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.

l 바다 한 가운데서 얻는 자연의 에너지, 해상풍력발전

해상풍력은 바다에 풍력발전기를 설치하고 그곳에서 부는 바람의 운동에너지를 변환해 전기를 얻는 발전 방식이다. 초대형 풍력발전기의 경우, 블레이드(날개)가 한 바퀴 회전하는 것으로 일반 가정에서 29시간 동안 사용할 수 있는 전력을 생산해낸다. 특히 해상풍력은 육상풍력에 비해 입지 제약으로부터 자유롭고 높은 효율로 에너지를 생산할 수 있어 전 세계적으로 확대되는 추세. 우리나라도 전남 신안 앞바다에 2028년까지 11조 원을 투입하는 해상풍력 단지를 조성 중이다.

▲ 영국 Hornsea2 해상풍력발전 단지 (이미지출처=Ørsted)

풍력발전기는 크게 보면 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. 이중 타워와 하부구조물은 바다 한가운데서 바람을 맞는 가혹한 환경과 저온 충격에도 20년 이상 변형 없이 버틸 수 있는 소재로 제작되어야 한다. 그래서 구조물용 ‘저온인성보증강’ 등 스틸은 풍력발전기에 가장 많이 쓰이는 소재. 최근 발전기가 대형화되면서부터 타워와 하부구조물에 ‘대단중(大單重)강’*도 많이 쓰이고 있다. 해상풍력기 1기당 약 1,500톤에서 2,300톤(8~9MW급 기준)의 강재가 쓰이며, 2020년 기준 세계적으로 연간 100만 톤이 넘는 해상풍력발전용 철강 수요가 발생할 전망이라고.

포스코는 풍력발전기에 특화된 고급 강종의 생산능력을 꾸준히 확대하면서 시장 수요에 대비해왔다. 현재 육상, 해상을 통틀어 전 세계 풍력발전기 10대 중 1대는 포스코 스틸로 만들어진다.

l 포스코 스틸이 지탱하는 세계 최대 해상풍력단지 Hornsea

이 시각 세계 최대 규모로 조성 중인 해상풍력발전 단지는 영국의 Hornsea 프로젝트다. 요크셔 해안에서 100km 가량 떨어진 북해에 건설하는 Hornsea 프로젝트는 총 3차에 걸쳐 진행 중인데, 1차는 407 km²의 면적에 174개의 발전기를, 2차는 462km²의 면적에 165개의 발전기를 세운다. 1, 2차 발전단지를 모두 합치면 면적은 서울의 약 1.4배인 869km², 발전 용량은 2.6GW다. (3차는 2.4GW 규모로 현재 개발 추진 중이다.)

▲ 영국의 Hornsea 프로젝트는 세계 최대의 풍력발전단지 건설 프로젝트다.

풍력에너지 시장 자체가 워낙 유럽 위주이다 보니, 풍력기용 강재 역시 유럽 철강사들이 특화하여 생산, 공급하는 것이 일반적이었다. 포스코가 본격적으로 이 시장에 뛰어든 것은 2015년. 기술연구원과 마케팅실이 합심하여 해상풍력발전기 구조용 강재를 개발하기 시작했다. 터빈의 회전운동에 의한 진동, 그리고 조류와 파도에 의한 반복적인 외부 압력을 버티는 피로강도와 좌굴강도*를 확보하면서도 원가는 낮춘 시장친화적인 모노파일(monopile) 형식**의 하부구조용 후판을 만드는 것이 미션. 특히 Hornsea 프로젝트의 발전기는 기존 5~6MW급인 터빈 능력을 8MW까지 획기적으로 늘리면서 구조물이 대형화되었고, 그러다 보니 후판 1장만으로는 직경이 큰 모노파일용 강관을 조관할 수 없어 구조물 설계부터 새로운 솔루션이 필요했다.

포스코 연구원들은 1년간의 연구 결과를 가지고 직접 덴마크와 독일의 풍력 구조물 설계사들을 방문했다. 근거리에 쟁쟁한 유럽 철강사들을 제치고, 운송하는 데만 두 달 넘게 걸리는 포스코의 강재가 선택받기 위해서는 그만한 이점이 있어야 할 터. 기존 EN(유럽) 규격이 명시한 열처리를 생략하는 대신 압연 조건을 변경하여, 필요한 강재 성능은 그대로 유지하면서 제조원가는 낮춘 새로운 강종과 그에 맞는 구조물 설계법을 고안해 제시했다. 고객이 얻을 수 있는 비용 절감 효과까지 정량적으로 계산해 보여주니, 그들의 이목을 끌 수밖에. 같은 시각, 마케팅본부에서는 당시 에너지조선마케팅실장이 풍력에너지 시장의 최대 기업인 덴마크 오스테드(Ørsted)의 경영층을 만나 포스코의 기술력과 의지를 전하고 협력 분위기를 다졌다. 동시에 본사 실무진과 유럽사무소 직원들은 유럽의 풍력 구조물 제작사들을 샅샅이 찾아다니며 기존에 포스코가 해양플랜트 시장에서 보여준 기술력과 솔루션 마케팅 능력을 적극 어필했다.

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

그 결과, 포스코는 2017년 Hornsea 1 프로젝트에 이어 2019년 Hornsea 2 프로젝트까지 수입재로는 이례적으로 전체 수요의 30%에 달하는 철강재를 공급하는데 성공했다. 약 15만 톤의 후판은 지난 1월까지 공급 완료되어 유럽 그린에너지의 새로운 이정표를 세우는데 쓰인다. 포스코는 Hornsea 프로젝트에서의 성과를 토대로 영국 Hohe see, 네덜란드 Fryslan 프로젝트 등 유럽 지역의 대형 해상풍력 프로젝트에도 강재를 공급 중이다.

l 이제 아시아도 해상풍력의 시대, 포스코가 스틸한다

해상풍력시장의 중심축이 최근 아시아로 이동 중이다. 특히 대만의 경우 2025년까지 230억 달러를 투자해 무려 20여 개에 달하는 해상풍력 프로젝트를 진행한다. 이로써 예상되는 강재 수요는 최대 160만 톤. 대만 정부는 해상풍력기 구조물과 부품 등의 자국 생산 비중을 높이고 수입을 최소화하고자 했지만, 자국 업체들은 풍력 구조물을 제작한 경험이 부족해 초기에 많은 시행착오를 거칠 수밖에 없었다. 포스코는 앞선 Hornsea 프로젝트 등 유럽의 해상풍력 시장에서 쌓은 경험을 바탕으로 새롭게 떠오르는 대만 시장을 집중 공략해오고 있다.

▲ 대만에서 진행 중인 주요 해상풍력발전 프로젝트. 이중 7개의 프로젝트에 포스코 스틸 약 16만 톤이 사용된다.

대만의 풍력 구조물 제작사들은 대부분 기존에 조선, 건설업을 영위하다가 풍력발전까지 비즈니스를 확장한 경우가 많다. 때문에 강관 형태의 구조물 제작 경험이 부족한 것이 공통된 특징인데, 이에 포스코는 2019년 초부터 대만의 주요 제작사들을 방문해 그들이 겪고 있는 기술적 문제점을 찾아냈다. 포스코의 안정적인 강재 품질과 공급 능력 외에도, 각 제작사들의 가려운 부분을 긁어주는 노하우를 패키지로 제공하는 솔루션 마케팅을 펼친 것. 실제 조관시 시행착오를 최소화하기 위한 조관시뮬레이션, 항복강도 460MPa 이상의 고강도강에 대한 용접 조건 등 고객마다 필요한 솔루션을 제공하고, 즉각 해결이 어려운 문제는 TFT를 구성해 공동으로 솔루션을 도출해냈다. 내부적으로는 생산능력을 증대시켜 유럽과 아시아에서 동시에 진행되는 프로젝트들의 공급 납기를 모두 완벽하게 맞추는 노력도 병행했다.

▲ 이미지출쳐=Ørsted

포스코는 현재까지 진행된 대만의 Formosa 2(福摩萨2), Yunlin 1&2(雲林 1&2), Greater Changhua(大彰化) 프로젝트 등에 약 16만 톤의 강재 공급 계약을 마쳤다. 강재는 작년 1월부터 순조롭게 공급 중이다. Formosa 2 프로젝트의 경우, 올해부터 상업 가동에 들어가며 Yunlin 1&2, Greater Changhua는 내년까지 건설을 마치고 가동을 시작할 예정이다. 이렇게 해상풍력발전 단지가 모두 자리를 잡으면, 대만의 신재생에너지 발전 비중이 2018년 5%에서 2025년 20%까지 커진다고 한다.

포스코는 대만뿐 아니라 수년 내 큰 성장이 예상되는 미국, 베트남 등의 시장에서도 메인 공급사 자리를 꿰차기 위해 선제적인 마케팅 활동을 활발히 전개 중이다. 그린에너지 시대, 바다 한가운데 부는 바람 속에도 포스코 스틸이 있다.

※ 관련기사 : STEEL Talk 저렇게 큰 바람개비는 어떻게 돌아가나요? 쓰러질까 걱정돼요 ㅠㅠ