수소 경제가 대두화됨에 따라, 그간 '수소를 어떻게 생산할 것인가'에 대한 논의가 활발하게 진행되어 왔다면, 이제는 본격적으로 '수소를 어떻게 이송할 것인가'에 대한 부분도 산업계에서부터 점차 구체화되어 가고 있습니다.
이번 글에서는 산업계, 특히 현재 철강업계에서 논의되고 있는 수송 저장 및 이송에 있어 고려되고 있는 철강 재질에 대한 부분을 정리해보았습니다.
수소 수송 및 저장상의 문제
수소를 수송하거나 저장하는데 있어, 수소가 가진 특징으로 인하여, 기존의 산업재를 사용했을 시에 발생하는 문제는 아래와 같이 크게 2가지로 나누어 볼 수 있습니다.
1. 수소 침식(Hydrogen attack)
수소 침식이란 고온 및 고압의 환경에서 수소 원자가 강재에 침입하여 강재 중의 탄소와 반응하여 메탄을 생성시키는 탈탄 반응을 일컫는 것으로
이러한 탈탄 반응에 의해 생선된 강재에 축적되게 되면, 강재 내에 압력이 작용하게 되어, 특정 시점에서는 강재에 미세균열을 일으켜 기계적 성질을 약화시키는 것을 뜻합니다.
2. 수소 취성(Hydrogen Enbrittlement)
수소 취성이란 공정 중에 발생한 수소가 탄소강의 결정구조(격자구조) 사이를 뜷고 들어가 강재의 늘어나는 성질인 연성과 잡아당기는 힘에 견디는 성질인 인성을 저하시켜 강재의 소성변형(늘어나거나 굽힘이 일어날 때 강재에 발생하는 변형) 없이, 파괴되는 경향이 증대되는 현상을 뜻합니다.
이렇게 고압,고온의 환경에서 수소를 이송 또는 저장 시, 발생할 수 있는 수소 침식과 수소 취성의 문제를 최소화할 수 있는 철강재에 대한 논의가 많이 이루어지고 있는데요.
현재 내수소환경용으로 오스테나이트계 STS(Stainless Steel)가 그나마 상기의 두 가지 문제들에 가장 강한 저항성을 가져 수소 이송 및 보관에 대해 적합한 재질로 사용되고 있습니다.
오스테나이트계 STS의 특징
일반적으로 스테인리스는 철의 부식성을 낮추기 위해 내식성이 뛰어난 크롬을 섞어 합금화한 재질로써, 본래 의도한 성질인 내식성뿐만 아니라, 열전도율이 낮은 성질을 가지고 있어, 보온병이나 고온가스 파이프 등의 열의 출입을 차단하는 금속재료로써 널리 쓰이고 있으며, 이보다 더 고온에도 견디는 우주선의 재료로도 사용되고 있습니다.
스테인리스 강은 주 성분 기준으로 니켈이 함유되었는지에 유무에 따라 1차적으로 Fe-Cr-Ni계와 Fe-Cr계로 나누어지며, 2차적으로는 금속조직상의 형태에 의해 오스테나이트계, 듀플렉스계, 펠라이트계, 그리고 마르텐사이트계로 분류가 됩니다.
이러한 일반적인 스테인리스 강재들 중, 스테인레스 300계인 오스테나이트계 스테인리스 강재는 크롬 18%, 니켈이 8%가 함유된 합금강으로써, 스테인리스 강재 계열에서는 가장 널리 사용되고 있는 계열이기도 하며 일반 강재에 크롬뿐만 아니라 니켈까지 첨가하여 만든 합금강으로써, 가공성, 용접성, 내식성이 우수한 것으로 알려져있습니다.
위의 표는 오스테나이트계 스테인리스 스틸의 대표적인 강종을 정리한 것인데, 이들 강재들 중 내식성이 상대적으로 뛰어난 'STS304L'과 'STS316L'이 현재로써는 수소에 가장 뛰어난 저항성을 지닌 것으로 평가받고 있습니다.
그 이유는 강재명에 'L'이 붙는 이유이기도 한 'Low carbon'이라고 하는 강재내에 탄소 함유량이 낮기 때문인데요. 탄소가 낮으면 서두에서 언급한 탄소와 수소가 만나 메탄을 만드는 수소 침식현상을 덜 야기시킬 수 있기 때문입니다.
타 국가의 수소 운송 파이프 라인 사례
참고로, 이미 일본의 경우, 일본 고압가스 보안법에 의해 20 MPa를 초과하는 압축 수소 통과 부분은 우리나라의 STS306/306L가 동급 재질인 SUS316/316L, 또는 Cr-Mo(SCM432), 등의 강재를 사용할 것을 권장하고 있습니다.
미국의 경우는 2020년 현재 2600KM의 수소배관을 설치하여 운영 중으로, 대부분의 수소 배관 중 약 94%는 텍사스, 루이지애나 및 엘라배마주 등 멕시코만 근처 정유시설에서 발생하는 부생 수소를 운용하기 위해 설치한 파이프 라인입니다.
그러나 글의 서두에 밝힌 수소의 침식과 취성 문제로 수소를 20% 이내로 메테인과 섞은 블랜딩 방식으로 운송하고 있으며, 고순도 수소를 이송하기 위한 파이프라인을 구축하기 위해 재질 연구에 투자 중인 것으로 알려져 있습니다.
http://www.amenews.kr/m/view.php?idx=45978&mcode=
美, 청정수소 에너지 기술개발 5250만불 투자
미국이 수전해 등 친환경 수소 기술개발에 박차를 가함에 따라 수소차와 연료전지에 강점을 지니고 있는 우리나라가 적극적인 협력에 나설 필요가 있는 것으로 나타났다. 미국 에너지부(Departmen
www.amenews.kr
현재 미국에서의 수소 전용 이송 및 저장에 관한 강재 재질은 확정되지는 않았으나, 2017년 미국 에너지부에서 작성한 '수소 수송 로드맵'에 따르면, 수소 액화 저장의 경우, NASA에서 사용했던 방식으로써 외관은 탄소강(SA516) 안쪽은 스테인리스 강(TYPE304)를 언급하였습니다만, 수송의 경우, 미국 규격인 API 5L에서 분류한 X52~X80까지의 강도 범위에 있는 강재는 수소 취성 내성이 유사하다는 연구 결과가 나왔으며, 현재 'X100'이라고 불리는 새로운 고강도 강재를 개발하고 있는 중입니다.
다음 글에서는 각 수소 생산-수송-저장 수단별 사용이 고려되고 있는 스테인리스 철강재에 대해서 정리하도록 하겠습니다.
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