수소 및 연료전지와 금속가공, 기계제조 분야의 기회 

수소 생태계 안에서 금속가공 및 기계 제조는 필수요소

수소 생성, 에너지 운송, 저장 등에서 가공기계 산업 활약 기대   

환경친화적인 미래 에너지로써 수소의 시장가치는 매우 높게 평가받고 있다. 수소 에너지의 완전한 상용화를 위한 다양한 연구개발과 시도는 끊임없이 진행되고 있다. 금속가공 및 기계 제조 분야에서도 수소 산업의 활성화는 새로운 비즈니스 창출의 기회가 될 것으로 전망된다. 독일공작기계협회의 기술 보고서(’23.8.25)를 통해 수소산업과 금속가공 및 기계제조의 연관성을 살펴봤다.

탈탄소 시대를 주도할 친환경 수소 에너지

수소는 에너지 운반체이자 저장 수단으로서 에너지 전환 시대에 중추적인 역할을 하게 될 것으로 보인다. 수소의 생성부터 시작해서 운송을 거쳐 연료전지에 사용되기까지 전체 과정을 살펴보면 광범위한 금속 가공과 압축기 및 밸브 등과 같은 기계 부품이 필요하다. 즉 이말은 수소에너지 활성화가 제조 및 금속가공 산업 분야에 다양한 가치 창출과 비즈니스 기회를 제공할 수 있다는 의미다. 현재 수소 생산 규모가 확대됨에 따라 운송 및 저장 인프라 구축에 대한 필요성도 커지면서 관련 산업에서 수요가 증가할 것으로 전망된다. 수소는 또한 합성 연료 생성에서 핵심적인 역할을 차지하고 있으며, 이동식 및 고정식 연료전지 애플리케이션 모두에 적용될 수 있어 상당한 시장 잠재력을 갖고 있다. 

머지않아 수소는 에너지 운송과 특정 저장 매개 차원에서 에너지 전환이라는 획기적 과제에서 매우 중요한 부분을 차지할 것으로 보인다. 수소가 에너지로 활용되기까지는 수소의 생성에서 출발해 운송 및 저장이라는 과정을 거치고, 최종적으로 연료전지에 사용되는 것이 일반적이다. 이러한 수소가 에너지로 활용되기까지의 경로가 제조 기술 분야에 매우 다양한 기회를 제공할 것이다. 

수소 에너지에서 필수적인 금속가공 및 기계 제조

전기분해 과정이라고 할 수 있는 수소 생성 과정을 살펴보면 물은 전기 에너지를 통해 수소와 산소로 변환된다. 전기 분해 과정에서는 실질적인 화학적 전환이 발생하는 전기분해 플랜트 스택(Plant stack)이 중요한 역할을 한다. 이 스택 내에는 양극판(bipolar plate)과 경판(end plate)이 존재하는데, 이러한 판(plate) 생산 작업에서 광범위하고 정밀한 금속 가공 작업이 요구된다.

수소 에너지의 시작이라고 할 수 있는 전기분해 과정에서부터 제조업 및 공작기계 산업의 기술력이 접목되어야 한다. 스택(stack) 외에도 압축기, 펌프, 파이프 라인, 밸브, 탱크 및 전자 장치 등에도 수많은 종류의 기계 부품이 필요하다. 금속 가공 및 기계 제조 작업이 적용되는 주요 영역은 소위 말하는 BOP(Blance of Plant)에 해당한다고 할 수 있다. BOP는 전체 플랜트를 구성하는 설비 중에서 주기기를 제외한 나머지 설비를 지칭하거나 혹은 기기 전체를 통칭하는 의미다.

수소 생산량이 증가하면서 운송 및 저장 용량 또한 늘어날 것으로 보인다. 수소는 운송량과 운송거리에 따라 파이프라인, 트럭 또는 선박이 운송 수단으로 사용되고 있다. 현재로서는 수소 운송을 위한 파이프라인 네트워크가 확장되어야 할 것으로 보인다. 수소는 액체 또는 기체 등의 상태(aggregate state)에 따라 운송에는 펌프, 압축기, 더불어 운송 시 냉각을 위한 열교환기 등이 필요하다. 

수소 생산이라는 기술적 측면에서 봤을 때 없어서는 안될 이런 부품들 외에도 파이프 생산 및 가공 기술은 수소 산업 생태계의 시작을 위해서는 필수적이다. 선박 및 트럭과 같은 수소 운송수단이나 신규 파이프라인 건설을 위한 건설기계류 등의 부가적 수요가 발생됨과 동시에 관련 산업에서도 간접적인 수요 효과가 발생할 것으로 보인다. 

수소 충전소 등 수소 생태계 인프라는 새로운 기회

수소를 활용해서 에너지를 저장할 경우 배터리를 이용하여 저장하는 경우보다 5배 이상 비용이 절감된다. 수소는 다양한 방법으로, 특히 대형 가압 탱크에 기체 또는 액체 형태로 저장할 수 있다. 이 과정에서 프로세스 전환의 이점을 누릴 수 있다. 수소 충전소는 새롭게 부상하고 있는 수소 생태계 인프라에서 매우 중요한 부분을 차지한다. 차량에 수소를 사용하려면 압력 탱크, 압축기 및 디스펜서가 있는 충전소가 필요한 상황이다. 

수소 활용 측면에서 합성연료(e-fuels) 또한 나름의 역할을 할 것이다. 소위 P2X(Power-to-X) 플랜트는 전기분해를 통해 전기와 물을 수소로 변환한 다음, 합성연료로 변환한다. 참고로 P2X는 전기에너지를 합성연료, 메탄, 열 등 다른 형태로 저장하는 방식을 지칭한다. 운송 및 물류부문의 완전한 탈탄소화 측면에서 봤을 때 합성연료(e-fules)는 항공, 해상 운송 등 일부 운송 부문에 대안이 될 것이다. 수소 영역과 관련해 제조부문은 일반적으로 주로 성형 제조가 필요한 플랜트 엔지니어링에 중점을 둔다. 그럼에도 플랜트에 수소를 공급하는 데에는 펌프, 열 교환기 및 압축기도 사용되기 때문에 전반적으로 금속 가공 및 제조 분야에서 해당 구성 요소에 대한 요구 사항도 늘어나고 있다. 

냉각시스템, 탱크 등 수소 영역에서 금속가공 공정 요구

이동식 및 고정식 연료전지에는 제조 기술과 관련된 많은 구성 요소들이 포함되어 있다. 반면, 연료전지 산업 규모가 커질수록 그에 상응하는 규모의 경제가 발생하기 때문에 차량용 제조 기술 분야에서 가장 큰 시장 잠재력을 제공한다. 연료전지의 경우 전기차에 적용되는 것 이외에도 다른 영역에서 역할을 할 수 있다. 버스와 같은 상용차, 특히 중형 및 대형 트럭에서는 특별한 역할을 한다. 장거리 주행의 경우 무겁고 비싼 배터리를 차량에 설치하는 것보다 연료전지를 사용하는 것이 합리적이다. 특히 수소 생산 기술과 관련된 구성 요소는 원칙적으로 전기분해를 위한 것이다. 선삭, 밀링, 연삭과 같은 기계 가공 공정의 경우 공기, 수소 및 냉각 시스템(압축기, 밸브, 분배기, 인젝터 등), 수소 탱크와 같은 주변 요소의 가공 및 제조과정은 특히 시장 잠재력이 크다. 이러한 가공 및 제조 과정의 출발은 성형 가공 및 스탬핑(stamping) 공정에서부터 시작되지만, 성형과 스팸팅 작업에서 가장 큰 부분을 차지하는 것은 연료전지 스택(stack) 자체 내부의 양극판 가공이다. 여기에는 레이저 기술 또한 널리 사용된다. 

현재 전기 및 열 생산을 위한 수소 연료전지 충전소의 경우에도 점점 더 사용 사례가 증가하고 있다. 주거 부문의 가정용 에너지 공급이나 산업용 및 상업용 시스템 등에 사용되고 있다. 여기에서도 앞서 언급한 제조 및 금속가공을 통한 구성 요소들이 중요한 역할을 하고 있다.