포스코경영연구원 박용삼 연구위원

불가능을 가능하게 만든 초저온 소재 혁명, LNG

■ ‘초저온의 마법’과 클리블랜드의 비극

천연가스를 영하 162℃로 액화해 부피를 600분의 1로 줄인다는 개념은 20세기 초 과학계에서 이론으로만 존재하던 ‘초저온의 마법’이었습니다. 당시 엔지니어들은 기체를 액체로 만드는 공정에는 성공했지만, 그 액체를 안전하게 담아낼 경제성 있는 소재 개발은 여전히 큰 숙제로 남아 있었습니다.

LNG 산업의 뿌리는 19세기 물리학자들의 가스 압축 및 액화 실험으로 거슬러 올라갑니다. 1941년 미국 오하이오주 클리블랜드에 세계 최초의 상업용 ‘피크 셰이빙(Peak Shaving)’ LNG 저장 시설이 건설되었습니다. 이는 겨울철 난방 수요 폭증에 대비해 가스를 액체 상태로 저장했다가 필요할 때 기화시켜 공급하는 혁신적인 비즈니스 모델이었습니다.

▲ 1944년 클리블랜드에서 일어난 이스트 오하이오 가스 회사 폭발사고 현장 (사진 출처 : http://www.clevelandmemory)

하지만 초기 LNG 산업은 소재의 한계로 인해 거대한 재앙을 맞이하게 됩니다. 바로 1944년 일어난 클리블랜드 참사입니다. 이 참사의 원인은 1941년 당시 전시(戰時) 물자 부족 때문이었습니다. 물자가 부족해지자, 저장탱크 건설에 스테인리스강 대신 3.5% 니켈 합금강이 사용되었는데, 영하 162℃의 극저온 LNG가 채워지자, 이 소재는 충격을 견디는 성질인 ‘인성’을 잃고 유리처럼 부서지는 ‘저온 취성(Low-temperature Embrittlement)‘ 현상을 일으킨 것입니다.

결국 탱크 이음새가 터지며 유출된 가스가 대폭발을 일으켰고, 이 사고로 131명이 사망하고 인근 지역이 초토화되었습니다. 폭발 위력은 TNT 2.43kt으로, 히로시마 원자폭탄의 약 6분의 1에 달하는 수준이었습니다. 이 참사로 인해 LNG는 대중에게 공포의 대상이 되었고, 산업은 향후 20년간 깊은 암흑기에 빠지게 됩니다.

▲ 포스코인터내셔널 광양 제1LNG터미널 전경

암흑기 동안 연구자들은 극저온에서도 깨지지 않는 소재를 집요하게 추적했습니다. 그 결과 영하 196℃에서도 취성 파괴를 일으키지 않는 ‘9% 니켈강’과 ‘5083 알루미늄 합금’을 개발하는 데 성공했습니다. 특히 9% 니켈강은 현재 전 세계 육상 LNG 저장탱크 내벽의 글로벌 표준이 되었습니다. 또한, 이 시기를 거치며 탱크 용량의 100% 이상을 수용하는 이중 방호벽(Diking) 설치가 의무화되는 등 현대적인 안전 관리 시스템(Process Safety Management)이 확립되었습니다.

바다를 건너는 LNG, 해상 운송 시대와 표준화 전쟁

1950년대 이전까지 유전에서 나오는 천연가스는 이송 수단이 없어 현장에서 태워버리는 ‘플레어링(Flaring)’이 일상적이었습니다. 이를 해결하기 위해 1959년, 화물선을 개조한 ‘메탄 파이오니어(Methane Pioneer)’호가 세계 최초로 LNG 해상 운송에 도전했습니다. 알루미늄 탱크를 남미산 발사 나무(Balsa Wood)로 감싸 단열하는 원시적인 방식이었지만, 27일간의 대서양 횡단 성공은 “바다를 통한 가스 운송은 불가능하다”는 회의론을 잠재우고 글로벌 가스 영토 확장의 신호탄을 쏘아 올렸습니다.

■ 모스 VS 멤브레인 표준 전쟁, 그리고 한국 조선업의 승부수

LNG 해상 운송 시장이 커지면서 선박 화물창의 표준을 두고 두 가지 방식이 격돌했습니다. 선체에 거대한 공 모양(구형) 탱크를 얹는 방식인 노르웨이의 모스(Moss)형과 선체 내벽에 얇은 특수 금속 막을 직접 입히는 방식인 프랑스 GTT*의 멤브레인(Membrane)형이었습니다.
*GTT(Gaztransport & Technigaz): LNG선 멤브레인 제작 원천기술을 보유하고 있는 프랑스의 선도 엔지니어링 회사

모스(Moss)형은 구조적으로 매우 안전하고 액체가 출렁이는 ‘슬로싱(Sloshing)’ 현상에 강하지만, 공간 효율이 떨어져 배가 커질수록 건조 비용이 급증한다는 단점이 있었습니다. 멤브레인(Membrane)형은 모스형 대비 공간 활용도가 10~15% 우수하여 한 번에 훨씬 많은 양을 실을 수 있지만, 슬로싱으로 인해 내벽이 파손될 우려가 있었습니다.

▲ 삼성중공업이 2008년에 건조한 세계 최초의 26.6만㎥급 LNG 운반선 ‘모자(Mozah)’ (출처: 삼성중공업 블로그)

이 난관을 헤쳐나갈 방법을 찾아낸 것이 바로 한국이었습니다. 대한민국 조선사들은 멤브레인 방식의 치명적인 약점이었던 슬로싱 문제를 공학적 설계로 효과적으로 해결해 냈습니다. 1990년대부터 대형화 기술 개발에 매진한 결과, 2000년대 중후반에는 26.6만㎥급 초대형 LNG선인 ‘Q-Max’ 건조에 성공하며 규모의 경제를 실현했습니다. 이로 인해 단위당 운송 비용이 획기적으로 낮아졌으며, 현재 전 세계 LNG선의 80% 이상이 한국이 주도하는 멤브레인 방식을 채택하고 있습니다.

이처럼 선박 자체의 혁신을 넘어, 최근에는 에너지 안보와 인프라의 한계를 극복하기 위한 ‘조커 카드’ 기술도 눈부시게 발전하고 있습니다. 바다 위에서 LNG를 저장하고 다시 기체로 만들어 육상으로 공급하는 FSRU(부유식 저장·기화 설비)가 그것입니다. 이는 육상 터미널보다 건설 기간이 짧고 비용이 저렴해 에너지 안보의 핵심 장비로 떠올랐습니다. 실제로 2022년 러시아-우크라이나 전쟁으로 가스관(PNG) 공급이 끊기자, 네덜란드와 독일은 단 6개월 만에 FSRU를 도입하여 사상 초유의 에너지 위기를 극복해 냈습니다.

LNG의 역사에서 찾는 ‘수소 시대’의 열쇠

과거 LNG가 겪었던 도전과 극복의 역사는 다가올 ‘수소 경제’를 준비하는 우리에게 매우 중요한 이정표를 제시합니다. 수소는 미래 저탄소 에너지로 주목받고 있지만, 성공적인 안착을 위해서는 LNG가 걸어온 길을 거울삼아 철저한 대비가 필요합니다.

① ‘수소 취성’을 극복할 초고부가가치 특수강 기술 선점

▲ 포스코가 독자 개발한 고망간강을 적용한 광양 제2 LNG 터미널 7호기 탱크 내부

수소는 액화 온도가 영하 253℃로 LNG보다 훨씬 낮을 뿐만 아니라, 원자 크기가 매우 작아 금속 결정을 파고들어 균열을 내는 ‘수소 취성(Hydrogen Embrittlement)’이라는 독특한 난제를 가지고 있습니다. 이는 철강 업계에 거대한 기술적 장벽이지만, 동시에 시장을 선점할 기회이기도 합니다. 고망간강 등 수소 전용 특수 합금과 고압·내취성 강재 기술에 대한 R&D 투자를 단순한 비용이 아닌 ‘생존을 위한 필수 투자’로 인식하고 선제적으로 기술을 확보해야 합니다.

② 연관 산업 간의 ‘유연한 표준화 연합체’ 구축

과거 LNG 표준화가 조선업과 철강업의 긴밀한 협력으로 완성되었듯이, 수소 시대 역시 독자적인 기술 개발만으로는 한계가 있습니다.

‘수소 전용 특수강 개발에서 수소 운반선(암모니아, 액화수소, LOHC* 등) 건조, 글로벌 수소 터미널 운영’으로 이어지는 밸류체인 전반의 기업들이 참여하는 ‘표준 연합체’를 구축하여 글로벌 시장의 주도권을 쥐어야 합니다.
*LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carriers, 액상 유기 수소운반체) : 수소를 저장하고 운송하기에 적합한 액체 화합물

③ 초기 투자 리스크를 줄이는 ‘FSRU 모델’과 ‘통합 에너지 관리’ 도입

수소 경제 초기 단계에는 대규모 인프라 구축에 따른 매몰 리스크가 큽니다. 이를 최소화하기 위해 선상에서 암모니아를 수소로 추출하거나 액화 수소를 바로 공급하는 ‘수소 FSRU 모델’을 적극 도입할 필요가 있습니다. 또한, LNG선이 운항 중 발생하는 증발 가스(BOG)를 연료로 재활용한 것처럼, 수소 운반선 역시 증발하는 수소를 재액화하거나 연료전지 원료로 사용하는 ‘통합 에너지 관리 시스템’을 구축하여 운영 효율성을 높여야 합니다.

1944년의 비극을 극복하고 인류의 핵심 에너지로 우뚝 선 LNG의 역사처럼, 철저한 안전 확보와 선제적인 기술 표준 수립만이 다가올 수소 경제 영토 전쟁에서 대한민국과 포스코그룹이 글로벌 패권을 쥐는 열쇠가 될 것입니다.

*참고 자료
– Esanda Engineering, LNG History
– ResearchGate, Hydrogen market development: lessons from the LNG sector
– 포스코뉴스룸, ‘25.11.20., “포스코, 영하 253도 견디는 초저온 수소용 고망간강 양산 체제 구축”
– 현대제철 보도자료, ‘25.8.15., “수소 배관용 고강도 내치성 강재 개발 완료… 국산화율 100% 달성”
– 동아일보, ‘24.12.5., “세아제강, 세계 최대 규모 수소 이송용 대구경 강관 수주 성공”
– 에너지프로슈머, ‘25.5.9., “K-조선, 2027년까지 세계 최대 규모 2,000㎥급 실증 수소선 건조”
– 한국경제, ‘25.4., “K-조선, LNG선 이어 ‘액화수소선’도 세계 1위 정조준”
– KBS부산, ‘24.12.17., “국내 최초 액화수소 운송선 상용화 기술 개발 착수… 13개 기관 참여”