지난해 골드만삭스는 2050년이 되면 수소환원제철을 포함한 산업용 수소가 전세계 수소 수요의 18%를 차지할 것이라고 전망했다. 발전용 수소의 예상 수요가 42% 수준인 것과 비교하면 비중이 생각보다 높은 편. 물론, 수소환원제철이 상용화되기 위해서는 관련 기술에 대한 연구개발과 실증, 산업용 수소 단가 현실화, 수소 공급망 구축 등 선행되어야 할 과제가 많다. 하지만 미래는 끝없이 도전하는 자에게 웃는 법.

그럼, <포스코의 수소 탐구생활> 심화편! 포스코의 끝없는 도전과 혁신이 만들어 낼 ‘2050년 미래의 수소 제철소’로 여정을 떠나보자. 스틸이 CO₂ 발생없이 생산되는 탄소저감 제철소. 그리고 이를 가능하게 하는 기술, ‘수소환원제철’을 소개한다.

l Good Bye CO₂~, 수소환원제철의 작동 원리

수소환원제철은 어떤 원리일까? 바로 이름에 답이 있는데, 수소제철이 아니라 수소‘환원’제철이라고 하는 이유. 즉, 수소(H₂)가 철광석(Fe₂O₃)에서 산소를 분리시키는 환원제의 역할을 하는 것이다.(Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O) 이 과정을 통해 물(H₂O)과 함께 철(Fe)이 생성되는데, 이를 환원철, 전문적인 용어로는 DRI(Direct Reduced Iron)라고 한다.

그럼 지금은 무엇을 환원제로 쓰고 있을까? 바로 ‘석탄’에서 발생하는 가스, 즉 일산화탄소다. ‘고로’라고 불리는 큰 용광로에 철광석과 석탄을 넣어 1500°C 이상의 고온에서 녹이면, 일산화탄소(CO)가 발생해 철광석(Fe₂O₃)에서 산소를 분리시키는 환원반응(Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂)이 일어나는데, 이때 CO₂가 발생하게 되는 것이다.

환원제로 석탄 대신 수소를 쓴다는 것은 겉으로 보기에는 아주 간단한 변화처럼 보이지만, 사실 매우 커다란 변혁의 시작이다. 더 이상 제철소에서 온실가스인 CO₂가 발생하지 않는다는 사실은 말할 것도 없거니와, 우리가 그동안 당연하게 생각해 온 철강생산공정의 많은 부분에 큰 변화가 일어나기 때문이다. 그렇다면 2050년, 수소환원제철 기술 도입된 제철소는 어떤 모습일까?

첫 번째 변화는 제철소에 고로(용광로)가 사라진다는 것이다. 고로에서 석탄과 철광석을 한 데 녹이는 공정이 없어지니, 고로와 함께 부속설비(소결공장, 코크스공장)가 사라지는 것은 당연지사. 그런데, 용광로 없는 제철소라니? 그렇다면 수소와 철광석의 환원반응은 어디에서 일어날까? 바로 ‘유동환원로’라는 설비를 통해서다.

철광석을 환원하여 환원철(DRI)을 만드는 설비인 유동환원로는 사실 이미 포스코에 존재하는데, 바로 포스코 고유 기술인 파이넥스(FINEX, Fine Iron ore Reduction) 공정에서 찾을 수 있다. 파이넥스는 가루 형태의 철광석과 석탄을 고로에 넣지 않고, 유동환원로와 용융로라는 설비를 통해 쇳물을 생산한다. 이는 수소환원제철 구현에 가장 근접한 핵심 기술이라고 할 수 있는데, 다만 수소환원제철과의 차이점이라면 파이넥스는 공정 중에 발생하는 수소 25%와 일산화탄소 75%를 환원제로 사용하는 반면, 수소환원제철(HyREX, Hydrogen Reduction)은 수소를 100%를 사용한다는 점.

그런데, 사라지는 설비가 고로만이 아니다? 기존에 고로에서 생산된 쇳물(용선)은 ‘전로’라는 설비를 통해 정제된 쇳물(용강)로 변환된다. 그런데, 수소환원제철은 유동환원로에서 생산된 환원철(DRI)을 ‘전로’가 아닌 ‘전기로’에 넣어 녹이고 불순물을 정제하기 때문에, 전로도 사라지게 되는 것. 즉, 수소환원제철은 기존의 고로와 전로 자리에 수소유동환원로와 전기로가 들어오는 것이라고 할 수 있다.

그런데 여기서 한 가지 눈 여겨 볼 점이 있는데, 바로 ‘전력’의 활용이다. 수소환원제철공정이 기존 고로 조업이나 파이넥스와 다른 또 하나의 차이점은 외부로부터 대규모의 전력을 끌어와야 한다는 점이다. 고로는 쇳물 제조뿐만 아니라, 후공정에 필요한 열원과 전력 생산을 위한 부생가스를 공급하는 역할도 담당하고 있다. 고로조업시 부생가스가 발생하는 이유는 탄소가 100% 환원에 이용되지 않기 때문인데, 실제 포스코의 경우 부생가스 발전을 통해 제철소 필요 전력의 60% 이상을 자체 조달하고 있다. 그러나 수소환원제철은 수소가 100% 환원에 쓰이기 때문에 부생가스가 발생하지 않는데, 이는 곧 제철소의 모든 전력이 필수적으로 외부에서 공급되어야 한다는 뜻이다. 그렇다면, 고로가 사라진 2050년 수소환원제철소에 쓰이는 전기. 과연 어디에서 오는 걸까?

제철소의 두 번째 변화, 바로 높아지는 신재생 에너지 의존도다. 수소환원제철의 기본 개념은 ‘그린수소’를 전제하고 있다. 이 말인 즉, 유동환원로에 투입되는 수소도, 설비를 구동하는 전기의 생산도, 모두 탄소배출이 없어야 한다는 것. 하지만, <포스코의 수소 탐구생활> 1편에서 살펴보았듯이, 그린수소를 생산하는 데에는 태양광, 풍력과 같은 신재생 에너지가 필수적으로 요구된다. 때문에, 그린수소를 자체 생산할 수 없는 국가는 앞으로 수입에 의존해야 하는 상황에 놓이게 되는 것이다.

태양광과 풍력은 일조량, 풍속 등의 이유로 지정학적 영향을 많이 받는다. 2019년 기준 한국의 태양광 발전단가는 kWh당 163원으로, 이는 중동보다 10배 비싼 수준인데, 그린수소의 대량 생산지가 호주나 중동 등으로 전망되는 것도 바로 이 때문. 지난해 3월 글로벌 리서치 회사 블룸버그NEF가 발표한 자료를 보면, 2050년 그린수소의 글로벌 수요·공급 전망이 지역별로 극명하게 나뉘는 것을 볼 수 있다. 특히, 한국 등 아시아 지역은 지리적으로 가까운 호주와 중동 지역에의 의존도가 커질 것으로 분석되고 있어, 향후 이들 지역과의 그린수소 생산 프로젝트 참여 및 파트너사 발굴의 중요성도 점차 높아질 것으로 보인다.

▲ 2050년 국가별 그린수소 무역 전망 (출처: 블룸버그NEF Hydrogen Economy Outlook, 2020.3.30)

수소환원제철과 신재생에너지의 밀접한 관계는 지난해 8월 수소환원제철 시범 공장을 가동한 스웨덴 철강사 SSAB의 하이브리트(HYBRIT) 프로젝트에서도 발견할 수 있다. HYBRIT에는 유럽 최대 철광석 생산업체 LKAB뿐만 아니라, 스웨덴 다국적 전력회사 바텐팔(Vatenfall)도 함께 참여하고 있는 것.

유럽은 이미 신재생 에너지, 수력, 원자력 등 저탄소형 발전 비중이 높다. 지난해 국가수소전략을 발표한 독일은 이미 전체 전력 소비량의 50% 이상을 태양광, 풍력 등 신재생에너지로 충당하고 있을 정도. 지난달 유럽연합은 신재생에너지(38%)가 화석연료(37%) 발전 비중을 최초로 넘어섰다고 발표하기도 했다. 더구나 150년 이상의 철강 역사를 가진 유럽의 제철소들은 이미 수명이 다한 고로와 관련 설비가 많고, 연산 100만톤 이하의 소형 설비가 다수를 차지하기 때문에, 수소환원제철로의 전환에 더욱 적극적인 상황. 반면, 한국, 일본 등 아시아권 제철소의 고로는 대부분 연산 500만톤급의 대형인 데다, 유럽에 비해 철강 역사가 짧아 아직 고로 수명이 수십년 이상 남아 있는 경우가 많다.

l 수소환원제철로 가는 징검다리, CO₂ 저감형 하이브리드 제철기술 개발중!

내용적이 5500㎥ 이상인 초대형 고로는 현재 전세계에 총 15기. 이중 포스코는 세계 최대 규모인 광양 1고로(6000㎥)를 포함해 총 6기를 보유하고 있다. 전체 고로의 2/3가 초대형 고로인 것. 또한 고로는 그 특성상 한번 화입(火入)을 시작하면 불이 꺼질 때까지 쇳물을 생산하게 되는데, 1973년 첫 쇳물을 생산하기 시작한 포스코 포항제철소 1고로는 지금도 가동중이다. 이러한 사실을 감안하면, 수소환원제철로의 전환은 어느 날 갑자기 한꺼번에 진행하는 것보다 국가별, 제철소별 상황에 맞게 단계적으로 추진하면서, 동시에 기존 고로에 대한 CO₂ 저감 활동도 병행하는 것이 현실적인 방안이라 할 수 있겠다.

현재 포스코는 2017년 12월부터 정부 주도로 진행중인 ‘고로기반 CO₂ 저감형 하이브리드(Hybrid) 제철기술’ 개발에 참여, 석탄을 수소함유자원이나 ^*바이오매스와 같은 환원제로 일부 대체하는 방안과 철광석을 고로에 투입 전 일부 환원하여 사용하는 방안 등 다양한 방식의 CO₂ 저감 방안을 모색하고 있다. 이 기술을 고로에 적용하면 CO₂ 배출을 기존 고로 대비 약 10 % 절감할 수 있다. 고로기반 CO₂ 저감형 하이브리드(Hybrid) 제철기술에 대해서는 다음 기회에 포스코뉴스룸에서 한번 자세히 살펴보도록 하자.

^*바이오매스 : 태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물체와 이들을 식량으로 하는 동물, 미생물 등의 생물유기체를 총칭한다.

지난해 포스코는 단기적으로 CO₂ 발생 저감기술을 개발하고 저탄소 제품 포트폴리오를 확대하는 한편, 장기적으로는 수소환원제철로 탄소저감 제철소를 실현할 계획이다. 수소환원제철 기술에는 오랜 시간과 막대한 비용이 소요되므로, 포스코는 국내외 철강사들과 함께 수소환원제철 기술의 공동 연구개발 추진을 모색하고 있으며, 지난해 10월 최정우 회장은 WSD(World Steel Dynamics) 온라인 컨퍼런스 기조연설을 통해 저탄소 혁신 기술 및 정보 교류 강화 등 글로벌 철강업계의 공동 대응을 제안한 바 있다.

쥘 베른의 공상과학소설에서 걸어 나와 어느새 우리 눈 앞에 다가오고 있는 수소 사회. 그 중심에는 세계 최고 수준의 철강기술력을 바탕으로, 탄소배출 없는 제철소를 향한 도전과 혁신을 멈추지 않는 포스코가 있다.

* 도움말 주신 분:
기술연구원 공정엔지니어링연구소 저탄소공정연구그룹 신명균 연구위원, 이영석, 고창국 수석연구원

“점차 업(業)의 경계가 허물어지고 있다”

1월 7일부터 10일까지 CES 2020에 모인 IT, 벤처투자업계 전문가들은 기술의 발전이 가전, 자동차와 같은 전통적인 업(業)의 경계를 허무는 현상에 주목했다. 실제 한·일 양국의 최대 가전업체와 자동차업체들이 CES에서 앞다투어 선보인 것은 AI로봇, 전기자동차, 스마트시티였다. 삼성전자가 AI로봇을, 소니가 전기자동차를, 현대자동차는 항공도시를, 도요타는 AI도시의 모습을 공개했다. 각자의 영역을 넘어 업의 경계가 사라져버린 이 CES 현장의 중심에는 ‘모빌리티’가 있었다.

▲ 사진출처: SONY, CES®

‘모빌리티’가 대세라는 것은 CES 자동차관에서 더욱 뚜렷이 드러났다. 자동차산업이 전기차, 자율주행차로 변화하면서 IT기업들도 ‘모빌리티’로 뛰어들었고, 아예 자동차관에 전시장을 차렸다. 이번 CES에서 아마존은 막대한 수준의 가상 데이터를 저장하는 모빌리티 클라우드 서비스를, 퀄컴은 전기차의 주행가능거리를 늘려주는 자율주행 플랫폼 기술을 선보였다. 이처럼 자동차회사 뿐만 아니라 CES에 참가한 많은 기업들이 미래는 ‘모빌리티’의 세상임을 입증했다.

포스코는 모빌리티 시대에 무엇을 하고 있을까?

① 더 가볍고, 더 강한 자동차를 위한 ‘기가스틸’

자동차가 하늘을 날려면? 해리포터의 마법이 필요한 게 아니라, 가벼워야 한다. 그냥 가볍기만 해서는 안된다. 가벼우면서 강하고 안전해야 한다. 포스코는 ‘마법처럼’ 가벼우면서도 더 안전한 전기차용 차체, 서스펜션, 배터리팩을 개발하기 위해 끊임없이 연구한 끝에 ‘기가스틸’을 개발했다.

▲ 송도R&D센터에 전시된 포스코 전기차 배터리팩 PBP-EV (POSCO Battery Pack – Electric Vehicle). 가볍고 강한 기가스틸(흰색)이 배터리를 충격으로부터 안전하게 보호하고 전기차의 무게를 줄여준다.

기가스틸은 1㎟ 면적당 100kg의 이상의 무게를 견딜 수 있는 초고장력강판으로 십원짜리 동전만한 크기에 25톤 이상의 무게를 버틴다. 알루미늄, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 등 경쟁 소재보다 더 강하고 가벼운 소재로, 알루미늄보다 3배 이상 강하고, 3배 이상 얇은 강판으로 가벼운 차체를 구현할 수 있다.

또한 기가스틸은 전기차 차량 사고시 충격을 흡수 및 분산시켜 사고의 충격을 최소화함으로써 배터리가 파손되지 않도록 지키고, 탑승자의 안전을 보호하는 역할을 한다. 무게를 한결 가볍게 하면서 강한 차체를 유지하는 것이 포스코의 기가스틸로 가능해졌다.

뿐만 아니라 포스코의 기가스틸은 경제적이며 환경친화적이다. 알루미늄과 비교해 소재 가격은 3.5배, 가공비는 2.1배나 낮추며 생산 비용을 효율적으로 절감했다. 또한 자동차의 누적 CO₂ 배출량을 기존 대비 약 10% 감소시켜 환경을 보호하는 데 도움을 주며 착하고 똑똑한 소재로 손꼽히고 있다.

② 전기차는‘포스코’를 싣고~ 배터리 핵심소재 음극재·양극재 생산, 전기강판 ‘Hyper NO’로 모터 에너지 효율성 UP!

한 번 쓰고 버리는 일차전지와는 달리 지속적으로 충전해 재사용할 수 있는 이차전지. 전기자동차에 필수적인 리튬이온 배터리가 대표적인 이차전지다. 전기차를 비롯해 휴대용 모바일 기기나 노트북, 산업용 소형 로봇, 전동 공구 등 고용량 및 고출력이 필요한 장수명 분야에서 활용되고 있다. 이차전지를 구성하는 요소는 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하는 양극재와 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 음극재로 나뉜다.

이차전지의 핵심 소재인 이 양극재와 음극재를 모두 생산하는 회사가 있다. 바로 포스코그룹의 떠오르는 글로벌 강자 ‘포스코케미칼’이다. 포스코케미칼은 세계 최고 수준의 고안정성 양극재를 생산해온 포스코ESM과 국내 유일의 천연흑연 음극재 제조사 포스코켐텍이 지난해 4월 합병하면서 갖게 된 이름이다. 이로써 양극재-음극재 시너지를 기대할 수 있게 됐고, 지난해 8월에는 중국 저장성에 해외 첫 양극재 공장을 준공하는 등 생산 라인에 대한 대규모 선제 투자도 진행 중이다.

뿐만 아니라, 포스코는 세계 최고 수준의 전기강판 Hyper NO로 만드는 구동모터를 개발했다. 모터는 전기자동차의 연비를 향상시키고 자동차의 성능을 높여주는 핵심 부품이다. 전기차 구동모터는 자동차의 엔진에 해당하며, 전류를 통해 구동 축이 회전하도록 만들어주는 부품이다. 구동모터의 효율 향상을 위해 전력 손실이 낮은 전기강판이 요구되는데, 포스코 Hyper NO는 전기에너지를 회전에너지로 변화시키는 과정에서 필연적으로 생기는 에너지 손실을 최소화하고 효율성을 높일 수 있도록 개발돼 기존의 전기강판 대비 에너지 손실이 30% 이상 낮다. 모터의 효율을 극대화하기 위해 자속밀도를 높이고, 에너지 손실을 최소화시킨 것이다. 에너지 손실을 더 낮게 구현할 수 있는 두께 0.15mm까지 초극박 생산이 가능하다.

[POSCO Product] 포스코 무방향성 전기강판 Hyper NO 영상보기 click!

뿐만 아니라 포스코는 최근 접착제와 같은 기능을 하는 코팅을 전기강판 표면에 적용하는 이른바 ‘셀프본딩’ 기술을 개발했다. 셀프본딩 기술을 적용하면 용접 등의 물리적인 방식과 달리 전기강판의 전자기적 특성을 저하시키지 않아 모터효율을 향상시킬 수 있으며, 소음이 적고, 기존의 용접 체결 방식 대비 모터코어의 에너지 손실이 10% 이상 낮다. 이 셀프본딩 기술을 개발한 공로로 포스코 김정우 수석연구원은 지난해 11월 제 28회 다산기술상 대상을 수상하기도 했다. 다산기술상은 실사구시의 학문을 펼쳤던 다산 정약용 선생의 사상에 따라 창의적인 기술개발 및 연구 의욕을 고취시켜 산업기술 개발 및 산업고도화에 기여한 기업 및 정부기관에 주어지는 상으로, 포스코에서 다산기술상 대상 수상은 처음이다.

③ 미래 모빌리티의 끝판왕 수소전기차, 그 심장에 들어가다

수소(H₂)와 산소(O₂)가 만나면? H₂O 물이 된다. 그런데, 수소와 산소가 그냥 만나는 것이 아니라 찌릿찌릿 전기화학적으로 반응하면 뭐가 될까? 정답은 ‘전기’가 된다. 전기차는 전기를 충전해서, 수소차는 수소를 충전해서 굴러가는 차라는 것은 다들 아는 사실. 전기차에 충전하는 전기는 발전소에서 만들어지고, 발전소에서 전기를 만들기 위해서는 수력, 화력, 원자력 등 많은 발전동력이 필요하다. 하지만 수소차는 차에 수소를 충전하면 끝!

수소전기차의 ‘심장’이자 일반차로 따지면 ‘엔진’이라고 할 수 있는 ‘연료전지’. 전기는 이 연료전지가 수백장 적층된 ‘연료전지 스택(Stack)’에서 수소와 산소가 만나 전기화학적 반응이 일어나 발생한다. 바로 이 연료전지 스택 안에는 금속분리판이라는 매우 까칠한 녀석이 들어있다.

금속분리판은 연료전지 스택 안에서 수소가스의 공급 통로이자, 발생한 전기를 집적하는 집전체, 연료전지 스택의 강성을 부여하는 역할을 하는 핵심 부품이라 할 수 있는데, 문제는 연료전지 내부의 환경이 산성이라는 데에 있었다. 알다시피 금속은 산성에서 빨리 부식된다. 따라서 금속분리판은 부식에 강한 성질인 내식성이 높은 동시에, 전기전도성도 높아야 하고, 자동차 부품이라는 특성상 충격에도 강해야 한다.

여러가지 요구 조건이 많은 이 ‘까칠한’ 금속분리판 대신, 자동차업계에서는 수소전기차 개발 초기에 카본계 소재의 흑연분리판을 사용했다. 그러나 충격에 약한 단점과 경량화 및 소형화의 한계로 인하여 금속분리판으로 전환이 이루어졌는데, 여기에서도 큰 난관에 봉착한다. 내식성과 전도성을 동시에 높이는 것이 이 둘 사이의 패러독스적인 특성으로 인해 구현이 어렵다는 점이다. 결국 금속분리판의 내식성과 전기전도성을 높이기 위해 선택한 방법은 금속분리판에 금이나 카본물질 등을 코팅하는 것이었는데, 코팅공정이 추가되다 보니 제조원가가 상승하고, 제조공정도 복잡해져 수소전기차의 대량생산과 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있었다.

▲ Poss470FC는 연료전지의 핵심부품인 금속분리판의 소재로써 수소와 산소를 분리 및 공급시키고 전기를 모아주는 역할을 한다.

바로 이때! 포스코가 세계 최초로 초고내식 특성을 갖는 스테인리스강 Poss470FC와 핵심 제조공정 기술을 개발했다. Poss470FC로 만든 금속분리판은 코팅 공정을 과감히 없앴는데, 이는 Poss470FC이 금이나 카본물질의 도움 없이도 이 소재 자체만으로 높은 내식성과 전도성을 보여주기 때문에 가능했다. 표면에 코팅이 없으니 기존 금속분리판보다 부피도 줄고, 금을 코팅에 사용하지 않으니 원가가 낮은 것은 당연하다.

수소전기차 상용화를 위해서는 반드시 한단계 도약이 필요했던 금속분리판. 이 Poss470FC 개발을 위해 포스코가 쏟아 부은 시간은 무려 13년이다. 포스코는 2006년부터 수소전기차용 금속분리판 소재개발 프로젝트를 추진해, 2010년부터는 현대자동차와 공동으로 부품개발을 진행해 왔으며 2018년부터는 현대자동차의 양산 수소전기차 모델 ‘넥쏘’에 적용하고 있다.

▲ 포스코가 세계 최초로 개발한 초고내식성 스테인리스강 금속분리판(Poss470FC) 이미지. 미로같은 형상에서 보듯이 섬세한 가공을 위해 뛰어난 공정 기술이 요구된다.

수소차의 심장을 뛰게 한 포스코의 스테인리스강 Poss470FC는 2018년 5월 국제스테인리스강협회(ISSF, International Stainless Steel Forum)에서 선정하는 신기술상(New Technology Award) 부문에서 금상을 수상했으며, 13년간 포기하지 않고 한 분야에서 끊임없이 노력해 혁신적인 철강 소재를 개발한 성과를 인정받아 2019년 10월 한국공학한림원이 선정하는 대한민국 산업을 이끄는 “2019년 산업기술성과 15선”에 선정되었다.

성큼 다가온 미래 모빌리티 시대! 포스코는 숨은 공로를 인정받아 지난 1월 29일 개최된 <2020 대한민국 그린모빌리티어워드>에서 테크놀로지상을 수상했다. 기술이 미래를 지배하는 하이테크놀로지의 ‘고속도로’ 위에서, 포스코는 세계 유수 기업들과 함께 더 나은 미래를 향해 오늘도 달리고 있다. 원더키디의 주인공 이름이 아이캔(I CAN)인 것처럼 미래 모빌리티 시대의 주인공, 포스코도 할 수 있다!