현대제철, '99.999%' 순도로 수소경제 움직인다

[수소엑스포 2020-그린수소 게임체인저⑥-1]현대제철 당진 수소공장, 금속분리판공장 가보니

지난 달 29일 서해안고속도로 당진IC에서 10여분 차로 달리니 충남 당진시 송산2일반산업단지 내 현대제철 당진제철소가 한 눈에 들어왔다. 이 제철소는 외관부터 평범한(?) 제철소와는 너무 달랐다. 노랑색과 주황색 배관들이 제철소 건물 외관으로 수없이 뻗어있었다.

이 배관들을 따라 다시 3km를 달려갔다. 수많은 배관들은 하나 같이 '웅웅~' 소리를 내며 돌아가는 현대제철 '수소공장'으로 연결됐다. 이승민 현대제철 가스설비팀 팀장은 "이 배관이야말로 우리의 수소 젖줄"이라며 엄지손가락을 치켜 세웠다.

현대제철 당진제철소가 수소경제시대의 핵심 수소 공급원으로 도약한다. 철강 생산 과정에서 어쩔 수 없이 발생하는 '미운오리새끼'인 부생가스는 모빌리티(수소전기차)와 발전(연료전지발전) 등 수소경제를 지탱하는 새 산업을 만나 '백조'로 탈바꿈한다. 이런 수소공장을 가장 빨리 받아들인 제철소가 바로 현대제철 당진제철소다. 이를 통해 당진제철소는 '수소 클러스터(집합체)' 역할을 톡톡히 한다.

'파이브나인' 만드는 거대 '수소필터'

현대제철 수소공장은 특히 거대한 '수소필터'로 불린다. 당진제철소에서 배관을 타고 흘러들어온 가스는 일명 '코크스 가스(COG, Coke Oven Gas)'로 불린다. 용광로에서 고열로 쇳물을 만들려면 반드시 코크스(석탄 가루를 고열 처리해 만든 덩어리)가 필요한데, 이 코크스의 제조와 연소 과정에서 발생하는 필수 부산물이 코크스 가스다. 이 가스는 대부분 수소와 타르, 황, 벤젠 등으로 구성되는데 이를 걸러내 수소로 만드는 게 수소공장의 역할이다.

수소공장 전면에는 크게 거대한 원통형 타워 3개가 있다. 각각 '전기집진기', '흡착탑', 'TSA(Temperature Swing Adsorption)'로 불린다. 코크스 가스가 우선 첫번째 타워를 거치며 타르와 황, 메탄, 일산화탄소 등이 순차적으로 제거된다. 이후 압축과 추출 과정을 통해 최종적으로 수소가 생산된다.

이렇게 만들어진 수소의 순도는 99.999%. 수소 중의 수소로 불리는 일명 '파이브나인'이다. 이 팀장은 "제철소에서 공업용 용도로 사용되는 수소의 순도는 99.9%만 돼도 충분하다"며 "하지만 민감한 수소전기차의 연료원으로 사용하려면 파이브나인의 까다로운 조건을 맞춰야 한다"고 말했다. 애당초 당진제철소가 철강산업은 물론 '수소경제'까지 겨냥해 건립됐다는 의미다.

이 수소공장은 현재 연간 3500톤 규모로 수소를 생산해낸다. 1회 6.33kg의 수소를 충전해 609km를 주행할 수 있는 현대차의 수소전기차 넥쏘를 기준으로 연간 2만km씩 달린다고 가정할 때 1만7000대를 1년 내내 운행할 수 있다.


현대차가 넥쏘를 필두로 전 세계에서 판매한 수소전기차 누적 판매대수는 지금까지 1만144대. 현대제철 당진제철소 수소공장 하나면 너끈히 지상 위의 모든 넥쏘를 움직일 수 있다. 이 같은 수소 생산능력은 국내 단일제철소 기준으로 최대 규모다.

이 팀장은 "그렇다고 생산한 물량을 모두 넥쏘 충전용으로 쓰이는 것은 아니다"며 "전체 생산량의 절반이 충전용과 반도체 정밀 클리닝 공정으로 공급되고 나머지 절반은 현대제철소에서 제품 산화방지 용도로 사용한다"고 말했다. 수소전기차를 필두로 수소경제 전반이 폭발적으로 성장해 수소 수요가 급증한다고 해도 너끈히 이 공장에서 감당할 수 있다는 의미다.

현대제철이 이런 수소공장을 짓기 시작한 것은 2014년. 이후 2016년 1월에 상업생산에 돌입했다. 현대차그룹이 세계 최초의 양산형 수소전기차 투싼 FCEV를 선보인 것이 2013년이고, 수소전기차 전용 플랫폼으로 넥쏘 양산을 시작한 시기가 2018년인 것을 감안하면 현대제철은 현대차그룹의 수소경제를 사실상 시작부터 이끈 셈이다. 현대제철이 현대차그룹 뿐 아니라 철강업계 전반에서도 '수소 선구자'로 통하는 이유다.

수소전기차 핵심 기술·부품도 국산화

현대제철의 수소 사업은 수소 생산에만 머물진 않는다. 당진제철소 수소공장 옆에는 지난해 3월 가동한 연 1만6000대 규모의 수소전기차용 금속분리판 생산공장도 있었다. 현대제철을 '수소 클러스터'로 부르는 이유도 여기에 있다.

금속분리판이란 외부에서 공급된 수소와 산소가 섞이지 않고 각 전극 내부로 균일하게 공급되도록 해주는 부품이다. 전극반응에서 생성된 물을 외부로 원활하게 배출시키는 역할도 한다. 이 금속분리판이야말로 전극막접합체(MEA)와 함께 수소전기차용 연료전지의 핵심 기술이다. 현대차그룹은 양 기술 모두를 독자개발 했고, 이 중 금속분리판을 현대제철에서 만든다.

현대제철 윤용식 친환경차부품개발팀 책임연구원은 "연료전지는 수소와 산소를 분리해 공급하는 동시에 전류를 수집해 전달해야 해 우수한 전기전도성과 열전도성을 가져야 한다"며 "여기에 가스 밀폐성과 내식성, 경량화도 필수적인 고기술 부품"이라고 말했다. 현대제철의 소재 개발 기술력과 생산력이 아니면 소화하기 힘든 분야다.

대부분 자동화 공정인 금속분리판 공장은 마치 반도체 공장을 연상시킨다. 실제로 로딩부터 탈지, 세척, 조립 같은 공정은 투명 유리와 플라스틱으로 밀폐된 공간에서 진행한다. 한치의 이물질도 들어가선 안된다. 여기에 매 공정마다 물 배출성과 전기전도성, 접합성, 기밀성 등 깐깐한 검수 절차가 필수다.

사실 금속분리판 사업은 수소공장보다 더 빨리 진행했다. 개발 착수 시점이 2005년으로 이후 2012년까지 응용기술 및 설비개발이 진행됐다. 2013년에 양산 기술 개발이 이뤄졌고, 2018년부터 비로소 고성능 대량 생산에 들어갔다. 무려 15년의 사업 기간을 거친 가운데 금속분리판의 무게와 부피, 가격은 초기 대비 각각 50%, 65%, 95%씩 줄었다.

이 금속분리판 공장은 '수소경제 핵심 기술의 국산화'라는 점에서도 의미가 남다르다. 현대차그룹은 수소전기차용 연료전지 양대 기술인 금속분리판과 MEA 모두를 독자개발 했다. 윤 책임연구원은 "금속분리판 공장 설비는 100% 국산화를 끝낸 상태"라며 "설계부터 생산 가동까지 모두 국내 기술로 실현 가능하다"고 밝혔다.