[김종대의 스틸스토리] 한·중·일과 OECD국가의 제련공정 예측

철강 산업은 탄소 집약적인 산업으로, 2020년 전 세계 CO₂ 배출량의 약 7%를 차지한다. 철강 산업의 CO₂ 배출은 용광로에 투입되는 철광석을 녹이는 과정에서 과다하게 발생한다.

최근 유럽 국가들을 중심으로 직접환원철을 이용한 전기로 설비로의 전환이 추진되고 있다. 직접 환원된 철-전기로 공정의 탄소강도는 종래의 고로-전로 공정보다 낮으며, 재생에너지 즉 고철을 원료로 이용하여 전기로에 전력을 공급함으로써 탄소강도를 더욱 낮출 수 있기 때문이다.
직접 환원된 철을 생산하는데 있어서 수소를 유일한 환원제로 사용하는 것은 소규모로 입증되었고, 반면에 전해 수소(전기를 사용하여 물을 산소와 수소로 나누는 과정에 의해 생성되는 물질을 생산하기 위한 재생 에너지의 사용은 강철을 탈탄화하려는 노력에 중요한 역할을 할 것이다.


대부분의 국가들은 철광석으로부터 완제품을 생산하는 여러 가지 단계 중에서 두 가지에 초점을 맞추고 있다. 석탄 기반의 고탄소 고로 용해로 생산 공정이 첫 번째이다. 그 다음으로는 저탄소 전기로 생산 공정이다. 후자는 보통 강철을 만들기 위해 고철을 사용한다.

강철 생산에서 수소의 사용이 반드시 철강 산업의 탈탄소화로 직접적으로 이어지는 것은 아니다. 2018년 화석연료 균열 기준 수소 생산량은 전 세계 생산량의 약 99%를 차지했다. 이 중 76%가 천연가스, 23%가 석탄에서 나왔다.

나머지 1%는 전해 과정에 의해 생산된다. 천연가스의 개선(reforming)을 통해 생산된 수소는 재생 가능한 원천으로부터 수전해로 수소를 생산하는 것에 비해 탄소 발자국이 크다.

현재, 천연가스의 개선은 수소를 생산하는 주요 방법이며, 전해에 의해 생산되는 거의 모든 수소는 염소 산업에서 염소-알칼리 생산의 부산물이다. 재생 에너지로 구동되는 전해 수소는 향후 몇 년 동안 철강 산업을 탈탄소화 시키는 열쇠가 될 것이다.

중국, 일본, 한국, OECD 유럽 4개국은 철강 산업의 규모, 철강 산업의 구성 또는 철강 생산의 탈탄소화 계획을 발표했다. 이 국가들의 탄탄소화 전략을 살펴보자.


중국에서는 세계 조강의 절반이 생산되고 있다. 따라서 세계 철강 생산 방식을 바꾸기 위한 어떤 노력에도 중요한 역할을 하게 된다. 2019년 기준으로 중국의 철강 생산은 석탄에 크게 의존하고 있다. 주로 용광로와 컨버터를 갖춘 통합 제철소를 통해 조강의 거의 90%를 생산하고 있다.

그러나 제철소는 사용 후 약 25년이 지나야 추가 투자가 시작된다. 용광로 라이닝 교체와 40년 수명 달성 등의 결정을 내리게 된다. 이 오버홀의 비용은 새로운 고로 비용의 약 절반이다. 고로의 라이닝 교체는 고로를 장기간 정지해야 하는 단점을 갖는다.

중국 철강회사들이 내화 라이닝을 대체하는 대신 용광로의 사용을 중단하기로 결정한다면, 대체 기술로 전환하는 것이 더 빠를 수 있다.

중국 철강 산업의 빠른 발전은 2000년경에 시작되었다. 중국의 철강 산업은 도시 지역들이 많은 양의 강철을 필요로 하는 새로운 인프라와 고층 빌딩을 건설하는 것을 도우면서 탄력을 받고 있다.

철강제품은 사용수명이 길어 산업화 이후 중국에서 생산된 철강제품 대부분이 여전히 중장비, 교량, 건설 등에 사용되고 있고, 고철은 소량만 재활용할 수 있다는 의미다. 하지만, 앞으로 몇 년 안에, 중국이 재활용에 사용할 수 있는 더 많은 고철을 갖게 될 것이다.

이것은 석탄에 사용되는 조강철의 비율을 줄이는 데 도움이 된다. 게다가, 철강 산업을 포함한 중국의 중공업의 탈탄소화는 중국이 공언한 순탄소 목표를 달성하는 데 도움이 될 것이다.

중국의 전기로에서 생산되는 조강 비율은 2020년 약 13%에서 2050년에는 50%로 증가할 것이다. 중국에서, 강철 생산 방법의 대규모 전환은 매우 어려울 것이다. 정상적인 폐기에 앞서 많은 수의 산소 변환기를 폐기해야 한다.

또 다른 과제는 전기로의 수를 확대하고, 전해 수소를 생산하고 전기로에 전력을 공급하는 데 필요한 많은 양의 태양 에너지 및 풍력에 대한 투자를 늘리는 것이다. 그럼에도 불구하고, 세계 철강 산업에서 차지하는 중국의 비중을 감안할 때, 중국 철강 산업의 전환 시나리오는 에너지 지형에 더 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.


양국은 철강 생산을 위해 주로 용광로와 컨버터에 의존하는 철강 산업이 잘 구축되어 있다. 두 나라 철강 산업의 에너지 소비는 더 많은 전기로를 통해 생산함으로써 능동적으로 변화할 수 있다. 또 공식적으로 탈탄소화(DECARB) 달성을 약속했다.

일본은 에너지 경제를 탄소 포집 및 저장(CCS)과 재생에너지를 기반으로 한 수소에 의존하는 에너지로 전환하고, 전해 수소 기반 직접 환원철을 일본 기업의 전체 목표 구성 요소로 만들겠다고 약속했다.

산업계도 참여하는 수소경제에 투자를 주도했다. 한국은 온실 가스 배출을 억제하기 위한 노력으로 수소 경제 로드맵을 개략적으로 제시했다. 포스코가 이끄는 한국 철강 산업은 그 노력의 일환으로 수소 생산 능력을 구축하기 위한 계획을 발표했다.

2019년 일본은 철강 제품을 생산하기 위해 고효율 고로들을 주로 사용했으며, 이는 일본 조강의 76%가 고로 용해 공정을 통해 생산되었다.

그러나 일본은 성숙한 경제국이고 예측 기간 동안 많은 기반시설을 폐기해야 하는데 이는 고철 공급이 높은 수준을 유지할 것이라는 것을 의미하며 이는 저탄소에 의한 철강 생산(탄소발자국 감소)을 지원할 수 있다는 것을 의미한다.

한국은 일본과 마찬가지로 고효율 용광로를 주로 사용해 고준위 철강제품을 생산하고 있으며, 2019년 한국에서 생산되는 조강 중 68%가 고로용광 공정에서 나왔다.

일본은 이러한 시나리오에서 가정한 전해질 생산 수소를 달성하는 과제에 직면해 있다. 중국, 일본 한국, OECD국가 중에서 산업용 전기요금이 가장 높은 나라는 일본이고, 그 다음이 한국이다.

지리적으로 섬나라인 일본은 토지자원 제약에 직면할 수 있다. 가상 시나리오에서 필요한 재생에너지를 충족시키기 위해 대규모 풍력·태양광 농장을 건설할 수 없을 것이다.

대신 대형 해상풍력 프로젝트나 열연탄철이나 수소 같은 수입 중간재가 필요할 수 있다. 일본과 같이, 한국은 대규모 재생 에너지 농장을 건설하기에 충분한 땅을 가지고 있지 않을 수도 있다.


OECD 유럽 국가에서는 독일 철강 회사와 같은 회원국이 녹색 강철을 사용하는 철강 제품의 시범 프로젝트에 정부 자금을 투자했다.

아르셀로미탈 그룹은 재생 가능한 강철에서 생산된 녹색 강철 제품의 생산에 전념하고 있다.


스웨덴 회사의 하이브리트 프로젝트는 고객에게 저탄소 강철(탄소발자국이 적은 강철)을 공급했다.

OECD 유럽 국가들은 다음과 같은 이점을 가지고 저탄소 철강 생산으로 전환할 수 있는 좋은 위치에 있다. △풍력 및 태양광 프로젝트는 충분한 토지 자원 보유 △고철 공급 풍부 △기존 천연가스 파이프라인을 통해 산업 사용자에게 수소 운송 가능 △보다 엄격한 이산화탄소 배출 정책 등이다.

독일 정부는 수소 사용이 핵심 요소인 철강 산업의 탈탄소화를 지원하기로 약속했다. 2019년 현재, OECD 유럽 국가들이 분석한 지역의 고로 용해 공정으로 생산된 조강 비율은 52%이다.

창업 우위에도 불구하고, 이 지역은 여전히 재생 에너지에서 더 큰 비율에 의해 추진된다고 가정되는 전기로 강철과 전해 수소 생산 수요를 충족시키기 위해 재생 에너지 용량을 확장하는 데 상당한 투자를 해야 할 것이다.


김종대 글로벌철강문화원 원장