21세기에 들어 석유, LNG 같은 화석연료의 지속적인 가격 상승과 함께 러시아-우크라이나 사태 발발로 에너지 수급에 비상이 걸렸다. 현재 세계 각국은 자국 상황에 맞춰 에너지 공급망 강화를 위한 ‘자원안보*’에 주력하고 있다. 멕시코의 리튬 국유화, 인도네시아의 주요 광물 수출 중단 조치 등 자원 무기화 기조가 강화되면서 에너지 자립의 중요성이 점차 부각되고 있다.
*자원안보 : 핵심자원을 안정적인 가격에 중단 없이 공급할 수 있도록 상시 및 비상시 대응능력을 확보하고 공급망을 안정적으로 유지 및 관리하는 것을 말한다.

무엇보다 미래 먹거리 중 하나인 전기차 시장 확대로 배터리 수요가 크게 늘자, 배터리의 핵심 광물인 리튬을 얼마나 많이 확보하느냐가 관건이 되고 있다. 배터리 구성 요소 중 양극재는 배터리의 용량과 수명 및 안정성을 결정짓는 핵심 소재이며, 리튬이 양극재 원가에서 차지하는 비중이 매우 높기 때문이다.

l 소재산업 경쟁력과 직결된 리튬의 안정적 확보

리튬은 전기차 배터리 1GWh(기가와트시·전기차 1만 5000대 분량)를 생산하는데 700t가량 필요한데, 포스코경영연구원의 ‘글로벌 리튬 산업 7대 이슈’ 보고서에서 오는 2025년 리튬 총수요를 82만 1000톤으로 내다볼 만큼 리튬의 안정적인 공급망 구축이 중요해지고 있다.

문제는 국내 리튬 수요가 전량 해외에 의존하는 구조라는 점이다. 전 세계 리튬의 87%가 소금바다라 일컫는 염호에 매장되어 있다. 주요 리튬 공급처로는 볼리비아, 아르헨티나, 칠레, 미국, 호주, 중국 등의 염호가 있다. 현재 우리나라의 경우, 전체 리튬 수입의 95%를 중국(64%), 칠레(31%)에 의존하고 있다. 특히, 국내에서 삼원계 배터리(NCA·NCM) 생산이 98%에 다다를 정도로 향후 중국에서 수입해 오는 수산화리튬에 대한 의존 구조가 더욱더 심화될 가능성이 보이고 있다. 이에 국내 기업들은 배터리 소재산업의 경쟁력을 강화하기 위해 직접 자원 개발 사업을 뛰어들기 시작했다.

l 국내 기업 최초! 현지 리튬 상업화 도전

대표적으로 포스코홀딩스는 지난 2010년부터 그룹의 미래 먹거리를 ‘리튬’으로 주목해 2018년 약 3천 억을 투자해 아르헨티나 옴브레 무에르토(Hombre Muerto) 리튬 염호를 인수했다. 2020년에는 국내 기업 최초로 채굴·제련하는 데모 플랜트 가동을 성공적으로 마무리하고 상업화를 본격적으로 추진해오고 있다.

포스코홀딩스가 인수한 현지 염호의 면적은 서울 면적의 약 3분의 1에 해당하는 1만 7,500ha(헥타르) 규모다. 여기서 주목할 만한 점은 추정된 매장량이 인수 당시 매장량 추정치보다 6배 늘어난 약 1,350만 톤에 달한다는 점이다. 이는 전기차 약 3억 7천만 대를 생산할 수 있는 수준이다. 옴브레 무에르토의 또 다른 장점은 아르헨티나의 다른 염호들과 비교해서 리튬 농도는 높고 불순물의 농도는 상대적으로 낮아 세계 최고 수준의 생산성을 가진 것으로 알려졌다. 이에 더해 포스코그룹이 독자 개발한 리튬 추출 기술로 수율도 높이면서 생산 기간을 크게 단축할 수 있다는 것이 특징이다.

포스코홀딩스 고유의 리튬 직접 추출 기술은 1ℓ당 평균 0.9g가량 리튬이 매장된 염수는 지하 수백 미터 속에 묻혀 있어 관정을 뚫어 땅 속에 고여있는 염수를 뽑아 올린다. 이후 바닷물을 건조시 소금을 만들어내는 염전과 비슷한 형태인 ‘폰드’에서 4단계에 걸쳐 건조 공정이 이어진다. 이 과정에서 농축된 염수는 상공정을 통해 칼슘·마그네슘 등의 불순물을 제거하고 여전히 남아 있는 수분을 재차 건조시키는 과정을 거친다. 이렇게 만들어진 인산 리튬은 한국 광양과 살타시 인근에 건설 중인 하공정 공장을 통해 양극재에 활용되는 수산화리튬으로 제조되는 것이다.

포스코홀딩스는 아르헨티나 현지에서 수산화리튬까지 모두 생산하는 1단계 공장을 2024년 상반기 양산을 목표로 지난해 3월 착공에 돌입했다. 1단계의 연 생산량은 전기차 약 60만 대를 만들 수 있는 2만 5천 톤으로 계획하고 있다. 포스코홀딩스는 최종적으로 2030년까지 리튬 생산 연 30 만톤 체제를 완성한다는 목표로 이차전지 공급망 주도권 확보에 박차를 가하고 있다. 이를 통해 포스코케미칼을 비롯해 국내 양극재 생산 업체에도 리튬 공급을 늘릴 수 있어 핵심 광물 확보 경쟁이 치열해지는 글로벌 공급망 위기 속 국내 원료수급 안정화에도 도움을 줄 것으로 기대된다.

포스코홀딩스는 2030년까지 광석리튬으로 15만 톤, 염수리튬으로 12만 톤, 3만 톤은 폐배터리 재활용으로 ‘리튬 30만톤 생산 목표’ 달성을 이루고자 한다. 염호는 아르헨티나에서 직접 채취해 생산에 나서는 한편, 2018년 호주 광산업체 필바라미네랄스로부터 리튬 정광을 장기 공급받는 광석리튬의 안정적인 수급체계를 구축했다. 이에 더해 호주 광물개발업체 ‘진달리리소스’와 업무협약을 맺고 광석과 염수에 이어 미국에서 점토 리튬 사업을 추진하기로 했다. 이번 협약을 통해 진달리리소스는 미국 현지에서 탐사 중인 광구에서 점토 리튬을 시추해 제공하고, 포스코홀딩스는 이를 활용해 RIST와 공동으로 최적 리튬추출공정 기술을 개발하고 사업성 검토를 진행할 예정이라고 한다.

포스코홀딩스는 리튬 이외에도 △호주의 니켈 제련 회사 레이븐소프의 지분 인수 △탄자니아 흑연 광권 확보 △폐배터리 리사이클링 사업 진출 등 원료 밸류체인 강화에 속도를 높이고 있다. 이로써 포스코그룹은 세계에서 유일하게 리튬·니켈·흑연 등 2차전지 원료부터 전구체 및 양·음극재 및 차세대 소재까지 생산·공급하는 밸류체인을 구축하고 있다.

포스코홀딩스는 10년 이상 연구개발 끝에 친환경 리튬 추출 기술을 확보했으며, 전고체 전지용 황화리튬과 리튬메탈 등의 고부가가치 제품 개발도 진행해 미래 성장의 발판을 계속해서 마련하고 있다. 기존 철강 중심의 사업 구조에서 벗어나 친환경 미래소재 대표기업으로 도약하기 위해 선제적으로 확보한 공급체계 구축으로 글로벌 생산능력을 확보해 나갈 것으로 기대된다.

포스코가 광양제철소에 전기로를 신설하고, 저탄소 생산체제로의 전환을 시작한다.

포스코는 지난 20일 개최된 정기 이사회에서 약 6000억 원을 투자해 광양제철소에 연산 250만 톤 규모의 전기로를 신설하는 안건을 의결했다. 해당 전기로 투자는 2024년 1월 착공해 2026년부터 본격적인 가동을 목표로 하고 있다.

국제사회의 탈탄소 정책 수립, 이해관계자의 구체적인 탄소감축 이행 요구, 저탄소 제품 수요 증대 등이 예상되는 가운데, 포스코는 저탄소 생산체제로의 전환을 위해 전기로 신설을 추진하기로 했다. 수소환원제철 기술이 상용화되어 기존의 고로 공정을 대체하기까지의 전환 단계 동안 전기로를 도입해 탄소 감축 노력을 이어갈 예정이다. 이번 전기로 투자는 탄소중립을 향한 포스코의 실질적인 첫 성과라는 점에서 의미가 크다.

포스코는 탄소중립을 향한 글로벌 패러다임에 선제적으로 대응해 한·중·일 등 대형 고로 생산체제에 기반한 아시아 철강사 중 처음으로 탄소중립 계획을 공식적으로 발표하며 ‘2050 탄소중립’을 목표로 선언했으며, 고로 등 기존 생산방식을 수소환원제철 생산체제로 단계적으로 전환해 나갈 방침이다. 현재 포스코는 HyREX* 기반 수소환원제철 상용 기술을 개발 중에 있으며, 지난해에는 수소환원제철 데모플랜트 설계에 착수한 바 있다.
＊HyREX(Hydrogen Reduction) : 포스코 고유의 파이넥스(FINEX) 유동환원로 기술을 기반으로 한 포스코형 수소환원제철 기술

전기로에서 생산한 쇳물(용강)을 직접 활용하거나 고로에서 생산한 쇳물(용선)과 혼합하는 합탕 기술을 적용해, 기존 고로 방식 대비 이산화탄소 발생량을 저감할 계획이다. 특히 합탕 배합비 조정을 통해 다양한 등급의 저탄소 제품 생산이 가능해짐으로써 각 고객사별 요구 수준에 유연하게 대응할 수 있을 것으로 기대된다. 동시에 전기로 철스크랩 활용시 고급강 생산에 한계가 있었으나, 합탕 기술을 통해 저탄소 고급강 제품 생산 역시 가능해질 전망이다.

포스코는 이외에도 전기로 조업 중 발생하는 배가스를 활용해 스크랩을 예열하고 장입함으로써 에너지 효율을 높일 계획이다.

한편 포스코는 2021년 탄소중립 로드맵을 수립한데 이어, 이를 바탕으로 이행 과제들을 체계적으로 실천해 나갈 계획이다. 전기로를 통한 안정적인 생산을 위해 고급 스크랩 확보 및 해외 HBI* 투자 병행 등 원료 확보 노력을 추진하고 있으며, 그린스틸 체제로의 전환을 위해 재생에너지 활용을 검토하는 등 다양한 세부 과제들을 면밀히 살피고 있다. 저탄소 생산체제로의 신속한 전환을 바탕으로 지속가능경영 기반을 공고히 해나갈 방침이다.
* HBI(Hot Briquetted Iron) : 철광석에서 산소를 제거해 환원시킨 직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)을 조개탄 모양으로 성형한 제품

우리나라가 설정한 2050 탄소중립 목표를 달성하기 위해서 무(無)탄소 신(新)전원 활용의 필요성이 점차 대두되고 있다. 산업부는 청정수소발전제도(CHPS)를 내년부터 도입하고, 2030년 국가온실가스감축목표(NDC) 40% 달성을 위해 무탄소 연료인 수소·암모니아를 활용한 발전을 확대해 나갈 계획이라고 밝힌 바 있다.

이렇듯 수소 산업의 투자를 본격화하기 위해 청정수소의 정의를 확립하고 청정수소발전의무화제도(CHPS)를 도입하는 움직임이 일고 있다. ‘CHPS’는 RPS*에서 수소발전을 분리해 별도의 입찰 시장을 개설 및 운영하는 것으로, 발전 과정에서 청정수소 사용을 촉진하기 위한 제도라 볼 수 있다. 이를 통해 수소연료전지, 수소터빈, 수소엔진 등 수소경제 활성화가 적극적으로 이뤄질 것으로 보인다.
*RPS(Renewable Portfolio Standards) : ‘신재생에너지 공급 의무화 제도로, 설비용량이 500MW 이상인 발전사업자에게 일정량 이상의 신재생에너지로 전력을 생산하라는 의무를 부여한 제도를 말한다.

l 2050 저탄소 발전의 핵심 매개체, 수소

수소는 화석연료와 달리 고갈될 우려나 지역 편중이 없고, 지구 표면의 70%를 덮고 있는 물에도 가득 들어 있다. 문제는 수소가 바로 대체 에너지로 활용하기 어렵다는 점이다. 다른 에너지원과 비교해서 높은 생산비용이 수반되는데, 수소 기체에는 탄소나 질소, 산소 등 다른 화합물이 포함돼 있어 에너지로 활용하기 위해선 공정 과정이 발생하기 때문이다.

석탄발전 중심의 전력믹스에서 친환경‧무탄소 에너지로의 전환을 요구하는 시점에서, 가스 발전 주요 장비인 가스터빈은 천연가스뿐 아니라 수소 등 다양한 연료로 가동할 수 있어 에너지 믹스로 활용하기 용이하다. 특히 ‘수소혼소 발전’이 탄소중립의 징검다리 역할을 할 현실적이면서 효율적인 전력 생산 방식인데, 가스터빈에 수소와 천연가스(LNG)를 혼합해 연소하는 전기를 생산한다. 기존 LNG발전 가스터빈의 연료를 천연가스에서 수소로 점진적으로 대체해 나간다면 발전 분야 내 이산화탄소 배출량을 획기적으로 감축시키고 미세먼지의 원인인 질소산화물(NOx) 발생도 낮출 수 있는 장점을 갖고 있다. 또한, 기존 10년 이상 노후화된 가스터빈을 수소 혼소 발전 방식에 맞게 개조해 설비 수명까지 늘릴 수 있어 매우 경제적이기도 하다.

이때 연소 중 혼합된 수소량에 비례해 배출되는 이산화탄소량을 저감할 수 있다고 한다. LNG만으로 가스터빈을 돌렸을 때 발생하는 이산화탄소 배출량을 100이라고 봤을 때, 수소혼 소율을 70%까지 높이면 이산화탄소 배출량을 40% 이상 줄일 수 있다. 향후 수소 100%로 터빈을 돌려 탈탄소를 실현하려는 궁극적인 목표를 향한 과도기적 솔루션인 셈이다.

l 수소에너지 시대로의 전환 꿈꾸는 포스코

포스코그룹이 보유한 발전소 설비 전체 용량은 약 6.5GW(기가와트)로, 이를 모두 수소발전으로 전환 시 연간 200만 톤의 수소 수요가 창출된다. 포스코인터내셔널(에너지부문)은 현재 인천지역에 약 3.4GW의 LNG발전소를 운영 중이며, 이중 3, 4호 발전기를 최신의 수소 혼소가 가능한 발전기로 대체해 세계 최초 GW급 상업용 수소혼소 발전소 운영을 계획하고 있다. 현재 개발하는 수소혼소발전은 최대 50%까지 수소 혼소가 가능하며, 20%의 이산화탄소 저감 효과를 가져온다. 안정적인 운영 노하우와 발전터빈 기술사와의 협력을 통해 2027년 3, 4호기를 시작으로 2035년 9호기까지 친환경적인 수소혼소발전 기술을 확대해 나갈 계획이다.

▲ 포스코인터내셔널_통합 포스터

올 초 포스코에너지는 포스코인터내셔널과의 합병을 통해 더욱 탄탄한 LNG 밸류체인을 갖춰 양적 성장은 물론 재생에너지·수소인프라 등 친환경 사업 확대로 질적 성장을 도모할 것으로 보인다. 포스코인터내셔널은 지난 1월 광양 제2LNG터미널 착공식을 열고, 오는 2025년까지 9300억원을 투자해 20만kL급 LNG 탱크 2기(7~8호)와 27만kL급 부두 등을 건립하는 등 에너지 포트폴리오 강화에 나선다.

격변하는 지구 환경 속에서 수소혼소발전의 단계적 적용과 함께 CCUS, 에너지저장장치(ESS) 등 신기술의 사업화 방안을 모색하는 등 지속가능한 사회를 위해 더 나은 가치를 창출할 포스코의 미래가 기대된다.

지구가 뜨거워지면서 사막화, 해수면 상승, 생태계 변화 등 전 세계적 기후위기가 가속화되고 있다. 지난 2018년에 개최된 IPCC 총회에서 채택한 ‘지구온난화 1.5℃ 특별보고서’에 따르면, 지구 온도 상승 폭을 1.5도로 제한해야 인류 생존의 마지막 위협 상황을 막을 수 있다고 보고 있다.
*IPCC : 전지구적 위기인 기후변화에 대처하기 위해 세계기상기구(WMO)와 유엔환경계획(UNEP)이 1988년 공동으로 설립한 국제기구

지구온난화의 마지노선이라 볼 수 있는 ‘1.5도’ 기후목표 달성을 위해 탄소중립을 선언·지지한 나라가 136개국(’21.10월 기준)에 이르며, 대부분의 나라들이 온실가스 감축목표를 이전보다 대폭 상향하고 있다. 우리나라의 경우 2030 NDC(국가 온실가스 감축목표)를 기준 목표인 2018년 대비 26.3% 보다 상향된 2018년 대비 40% 산정해 탄소중립 의지를 확실히 보여주고 있다. 이 목표를 달성하려면 2030년까지 온실가스 배출량을 4억 3,660만 톤으로 줄여야 한다.

l 온실가스 다량 배출 기업 탈피를 위한 대전환 준비

우리나라가 2030년까지 매년 4.17%씩 온실가스 배출량을 줄이기 위해서는 산업 부문에서 효과적인 감축전략을 내세워야 하는 상황이다. 특히, 철강산업은 국내 산업 부문 온실가스 배출량의 39%를 차지할 만큼 탄소배출이 많은 대표적인 산업군이다. 철은 1톤 생산할 때마다 1.8톤의 이산화탄소를 배출하는 대표적인 탄소 집약적 제품이란 이유로 인간에게 없어서는 안 될 필수 자원이면서 지구온난화의 주범 중 하나로 여겨지는 이중적인 존재가 되었다. 이러한 ‘철의 딜레마’를 해결하기 위해 철강업계는 친환경 경영을 목표로 체질개선에 나서고 있다.

대표적으로 포스코는 2020년 아시아 철강사 최초로 ‘2050 탄소중립’을 선언하면서 ESG 경영에 박차를 가하고 있다. 포스코그룹은 1.5℃ 시나리오를 연계해 ‘친환경 미래소재 대표기업’으로 사업구조 전환을 추진하고 있다. 포스코의 2017~2019년 평균 탄소 배출량인 총 78.8백만 톤으로 사업장감축과 사회적감축 수단을 병행해 2030년에는 10%, 2040년에는 50% 감축하고, 궁극적으로 2050년 탄소 중립을 달성하고자 한다.

l 전 세계가 주목하는 탄소가격세

포스코가 친환경 사업을 확대한 이유 중 하나가 유럽을 중심으로 ‘탄소국경조정제도’가 추진되었기 때문이다. 이 제도는 수입자가 철강, 시멘트, 알루미늄 등 품목별 탄소 함유량에 상응하는 양의 ‘인증서’를 의무적으로 구매하는 것을 뜻하며, 탄소배출량이 많을수록 수입 시 비용 부담이 가중된다는 것이 핵심이다. 오는 2026년에 본격적인 시행을 앞두고 있어, 대유럽 철강제품 수출국 중 5위를 차지하는 우리나라가 영향을 많이 받을 것으로 전망되고 있다.

또한 EU에서는 2005년 세계 최초로 ‘EU 탄소배출권 거래제(ETS : Emissions Trading Scheme)’를 도입해 산업부문 온실가스 감축에 핵심 정책수단으로 운영되고 있다. 탄소배출권 거래제는 국가별로 온실가스 배출 허용량을 할당받고 허용량보다 적게 배출할 경우 남은 배출권을 팔아 이익을 누릴 수 있게 하는 제도이다. 이를 통해 각국이 자발적으로 온실가스를 줄이도록 유도해 탄소 배출이 불가피한 철강산업에 있어 온실가스 저감 기술 개발이 미래 생존의 중요한 열쇠가 될 것으로 보인다.

포스코는 점차 강화되고 있는 탄소감축 규제에 대응하고 산업의 글로벌 경쟁력을 갖추기 위해 2050 탄소중립을 선언하고 친환경 생산·판매 체제로의 전환을 추진하고 있다. 1단계에서는 에너지효율 향상과 경제적 저탄소 연·원료 대체 추진, 2단계에서는 스크랩 활용 고도화와 CCUS(탄소포집저장 활용)기술을 적용하고, 3단계에서는 기존 파이넥스(FINEX) 기반의 수소환원제철 기술을 개발해 궁극적으로 철강 공정에서 CO₂가 발생하지 않는 것이 목표이다.

기존 제철기술은 고로에 석탄을 투입해 발생한 일산화탄소를 철광석의 환원제로 활용해 철을 얻어내는 방식이다. 이 과정에서 이산화탄소가 발생해 온실가스 문제가 지적돼 왔다. 이에 반해 수소환원제철 공정은 석탄 대신 철광석과 수소가 반응해 순수한 물이 발생하기 때문에 철강업계 탄소중립을 위한 솔루션으로 꼽힌다.다시 말해 수소환원제철은 100% 수소를 사용해 직접환원철(DRI)을 만들고 이를 전기로에서 녹여 쇳물을 생산하는 기술로, 그 과정에서 탄소 배출이 없기 때문에 탄소중립 대응을 위한 핵심 경쟁요소라 할 수 있다.

l 포스코, 대규모 그린수소 생산체제 구축

포스코는 현재 수소가 25% 포함된 환원가스를 사용하는 파이넥스의 유동환원로 기술을 발전시켜 2030년까지 포스코형 수소환원제철 모델 ‘하이렉스(HyREX)’ 기술을 완성하는 것을 목표로 하고 있다. 다만 저품위의 분철광석으로 사용하는 하이렉스에서 생산된 DRI 품질은 상대적으로 낮을 전망이다. 이에 포스코는 저품위 DRI를 용해하는데 적합한 전기로인 ESF(Electric Smelting Furnace) 기술을 개발해 최적의 수소환원제철 체계를 갖춰 저탄소 녹색성장이라는 미래의 환경 변화에 적극적으로 대응해 나가고 있다.

지난 2021년 클라이밋 액션 100+와 IIGCC는 철강산업 넷제로(Net Zero) 전략보고서를 통해 포스코가 수소 매출 30조 원을 목표로 대규모 그린수소 생산체제를 구축 중인 유일한 주요 철강사라고 평가한 바 있다. 탄소중립 대표 사례로서 포스코가 소개된 만큼 그린스틸로의 생산체제 전환에 더욱 속도를 낼 것으로 보인다. 석탄 사용 저감 기술과 신규 전기로 도입 등을 통해 저탄소 제품 수요에 대응하고, 수소환원제철 데모플랜트를 조기 구축하기 위한 기술개발에도 나서는 등 친환경 브랜드 포트폴리오 확대를 통한 수익성 개선에도 주력할 계획이다. 철강 탈탄소화 노력에서 한발 더 나아가 그룹 차원에서 이차전지 소재, 수소 등 순환경제 시대에 필수적인 소재를 공급하는 신사업 기회를 발굴해나갈 포스코의 행보가 기대된다.

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.

왜 전기차는 추위를 많이 탈까?
전기차에 탑재되는 리튬이온 배터리는 특성상 온도 민감도가 높아 저온 환경에서 성능 저하의 문제가 발생한다. 배터리 구성요소 중 하나인 전해질은 이차전지의 충·방전 과정에서 리튬이온이 양극을 오가는 통로 역할을 한다. 겨울철 기온이 떨어지면 액체로 이루어진 전해질이 굳으면서 내부 저항이 증가해 배터리 효율이 낮아지는 것이다.

따라서, 배터리를 어떻게 관리하냐에 따라 성능이 크게 달라져 올바른 관리가 중요하다. 전기차 관리법을 미리 파악하고 준비해 더욱 효율적인 겨울철 전기차 라이프를 누려보자.

배터리 과냉각 주의, 겨울철 실내 주차하기!

위에서 언급했듯 날씨가 추운 겨울, 외부에 오래 주차하게 되면 배터리가 과냉각되기 때문에 주행거리가 줄어들 뿐 아니라 자연스럽게 배터리 효율도 떨어져 방전되기 쉽다. 배터리 소모 방지를 위해서는 반드시 적정한 온도 유지가 가능한 실내 및 지하 주차장을 이용하는 게 좋다. 실내 주차를 할 경우 배터리 과냉각을 예방할 뿐 아니라 내부 온도 유지도 가능해 과도한 히터 사용을 막을 수 있고, 불필요한 배터리 소모도 줄일 수 있다.

주기적인 차량 하부 세차는 필수

겨울철 낮은 기온은 기체를 수축하기 때문에 타이어 속 같은 양의 공기가 들어있어도 공기압이 줄어들 수 있다. 타이어 공기압이 부족하면 제 역할을 하지 못해 방향을 바꿀 때나 속도를 줄일 때 미끄러질 위험이 커지며 자칫 사고로 이어질 수 있다. 주기적인 공기압 체크와 접지력이 높은 윈터 타이어 교체를 권장한다.

또한 눈이 많이 쌓인 날이라면 차량 하부를 깔끔하게 세차해 염화칼슘을 제거해 주는 것이 중요하다. 겨울철 제설 작업으로 인해 도로에 뿌려지는 염화칼슘이 도로의 모래, 먼지 등과 섞여 차량에 붙게 되면, 철과 반응해 염화철을 만들어 차량을 부식시키는데 일조하기 때문이다. 특히 전기차의 경우 차량 하부에 배터리가 탑재되어 있기 때문에 부식에 더욱 신경을 써야 한다.

배터리 급속 충전 말고 완속 충전!

전기차 사용자의 대부분은 급속 충전에 대한 선호도가 높은 편이다. 특히 가정용 완속 충전기가 없는 환경이라면 급속 충전 시설 의존도가 상당히 높다. 급속 충전은 완속 충전 대비 충전 속도가 매우 빨라 편리하지만, 배터리 셀에 부담을 줄 뿐 아니라 배터리 수명이 빠르게 단축될 수 있다. 따라서 겨울철 배터리 최적의 상태를 위해 월 1회 이상은 배터리 20% 이하일 때, 100%까지 완속 충전하는 것이 좋다. 완속 충전을 통해 배터리 팩 안에 있는 많은 셀들의 밸런스가 맞춰지기 때문에 배터리 효율을 오랫동안 유지할 수 있다.

전력 소모 높은 히터 사용은 자제!

전기차 실내 난방 시, 히트펌프* 사용을 추천한다. 엔진에서 버려지는 열에너지를 난방에 활용하는 내연기관차와는 달리 전기차는 히터를 작동시킬 만큼 폐열이 발생하지 않아 배터리 전력으로 히터를 작동하기 때문이다. 이에 전기차 내 모터 등의 부품에서 발생하는 폐열을 방출하지 않고, 전기차 실내 난방에 활용하는 히트펌프 시스템을 사용하면 보다 효율적인 배터리 관리가 가능하다. 또한 전력 소모량을 줄일 수 있어 주행거리 증가 효과도 볼 수 있다. 그 외에도 배터리 히팅 시스템, 열선 시트, 열선 핸들 등을 적극적으로 활용하는 것이 좋다.
*히트펌프 : 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방 장치

지금까지 전기차 에너지 효율과 배터리 수명, 안전 운전을 위한 겨울철 전기차 관리법에 대해 알아보았다. 조금만 신경 써도 배터리의 컨디션을 오랜 기간 동안 균일하게 유지하고 전기차를 오래 탈 수 있다. 난감한 상황이 발생하기 전, 차량과 배터리 상태를 미리 체크해 슬기롭고 안전한 겨울철 전기차 라이프를 즐기길 바란다.

포스코그룹이 1월 16일 서울 포스코센터에서 그룹 수소 밸류체인을 소개하는 ‘포스코 수소 월드(POSCO hydrogen world)’ 특별전을 개막했다.

포스코그룹은 지난해 9월 킨텍스에서 열린 국내 최대 수소산업 전시회인 ‘2022 H2 MEET’에서 선보인 포스코그룹 수소사업에 대해 다시 한번 알리고자 이번 특별전을 마련했다.

특히, 이번 전시에는 △포스코 △포스코인터내셔널 △포스코건설 △포스코모빌리티솔루션 △RIST가 참여해 수소 생산부터 운송, 저장, 활용 단계까지 포스코그룹이 쌓아온 기술력과 차별화된 제품 등을 선보이고 있다.

▲포스코그룹이 1월 16일 서울 포스코센터에서 그룹 수소 밸류체인을 소개하는 포스코 수소 월드 특별전을 개최했다.

포스코그룹은 이번 특별전에서 △수소시너지존 △ 수소생산기술존 △수소플랜트존 △CCS·해외인프라존 △수소강재존 △수소모빌리티존 △수소저장·활용 등 총 7개 테마 존을 마련했다. 전시관 입구에는 포스코그룹의 수소사업 포트폴리오와 밸류체인 전반을 소개하는 영상을 상영한다.

▲ 수소시너지존에 설치한 수소환원제철 모형이다.

먼저, 수소시너지존에는 수소생산, 수소환원제철 모형을 설치해 관람객들이 수소 생산과정을 쉽게 이해할 수 있도록 했다. 특히, 호주, 말레이시아, 오만 등 6개국의 수소생산 프로젝트를 영상으로 선보여 현지 수소 제조공정과 생산설비를 소개한다. 이를 통해 관람객들은 석탄 대신 수소로 친환경 철강을 만드는 수소 환원제철의 원리와 미래의 가상 수소환원 제철소 모습을 확인할 수 있다.

▲수소생산기술존 전시부스의 모습이다.

수소생산기술존에서는 고온에서 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 고온 수전해 기술과 암모니아로 수소를 만드는 암모니아 크래킹(분해) 기술과 중조(베이킹소다)를 활용한 블루수소 생산기술도 확인할 수 있다.

▲ 수소플랜트존에 설치한 그린수소 생산 플랜트 모형이다.

수소플랜트존에는 올해 1월 종합 에너지사업회사로 발돋움한 포스코인터내셔널의 수소혼소발전, 해외복합터미널, 탄소 포집·저장기술(CCS)* 사업 현황과 포스코건설의 수소사업 EPC** 역량을 소개했다.
*탄소 포집·저장기술(CCS) : Carbon Capture and Storage의 약자로, 대기 중에 있는 이산화탄소뿐 아니라 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집해 활용하거나 저장하는 기술을 말한다.
**EPC : Engineering, Procurement, Construction의 약자로, 설계·조달·시공을 말한다.

▲ 수소 운송·저장·활용 강재(왼쪽)와 구동모터코어(오른쪽) 전시부스의 모습이다.

서울 포스코센터 1층 로비에서 2월 28일까지 열리는 이번 특별전은 예약절차 없이 누구나 관람할 수 있다.

포스코그룹은 앞으로도 미래 성장동력인 수소사업 밸류체인에 대한 대외 이해관계자들의 이해를 높이고 수소 분야 그룹사간 협업체계를 지속 강화해 나갈 예정이다. 포스코그룹은 2050년까지 단계적으로 수소 700만 톤 생산체제를 갖춰 국내 최대 수소사업회사로 성장해 나갈 계획이다.

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.

포스코가 에너진(ENERGYN)과 함께 수소 전문 철강인 ‘그린어블 에이치투(이하: Greenable H₂)’로 수소 충전 인프라 사업의 핵심 중 하나인 수소저장용기를 국산화했다.

▲ 포스코 친환경 수소 소재용 브랜드 ‘그린어블 에이치투(Greenable H₂)’

수소저장용기는 압축된 수소 가스를 고압으로 저장하는 제품으로 수소충전소에 사용된다. 그 간 우리나라는 수소저장용기를 전량 수입에 의존하고 있었지만 이번 포스코와 에너진의 공동개발로 국산화 및 관련 시장의 성장성이 기대된다.

▲ 울산에서 열린 ‘2022년 국제 수소전기에너지 전시회’에 전시된 에너진의 수소충전소용 수소저장용기

에너진은 미래 에너지원인 수소와 관련한 국내외 다수의 특허를 보유한 강소기업으로, 수소충전소에 필요한 핵심설비 및 제품을 판매하고 있다. 포스코 뉴스룸에서는 에너진을 방문해 경영진 및 기술진과의 인터뷰를 통해 포스코와 함께 ‘수소저장용기’를 함께 개발한 과정, 에너진의 기술력 그리고 에너진의 미래 비전에 대해 취재했다.

▲ 에너진 본사 전경

▲ 에너진 황인기 부사장(오른쪽)과 이영철 연구소장(왼쪽)

■ 수소저장용기 수입 제품이 국내시장 독점… 국산화 절실

지난 2019년 정부는 수소차와 연료전지를 양대축으로 수소경제를 선도하고자 하는 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표했다. 수소차의 보급 확대를 위해서는 수소충전소를 중심으로 하는 수소충전 인프라 구축이 필수적이다. 수소충전소의 핵심 구성품 중 하나인 수소저장용기는 미국의 FIBA사 제품이 국내 시장을 독점하고 있어 수소 에너지 안보 차원에서도 국산화가 절실했다. 이에 포스코는 에너진과 함께 수소저장용기의 소재부터 제품까지 100% 국산화라는 목표를 설정하고 개발에 나서게 된 것이다.

■ 포스코 수소전문 친환경 철강 ‘Greenable H₂’ 수소저장용기 국산화의 시발점

에너진이 수소저장용기 개발을 위해 가장 필요로 했던 것은 철강소재였다. 에너진 황인기 부사장은 “국내에서는 소재를 생산하는 철강사가 없어, 이탈리아 소재를 사용하는 것도 검토해 보았지만 제품을 받기까지만 1년의 시간이 소요되고, 물류비용 등 경제성 측면에서도 사용이 불가능했다”며, “포스코가 새로 론칭한 ‘Greenable H₂’로 수소저장용기용 소재를 개발 및 공급해 주겠다고 한 덕분에 수소저장용기의 국산화가 시작될 수 있었다”고 말했다.

포스코는 먼저 에너진이 설계한 수소저장용기에 적용코자 하는 철강소재에 대한 니즈를 파악했다. 해당 용기는 고압의 압축된 가스를 보관해야 하기 때문에 안전이 최우선이었고, 미국기계학회 (ASME : American Society of Mechanical Engineers) 수소저장용기 규정을 충족시키는 두께 400mm 이상의 극후물 강재를 필요로 했다.

이에 포스코는 2018년에 독자 기술로 개발한 세계 최대 두께인 700mm 반제품 철강재를 생산할 수 있는 PosMC(POSCO Mega Caster)를 활용해 수소저장용기에 최적화된 ‘Greenable H₂’ 철강 제품을 개발키로 했다. 이것이 수소저장용기 개발의 시발점이었다.

▲ 세계 최대 두께인 700mm 반제품 철강재를 생산할 수 있는 포스코의 PosMC(POSCO Mega Caster)

■ 에너진이 쌓아올린 기술력이 수소저장용기 개발 가능케 해

에너진은 풍력, 수소 등과 관련된 특허를 국내외 50여 건 이상 출원할 정도로 신재생 에너지 관련한 기술이 탄탄한 강소기업이다. 특히 에너진이 보유한 ‘초고압 제어기술’과 ‘와이어 와이딩(Wire-winding)’ 등 혁신적인 기술이 이번 수소저장용기의 개발 및 국산화를 가능케 했다고 해도 과언이 아니다.

‘초고압 제어기술’은 6000바(bar)의 초고압까지도 안전하게 제어할 수 있는 기술이다. 에너진 이영철 연구소장은 “일반적으로 수소 자동차에서 700바(bar), 수소 충전소에서는 900바(bar) 정도의 고압 제어기술이 필요한 것을 감안하면, 에너진의 초고압 제어기술은 이보다 최소 6배 이상의 압력을 제어할 수 있는 혁신적인 기술이다”고 설명했다.

‘와이어 와인딩’은 수소저장용기의 내·외부에 강선(Steel Wire)를 적층하고 감아서 제작하는 기술로 대용량의 수소저장용기 제작에 유리하고 폭발 가능성을 원천적으로 차단한다. 일반적인 수소저장용기는 압력을 받을 경우 원통의 중앙부분이 볼록하게 팽창하는데, ‘와이어 와인딩’ 기술을 적용하면 감겨진 와이어에 의해 용기의 모든 부분이 균일한 압축응력하에 놓이게 되어 폭발을 방지할 수 있게 된다.

▲ 수소저장용기 내부에 들어가는 베셀(Vessel)에 ‘와이어 와인딩’ 기술로 강선(Steel Wire) 감은 모습

중소기업인 에너진이 이러한 기술 역량을 보유할 수 있기까지는 끊임없는 연구개발(R&D) 투자가 있었다. 이 연구소장은 “매출액 대비 연구개발비가 2018년 6~7%에서 지낸 해는 14%로 두 배 이상 증가되었다. 현재 연구개발비에만 1천억 원 이상을 투자하고 있으며 올해는 투자 규모가 더욱 확대될 것”이라고 말했다.

■ 포스코 ‘Greenable H₂’와 에너진의 기술력이 만나 마침내 세계 최대 용량의 수소저장용기 개발 및 국산화 이뤄

마침내 올 8월 포스코 ‘Greenable H₂’와 에너진의 기술력이 결합되어 마침내 수소저장용기를 개발하였고, 미국기계학회(ASME : American Society of Mechanical Engineers) 및 한국가스안전공사(KGS)로부터 제품 판매를 위한 인증을 완료했다.

양사가 이번에 공동으로 개발한 수소저장용기는 세계에서 유일하게 100메가 파스칼(MPa)의 압력에 견디고, 1000리터의 수소를 한 번에 저장 가능한 수소충전소용 대용량 수소 저장 탱크다.

이 연구소장은 “에너진 제품은 기존 美 FIBA社 대비 약 2배인 1000리터(896바 기준)의 수소를 저장할 수 있어 1기로 수소 자동차 약 10대를 충전 가능하며, 여러기를 높게 쌓아 올려 사용할 수 있어 공간 활용도가 높다”고 설명했다.

▲ 여러단으로 적중이 가능한 에너진의 수소저장용기

또한 세계 최초로 금속 실린더 외부에 강선을 감는 에너진 고유의 ‘와이어 와인딩’ 방식으로 제작되고, 포스코의 수소용 전문철강 ‘Greenable H₂’를 적용해 안전성이 매우 우수하다.

이와 같이 에너진은 세계 최대 용량임에도 안전성이 우수한 혁신적인 제품을 개발해 전량 수입에 의존하고 있던 수소저장용기의 국산화를 실현함으로써 지난 8월 국내 최대 규모 수소산업 전시회인 ‘H₂ MEET 2022’에서 ‘H₂ Innovation Award’ 대상을 수상하기도 했다.

▲ 에너진이 지난 8월 일산 킨텍스에서 열린 수소산업 국제 전시회인 ‘H₂ MEET 2022’에서 ‘H₂ Innovation Award’ 대상을 수상했다

한편 수소저장용기를 개발 및 국산화 하기까지는 포스코그룹의 연구기관인 포항산업과학연구원(RIST)과 가스안전공사(KGS) 등의 도움도 컸다. 포항산업과학연구원은 수소저장용기의 장시간 내구성 확보를 위한 피로 특성 연구를 수행했으며, ‘와이어 와인딩’ 기술에 적용되는 강선의 내구성 평가, 용접부 강도 개선 등의 솔루션 활동을 전개했다. 한국가스안전공사와 한국생산기술연구원은 제품의 설계 단계부터 참여해 안전이 최우선으로 확보될 수 있도록 기술개발 및 인증에 많은 도움을 주었다.

■ 에너진, 이제는 포스코와 공동 마케팅을 통해 판매 시장 개척할 것

에너진은 지난달 1일 포스코와 수소저장용기 보급 협력 업무 협약을 맺었다. 포스코가 제철소 내 수소충전 인프라 구축 시 에너진 제품을 적극적으로 사용하겠다는 내용의 업무 협약이다.

▲ 포스코와 에너진이 수소저장용기 보급에 관현 업무 협약을 맺었다

황 부사장은 “수소충전 인프라 사업과 관련된 제품이다 보니 중소기업인 에너진에게 판매 활로를 개척하는 것이 쉽지 않은데, 제품개발에 이어 제품을 상용화하는 데 있어서도 포스코로부터 또 한 번 도움을 받을 수 있게 되어 감사하다”고 전했다. 이어 이 연구소장은 “포스코 소재로 제품을 인증을 받아 중국산 소재로 제품을 만드는 미국의 FIBA보다 안전해 세계 시장에서도 경쟁력이 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

에너진의 매출액은 2019년 52억, 2020년 54억, 2021년 80억으로 매년 성장 중으로, 이에 따라 공장 확장을 추진 중에 있다. 내년에 수소저장용기 80여 개를 생산할 것으로 예상되며, 향후 2~3년 내에 추가적인 공장 신설로 연간 200여 개의 제품을 생산하려고 계획하고 있다. 현재 1000리터인 수소저장용기 최대 용량을 1700리터까지 확대하는 것 또한 목표로 하며, 수소산업 분야의 강소기업으로 지속 나아가겠다는 방침이다.

2022 탄소중립 엑스포가 11월 2일부터 4일까지 3일간 일산 킨텍스(KINTEX)에서 열렸다. 올해 2회를 맞은 탄소중립 엑스포는 정부, 기업, 공공기관이 한자리에 모여 산업계 탄소중립의 현주소와 미래 방향을 논의하는 뜻깊은 자리였다.

포스코는 참가업체 중 최대 규모의 전시부스를 마련해 ‘수소환원제철(HyREX)’ 기반 친환경 제철소 구현을 위한 미래 전략과 기술을 선보였다. 전시부스는 ▲재생에너지와 그린수소 ▲친환경 저탄소 원료 ▲수소환원제철(HyREX) ▲친환경 제품 ▲사회적 온실가스 감축 활동 등 5개의 섹션으로 구성해 ‘2050 탄소중립’을 향한 포스코의 비전과 목표를 내다볼 수 있었다.

▲ 2022 탄소중립 EXPO에 참가한 포스코 전시부스 전경.

특히 전시관 중앙에 다단의 유동환원로를 형상화한 거대한 수소환원제철(HyREX) 오브제가 방문객들의 시선을 단숨에 사로잡았다. 이 오브제는 고로(용광로) 공정에서 붉은 쇳물이 생산되는 전통 철 생산 방식에서 푸른 물이 연료가 되는 혁신적인 기술 ‘수소환원제철’로 전환되는 모습이 표현되었다. 이를 통해 탄소배출 없는 깨끗한 세상을 만들어 나가려는 포스코의 의지를 담아냈다.

○ 재생에너지/그린수소

▲ 에너지 및 수소에 관한 전시 섹션 모습이다.

먼저, 재생에너지/그린수소 섹션에서는 수소 종류별 생산 방식에 대해 소개했다. 그 중 그린수소는 태양광, 풍력 등 재생에너지로 물을 전기분해하여 만들어지기 때문에 생산 과정에서 탄소 배출이 없다는 점을 강조했다. 포스코는 2050년까지 700만 톤 수소생산 목표로 청정수소를 안정적으로 확보해 경쟁력 있는 수소 밸류체인을 구축하고자 한다.

○ 저탄소 원료

▲ 저탄소 원료에 관한 전시 섹션 모습이다.

포스코는 탄소중립 시대에 대비해 저탄소 원료인 철스크랩과 HBI(Hot Briquetted Iron) 확보에도 나서고 있다. 흔히 고철이라고 부르는 철스크랩을 원료로 사용하면 철강 제조과정에서 발생하는 이산화탄소를 75%가량 줄일 수 있어 친환경 원료로 주목받고 있다.

하지만 철스크랩을 충분히 확보하기 어려운 문제가 있어 직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)과 HBI(Hot Briquetted Iron)가 대체재로 떠오르고 있다. 이때 HBI 제조에 필요한 고품위 철광석이 전 세계 철광석 물동량의 3%밖에 없는 점을 고려해, 포스코의 FINEX공법은 매장량이 풍부하고 저렴한 분철광석을 활용해 유사한 HCI(Hot Compacting Iron)를 제조하고 있다.

○ 포스코의 핵심 기술 ‘하이렉스(HyREX)’

▲ 수소환원제철기술 HyREX를 소개하는 섹션과 수소환원제철을 재현한 모형의 모습이다.

수소환원제철 섹션에서는 포스코의 수소환원제철 핵심기술인 하이렉스(HyREX)*를 소개했다. 다수의 철강사들이 개발 중인 샤프트(Shaft)환원로 기반의 수소환원제철과 포스코의 HyREX를 비교해 관람객들의 이해를 높였다. 특히, 벽면 LED 패널을 통해 HyREX 기술을 소개하는 영상과 함께 수소사업의 밸류체인을 한눈에 볼 수 있도록 제작한 모형이 방문객들의 가장 많은 관심을 받기도 했다.

포스코는 이미 상용화된 유동환원로 도입을 통해 수소환원제철로의 전환이 보다 용이할 것으로 바라보고 있다. 유동환원로는 경제적이고 풍부한 원료를 사용하고, 원료의 사전 처리 공정이 불필요하다는 장점이 있다. 게다가 수소환원제철 공정은 흡열반응이 일어나 지속적인 열 공급이 필요한데, 이를 위한 추가 열공급이 용이해 지속적인 환원반응을 가능하게 한다. 이러한 차별화된 기술 경쟁력을 바탕으로 포스코는 HyREX 기술을 완성해 ‘그린 철강’으로의 전환을 추진하고 있다.
* 하이렉스(HyREX) : 포스코 고유의 파이넥스(FINEX) 유동환원로 기술을 바탕으로 한 수소환원제철 기술

▲ 탄소중립 핵심 기술에 관한 전시 섹션 모습이다.

다만, HyREX는 저품위의 분철광석을 사용하기 때문에 생산된 DRI 품질이 기존 공정에 비해 상대적으로 낮을 전망이다. 이에 포스코는 저품위 DRI를 용해하는 데 적합한 전기로인 ESF(Electric Smelting Furnace) 기술을 개발해 최적의 수소환원제철 체계를 갖출 계획이다.

현재 포스코 그룹사인 SNNC는 전 세계에서 가장 큰 규모의 ESF를 보유하고 있고, 스테인리스의 원료인 페로니켈(FeNi)을 생산하고 있다. 이를 시작으로 포스코는 수소환원제철 핵심 전기로 기술개발을 가속화할 방침이다.

○ 친환경 제품 및 사회적 온실가스 감축

▲ 친환경 제품에 관한 전시 섹션(왼쪽)과 사회적 온실가스 감축에 관한 전시 섹션(오른쪽) 모습이다.

친환경 제품 섹션에서는 포스코의 3대 친환경 제품 브랜드인 이노빌트(INNOVILT), 이오토포스(e Autopos), 그린어블(Greenable)이 소개되었으며, 마지막으로 사회적 온실가스 감축 섹션에서는 철강 부산물을 재활용해 탄소중립을 실천하는 모습을 그려냈다.

포스코는 슬래그로 인공어초 ‘트리톤’ 개발해 바다숲을 조성했다. 트리톤은 철강 슬래그의 높은 비중과 단단한 특성으로 해일에 잘 파손되지 않을 뿐 아니라 철분과 미네랄 함량이 높아 해조류 포자 부착 등을 촉진하는 등 해양생태계 복원에 큰 기여를 하고 있다.

또 해안에 쌓여있는 패각*을 제선·제강 공정의 원료로 사용해 지역사회 환경개선에 기여하고 있다. 다시 말해, 패각의 주성분이 공정에 사용되는 부원료인 석회석과 유사한 석회질로 이루어진 점을 이용한 것으로, 약 92만 톤의 패각을 제철공정에 활용할 경우 약 41만 톤의 이산화탄소 감축 효과를 거둘 수 있을 것으로 전망하고 있다.
*패각 : 굴, 조개 등의 껍데기 통칭

▲ 부스를 돌아다니며 퀴즈를 푸는 관람객들(왼쪽)의 모습과 체험존에서 체험해보는 관람객(오른쪽)의 모습이다.

▲ 포스코의 탄소중립 기술에 대한 설명을 듣는 관람객의 모습이다.

포스코 전시장에 찾아온 방문객들은 단순히 관람하는 것에 그치지 않고 포스코가 마련한 저탄소 기술 관련 퀴즈 이벤트에 흥미롭게 참여하며 수소환원제철에 대한 정보를 보다 쉽게 알아가는 시간을 가졌다.

김희 포스코 탄소중립담당 상무와의 인터뷰를 통해 미래 철강업에서의 경쟁력을 제고하기 위한 포스코의 사업 전략과 추진 방향에 대해 자세한 내용을 들어봤다.

이번 탄소중립 엑스포를 통해 포스코를 비롯한 다양한 기업의 탄소중립 전환과 순환경제 활성화를 위한 산업발전 방향에 대해 한눈에 살펴볼 수 있었다. 포스코는 세계 최고 수준의 철강 기술력을 바탕으로 에너지부터 원료, 기술, 제품, 사회적 감축까지 전 영역의 전략을 조화롭게 추진해 무탄소 청정에너지 기술을 선도하는 기업으로서 철강분야의 탈탄소, 수소시대를 열 수 있는 그날까지 친환경 기업이념을 지속 실천해나갈 방침이다.