강초록이 오늘은 파란 하늘에 심취했네요. 창문을 열고 맑은 공기를 한껏 들이마셔봅니다. 하지만 이런 파란 하늘을 보는 게 요즘은 하늘의 별 따기 같다는 생각에 마음이 무거워지네요. 미세먼지의 주범들을 없애버릴 수는 없을까요?

l 미세먼지, 왜 생기는 걸까?

철석아, 오늘 날씨가 참 좋다~ 하늘이 파랗네. 일기예보를 보니 내일은 미세먼지가 심할 거라고 하는데, 미세먼지 왜 생기는 걸까?

그거 알지? 미세먼지는 공장이나 자동차에서 배출되는 1차 미세먼지가 있고, 가스 상태로 배출됐다가 대기 중에서 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 2차 미세먼지가 있다는 거. 그리고, 실은 2차 미세먼지 비중이 훨씬 더 크다는 거.

맞아, 그 얘기 들어서 알고 있어. 그럼 2차 미세먼지를 만드는 원인물질은 뭐야?

황산화물, 질소산화물이 대표적인데, 무엇보다 황산화물의 영향이 크다고 할 수 있어. 화석 연료를 태울 때 발생하는 탄소(C)와 황(S)이 산소(O₂)와 만나면 이산화탄소(CO₂)와 황산화물(SOx)을 만들거든. 이산화탄소는 지구온난화, 황산화물은 대기오염을 일으키지. 다행인 건 전 세계적으로 탈석탄화 움직임이 가속화되고 있다는 사실이야. 미국이나 영국, 일본 등은 기후 위기에 공감하며 석탄화력발전소 감축을 발표하기도 했어. 하지만 여전히 국내 에너지원 중 발전량이 가장 높은 건 화력발전이기 때문에 한동안 화력발전과 우리는 공존해야 하는 상황으로 보여.

l 황산화물을 제거를 위해 ‘탈황설비’가 있지

한동안 화력발전과 공존해야 하는 상황이라면 오염물질은 어떡해?

너무 걱정 마 초록아. 화력발전소의 오염 물질을 줄이기 위한 다양한 대책들이 마련되어 있어. 환경 투자도 늘고 있고. 우리나라는 2015년 이후에 설치하는 화력발전의 배출허용기준을 과거에 비해 아주 엄격하게 개정하기도 했지. 같은 설비인데, 황산화물 배출량을 줄이려면 어떻게 해야 할까?

음… 황을 걸러주는 설비를 추가로 설치한다든가…

정답이야. 그 설비를 ‘탈황설비’라고 해. 탈황설비는 화력발전소, 산업용 보일러 등 대형 유틸리티 공급 설비나 제철소, 정유, 시멘트 공장 같은 산업시설에서 배출하는 가스에 포함된 황산화물을 제거하는 친환경 설비야. 석탄 연소 후 깨끗한 공기와 물만 배출하게 도와주는 장비라고 생각하면 쉬워. 화력발전소를 예로 들어볼까?

어떻게 작동하는 건데?

이해하기 쉽게 그림으로 설명해 줄게. 화력발전소의 대표적인 탈황설비는 △흡수탑, △가스열교환기, △탈황폐수처리설비를 꼽을 수 있어. 흡수탑은 발전소에서 배출되는 연소가스가 거쳐 가는 통로로, 황 성분을 흡수하는 기능을 해. 열교환기는 흡수탑 전후에서 열을 뺏거나 가해서 탈황효율을 높여주는 설비야. 그리고 탈황폐수처리설비는 이름 그대로 시설 내에서 발생한 폐수의 황 성분을 제거, 희석하는 장치지.

그럼 이런 환경 설비를 이용하면 황이 어느 정도 제거되는데?

가장 최신의 탈황설비의 경우, 탈황설비 없는 화력발전소에서 대기로 배출되는 황의 양과 비교하면 대략 98%의 황을 제거할 수 있을 걸로 기대돼. 만약 설비용량이 560MW인, 1995년 이전에 설치된 노후 발전소의 탈황설비를 최신 흡수탑과 가스열교환기로 교체한다면 연간 약 4,500톤의 SOx를 추가로 감축할 수 있어. 이 화력발전소를 20년 동안 가동한다고 가정하면, 약 91,000톤에 이르는 양이지.

l 근데, 탈황설비 소재는 수입해서 쓴다고?

이렇게 획기적으로 황 배출량을 줄여주는 탈황설비가 있으니 화력발전소를 좀 더 친환경적으로 운영할 수 있겠다.

맞아. 네가 좋아하는 파란 하늘을 오래도록 보기 위해 탈황설비는 화력발전소가 완전히 사라지기 전까지 꼭 필요한 설비야. 그런데 한 가지 문제가 있어.

문제가 있다고? 무슨 문제?

탈황설비에 들어가는 철강재들이 대부분 수입재 스테인리스 스틸이라는 사실이야. 탈황설비 내부는 고농도의 황산에 노출되기 때문에 부식에 강한 강재를 사용해야 해. 보통 N08367, S31254, 329J4L(각 강종에 대한 설명은 차차하도록 하고!)과 같은 고합금 스테인리스 스틸이 쓰이는데 대부분을 수입해서 사용하고 있었어. 화력발전소 환경 설비를 보강하면서, 탈황설비에 쓰이는 고합금 스테인리스 스틸 수요가 점점 증가하고 있는데, 수입재를 쓰면 가격이나 수급 안정성 면에서 불리하니 골치가 아픈 상황이었지.

l 걱정 마! 포스코가 탈황설비 소재 국산화에 성공했어~

국산화는 어려운 거야?

그럴 리가! 포스코가 있는걸! 포스코는 이미 선박용 탈황설비(SOx scrubber) 핵심 소재 국산화를 이룬 경험이 있잖아. 이 기술이 바다 위에만 있으라는 법 있어? 육상에서도 그 기술력을 그대로 발휘한 거지! 당시 개발한 강종과 용접 솔루션들을 기반으로 발전소용 탈황설비 솔루션도 자신 있게 시작했어. 포스코가 화력발전소 탈황설비를 어떻게 국산화했는지 하나씩 자세히 설명해 줄게!

① 흡수탑: 수입재 N08367 코일 ➔ 포스코 S31254 코일로 국산화!

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흡수탑? 연소가스의 황 성분을 흡수하는 탑이라고 그랬지?

딩동댕동~ 흡수탑은 황산화물이 다량 함유된 배출가스에 세정수를 분사해서 가스를 정화하는 탈황설비야. 흡수탑용 강재로는 보통 몰리브데넘이 6% 이상 함유된 ‘6Mo(6몰리)’강을 사용하는데, 기존의 탈황설비 설계 지침서에는 N08367(20Cr-24Ni-6Mo)이라는 수입재만 사용하도록 고정해 놓아서 다른 강종은 진입이 어려운 상황이었어.

우리 소재를 두고 무조건 수입재를 써야 한다는 거야?

그래서 포스코는 수입재를 대체할 수 있는 강종을 개발, 시험 생산해보기로 했어. 선박 탈황설비에 성공적으로 적용된 S31254(20Cr-18Ni-6Mo)을 활용하기로 했지. S31254로 흡수탑을 제작한 후 실제 발전소에서 필드 테스트에 돌입했거든. 자그마치 1년의 시간이 흐른 뒤 N08367과 S31254를 비교해보니, 모재는 물론 용접부까지 S31254의 내식성이 N08367과 최소 동등하거나 뛰어난 걸로 밝혀졌어.

그럼 수입산 강재 N08367을 포스코 강재 S31254로 교체할 수 있겠다!

맞아! 이제 새롭게 건설되는 발전소나 노후 발전소의 흡수탑을 100% 국산화해서 제작할 수 있게 되었어.

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② 가스열교환기: 수입재 329J4L 심리스 튜브 ➔ 포스코 329J4L 용접 튜브로 국산화!

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가스열교환기는 어떤 역할을 하는 거야?

가스열교환기(GGH, Gas-Gas Heater)는 흡수탑 전후에서 기체의 온도를 조절하는 역할을 해. 교환기 안에는 스틸 소재의 튜브가 3~4열 설치되어 있어. 이 튜브 속에 뜨겁고 차가운 물이 돌아다니면서 석탄 연소 후 나오는 배출가스의 열은 뺏고(냉각기, Cooler), 이 열을 가지고 탈황 후 정화된 공기는 다시 데워줘(재열기, Reheater). 배출가스의 열을 뺏는 이유는 탈황 효율을 높이기 위해서고 정화된 공기를 배출 전에 가열하는 것은 밖으로 빠르게 확산시키기 위해서야.

그렇구나. 가스열교환기에도 고합금 스테인리스 스틸을 쓰겠지?

가스열교환기는 부식되기 쉬운 환경에 노출되기 때문에 발전소 설계 기준에 의해 소재는 단 두 가지로 규정되어 있어. 앙코르강(ANCOR강)이라고도 불리는 포스코의 내황산강, 혹은 고합금 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강(329J4L)이야. 대부분 앙코르강으로 튜브를 제작하지만 재열기 속 첫 번째 튜브의 환경은 특히 부식성이 강하기 때문에 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강으로 만든 심리스 튜브를 주로 사용해.

329J4L 심리스 튜브. 이게 바로 수입재구나!

그렇지. 이 튜브를 전량 일본에서 수입해 사용하고 있었거든. 심리스(Seamless) 튜브는 이름 그대로 용접부가 없는 튜브인데, 고온인 막대 모양의 봉강 내부로 작은 직경의 바(bar)를 밀어 넣어서 튜브 형태로 제조하거나 봉강 내부를 기계가공하는 방식이라 공정이 까다롭고 가격이 비싸대. 제조 수량이 적어 수급도 불안정했고. 소재 국산화가 절실한 이때 해결사로 누가 나타났을까?

포스코가 또?

정답! 포스코는 스테인리스 용접 강관 전문 제조사인 창신특수강과 손잡고, 일본산 소재를 완전히 대체할 수 있는 국산품 개발에 착수했어. 용접선이 없는 심리스 튜브와 동등한 특성을 지닌 용접 튜브를 개발한 거지. 소재는 포스코의 슈퍼 듀플렉스강 329J4L를 사용했어.

아무래도 용접선이 없는 튜브에 비해 용접 강관은 부식에 취약할 것 같은데?

상식적으로는 그렇지? 용접 튜브에서 가장 취약한 부분은 물론 용접부야. 특히 이번 개발에서는 심리스를 상대로 동등 수준 이상의 품질을 확보해야 했기 때문에 용접부와 모재(母材)가 같은 성질을 유지하도록 하는 것이 핵심이었어. 포스코는 이를 위해 아크 용접, 레이저 용접, 전기저항 용접 등 튜브에 쓸 수 있는 다양한 용접 방법을 잇따라 테스트했어. 몇 번의 실험 끝에, 모재와 용접부가 동등한 성질을 유지하는 레이저 용접을 적용하기로 했지. 이후 용접부 내식성을 확보하기 위해 용접 시 용접부에 공급되는 열량과 용접 속도, 보호 가스 종류 등 레이저 용접조건을 수차례에 걸쳐 최적화하고, 용접부 미세조직을 제어하기 위한 후열처리(PWHT: Post Weld Heat Treatment) 조건도 오랜 시행착오를 거쳐 계산해냈어. 창신특수강은 포스코의 연구 결과를 바탕으로 튜브 제작 테스트를 이어갔고, 기술 개발에는 꼬박 1년이 걸렸지.

1년 연구의 결과는?

용접을 했는데도 심리스와 같은 성능이라는 것을 확실하게 확인하는 것이 필요했기 때문에 포스코와 고객사가 함께 힘을 합쳐 국산 튜브가 일본재 이상의 성능이 보장된다는 것을 확인하는데 6개월을 더 보냈어. 6개월간 329J4L 용접 튜브 개발 후 기존 329J4L 심리스 튜브와 내식성을 비교해보았더니, 내식성은 물론이거니와 수입재와 최소 같거나 뛰어난 수준의 물성이 확보된다는 것을 확인했어. 긴 마라톤 같던 시험이 끝나고, 결국 ‘19년 12월에 최종 품질 합격을 받는데 성공했지! 지난해 1월에는 발전소 설계사의 기술심의를 최종 통과했어. 즉, 국산화에 성공한 거야.

박수!!

현재 포스코는 국내 화력발전소 가스열교환기용 329J4L의 생산 및 공급을 완료했고, 창신특수강에서 용접 튜브로 부지런히 가공 중이야.

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③ 탈황폐수처리설비: 수입재 S31254 후판 ➔ 포스코 S31254 후판으로 국산화!

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대기 중으로 배출되는 황도 줄여야 하지만, 폐수 속 황도 제거해야지. 폐수 처리는 어떻게 이뤄지는 거야?

기존에는 폐수를 정화해서 배출했다면, 요즘엔 폐수 무방류 시스템(ZLD, Zero Liquid Discharge)을 적용하는 추세야. 시설 내에서 나온 폐수를 자체적으로 처리해서 시설 내에서 재사용하는 방식이지. 이를 위해 황 성분을 씻어낸 폐수를 정화하고, 농축된 찌꺼기는 고형화해 분리하는 건데, 흡수탑과 마찬가지로 고농도의 황산에 노출되기 때문에 고내식 소재가 요구돼.

오 그럼 S31254를 쓰면 되겠다!

그렇지! 척척박사 다 됐네~ 폐수 무방류 시스템용 소재로는 S31254 후판을 사용해. 국내 발전소들은 기존에 유럽에서 생산한 S31254 후판을 가져다가 쓰고 있었는데, 표면 품질 문제와 기술 지원 한계에 부딪혀 포스코에 S31254 후판 개발 요청이 들어왔어.

포스코는 이미 선박용 탈황설비에 쓰이는 S31254가 있잖아.

맞아. 하지만 S31254 제품을 탈황폐수처리설비에 적용하기 위해서는 제조 범위를 확대할 필요가 있었어. 선박용 탈황설비에 쓰는 S31254는 두께가 최대 6mm 이면 충분해서 코일 제품으로 공급이 가능했는데, 석탄화력발전소 탈황폐수처리설비에는 8mm 이상의 후판 소재가 요구되거든. 포스코는 S31254 후판 압연 기술 개발에 속도를 올림과 동시에 사외 임가공 프로세스에 함께할 업체들과 손을 잡았어. 고객사가 요구하는 사이즈의 S31254 후판 반제품을 포스코가 만들면 사외 임가공 업체에서 소둔, 산세, 교정을 통해 적절한 재질과 표면품질을 가지는 완제품으로 생산해서 발전소에 공급하는 거지. 이제 100% 국산 소재, 기술로 만드는 탈황폐수처리설비를 기대할 수 있어.

깨끗한 하늘을 잃어버릴까 걱정했던 초록이가 안도의 한숨을 내쉬네요. 친환경 시대를 앞당기는 국산 소재들이 속속 개발되고 있으니 말이에요. 그리고 그 여정에는 포스코가 함께하고 있습니다. 깨끗한 지구를 향한 포스코의 발걸음을 응원해 주세요!

충청북도 제천시를 방문한 강초록. 제천 하면 빠질 수 없는 청풍호에도 들렀는데요. 그런데 호수에 뭔가가 둥둥 떠있어요. 저게 대체 뭐냐고 물어보니, 태양광발전 시설이라고 합니다. 풍력과 함께 재생에너지 시대의 주연 역할을 할 거라는 태양광, 앞으로 우리나라에도 태양광 꽃이 활짝 피는 걸까요?

l 태양광? 태양열? 대세는 태양광 발전

▲ 충청북도 제천시 청풍호(충주댐)에 설치된 3MW급 수상태양광 (이미지출저: 스코트라)

얼마 전에 청풍호를 지나가는데, 물 위에 패널이 둥둥 떠있더라. 그게 태양광발전 패널인데, ‘PV(Photovoltaic)모듈’이라고 부른데. 풍력발전처럼 태양광발전도 물에다가 설치하는 모양이야.

네가 부유식 수상태양광발전 시설을 봤나 보다! 풍력에너지와 함께 친환경 시대에서 빠질 수 없는 에너지원이 바로 태양광이지. 지금까지 태양광은 주로 육상이나 건물에 설치했는데, 최근에는 저수지나 댐 또는 매립지 방조제 수면에 설치하는 수상태양광이 주목받고 있어.

근데 늘 궁금하던 건데, 태양광과 태양열은 다른 거지?

다르지. 우리가 태양에서 얻을 수 있는 에너지는 빛과 열, 두 가지야. 태양광발전은 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환해 사용하고, 태양열발전은 열에너지를 전기에너지로 바꿔 사용하는 거야. 그런데 태양광과 달리 태양열발전은 열에너지를 그대로 전기에너지로 교환하지 못하고, 이 열로 물을 끓여 증기를 발생시키고 이때 발생하는 운동에너지로 터빈을 돌려 전기에너지를 생산해. 현재 우리나라에서 보편화된 것은 태양광 방식이야. 태양열 발전이 태양광 발전보다 상용화는 더 빨랐지만, 태양광발전은 모터와 같은 기계를 사용하지 않기 때문에 소음공해, 진동이 없고 유지 보수가 쉽다는 등의 장점이 커서 지금은 태양광발전이 대세지.

l 그린 뉴딜의 한 축, 수상태양광

태양광을 저수지나 댐, 호수에 설치하는 이유는 뭐야?

수상태양광은 산림을 훼손하지 않고 유휴 수면을 이용해 국토를 효율적으로 활용할 수 있고 육상태양광과 비교해서 발전량이 10% 정도 높게 나오는 장점이 있어. 또 저수지라는 게 농업을 위해 인공적으로 만든 시설이잖아. 근데 여기서 전기까지 생산할 수 있으면 일석이조 아니겠어? 한국환경정책·평가연구원에 따르면 우리나라 총 저수 면적의 5%인 26.6Km²만 활용해도 수상태양광 1,612MW를 발전할 수 있데.

그린 뉴딜에 대규모 태양광발전 사업을 추진하는 내용이 포함되어 있는 걸 봤어. 또 정부가 2030년까지 우리나라 재생에너지 비중을 20%로 높이고 2040년에는 30~35%까지 높이겠다는 로드맵을 발표했잖아. 그 한 축이 수상태양광이겠구나.

맞아. 우리나라에는 2012년 경상남도 합천군 합천댐에 처음으로 설치된 후, 지금까지 전국적으로 약 45기 이상의 수상태양광 발전소가 생겼어. 최근에는 고흥 남정호에 국내 최대 25MW급 수상태양광 시설이 완공됐는데, 이 발전소는 연간 3만 5,770MWh의 전력을 생산할 수 있데. 이는 1만 3,000여 가구가 1년간 사용할 수 있는 양이야. 남정호 밖에도 100MW급 사업이 다수 계획 중이라서 국내 최대 수상태양광이란 타이틀도 얼마 안가 다른 프로젝트에 넘겨줘야 할 거야.

그런데 태양광 모듈은 어떻게 물 위에 떠 있는 거지? 지난번 이야기했던 해상풍력발전 모노파일처럼 바닥에 구조물을 심어서 고정시켜 놓았나?

수상 태양광은 대부분 부유식이야. 저수지나 댐의 수면은 계절에 따라 계속 변하게 되는데 PV모듈은 늘 태양광에 노출되어야 하니 부유식으로 설치할 수밖에 없지. 수상태양광의 핵심 구성 요소는 태양광 빛을 받아서 전기에너지로 변환하는 △PV모듈, 그 아래에서 이를 띄우고 있는 △부력체, 그리고 이들을 연결하면서 지지하는 △구조물이야. 물론 이 모두를 수상에 잘 고정시켜줄 계류설비(앵커, 추, 계류선)도 필요하지. 모듈에서 생성된 빛에너지는 수중 케이블을 통해 육지에 있는 전기실로 이동되고 인버터로 송전 가능한 교류 형태로 변환되게 돼. 최종적으로 송전탑으로 흘러가 우리 일상에서 사용되지.

PV모듈은 반도체(태양전지)를 프레임에 설치한 거잖아. 부력체와 구조물은 어떻게 만드는 거야? 해상풍력타워 하부구조물에 크고 무거운 후판을 쓰는 것과 달리 수상태양광 구조물은 가볍고 부식에 강한 소재를 쓸 것 같은데.

부력체는 주로 플라스틱으로 만들고, PV모듈과 부력체들을 안정적으로 잡아줘야 하는 구조물은 스틸, 플라스틱, 알루미늄 등 다양한 소재가 적용되고 있어. 하지만 그중에서 우리나라 수상태양광 구조물 90%가량에 쓰일 만큼 가장 압도적으로 사용되고 있는 소재는 바로 스틸이야.

l 팔방미인 포스맥, 태양광에도 핵심 소재!

‘철은 녹슨다’라는 게 고정관념인데, 수상 구조재로 스틸이 가장 많이 쓰인다니 의외다!

들어봤을걸? 포스코의 고내식 강재 ‘포스맥(PosMAC, POSCO Magnesium Aluminium Coating product)’! 수상 태양광발전 하부구조물은 내식성이 수명을 좌우하는데, 포스코는 여기에 일반 아연도금제품보다 최대 5배 이상 부식에 강한 포스맥을 공급하고 있어. 네가 다녀온 청풍호는 물론이고, 현재 우리나라 최대 규모인 남정호에도 포스맥이 적용됐지.

포스맥은 건축물 내외장재, 가로수 보호대, 저류조, 가드레일 등에도 쓰이잖아. 활용도가 엄청나다고 생각했는데 수상태양광에도 사용되다니! 정말 사방팔방에서 찾는 팔방미인이구나!

포스코의 대표 WTP(World Top Premium) 제품인 포스맥은 포스코 고유 기술로 개발된 도금 강판이야. 스틸 위에 아연-마그네슘-알루미늄(Zn-Mg-Al) 3원계 합금 도금을 입힌 고내식 강판이지. 익히 알려진 대로 부식 환경에 강한 강판이라 수상 태양광 구조물로 안성맞춤이라고 해.

어떻게 해서 그렇게 부식에 강할 수 있는 거야?

그 비결은 3원계 도금층이 산화하면서 만들어지는 부식 생성물에 있어. 육안으로는 관찰이 힘들지만 이 부식 생성물은 아주 치밀하고 안정적으로 만들어져서 포스맥 표면에 필름처럼 막을 형성하게 돼. 이걸 ‘산화층’이라고도 부르는데, 반영구적으로 표면 부식을 막아주고 절단된 부분까지 커버해서 절단면의 내식성도 높여준대.

아주 치밀한 녹이 강판 표면을 감싸서 더 이상 녹이 생기지 못하도록 한다는 거네! 신기하다.

태양광 설비는 한번 설치하면 오랜 시간 햇빛을 받으면서 외부 환경에 노출되어 있잖아. 요즘은 간척지에도 태양광발전 설치를 고려하다 보니까, 지속적으로 증발하는 습기나 염분을 견딜 수 있는 포스맥이 인기지.

내식성 말고 다른 성능은 어때? 저렇게 수면에 설치된 태양광 구조물은 태풍 오면 파손되고 그러는 거 아니야?

좋은 지적이야. 바로 그 점 때문에 포스맥이 많이 사용되거든. 수상태양광은 태풍과 같은 센 바람에도 견뎌야 하고 수면에 파랑(波浪)이 발생하는 경우에도 파손되지 않아야 해. 바람이 불 때는 높은 강도와 연신율로 안전하게 버텨야 하고, 파랑이 일 때는 수면 위를 유연하게 타고 넘어야 파손되지 않을 수 있어. 강하면서도 유연해야 하니 쉽지는 않지. 수상태양광에 적용되는 포스맥은 최대 강도가 400~500MPa이나 되고 연신율(늘어나는 비율)도 30% 수준이라서 이런 수상 환경에 딱 맞는 소재라고 할 수 있지. 그리고 수상태양광 구조물의 중간중간에는 유연한 움직임을 위한 연결부가 설치되어 있어. 그래서 파랑이 높게 생기는 날에는 수면에 딱 붙어서 넘실거리는 모습을 볼 수 있어.

l 포스맥과 함께 하는 수상태양광, 환경영향은?

자, 그럼 이번에도 태양광발전이 지구에 얼마나 이로운 건지 바로 알아봐야지?

네가 다녀온 청풍호를 기준으로 이야기해볼까? 청풍호의 수상태양광 구조물 역시 포스맥으로 제작됐다고 했지? 포스맥을 포함해서 청풍호 수상태양광발전의 소재와 부품 제조 단계부터 설치와 사용까지 전 과정(Life Cycle) 관점에서 환경영향도를 들여다볼게. 청풍호 태양광발전은 340w의 발전량을 갖춘 PV모듈 유닛이 720개 설치되어 있고 총용량은 3MW급이야. 하루 평균 발전 시간을 3시간 30분 정도로 보면, 1년 동안 약 3.8GWh의 청정 전력을 공급할 수 있다는 계산이 나와. 이건 우리가 현재 사용하는 전기, 즉 화석연료를 포함해 발전하는 전기를 쓰는 것보다 약 1,500톤의 이산화탄소 배출을 저감할 수 있는 양이지. 수상태양광이 주로 20년 정도 운영되니까 수명 동안 약 76GWh의 친환경 전기를 생산하고 이산화탄소는 약 3만 톤 저감할 수 있어. 이는 연간 4,500그루의 소나무가 흡수할 수 있는 탄소의 양이야.

3MW급 발전인데도 이 정도 효과구나. 100MW급 사업도 많이 계획 중이라고 했으니까 앞으로 친환경 기여도가 훨씬 더 크겠구나. 수상태양광, 해상풍력… 재생에너지 시대에 포스코의 역할도 더 커지겠다.

우리는 이제 탄소 등 환경유해물질을 발생시키지 않는 에너지로 움직이는 세상으로 가고 있어. 그 중심에는 재생에너지가 있고, 재생에너지는 미래 친환경 에너지인 수소와도 연결고리가 있으니 그 중요성이 엄청나지.

갑자기 수소 에너지? 수소 에너지와 재생에너지가 어떤 관계가 있길래?

완벽한 수소 사회를 이루려면 재생에너지가 필수거든. 재생에너지를 기반으로 물을 전기분해해서 수소를 생산하면, CO₂가 완전히 발생하지 않는 수소 사회가 가능해져. 이를 위해 풍력, 태양광, 조력 등과 같은 재생에너지가 필수적이라는 말씀! 태양광, 풍력, 수소가 함께 하는 완전한 그린 에너지 시대.. 하루빨리 앞당겨서 누려보고 싶지 않아?

이제 친환경 에너지는 선택이 아닌 필수! 태양과 바람, 물에서 얻는 청정에너지 시대가 본격적으로 시작되고 있습니다. 그리고 그 과정에는 늘 포스코의 GPS가 함께 합니다!

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.