독일, 수소 기반 직접 환원 기술로 철강 생산의 기후 중립 달성 추진

독일 국립연구소인 프라운호퍼 연구원들과 티셀리노(TSELINO GmbH), 그리고 잘츠기터 AG는 기존의 제철소를 기후 중립적인 생산 방식으로 전환하는 작업을 진행하고 있다. 이 작업은 철광석을 수소로 직접 환원하여 코크스를 환원제로 완전히 대체하는 것이 목표다. 이 방법에 필요한 수소는 재생에너지원에서 생산된 전기로 전기분해 공정을 이용하여 생산된다.

수소 기반 직접 환원 기술은 이산화탄소 배출을 97%까지 줄일 수 있는 잠재력이 있는 탈탄소화 기술이다. 독일에서만 매년 약 5,500만 톤의 이산화탄소가 철강 생산에서 배출되는데, 이는 독일 산업에서 발생하는 총 이산화탄소 배출량의 약 28%에 해당한다.

생산 과정에서의 탈탄소화 신기술 개발 작업은 수년 전부터 진행되어왔다. 프라운호퍼 세라믹 기술과 시스템 연구소 IKTS, 협력기관인 프라운호퍼 시스템과 혁신연구소 ISI, 프라운호퍼 환경, 안전 및 에너지기술 UMSICHT, 살지터 AG 등은 수소 기반 직접 환원에 주력하고 있다.

원자로에서 직접 환원을 할 때, 철광석은 고온에서 수소와 반응한다. 이 수소는 환원제의 역할을 해서 철광석에서 산화철을 제거한다. 남은 것은 해면철의 생철이다.
재생에너지원의 전기를 사용함으로써 수소 생산에는 이산화탄소 배출이 전혀 없다. 이는 조강 생산에 그린 수소를 구현함으로써 우리가 유해한 이산화탄소를 97%까지 절약할 수 있다는 것을 의미한다.

프라운호퍼 IKTS는 고온 전기분해 기술을 개발해 왔으며, 이는 수소 생산에 있어 효율적인 방법이다. 고온 공정에서 발생하는 폐열을 전기 효율을 높이는 데 사용할 수 있다는 점을 고려하면, 이는 다른 전기분해 공정, 특히 철강 생산에 비해 상당한 이점을 제공한다.

프라운호퍼 IKTS 연구자들은 자체 전기분해 전지와 스택을 개발하고 공정 개념의 기술 경제성 평가를 위해 자체 운영 데이터를 사용했다. 나아가 컨소시엄은 MACOR 연구와 BeWiSe 후속 프로젝트 모두에서 새로운 공정의 실현 가능성을 입증했다.

독일 연방교육연구부(BMBF)가 자금을 지원하는 새로운 BeWiSe 프로젝트를 시작한 연구원들과 그들의 산업 파트너들은 이제 자원과 에너지 효율 측면에서 전체 프로세스 체인을 더욱 최적화하고 있다.

이를 위해, 잘츠기터 AG 구내의 높이 약 30m 크기의 직접적인 환원 실증 플랜트도 사용된다. 예를 들어, 프로젝트는 철강에서 요구되는 탄소 함량을 조정하기 위해 석탄과 천연 가스의 대체물로 생물학적 물질을 어떻게 사용할 수 있는지 조사하고 있다.

그린스틸 생산 시 전기분해를 위해서는 무엇보다도 많은 양의 물이 필요하다는 점을 고려하여, 이 프로젝트 역시 어떻게 물의 사용을 최적화할 것인가에 초점을 맞추고 있다. 따라서 철광석을 수소로 환원할 때 생성되는 물을 가능한 한 많이 가공하여 재사용하게 된다.

연구진은 고온 전기분해, 가스 분리 및 수처리를 위한 멤브레인 공정부터 디지털 트윈을 이용한 공정 시뮬레이션 및 플랜트 모델링에 이르기까지 모든 전문성을 기여하고 있다.

잘츠기터는 이르면 2026년 철강 생산량의 3분의 1을 수소로 기후 친화적 공정으로 전환하는 것을 목표로 하고 있다.


김진영 글로벌이코노믹 기자