대량의 온실가스를 배출하는 ‘철강산업’의 ‘탈탄소화’

대량의 온실가스를 배출하는 ‘철강산업’의 ‘탈탄소화’

대학생신재생에너지기자단 23기 김예진

 

[철강산업의 탈탄소화 필요성]

철을 생산하는 공정에서는 석탄을 연료로 만든 코크스(coke)를 환원제로써 산화철 상태인 철광석(Fe2CO3)에서 철을 생산하고, 이 과정에서 탄소가 다량으로 배출된다. 한국에너지기술연구원 자료에 따르면, 2020년에 세계 철강산업의 온실가스 배출량은 전체에서 7%, 산업 부문에서 25%이고, 국내 철강산업의 온실가스 배출량은 전체에서 16.7%, 산업 부문에선 30%를 차지하고 있다.

[자료 1. 국가 온실가스 배출량 비중, 2020년 기준]

출처 : 내외신문

세계 각국이 탄소중립을 잇달아 선언하고, 유럽의 탄소국경조정제도(CBAM)가 도입돼 엄격한 탄소 배출 규제가 생긴 가운데, 우리나라도 여러 산업 부문에서 탄소중립을 실현하려 애쓰고 있다. 이에 국내 철강산업은 철 생산 과정에서 어떻게 탄소 배출을 줄이려 하는지 살펴보자.

온실가스를 대량 배출하고 있는 철강 산업은 2050년 전후로 탄소중립을 선언하고 있으며, 원료의 재활용, 수소환원제철, 탄소포집 및 활용·저장(carbon capture utilization and storage, CCUS), 전기화 및 청정 전력, 전기로 개발, 탄소 상쇄 등을 통해 탈탄소화 실현을 추진하고 있다.

 

[원료, ‘철스크랩’의 재활용]

2023년 2월에 산업통상자원부가 발표한 바에 따르면, 철강산업의 저탄소화 전략으로 철스크랩 산업 생태계를 구축하고 원료 공급망을 강화하여 철스크랩 공급을 안정화해야 한다고 했다. 철스크랩은 철과 스크랩의 합성어로 생산 공정 중에 발생되는 쇠 부스러기 혹은 최종 제품의 유용성이 소실되어 철강 폐기물로 가공처리 된 것을 말한다. 철광석으로부터 한번 생산된 철 1톤은 생산-소비-회수 재생산의 과정이 40여 차례 순환할 수 있으며, 누적 사용량이 10톤을 넘긴다. 현재 전 세계 철강 재활용률은 85%이며, 향후 30년간 100%를 달성할 것으로 예상되는데, 이는 철강 폐기물의 100%가 수집되고 재활용된다는 것을 의미한다. 

[자료 2. 저탄소 철강생산 전환을 위한 철강산업 발전전략]

출처 : 산업통상자원부

철스크랩은 고로(용광로) 공정에 비해 탄소 배출량이 25%인 전기로 공정의 주원료이며, 지속가능한 발전에 기여하는 중요한 순환 자원이다. 이에 철스크랩은 2030년까지 국내 수요가 700만 톤가량 늘어날 것으로 전망돼 향후 국내 철스크랩을 안정적으로 수급하는 것이 굉장히 중요하다. 산업통상자원부는 기존에 폐기물관리법상 고철이 폐기물로 지정된 것을 ‘순환자원’으로 인정되도록 규제 면제 및 제도개선을 추진하고 철스크랩의 원활한 활용을 위해 품질에 따라 가격을 책정하여 시장 메커니즘을 개선한다고 발표했다. 

 

[전기로(Electric furnace)]

전기로를 이용하여 철을 생산할 수 있는데, 이는 전기가 발생하는 열로 금속을 녹이는 방식이다. 이미 사용하고 난 고철(철스크랩)을 사용하기 때문에 고로에 비해 4분의 1 수준의 탄소배출량을 보인다. 전기로는 철스크랩을 재활용하여 새로운 제품을 생산한다. 철스크랩은 크게 자가발생고철, 노폐고철로 나눌 수 있다. 자가발생고철은 제조공정에서 발생하는 고철이며 가공 후 잔여 고철이나 불합격품 등이 해당한다. 노폐고철은 흔히 사용 후 폐기된 고철을 의미한다. 전기로 공정은 이런 노폐고철 내부의 불순물 제거가 어려워 자동차 강판 등 고품질 생산의 한계가 있어 철근과 같은 저급 일반강재 생산을 주로 담당하고 있다.

포스코는 탄소중립 실현을 위해 단기적으로 전기로를 추가 도입할 예정이다. 추가로 미국은 철강 제품의 전기로 생산 비중이 68%인 상황에서, 기술의 발전으로 에너지 효율이 높아진 전기로 도입을 추진하고 있다.

[자료 3. 탄소중립 로드맵]

출처 : 포스코, 2022 기업시민 보고서

 

[수소 기반 철강 생산]

원료를 석탄 대신 수소를 이용하면, 생산물이 물이기 때문에 이산화탄소를 전혀 배출하지 않을 수 있다(Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O). 여기서 친환경 전기를 사용하는 전기로를 이용하여 철광석에 환원제인 수소와 반응시켜 철을 생산해 낸다. 이를 '수소환원제철'이라 일컬으며, 탄소중립을 달성할 수 있는 주요 기술이다.

[자료 4. 수소를 이용하여 철을 생산하는 방식]

출처 : 산경e뉴스

수소는 1차 철강 생산을 탈탄소화할 수 있다. 기존에 석탄을 연료로 쓰는 공정에서 보조 환원제 또는 연료로 사용하면 탄소 배출을 20% 저감할 수 있고, 이 덕분에 철강 1톤당 0.44톤의 CO2를 제거할 수 있는 것이다. 게다가 천연가스 기반 전기로 공정에서 환원제로 사용할 수 있으며, 풍력, 태양광, 수력 등의 재생 전력과 원자력 기반의 수소 플랜트는 철강 제조 공정에서 발생하는 배출량의 대부분을 제거할 수 있다. 또한, 재생 전력과 그린수소로 구동되는 플랜트는 탄소 배출이 거의 없는 철강 생산을 가능하게 하는데, 이를 이용하여 제조된 철강은 톤당 1.4tCO2를 제거하여 0.025tCO2/t로 감축할 수 있다.

하지만 현재까지 상업적 규모로 운영 중인 수소 보조 플랜트는 없으며, 대부분은 파일럿 및 테스트 단계이다. 그린수소는 가격과 생산량 관점에서 아직까지 제약이 있지만, 가격 저가화 및 생산량 확대로 향후 10년 내에 산업이 빠르게 성장할 것으로 전망된다. 철강 산업은 수소의 주요 수요처가 될 것으로 보이지만, 한국과 일본처럼 재생 전력이 더디게 발전하고 철강 생산이 많은 국가에서는 저가 그린수소가 충분히 생산되기 어려울 수도 있고, 수소 수입 비용도 많이 발생할 것으로 예상한다. 따라서, 철강산업의 100% 탈탄소화를 위해선 수소 생산 및 저장 기술의 확립이 최우선적이다.

 

[결론]

재활용 원료를 사용하고 수소 발전을 사용하는 등 재생 전력도 중요하지만, 사업적 준비가 먼저 갖춰질 필요가 있다. 이에 스크랩 기반 사용이 높은 기업은 전력구매계약(PPA)을 통해 청정 전력을 조달하거나, 현장에 재생에너지를 설치하는 등 재생에너지를 최적으로 사용하는 방법을 고려해야 한다. 또한, 장기적인 환경을 염두에 두어 저탄소 전력 사용 확대를 추진할 필요가 있다. 하지만 재생 에너지 개발이 상대적으로 더딘 국가인 한국은, 재생 전력의 충분한 확보에 대한 현실적인 어려움이 존재한다. 따라서 이에 대한 해결 방안을 모색해야 할 것이다.

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탈탄소화에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "철을 만드는데 물이 나온다고? 수소환원제철 이야기", 20기 윤지민, 21기 조선근, 22기 한예림, https://renewableenergyfollowers.org/3890

철을 만드는데 물이 나온다고? 수소환원제철 이야기

2. "앞으로 탈탄소하지 않으면 '손절'하겠습니다.", 20기 윤진수, 21기 정재혁, https://renewableenergyfollowers.org/3971

[인터뷰] 앞으로 탈탄소하지 않으면 '손절'하겠습니다.

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참고문헌

[철강산업의 탈탄소화 필요성]

1) 원세연, “빨라지는 유럽발 ‘탄소국경세’…국내 산업에 미칠 영향과 대책은”, 대한민국정책브리핑,  2021.08.05.,

https://www.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148891271

2) 전용욱, “2020년 온실가스 배출량 6억5622만톤…2년 연속 감소, 내외신문, 2022.10.26., https://www.naewaynews.com/136454

3) 한국에너지기술연구원 기후기술전략실, “철강산업의 탈탄소화”, KIER CT Brief,  Climate Technology Brief No.44., pp.02, 2021.11.

 

[원료, ‘철스크랩’의 재활용]

1) 산업통상자원부, “저탄소 철강생산 전환을 위한 철강산업 발전전략”, pp.4~7, 2023.02. 

2) 손정수, “2030년 철 스크랩 시장 이렇게 바뀐다…KIET”, 스틸데일리,  2023.09.14., https://www.steeldaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=178023

3) POSCO NEWSROOM, “버리면 폐기물, 모으면 귀한 원료! ‘철스크랩’ 산업화로 친환경 바람 불다”, 2023.03.30., 

https://newsroom.posco.com/kr/%EB%B2%84%EB%A6%AC%EB%A9%B4-%ED%8F%90%EA%B8%B0%EB%AC%BC-%EB%AA%A8%EC%9C%BC%EB%A9%B4-%EA%B7%80%ED%95%9C-%EC%9B%90%EB%A3%8C-%EC%B2%A0%EC%8A%A4%ED%81%AC%EB%9E%A9-%EC%82%B0%EC%97%85%ED%99%94/

 

[ 전기로(Electric furnace) ]

1) 이재인, "'전기화', '저탄소', '신재생', 美 장기 에너지시장 전망", kotra해외시장뉴스, 2023.04.05., https://dream.kotra.or.kr/kotranews/cms/news/actionKotraBoardDetail.do?SITE_NO=3&MENU_ID=70&CONTENTS_NO=1&bbsGbn=00&bbsSn=242&pNttSn=201326

2) 포스코 기업시민실 ESG그룹, "2022 기업시민보고서", 2023.06

 

[수소기반 철강 생산]

1) 산업통상자원부, “저탄소 철강생산 전환을 위한 철강산업 발전전략”, pp.3, 2023.02.

2) 에너지정책소통센터, 해외전문가 인터뷰, [에너지 지식백과]수소편⑤ 수소환원제철,

https://e-policy.or.kr/education/list_edu.php?admin_mode=read&no=5782&make=&search=&prd_cate=10 

3) 이만섭, “세계 최초로 탈석탄 선언한 스웨덴 韓 재생에너지믹스 모델로 떠올라...재생e vs 원전 vs 수소 '3각 방정식'”, 산경e뉴스, 2022.04.07.,

https://www.skenews.kr/news/articleView.html?idxno=33767.