[김종대의 스틸스토리] 녹색 수소 없는 '녹색 강철' 가능할까?

지금 전 세계의 고로메이커들은 탈탄소화에 엄청난 자금을 투입하고 있다. 누가 먼저 탈탄소화를 이룰 것인가는 매우 중대한 과제이다. 유럽 각국들은 정부와 지자체까지 나서서 탈탄소화를 지원하고 있다. 그러나 탈탄소를 위한 기술과 선택을 아직 내리지 못한 철강 기업들이 대부분이다.

글로벌 금속 기술 솔루션 기업인 보스톤 메탈은 최근 청정 전기로 탄소를 더 줄일 수 있는 기술을 발표했다. 보스턴 메탈은 철강 생산 공정에 청정 전기로 직접 동력을 공급함으로써 제철소의 탄소 배출량을 줄일 것을 적극 검토하고 있다.
탈탄산화는 전기와 관련된 창의적인 용도를 찾는 것으로 귀결된다. 방법은 간단하다. 전통적인 방식의 화석연료 대신 깨끗한 전기를 사용하는 것이다. 예를 들어 내연기관 엔진을 바람과 태양열 그리드에서 충전된 배터리로 교환하면, 깨끗한 전력으로 달리는 전기자동차가 생겨나게 된다.

지금 전 세계의 고로메이커들은 탈탄소화에 엄청난 자금을 투입하고 있다. 누가 먼저 탈탄소화를 이룰 것인가는 철강강자의 순위를 바꿀 수 있는 중대한 과제이다. 정부와 지자체까지 나서서 탈탄소화를 지원하고 있는 이즈음에 어떤 기술과 선택으로 탈탄소화를 진행해야 하는지 보스톤 메탈의 탈탄소화 과정을 깊이 있게 알아볼 필요가 있다. <편집자 주>

철강 생산과 같은 중공업 메이커들에게는 탈탄소화를 말하기가 훨씬 쉽다. 해결책 중의 하나는 녹색 수소에 의존하는 것이다. 깨끗한 전기를 이용해 수소를 생산한 뒤 수소를 연소시켜 강철을 만들 수 있다. 부산물로 물만 있으면 된다. 스웨덴의 한 합작회사는 아직 상대적으로 적은 양이지만 이 방법을 사용하여 이미 무(無)화석 강철을 생산하고 있다.

MIT 스핀아웃 보스턴메탈은 그린 하이드로그렌 단계를 없애고 강철을 직접 만드는 데 전기를 사용함으로써 공정을 간소화하는 것을 목표로 하고 있다. 이 공정은 강철 생산 공정에서 중요한 단계인 철광석에서 산소를 분리하기 위해 전류를 사용하는 녹은 산화물 전기분해라는 기술을 기반으로 한다.

아담 라우워딩크 보스턴메탈 사업개발담당 부사장은 "철강 생산에 직접 전기를 공급하는 1단계 공정이라는 것이 우리가 가진 장점"이라고 말했다.

보스턴 메탈은 이미 여러 산업연합 및 기업벤처그룹과 함께 브레이크 스로우 에너지 벤처스(Breakthrough Energy Ventures), 더 엔진, 프레전트벤처스(Prelude Ventures), 에너지 임팩트 파트너스와 같은 대형 기후 기술 기업들로부터 8500만 달러를 모금했다. 2024년 또는 2025년까지 첫 상업용 철강 공장을 지은 뒤 주요 철강 생산 업체에 기술 허가를 내주는 것이 목표다.

철강 산업의 탄소를 제거하는 것은 기후 변화에 대처하는 데 있어 주요한 장애물이다. 철강 생산은 전 세계 온실가스 배출량의 거의 7%를 차지하며, 이는 전 세계 도로 위의 모든 자동차의 연간 배출량과 거의 맞먹는다. 그러나 강철은 자동차를 만드는 데도 사용되기 때문에 이러한 영향이 겹친다. 기후 변화에 있어서 철강은 어디에나 있기 때문에 왜 그렇게 중요한지 바로 그 핵심을 찌르고 있다.

비영리 연구 기관 RMI의 기후 인텔리전스 매니저인 채투리카 가마게는 "주변 풍경을 보면 강철이 사회에 얼마나 박혀 있고 새겨져 있는지 알 수 없다"며 "우리가 만드는 모든 것, 우리가 있는 모든 건물, 철강은 말 그대로 모든 공간에 구조적 안정성을 제공하고 있다"고 말했다.

전통적인 방법으로 1톤의 강철을 생산하면 거의 2톤의 이산화탄소가 대기 중으로 방출되고, 세계는 매년 거의 20억 톤의 강철을 사용한다.

단기적으로는 기존 강철을 전기로 녹여 재사용할 수 있어서 새 제품의 필요성을 대체할 수 있다. 그러나 재활용 철강은 특정 고급 용도에 적합하지 않고, 더 중요한 것은 수요를 충족시키기에 충분하지 않기 때문에 세계의 철강 수요의 대부분은 일차 생산으로만 충족될 수 있다.

강철을 만드는 전통적인 방법은 철광석을 매우 높은 온도(섭씨 1500도 이상)에서 녹인 다음 산화철을 순수한 철로 정제하고 소량의 탄소로 강화시키는 것이다. 이것은 서로 다른 단계에서 탄소를 방출하는 복잡한 과정이다.

일부 배출물은 가열 과정에서 나오는데, 보통 코크스라고 불리는 열 정제된 형태의 석탄을 태우는 것을 포함한다. 코크스에서 나온 탄소의 일부가 철로 녹아들어 철이 된다. 또 다른 방출 덩어리는 산화철이 화학적으로 결합된 산소를 정제할 때 발생하는 화학 반응에서 발생한다. 그 산소는 용해된 탄소와 반응하여 이산화탄소 가스로 분해된다.

배출량의 절반 이상은 공정에 사용되는 단일 장비인 용광로에서 나온다. 용광로는 철광석이 선철이라고 불리는 형태로 변환된다.

철강 산업의 탄소를 제거하는 것은 기본적으로 용광로의 탄소를 제거하는 것을 의미한다. 용광로 문제만 해결한다면, 탄소배출 문제의 절반은 사라지게 될 것이다.

콜롬비아의 판 교수팀은 지난해 철강 탈탄소를 위한 여러 전략을 비교한 연구를 발표했는데, 전기화가 배출을 최소화하는 열쇠라는 것을 발견했다. 그 과정이 석탄과 다른 화석연료를 태우는 대신 깨끗한 전기를 더 많이 이용할수록, 배출을 줄이는 것이 더 쉬워진다.

판 교수는 "용광로를 탈탄산화하는 방법보다 그리드를 탈탄산화하는 방법을 더 잘 알고 있다"고 말했다.

콜럼비아주 연구는 녹색 수소가 철의 탄소를 제거하는 가장 유망한 경로로 보이며, 용광로에서 나오는 배출물을 줄이는 핵심 단계로 수소로 구동되는 철의 직접적인 감소가 있다. 이 공정은 현재 유럽의 녹색 철강 프로젝트에 사용되고 있다. 중국의 규모가 큰 철강 회사들 중 일부도 그것을 탐험하고 있다.

녹은 산화물 전기분해(Boston Metal에 의해 사용된 기술)는 분석에서 고려되지 않았다. 저자들은 이것이 포함되기에는 너무 초기라고 생각했다.

깨끗한 전기를 사용하여 강철을 생산할 수 있는 더 많은 선택권의 필요성은 보스턴 금속이 매사추세츠 공과대학교의 실험실에서 수년 전에 개발되었던 기술을 상업화하도록 자극했다.

보스턴메탈의 라우베르딩크는 "10~20년 전만 해도 그리드가 깨끗하지 않아 활용되지 못했고 녹색 버전의 강철 수요도 없었지만 지금은 두 가지 모두 구할 수 있다"고 말했다.


전기를 이용해 금속을 정제하는 핵심 원리는 오래전부터 있었다. 사실, 전기분해는 100년 이상 알루미늄을 만드는 데 있어 중요한 부분이었다. 보스턴메탈의 녹은 산화물 전기분해 공정은 이 기술을 철에 적용하는데, 철은 더 뜨거운 온도가 필요하다. 알루미늄 전기분해는 섭씨 1000도 바로 아래의 온도에서 일어나는 반면 철 전기분해는 녹은 용암보다 훨씬 뜨거운 약 1600°C가 필요하다.

우선, 철광석은 전기로부터 생성된 열로 녹인다. 그리고 나서 그것은 거대한 배터리처럼 구조화된 세포에 넣어진다. 위쪽에는 양극이 전하를 공급한다. 바닥에서 음극은 전하를 받는다. 그 사이에 전하가 전해질을 통해 흐르게 되는데, 이 경우에는 용융된 물질의 열탕이 된다. 전해질에는 알루미늄, 실리콘, 칼슘 등 산소와 결합된 다양한 원소가 함유되어 있다.

이 산화물은 모두 산화철보다 안정성이 높아 전하에 노출되면 산화철이 가장 먼저 분리돼 순수한 산소와 철로 분해된다. 여전히 액화된 철은 바닥으로 가라앉아 강철로 변한다.

보스턴메탈에 따르면 전해질 구성은 이 기술의 결정적 장점이다. 전해질의 다른 모든 원소들은 철광석에도 불순물로 존재하지만, 순수한 철이 제거된 후에도 전해질에 남아 있다. 불순물이 적은 고등급 광석보다 저렴하고 풍부한 저등급 철광석에서도 공정이 작동한다는 의미다.

라우베르딩크는 "그린스틸을 제조하기 위해 개발되고 있는 다른 기술들 중 일부는 초프리미엄 등급의 광석을 필요로 한다. 장기적으로 기술을 성장시키는 핵심 요소인 훨씬 더 풍부한 등급의 광석을 모두 활용할 수 있다"고 말한다.


용해된 산화물 전기분해는 철의 직접적인 감소에 비해 효율성의 또 다른 장점이다. 그 이유는 상당히 직관적이다. 용융 산화물 전기분해(MOE)는 수소 단계를 차단해 철강 생산에 직접 에너지를 투입해 에너지가 손실될 수 있는 중간 단계를 제거한다.

MOE는 수소 기반 생산보다 높은 온도를 요구하기 때문에 이점을 갉아먹지만, MOE는 여전히 더 효율적이게 된다. 콜롬비아의 친환경 철강 전문가인 팬(Fan)은 녹색 수소를 사용하여 녹색 강철을 만드는 것은 MOE보다 최소 30%, 아마도 50~60% 더 많은 에너지를 필요로 한다고 추정한다.

그는 "이러한 프로세스를 건너뛰면 실제로 많은 효율성 향상을 얻을 수 있다"고 말했다.


여전히 MOE의 기술적 이점은 이 기술이 실제로 의미 있는 양의 강철을 생산하는 데 사용될 때까지는 큰 의미가 없다.

상업용 공장은 매년 수백만 톤의 강철을 생산할 수 있다. 계속 가동하면 보스턴메탈의 첫 실증 셀은 연간 100톤 미만의 철강을 생산할 예정이어서 갈 길이 멀다.

RMI의 가마게(Gamage)는 "그것은 단지 세포들을 모으는 것이고, 그래서 그것이 얼마나 확장될 수 있는지에 대한 증거는 푸딩에 있다"고 지적한다.

철강 사업에서 규모도 중요하지만 이미 구축된 자본집약형 시스템을 활용할 수 있다는 점도 중요하다. 녹색 수소는 철의 직접적인 환원 과정과 호환되기 때문에 이 부분에서 유리한 위치를 점하고 있는데 이미 천연 가스와 상업적인 규모로 사용되고 있다.

천연가스와 수소를 맞바꾸는 것은 비교적 쉽다. SSAB, 아르셀로미탈 등 주요 철강 생산업체들이 단기 계획을 위해 그린수소에 주력한 것도 이 때문이다.

판은 "우리는 여기서 시간을 보내고 있다. 만약 2050년까지 탄소를 완전히 없애려면 생산단위에 대해 생각해봐야 한다"고 말한다.


김종대 글로벌철강문화원 원장