수소, 당신은 스틸의 동반자

‘나는 언젠가 물이 연료로 쓰일 날이 오리라고 믿네. 물의 구성 성분인 수소와 산소가 개별적으로 쓰이든 동시에 쓰이든 간에 무한정의 열과 빛을 제공해주는 에너지원이 될 거야. 물은 미래의 석탄이지.’

<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 지속가능한 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