주식스토리

'아시아 국가를 이겨야 한다'. -독일 경제 에너지부 페터 알트마이어 장관이 국가 전략을 발표하며 한말입니다. 

독일은 국가 수소 전략을 독일에서 수소를 생산 운송, 저장, 활용하는 모든 기술을 개발한다는 것으로 정책을 수립하였다고 합니다. 수소발전에 대한 투자규모만 12조 원이 이르고 아시아 국가들은 과연 얼마나 앞서 있기에 독일인 이런 발표를 한 것일까요? 

아시아 국가 중 한국은 2004년 친환경 소수 경제 마스터플랜을 수립하고, 2019년에 수소 경제 로드맵을 발표하였고 일본은 2014년에 수소 연료전지 전략 로드맵을 작성하고 중국은 2017년 차이나 수소 이니셔티브를 발표했다고 합니다. 

또한 한국은 지난해 7월 한국판 뉴딜정책을 발표, 총 160조 원의 투자금 중 그린 뉴딜 정책에만 약 73조 원 (국비 약 43조 원) 신재생 에너지만 놓고 보면 약 24조 원의 국비를 투자한다고 발표를 하였습니다. 

독일이 수소의 생산에서부터 활용에 이르는 모든 기술을 개발한다고 선언한 것은 두 가지의 중요한 의미를 담고 있습니다. 하나는 수소 사업 모델에서 생산, 운송 저장, 활용을 각각 독립적으로 보기보다는 전 과정을 체인처럼 가치 사슬로 연결하여 접근한다는 점이라 생각합니다. 다른 하나는 수소 사업의 승패가 결국 수소를 다루는 기술에 달려 있다는 점입니다. 

▶포스코 그린수소 사업모델 

포스코는 지난해 12월 2050년까지 -탄소중립(CARBON NEUTRALL) 달성을 선언하며, 그린 수소 사업모델을 발표하였습니다. 2030년까지 수소 관련 핵심 기술 및 생산 역량을 조기에 갖추고 수소 사업을 그룹 성장 사업의 한 축으로 육성할 계획이라 합니다. 

여기에는 수소를 생산 -운송-저장-활용하는 데 필요한 강재 개발을 물론, 부생수소 생산 설비 증대, 수소 생산 핵심기술개발, 수소를 활용한 철강 생산 기술인 '수소환원 제철공법'에 대한 연구, 개발에 이르기까지 내부적으로 수소 관련 기술 열략을 강화한다고 플랜은 내놓았습니다. 

그런데 , 수소 관련 기술에는 어떤 것들이 있을까요/

1. 수소 상태별 특성을 알아보자.

수소 운용 강제에 대해 살펴보고, 수소 생산과 활용 기술의 핵심소재인 스테인리스 스틸 분리판에 대해 알아보겠습니다. 

1-1. 기체 상태의 수소를 다룰 때 가장 중요한 요소 '압력'이다. 

압력이 높아지면 수소를 금속에 침투, 열화 시켜 금속을 깨뜨려버리는 수소취성을 일으키기 때문입니다. 분자 상태의 수소(H2)는 금속에 침투할 수 없지만, 원자 상태의 수소(H)는 워낙 미세하여 침투가 가능하며 압력이 높아지면 이원자의 개수가 늘어나 수수 취성이 발생합니다. 

하지만 소의 압력이 높을수록 부피가 줄어들어 운송 효율이 높아지기 때문입니다. 

기술은 점점 높은 수소의 압력을 소재가 견디는 방향으로 진화하고 있습니다. 단순한 수소 운송용 파이프라인도 지금은 20 BAR수준이지만, 100 BAR로 높여 운송 효율을 높이는 식입니다. 

일반적으로 수소 전기차는 700 BAR, 수소충전소는 990 BAR를 견딜 수 있어야 하는데, 그렇다면 700 BAR는 어느 정도일까요?

※ 바(BAR)란? 

압력을 측정하는 단위의 하나로, 해수면에서 100m 상공의 기압을 말하는데, 쉬운 예로 방수 시계에 적혀 있는 10 BAR는 수심 약 100M까지 견딘다는 뜻입니다. 

그렇다면 700 BAR는 수심 7,000m라는 상상을 초월하는 압력인 셈입니다. 700 BAR를 무게로 환산하면 713.8kg/㎠이니, 1㎠크기의 손톱만 한 작은 면적에 체중이 71kg인 성인 10명이 올라갈 때 받은 압력과 비슷하다고 할 수 있습니다. 

▶수소용 강재 -생산에서 이용까지 

결국, 수소에너지 상용화의 핵심은 고압을 견뎌내는 소재 기술력에 있다고 볼 수 있습니다. 

여기에 수소 전기차나 수송용 튜브트레일러는 소재 경량화라는 과제가 추가됩니다. 

현제 수소 차량에 탄소섬유 등 복합소재가 쓰이는 것도 바로 이 때문입니다. 그러나 복합소재는 가격이 비싸기 때문에, 가격 경쟁력을 갖춘 스틸의 수소 대응력이 높아진다면, 복 함소 재와 경쟁 가능한 소재가 되는 것은 물론, 수소 상용화의 시기도 앞당 결질 수 있을 것입니다. 

1-2. 심리스(Seamless) 강관

경량화가 필요한 수소 차량과는 달리, 수소 충전소는 탄소 가을 990 bar의 압력을 견디는 수송 배관과 저장용기 제작이 가능한 데, 이때 사용되는 강관이 일반 용접강관 보다 압력에 강한 강관입니다. 

▶심리스 강관이 압력에 강한 이유

가운데가 비어 있는 둥근 모양의 강관을 용접하지 않고 만들기 때문에 이음매(Serm)가 없기 때문입니다. 

고암 수소 저장용기는 이심 리스 강관의 직경을 넓혀서 제작하는 데 990 BAR급 용기는 대구경 심리스 강관을 사용하고 있며 현제 국내에서는 제작되지 않고 전량 수입에 의존하고 있습니다. 

소재, 부품, 장비의 국산화가 필요한 상황입니다. 

이에 포스코는 국내외 제작사와 협력해 고압 수소 배관, 용기용 강재 개발과 실증에 박차를 가하고 있으며, 시장 수요 확대에 대비하고 있습니다. 

2. 액체 상태의 수소를 다룰 때 가장 중요한 요소는 '온도'다. 

수소는 -253 ºC로 냉각하면 기체 대비 부피가 1/800로 줄어들어, 대량으로 수송할 수 있습니다. 

이 말은 액화 수소를 담는 택크가 -253 ºC를 견뎌야 하는 극저온 강이어야 한다는 뜻입니다. 액화수소 수송선은 아직 전 세계 적으로 실증된 바 없으며, 유일하게 일본이 116m 길이의 실증용 소형 선박을 건조한 바가 있습니다. 

수소를 운송, 저장하는 또 하나의 방법은 수소를 다른 물질과 화학적으로 반응시켜 수소 화합물을 만드는 것입니다. 

수소 화합물에는 수소에 톨루엔을 결합한 유기 수소 화합물(MCH, 상온), 질소를 결합한 액화 암모니아(NH3, -33 ºC), 이산화탄소를 결합한 액화 메탄 (NHX, -160 ºC)이 있는데, 수소 호합 물은 액화 수소에 비해 저장 가능한 온도가 높아져 수송이 용이합니다. 

수소 화합물에 대응할 강제는 이미 포스코에 개발되어 있기 때문이며, 수소 화합물을 만드는 작업에 대한 연구와 실증만 완료된다면, 수요가 점차 늘어날 것을 예상됩니다. 

3. 수소는 스테인리스 스틸을 타고

탄소제로 사회에 이상적인 에너지 공급원인 그린 수소입니다. 

이를 생산할 때 가장 핵심이 되는 부품을 수전해 분리판입니다. 수소를 생산하고 연료를 사용할 때 매우 중요한 역할을 하는 것이 바로 이 분리 판리라고 불리는 금속인데, 분리판은 수소와 산소의 이동 통로로 전기전도성이 높고 부식에 강해야 하기 때문에 분리판을 만드는 데에는 기술력이 요구됩니다. 

분리판에는 수소 전기차와 같은 수소를 연료로 사용하는 데 들어가는 연료전지 분리판과 수소를 생산하는 데 들어가는 수전 해 분리판 두 종류가 있습니다. 

3-1. 수전해 분리판

물에서 수소를 생산(2 H2 O→ 2H2 + O20 하는 부품이기 때문에 , 수소 자동차나 발전기의 연료전지 분리판과는 다른 역반응(2H2 + O2→ 2 H2 O)으로 운용된다고 합니다. 

구동환 경이 연료전지보다 고온, 고습하고 열악하기 때문입니다. 

수전해 분리판은 연료전지 분리판 보다 더욱 뛰어난 내식성과 전도성이 요구되는 상황입니다. 

3-2. 연료전지 분리판 

내연 기관 자동차로 따지면, 엔지에 해당되는 연료전지에 들어가는 분리판으로, 연료전지는 자동차에 주입된 수소를 전기에너지로 바꾸는 역할을 합니다. 

포스코는 2006년부터 연료전지 분리판 개발에 착수해, 2018년 수소 전기차 '넥쏘'에 적용된, 세계 최초의 초고 내식 스테인리스 스틸 분리판 소재 POSS47 FC는 이런 코팅 없이도 내부식성과 전도성을 높인 동시에 제작 원가를 낮추고 제품 크기도 줄인 혁신적인 소재로 평가받고 있습니다. 

3-3. 발전용 연료전지 분리

구동 환경이 100 ºC 이하인 수소 전기차용 연료전지 분리판과는 달리, 600~800 ºC에서 작동되고 긴 시간 동안 시동되기 때문에 높은 내산화성과 전도성이 요구되는데, 현제는 독일, 일본에서 생산된 고가의 희토류가 첨가된 스테인리스 강이 적용되고 있습니다. 

이에  포스코는 비싼 수입재를 대체할 수 있는 저원가, 고전도성 강재 POSS460 FC를 개발함으로써, 원천 소재 개발을 통한 국내 발전용 연료전지 산업 활성화에 기여하기 위해 노력하고 있습니다.