수소 경제: 가치 사슬의 다양한 부문에 대응하는 스테인리스강 등급 매핑

수소 경제: 가치 사슬의 다양한 부문에 대응하는 스테인리스강 등급 매핑

저탄소 미래로의 전환은 빠르게 진행되고 있으며, 수소는 중추적인 역할을 하게 될 전망입니다. 그러나 수소는 담금 및 취급이 매우 까다로운 원소로 알려져 있어 특별한 과제를 안겨줍니다. 분자 크기가 작아 누출되기 쉬우며, 특정 조건에서는 일반 금속에 치명적인 취화 현상을 유발해 부품 손상으로 이어질 수 있습니다.

이러한 이유로 소재 선정이 매우 중요해집니다. 우수한 내식성과 기계적 특성을 지닌 스테인리스강은 수소 경제 실현의 핵심 요소입니다. 하지만 모든 스테인리스강이 동일한 것은 아닙니다. 잘못된 등급을 선택할 경우 안전 위험, 가동 중단 및 고비용 수리가 발생할 수 있습니다.

이 기사에서는 생산에서부터 최종 사용에 이르는 수소 밸류체인의 특정 부품에 맞는 스테인리스강 등급을 실용적으로 안내함으로써 과도한 설계 비용 없이 신뢰성과 안전성을 보장합니다.

핵심 과제: 수소취성(Hydrogen Embrittlement)

등급을 선택하기 전에 먼저 이해해야 할 적은 다음과 같습니다: 수소취성(HE) . 수소취성은 원자 상태의 수소가 금속 내부로 확산되어 연성과 파단 인성을 저하시키는 현상입니다. 이는 재료의 항복 강도보다 훨씬 낮은 응력 조건에서도 균열과 파손을 유발할 수 있습니다. 수소취성에 영향을 주는 주요 요인은 다음과 같습니다:

• 수소 압력: 압력이 높을수록 수소 흡수가 증가합니다.

• 온도: 위험은 주변 온도에서 가장 높으며, 매우 높은 온도 또는 초저온에서는 감소합니다.

• 재료 미세조직: 오스테나이트계 스테인리스강(예: 304, 316)은 체심입방(FCC) 구조로 인해 마르텐사이트계 또는 페라이트계 강에 비해 수소취성(HIC)에 일반적으로 훨씬 더 강합니다.

이 점을 염두에 두고, 각 등급을 가치사슬에 매핑해 봅시다.

수소 가치사슬 전반에 걸친 스테인리스강 선정

1. 생산: 전기분해

녹색 수소는 전기분해 장치(PEM, 알카라인, SOEC)를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해함으로써 생산됩니다.

• 주요 환경: 탈이온수, 산소, 수소, 그리고 수산화칼륨(KOH)과 같은 고농도 전해질이 고온에서 노출되는 환경.

• 주요 우려사항: 일반 부식, 피팅 부식 및 응력 부식 균열(SCC).

• 추천 등급:

  • 쌍극판: 316L이 종종 기준 등급이다. 몰리브덴 성분은 피팅 부식에 대한 저항성을 향상시킨다. 보다 공격적인 환경 조건 또는 더 긴 수명이 요구되는 경우에는 2205(UNS S32205)와 같은 이중상 스테인리스강 이 뛰어난 강도와 염화물 SCC에 대한 탁월한 저항성을 제공한다.

  • 내부 부품 및 케이싱:  304L 또는 316L 대부분 구조 부품에는 가장 부식이 심한 환경에 직접 노출되지 않는다는 점에서 충분하다.

2. 액화 및 저장

수소는 운송을 위한 실현 가능한 에너지 밀도를 확보하기 위해 흔히 -253°C(-423°F)에서 액화된다.

• 주요 환경: 극저온 온도, 고압.

• 주요 우려사항: 극한의 극저온 온도에서 인성과 연성을 유지함. 취성화로 인한 누출은 최우선적인 안전 문제입니다.

• 추천 등급:

  • 저온 저장 용기 및 배관:  오스테나이트계 스테인리스강이 이 분야에서 압도적인 선택입니다. FCC 구조는 극저온에서도 뛰어난 인성을 유지합니다.

    • 304L(UNS S30403) 내부 탱크, 배관, 밸브에 사용되는 가장 일반적이고 경제적인 소재입니다.

    • 316L (UNS S31603) 몰리브덴으로 인해 추가적인 내식성이 요구되는 경우에 사용됩니다.

    • 고니켈 합금(예: 304LN, 316LN): "L"(저탄소) 등급은 감도화를 방지하기 위해 필수적입니다. "N"(질소 첨가) 등급은 경량 용기에서 고압을 견디는 데 더 높은 강도를 제공합니다.

3. 운송 및 유통

이에는 극저온 탱커를 통해 액화수소(LH2)를 운송하거나 튜브 트레일러 및 파이프라인을 통해 압축 수소(CGH2)를 운송하는 것이 포함됩니다.

• 주요 환경: 반복 압력 하중, 외부 부식(예: 도로 염분) 가능성, LH2의 경우 극저온 상태

• 주요 우려사항: 고압 용기(CGH2)의 경우 피로 저항성, 기계적 강도, 내식성

• 추천 등급:

  • 튜브 트레일러 실린더(CGH2, 250~500+ bar): 고압 용기는 일반적으로 크롬-몰리브덴 강철(예: 4130X) 복합재료로 감싸여 제작되지만, 수소와 접촉하는 내부 라이너 또는 구성 부품에는 316L 수소취화(HE) 저항성을 활용할 수 있습니다.

  • 밸브, 피팅 및 배관:  316L 는 전반적인 성능이 우수하여 표준입니다. 보다 혹독한 작업 조건에는 이중상 스테인리스강 2205 가 항복 강도가 두 배로 높아 더 얇고 가벼운 부품 제작이 가능합니다. 이는 이동식 운송 수단에서 매우 중요한 요소입니다.

  • 수소 배관: 수소 전용으로 신설되는 배관의 경우 316L과 같은 오스테나이트계 스테인리스강 이 최적의 선택입니다. 기존의 천연가스 배관망(일반적으로 탄소강 사용)은 수소 취성(HE) 위험으로 인해 대대적인 개수 없이는 수소 배관으로는 적합하지 않습니다.

4. 수소 충전소 및 최종 사용 분야

이는 연료전지 차량용 수소 충전소(HRS) 및 연료전지 자체를 포함합니다.

• 주요 환경: 고압 수소(차량용 700bar), 피로 하중(빈번한 충전 사이클), 주변 온도.

• 주요 우려사항: 극한의 피로 저항성과 고압 사이클링 조건에서 수소 취성에 대한 최대 저항성.

• 추천 등급:

  • 저장 탱크(충전소): 운반 장비와 마찬가지로 이들 역시 고강도 기반 소재(예: Cr-Mo 강 및 복합재료)를 사용하는 고압 용기입니다. 내면에는 수소 취성 저항성이 있는 소재가 필요합니다.

  • 밸브, 압축기 및 고압 배관: 이 영역은 충전소 내에서 소재 선정이 가장 중요한 부분입니다.

    • 316L 는 최소한의 기준이며 널리 사용되고 있습니다.

    • **성능 등급: 최고의 신뢰성과 안전 마진을 위해 316L보다 현저히 높은 인장강도를 가지며 수소 취성 및 갈링(galling)에 우수한 저항성을 갖춘 고강도 오스테나이트계 합금인 Nitronik 50(XM-19, UNS S20910) 또는 Nitronik 60(UNS S21800) 등이 자주 적용됩니다. 이들 질소 강화 오스테나이트계 스테인리스강은 밸브 시트와 스템에서 필수적인 특성인 수소 취성 및 갈링 저항성을 유지하면서 316L보다 훨씬 높은 항복강도를 제공합니다.

  • 연료 전지 스택: 연료 전지 내에서 316L 일반적으로 이중극판에 사용되지만, 무게와 비용을 줄이기 위해 코팅된 금속 및 복합재료로의 전환이 뚜렷한 추세입니다.

요약 표: 빠른 참조 가이드

결론: 소재 중심의 기반

수소 경제는 재료 과학의 기반 위에 구축된다. 스테인리스강은 단일한 해결책이 아니라 핵심이 되는 소재들의 집합체이다. 올바른 소재 선정은 안전하고 효율적이며 경제적인 수소 시스템 설계에서 필수적인 요소이다.

특정 환경에 맞는 적절한 소재 등급을 매칭하는 것이 성공의 열쇠이다. 전해조의 부식성 전해질이든 저장 탱크의 극저온 액체이든, 또는 충전소의 초고압 가스이든 상관없이 말이다. 304L과 316L이 주력 소재로 사용되겠지만, 엔지니어들은 위험을 완화시키고 장기적인 운전 신뢰성을 보장하기 위해 이중상계 또는 질소 강화 오스테나이트계와 같은 고급 소재 등급을 선택해야 할 때를 정확히 알아야 한다. 오늘날의 현명한 소재 선택은 내일의 더 신뢰성 있고 확장 가능한 수소 미래를 구축하는 것이다.