철강산업, 수소·재생에너지와 결합 '탄소 줄이기' 시도

철강 산업은 매년 30억 미터t 이상의 이산화탄소를 방출하여 기후 환경에 가장 큰 영향을 미치는 산업이다. 지구 온난화 제어를 위해 철강 산업은 탄소 배출을 크게 줄여야 한다.

철강 산업이 환경에 미치는 영향은 모든 산업의 탄소 배출 비율에서 24%, 인간이 탄소를 배출하는 총비율 가운데 7~9% 수준이다. 2020년에 생산된 철강은 18억6000만 미터t이다.
유럽 철강 산업을 저감철 수소 기반 생산으로 전환하는 데 필요한 재생 가능 전력 용량은 5만개의 풍력 터빈이 필요하다.

이산화탄소를 규제하는 전 세계 기후 정책도 철강 업체들이 철강을 만들기 위해 탄소를 줄이는 시도를 강제하고 있다.

이에 주요 철강 업체와 신생 기업들은 주로 녹색 수소 또는 전기 화학을 사용하여 산화철을 줄이기 위해 여러 가지 대체 기술에 투자하고 있다.


철강 산업을 국가라고 가정하면 이 산업이 배출하는 탄소 배출량은 미국에 이어 3위, 인도 보다 높은 수준으로 세계 3위다. 지난해 철강업체들은 30억t 이상의 탄소를 생산했다. 세계철강협회에 따르면, 인간이 만든 온실가스 배출량 7~9%에 해당한다. 다른 어떤 산업 재료도 철강 제조보다 기후에 더 큰 악영향을 미치지 않는다.

2050년까지 전 세계 철강 수요가 연간 25억 미터t까지 증가할 것으로 예상되고 있어 환경 부담이 커지고 있다. 그러나 지구온난화를 산업혁명 전 수준보다 최대 2°C로 제한하려면 철강에서 나오는 탄소를 반드시 일정 수준으로 줄여야 한다.

이 목표를 달성하려면 철강 산업계가 탄소를 강철 미터 t당 약 1.85t에서 0.2t으로 줄여야 한다. 그것은 수천억 달러의 투자로 뒷받침되는 제강 기술의 혁명으로 가능하다. 이는 불가능한 작업처럼 보인다.
세계철강협회에 따르면 제강은 연간 2조5000억 달러의 매출을 기록하며, 제철에 사용되는 거대한 용광로와 같은 무거운 인프라는 20~40년 동안 지속된다.

최근 철강 산업 분야에서 탄소를 줄이는 어려운 도전에 나서는 기업이 늘어나고 있다. 일부 접근 방식은 재생 가능한 전기로 구동되는 전해질 수소에 의존한다.

다른 기업들은 전기 화학 반응에서 직접 그 전력을 사용한다.

하이브리트(Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) 공정도 이목을 끈다. 전통적 고로 기반 제강에 사용되는 코크스 및 기타 화석 연료를 대체하는 것을 목표로 하며 재생 가능한 전기로 생성된 수소에 의존한다.

이제 철강 산업은 조강 생산을 포함한 모든 단계에서 탄소 배출을 줄여야 한다.



철강 업체들은 탄소 배출을 줄이려는 전 지구적 노력으로 말미암아 혁신을 위한 요구가 그 어느 때보다 강력해졌다. 화학, 야금 및 엔지니어링 발전은 강철에 대한 대체 경로의 효율성을 크게 향상시키고 있다. 청정에너지 전환에 초점을 맞춘 끊임없는 비용 절감 노력은 업계 구조를 근본적으로 변화시키고 있다.

가장 야심찬 접근 방식의 대부분은 세계에서 철강의 약 10%를 만드는 유럽에서 추구되고 있다. 유럽연합이 설정한 탄소 세금 상승은 탈탄소화에 실패할 경우 기업의 이익을 압박할 위협이 되며, 이 정책은 녹색 철강에 대한 유로 투자를 촉진하고 있다.


오늘날 철은 주로 2000°C 이상에서 작동하는 용광로 내부에서 만들어지며, 광석, 코크스 및 석회암이 뜨거운 공기를 만나서 탄소 함량이 약 4~5%인 용융 선철을 생성한다. 현대 제강에서 탄소를 배출하는 핵심 요인인 코크스는 분쇄된 석탄을 가열하여 타르와 가스를 제거하여 제조된다. 포스코 광양제철소에 있는 세계 최대 규모 단일 고로는 높이 110m로 연간 500만t 이상의 선철을 생산한다.

상대적으로 탄소 함량이 높기 때문에 선철은 부서지기 쉽다. 수냉식 랜스를 통해 순수한 산소를 전달하여 탄소를 다른 불순물과 함께 배출하고 조강을 남긴다.

2차 정제는 합금의 야금을 미세 조정하여 고급 강철을 만든다. 세계 철강의 약 4 분의 3이 이 고로-기본 산소로 경로를 통해 생산된다. 철광석을 작은 조각으로 가공하고 코크스를 만드는 것은 이 경로의 탄소 배출량 가운데 대략 20%를 차지하며 고로 자체가 약 70%를 차지한다.

제강 기술의 엄청난 발전에도 불구하고, 근본적인 화학은 수천 년 동안 본질적으로 변하지 않았다. 철강업계가 코크스에 대한 의존도를 탈피하기는 쉽지 않다.

세계 최대의 철강업체인 아르셀로미탈과 중국 바오우스틸 그룹을 포함한 업계 최대 규모의 기업 중 일부는 기존 용광로를 탄소 포획 시스템으로 개조해 탄소를 줄일 계획이다.

제강 중에 방출되는 탄소는 지하에 저장하거나 메탄올과 같은 화학 물질을 제조 하는 데 사용할 수 있다. 그러나 탄소 포획은 본질적으로 너무 비싸 지속 불가능한 수단이다. 탄소 포획은 이전에 했던 일을 하지만 비용을 추가하는 것을 의미한다.

그러나 코크스에 대한 상업적 대안이 있다. 미드렉스와 HYL-Energiron으로 알려진 공정에 주로 의존하는 100개 이상의 철제 용광로는 천연 가스를 사용해 저감철(DRI)을 생성한다.

천연 가스를 수소와 탄소의 혼합물인 시너지 가스로 변환하며, 이 두 가지 모두 약 1000°C의 용광로 내부의 고체철을 줄인다. 몇 시간 후에 나오는 저감철은 일반적으로 1~4%의 탄소를 포함하고 금속을 녹이는 전기를 사용하는 전기 아크로에서 강철로 변환할 수 있다. 탄소와 산소는 불순물을 제거하고 강철의 탄소 함량을 조정하기 위해 이 용광로에 추가될 수 있다.

저렴한 셰일 가스 사용 확대로 저감철 플랜트의 수가 증가함에 따라 연간 1억t 이상의 철강공급, 전 세계 생산량의 5% 이상에 사용되고 있다.

전반적으로, 이 저감철 용광로 경로는 35~40% 낮은 탄소 배출을 보인다.

결정적으로, 저감철 플랜트는 전기 분해를 통해 만들어진 녹색 수소가 천연 가스의 필요성을 줄이기 위해 공급 가스에 혼합될 수 있기 때문에 배출량을 줄이기 위한 디딤돌 역할을 할 수도 있다.

세계 최대 철강업체 중 상당수는 저감철 시설로 전환해 더 많은 수소를 혼합하여 사용하거나 거의 전적으로 녹색 수소에서 실행되는 새로운 저감철 플랜트를 건설 중에 있다.



수소를 감축제로 채택하려는 노력 중 하나는 스웨덴에 있으며, 하이브리트(수소 혁신 철제 기술)라는 프로젝트가 제강 공정의 모든 단계에서 탈탄소화를 시도하고 있다. 하이브리트는 2016년에 스웨덴 광산회사 LKAB와 철강업체 SSAB 및 에너지기업 바텐폴간의 협력에서 비롯되었다. 스웨덴 북부의 저렴하고 풍부한 풍력 발전으로 물을 전기분해하여 엄청난 양의 수소를 생성한다.

지난해 하이브리트는 스웨덴 룰레오에 파일럿 저감철I 공장을 건설했다. 최근까지 천연가스로 가동되었지만 5월에는 수소로 첫 시험을 시작하여 2~4주 동안 시간당 약 1t의 저감철을 생산할 예정이다.

향후 3년 동안 이러한 시험은 수소로 전환하여 제기된 다양한 과학적 및 기술적 질문에 답을 할 것이다.

하이브리트 컨소시엄은 스웨덴 룰레오에 있는 파일럿 공장에서 철광석을 줄이기 위해 녹색 수소를 사용할 예정이다.

하이브리트는 이미 스웨덴 비타포스에 대규모 데모 공장을 계획하고 있으며, 이는 시간당 200t의 저감철 연속 생산에 도달할 예정이다. 이 공장은 2026년 기존 철강의 5% 미만의 탄소를 배출해 화석 없는 강철을 제공하는 데 큰 도움이 될 수 있다. SSAB는 2045년까지 스웨덴과 핀란드의 모든 용광로를 화석연료를 사용하지 않는 시스템으로 구축할 계획이다.

한편 2017년 하이브리트는 전통적인 코크스 기반에서 생산한 것보다 20~30% 더 비쌀 것으로 예상되었다. 그러나 유럽 연합 배출 거래 시스템 덕분에 저렴해졌다. 이 거래 시스템은 탄소 규제 제한을 계속 강화한다.

배출을 한도 이하로 줄이는 동시에 여분의 탄소 허용량을 판매가 가능하게 했다. 2017년 1미터t 탄소를 방출할 경우 10유로(약 12달러) 미만으로 책정되었지만, 최근 몇 달 동안 배출량 감축 약속을 더욱 강화할 것으로 예상하여 50유로(약 61달러) 이상으로 치솟았다.

에너지 컨설팅 업체 블룸버그NEF에 따르면 녹색 수소의 비용이 kg당 3~6달러에서 kg당 1달러로 떨어진다면 수소 기반 제강 비용이 전통적인 방법과 경쟁하기에 충분할 것이라고 한다.

결과적으로 하이브리트와 같은 저탄소 기술은 전통적 제강에 비해 상업적 이점이 커질 수 있다.


다른 철강회사들은 전통적 코크스 연료 용광로에 직접 수소를 공급해 적은 양의 탄소 배출을 달성하는 것을 목표로 하고 있다. 2019년 독일 티센크루프는 뒤스부르크의 코크스 연소 용광로 중 하나에 이 방법을 시험하기 시작하여 시간당 약 1000m³의 수소를 용광로에 주입했다. 이 방법은 결국 탄소 배출을 줄였다. 대략 20% 가량 배출량이 줄었다.

오스트리아의 보스트알핀은 철광석을 줄이기 위해 수소 플라즈마를 사용하는 것을 목표로 하는 SuSteel이라는 보다 급진적인 프로젝트에 참여하고 있다.

SuSteel의 수소 플라즈마 제련 감소 기술은 흑연 전극을 통해 원적 반응기로 전달되는 동안 전기를 사용하여 수소 가스를 분쇄한다. 이 과정은 2만°C 이상의 온도에서 수소 원자, 이온 및 분자의 스트림을 생성한다. 플라즈마는 액체 강철을 만들기 위해 미세하게 분쇄된 철광석을 녹이고 감소시킨다.

오스트리아 도나와비츠에 있는 SuSteel의 파일럿 공장은 여름에 가동을 시작하여 결국 배치당 50~100kg의 강철을 생산할 예정이다.


새로운 제강 기술 발전과 재생 가능 전기와 녹색 수소의 가격이 빠르게 떨어지고 있지만 새로운 공장을 세우고 오래된 공장을 폐쇄하는 자본 비용은 여전히 업계 전반에 걸쳐 변화의 주요 장벽이다.

수소 기반 저감철이 유럽의 현재 철강 생산을 모두 대체하면 업계의 전기 수요가 연간 400~500TWh로 최소 5배 증가한다. 이런 추가 수요는 현재 유럽 전력소비량의 약 18%에 해당하며, 추가로 5만개의 풍력터빈이 필요하다는 것을 의미한다.

대규모 수소 기반 철강 생산에는 엄청난 양의 전해질 용량이 필요하다. 현재 최대 규모의 전해질은 약 20MW에서 가동되지만 연간 200만t의 철을 생산하는 저감철 플랜트에는 약 1GW의 수소 발생 용량이 필요하다.



환경 법규 강화에 따라 유럽은 1990년 대비 2030년까지 탄소를 55% 이상 감축 하기로 약속했다. 저탄소 기술의 경쟁력을 유지하기 위해 철강과 같은 수입에 대한 탄소세를 고려하고 있다.

미국에서는 2017년 클린 캘리포니아 구매법에 따라 저탄소 제조업체에게 이점을 제공한다. 탄소강도 제한을 충족하는 건설 자재를 사용하면 주 정부가 지원한다. 예를 들어 건설 빔에 사용되는 열압 압연 강철은 일정 규모 배출량 미만으로 제한 한다.

이런 녹색 공공 조달 프로그램은 한국, 일본, 남아공 같은 국가에서 운영되고 있다. 세계 철강의 약 절반을 생산하는 중국도 2030년까지 제강 배출량을 30% 감축할 계획을 시사했다.

현재 철강 재활용은 전 세계 철강의 약 30% 수준이지만 2050년까지 50%에 이를 것으로 예상된다.

한편, 야금학자들은 더 강력하고 가벼운 강철 합금을 개발하고 있다.

기술 및 규정의 변화와 함께 국제 공급망도 중요한 변수다. 재생 에너지 생산이 훨씬 쉬운 장소에서 녹색 강철을 대량 생산하는 것이 비용면에서 합리적이다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com