에 생산하는 것! 무슨 소리냐고? 일단 슬라브까지는 기존에 많이 생산해봤던 355MPa급 강재와 똑같이 만들고, 압연 조건만 다르게 설정해서 항복강도 S275MPa급의 풍력용강을 만들어 고객에게 바로바로 공급한 거야.

아하, 만두를 똑같이 빚어 놓고 기름에 튀기느냐 찜기에 쪄 먹느냐 같은 거구먼!!

하하 맞아. 그리고 포스코 솔루션이 하나 더 있어. 오스테드에서는 하부구조물을 제작할 때 용접 공수를 줄이기 위해서 사이즈가 아주 큰 ‘대단중강(大單重鋼, 1장당 무게가 24톤 이상인 후판)’도 필요했는데, 이 대단중강은 전 세계에서 생산할 수 있는 곳이 손에 꼽혀서 가격이 아주 비싸거든. 포스코는 당장 대단중강을 공급하는 대신에, 일반 후판을 적용하면서도 대단중강 모노파일과 동등한 강도를 가지는 설계안을 오스테드에 역제안했어. 소재 원가는 당연히 더 저렴하게 말이야!

▲ 해상풍력타워 하부구조물 (모노파일뱡식). 대형 타워의 하부구조물은 외경이 최대 12m에 달한다. (이미지출처=EEW그룹)

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LCOE 관점에서 경쟁력 있는 모노파일 설계안이었겠네!

그리고 포스코 강재의 이용기술도 빼놓지 않았지. 하부구조물뿐 아니라 타워에 들어간 강재 역시 최적으로 이용될 수 있도록, 고객사와는 몇 개월에 걸쳐 구조해석과 Mock-up 테스트를 함께 실시하고 용접 기술을 정립했어. 그렇게 포스코 스틸로 제작된 하부구조물과 타워가 Hornsea 1 풍력 단지의 대형 발전기에 쓰이게 된 거야.

세계 최대 에너지 기업이 포스코를 선택한 데는 다 이유가 있구나.

포스코의 솔루션을 직접 경험한 오스테드는 2차 프로젝트에도 포스코에 강재 공급을 맡겼고, 1, 2차 통틀어 약 17만 톤의 포스코 스틸이 Hornsea의 풍력발전기 제작에 사용되었지. 세계에서 가장 큰 해상 풍력 단지에 포스코의 솔루션이 숨어있는 거야.

l 스틸과 함께 더 커지는 풍력발전, 얼마나 친환경적일까?

실제로 진행 중인 해상풍력 프로젝트의 규모나, 각종 예측 데이터를 봐도 해상풍력은 앞으로 수많은 기업들이 매진할 분야인 것 같네. 특히 스틸은 발전기의 타워, 하부구조용으로 대체 소재가 없다시피 하니, 해상풍력산업과 철강은 계속 기술협력이 이뤄질 수밖에 없겠구나. 포스코의 어깨가 또 무겁겠는걸. 그럼 이렇게 점점 대형화되는 풍력발전기가 실제로 우리 지구에 얼마나 도움이 될까?

포스코 스틸이 들어간 Hornsea 1 프로젝트를 기준으로 이야기할게. 풍력발전기 1대는 연간 24.5GWh의 청정 전력을 공급할 수 있고, 이는 우리가 현재 사용하고 있는 전기- 즉 화석연료를 포함해 발전하는 전기보다 11,400톤의 이산화탄소 배출을 저감할 수 있어. 풍력발전기가 주로 20년 정도 운영되니까 수명 동안 약 490GWh의 전기를 생산하고 이산화탄소는 약 23만 톤 저감할 수 있지. 이는 매년 346만 그루의 소나무가 흡수하는 탄소를 줄이는 효과야.

이렇게 들으니까 하루빨리 풍력발전이 우리의 제1 에너지원으로 자리매김하면 좋겠다~

포스코는 풍력발전기 대형화라는 트렌트에 맞춰 대단중강 공급을 위한 설비 투자나 다양한 LCOE 저감 솔루션을 고민하고 있어. 글로벌 풍력 시장이 빠르게 확대되는 만큼, 포스코도 이 기세에 발맞춰 친환경 솔루션을 전략적으로 제공하려고 해.

찬바람이 솔솔 불어오는데, 초록이는 왠지 이 바람이 싫지 않네요. 어디선가 이 바람이 우리의 에너지가 되고 있을 테니까요. 그리고 포스코의 GPS는 지금도 더 크고 강해지는 풍력발전이 우리 일상으로 다가오는 길에 함께 하고 있습니다.