‘저탄소 친환경 제철 프로세스로의 대전환’ 시리즈에서는 포스코의 수소환원제철기술 개발, 재생에너지 확대, CCS 등 포스코가 ‘2050 탄소중립’ 목표를 달성하기 위해 추진 중인 탄소중립 실행방안을 살펴보고, ‘생존’의 길을 함께 모색해 보고자 한다.

l 늘어나는 탄소배출 규제와 고객사의 저탄소 제품 요구

지난 6월 유럽의회는 제조과정에서 탄소배출이 많은 제품의 수입을 규제하는 ‘탄소국경조정매카니즘(CBAM, Carbon Border Adjustment Mechanism)’ 도입 법안을 통과시켰다. 탄소국경조정메카니즘은 온실가스 배출량이 많은 국가에서 적은 국가로 수출하는 제품에 탄소배출인증서를 구입하도록 하는 일종의 ‘탄소 관세’로, ‘탄소국경세’로도 불린다. 내년부터 시범 운영 기간을 거쳐 ’27년 시행될 예정이다.

일반적으로 탄소배출에 가격을 부여해 배출량 감축을 유도하는 정책 수단을 ‘탄소가격제(Carbon Pricing)’라고 하며, 대표적인 종류로는 탄소국경세 외에도 ‘탄소세(CT, Carbon Tax)’와 ‘탄소배출권거래제(ETS, Emissions Trading Scheme)’가 있다.

탄소세는 이산화탄소를 배출하는 화석연료의 사용량에 따라 부과되는 일종의 ‘환경세’이며, 탄소배출권거래제는 온실가스를 배출하는 사업장을 대상으로 배출권을 할당하고 잉여분 또는 부족분을 사업장 간 거래할 수 있도록 하는 제도이다. 탄소세나 탄소배출거래제와는 달리, 탄소국경세는 자국 권역 외의 국가에 적용된다는 점에서 새로운 유형의 무역장벽으로 불리고 있다.

▲ 전세계 탄소세 및 탄소배출권거래제 도입 현황 (2021년 4월 기준)

국제무역협회 국제무역통상연구원이 올해 4월에 발표한 ‘EU 의회의 CBAM 수정안 평가와 시사점’ 분석에 따르면 철강을 포함하여 탄소국경세를 적용 받는 9개 품목에 대한 우리나라의 EU 수출금액은 지난 3년 동안 연평균 85억1000만 달러로, 對EU 수출의 15.3%를 차지했다. 또한 미국 상무부 국제무역청의 ’19년 발표에 따르면 EU의 철강 판재류 수입 국가 순위에서 한국은 터키, 러시아에 이어 3위를 차지한다.(자료보기) 탄소국경세 시행에 앞서 탄소배출 저감을 위한 사전 대비가 필요한 상황이다.

정부나 국가 차원의 제도적인 탄소 배출 규제뿐만 아니라, 산업 현장에서는 탄소 배출 저감에 대한 고객사의 직접적인 요구도 늘고 있다. 포스코는 자동차 고객사들을 중심으로 한 글로벌 제조사들의 저탄소 제품 공급 요구를 맞추기 위해 CO₂배출 원단위* 저감, RE100(Renewable Enegy 100%) 인증 제품 생산 등 다양한 방식의 탄소중립 협력을 논의하고 있다.
*CO₂배출 원단위: 1톤의 철강제품을 생산하는데 발생하는 이산화탄소의 총량

l 브릿지 기술이 필요한 이유

철강제품 생산시 이산화탄소(CO₂)가 배출되는 이유는 철광석(Fe₂O₃)을 철(Fe)로 환원시킬 때 석탄, 천연가스 등 화석연료가 쓰이기 때문이다. 화석연료에서 발생하는 일산화탄소(CO)는 철광석과 반응하여 산소(O₂)를 떼어내는 환원제 역할을 한다.

철강제품 생산에 따르는 이산화탄소(CO₂) 배출을 원천적으로 차단하기 위해서는 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 환원제가 필요하며, 글로벌 철강사들은 수소를 환원제로 사용하는 수소환원제철 기술을 개발하고 있다. 포스코도 파이넥스(FINEX) 유동환원로 기술을 기반으로 가루 상태의 철광석과 수소를 사용하여 쇳물을 제조하는 수소환원제철 기술인 HyREX (Hydrogen Reduction)를 개발중이며, 2028년까지 100만 톤 규모의 시험설비를 포항제철소에 건설할 계획이다. (관련기사보기)

수소환원제철 상용기술 개발은 2030년 전후로 완료될 것으로 예상된다. 그러나 기술에 대한 상용화 검증이 끝나더라도 기존 공정을 대체하여 설비를 전환하고, 유동환원로, 전기로 등 수소환원제철 신규 설비를 건설하는 데에는 시간이 소요된다. 또한 그린 철강제품을 대량으로 생산하기 위해서는 대량의 그린수소가 경제적으로 공급될 인프라가 확보되어야 한다. 따라서 탄소중립 전환기의 기술로서, 고로, 전로 등 기존 설비를 활용하여 저탄소 철강제품을 생산하는 공정기술인 ‘브릿지(Bridge) 기술’이 주목받고 있다.

l 고로 기반 브릿지 기술 : 저탄소 연ㆍ원료 사용

흔히 ‘용광로’라고 불리는 고로는 석탄(코크스)과 철광석(소결광)을 고로 상부에서 넣어 겹겹이 쌓은 뒤, 고로 하부에 뜨거운 바람을 불어넣어 녹여서 ‘용선’이라고 하는 쇳물을 만들어 내는 설비이다. 고로 기반 브릿지 기술은 고로 조업 시 사용되는 화석연료의 사용량을 줄이는 것이 목표이며, 고로에 사용되는 연료 및 원료의 종류에 따라 크게 3가지 기술로 나눌 수 있다.

첫째, 소결광을 대체하여 펠렛(Pellet)을 고로에 투입하는 방법이다.

펠렛(Pellet)은 철광석을 파쇄ㆍ선별한 후 일정한 크기의 구형으로 가공한 원료이다. 고로의 원료를 소결광에서 펠렛으로 변경하는 것만으로도 소결광 생산에 사용되는 화석연료를 저감할 수 있어, CO₂배출 원단위를 저감하는 효과가 있다. 또한 펠렛은 소결광보다 고온에서 잘 녹고 환원성이 좋아, 고로에 소결광만을 사용할 때보다 환원제인 석탄의 사용 비율인 ‘환원제비’를 줄일 수 있다. 일반적으로 쇳물 1톤 생산시, 펠렛을 고로에 100kg 사용하면 CO₂를 30~40kg 저감하는 효과가 있다.

둘째, 이미 환원 처리된 원료인 HBI(Hot Briquetted Iron)를 고로에 투입하는 방법이다.

HBI(Hot Briquetted Iron)는 철광석에서 산소를 제거하여 환원시킨 직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)을 680℃ 이상의 온도에서 5t/m³ 이상의 밀도로 압착하여 조개탄 모양으로 제조한 고급 DRI를 말한다. 압착하지 않은 DRI는 산화에 의한 발열 및 발화 가능성이 있어, 안전한 운송을 위해 국제해사기구(IMO)가 DRI에 등급을 나누어 엄격하게 관리하고 있다.

HBI는 철광석에서 산소를 미리 제거하여 환원된 원료이기 때문에, 고로에 투입하면 환원에 소요되는 석탄의 사용량을 줄일 수 있다. 일반적으로 쇳물 1톤 생산시, HBI를 100kg를 사용하면 CO₂를 약 100kg 정도 저감하는 효과가 있다.

단순히 고로에 소결광 대신 펠렛이나 HBI를 사용한다고 해서, CO₂ 배출 원단위를 저감 할 수 있는 것은 아니다. 고로에 펠렛과 HBI가 투입되면 원료의 형상과 성질이 바뀌기 때문에, 포스코는 펠렛과 HBI 투입이 고로 내부의 용융에 미치는 영향을 평가하고, 가장 적합한 형태로 장입물 분포를 제어함으로써, 저탄소 연·원료 고로 조업을 최적화하는 방안을 연구 중에 있다.

셋째, 석탄 대신 저탄소 연료인 천연가스(NG, Natural Gas)를 환원제로 사용하는 방법이다. 천연가스의 주성분인 메탄(CH₄ )은 개질시, 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)로 분리된다. 수소 성분을 포함한 함(含)수소가스를 고로 하부의 풍구에 불어넣어 환원제로 사용하면, 상대적으로 석탄 사용량을 줄일 수 있다.

포스코는 ’23년 상반기 고로 NG 취입 설비를 신설하여 기술을 정립해 나갈 계획을 수립하였고, ’25년까지 제철소 내 부생가스의 정제, 취입기술 개발을 완료할 목표를 가지고 있다. 이러한 고로기반 브릿지 기술을 패키지화하여 향후 저탄소 특화 고로의 모델을 정립할 예정이다.

l 전로 기반 브릿지 기술 : 상저취전로, 전기로합탕

전로는 고로에서 생산한 쇳물인 ‘용선’을 담는 거대한 항아리 모양의 설비로, 용선에 산소를 불어넣어 인, 황, 탄소 등 불순물을 제거하고, 원하는 온도와 성분으로 정제한 쇳물인 ‘용강’을 생산한다.

쇳물(용강) 1톤을 생산할 때 발생하는 이산화탄소의 총량을 100%라고 가정했을 때, 80~90%는 용선을 생산하는 과정에서 발생하기 때문에, 전로 기반 브릿지 기술은 ‘전로에 사용되는 용선의 양을 줄이는 것’을 목표로 한다.

전로에서 용선의 양을 줄이는 방법은 크게 두 가지로 나눠볼 수 있다.

첫째, 고로 용선과 전기로 용강을 혼합하여 전로의 용선 사용량을 줄이는 ‘전기로 합탕’ 기술이다.

전기로는 이미 사용하고 난 철 스크랩을 재활용하여 용강을 만들기 때문에, 고로 대비 탄소 배출량이 적다. 일반적으로 전기로의 이산화탄소 배출량은 고로의 4분의 1수준이다. 그러나 전기로는 철스크랩의 잔류 원소 함유량에 따라 고급제품 생산이 제한적이라는 한계가 있기 때문에, 현재 고급 자동차 강판이나 선박용 후판 등 고급강은 대부분 고로의 쇳물을 전로에서 정제하여 생산된다.

이에, 포스코는 ’25년 광양제철소에 대형 전기로를 신설하여 전로에 고로 용선과 전기로 용강을 합탕하여 탄소배출 저감과 고급강 생산이 동시에 가능한 기술을 개발할 계획이다.

둘째, 전로의 용선 사용량을 줄이고, 철스크랩 투입량을 증대하기 위해 전로 상하부에서 산소를 불어넣어 추가 열원을 확보하는 ‘상저취전로’ 기술이다. 전로는 외부에서 열이 공급되지 않고 용선의 열기 자체를 열원으로 하기 때문에, 용선을 줄이고 철 스크랩을 늘리면 용선의 온도가 낮아지는 문제가 발생한다. 이를 보완하기 위해 ‘상저취전로’ 기술은 기존에 상부에서만 불어넣던 산소를 하부에서도 취입하여 추가 열원을 공급함으로써, 전로 내부의 2차 연소를 극대화한다.

참고로, ‘전기로합탕’이나 ‘상저취전로’ 기술처럼 전로에서 용선 대신 철스크랩을 다량 사용할 수 있는 기술을 통칭하여 ‘저 HMR (低 Hot Metal Ratio)’ 조업 기술이라고 부른다.

l 파이넥스 기반 브릿지 기술 : 수소 증폭, CCUS

파이넥스(FINEX) 공법은 가루 상태의 철광석과 석탄을 사용하여 쇳물을 생산하는 포스코 고유의 기술이다. 현재 파이넥스 유동환원로에는 철광석 환원에 수소가 약 25% 사용되고 있다. 포스코는 유동환원로에 수소를 추가 공급하여 수소환원을 증대시키는 기술을 연구개발 중이다. 수소 증폭 기술을 활용하여 DRI를 생산하면 CO가스에 의한 환원이 감소하게 되므로 이산화탄소 배출을 저감할 수 있다. 수소 증폭 기술로 생산한 DRI를 성형·압축한 HCI(Hot Compacted Iron)는 파이넥스 용융로 또는 고로에 저탄소 원료로 사용할 수 있다.

한편, 포스코는 파이넥스 설비에서 포집된 이산화탄소를 재활용하거나 저장하는 CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage) 방안을 검토 중이다. CCUS는 산업시설로부터 이산화탄소를 포집한 후 90% 이상의 고농도로 압축하여, 화학 전환 또는 광물탄산화 등의 방법으로 재활용하거나, 육상 또는 해양의 지하저장소에 안전하게 저장하는 일련의 과정 또는 기술을 말한다. 포스코의 파이넥스 설비는 이미 70% 이상의 고농도 이산화탄소를 포집하고 있기 때문에, 포집 및 압축 비용을 줄일 수 있어 CCUS 적용이 용이하다.

l 포스코의 저탄소 원료 확보 방안

펠렛, HBI 등 저탄소 원료를 확보하기 위한 글로벌 철강사들의 경쟁은 앞으로 더욱 치열해질 것으로 전망된다. HBI의 원료가 되는 펠렛은 전 세계 철광석 사용량의 30%를 차지하는 적철광 또는 자철광만으로 생산되고, 나머지 70%를 차지하는 갈철광은 펠렛 제조에 활용하기 어려워 펠렛 생산량은 제한적일 수밖에 없다. 나아가 펠렛 중에서도 DRI 제조가 가능한 고품위 펠렛의 경우, 샤프트환원로 방식의 수소환원제철 원료로서, 미래에 수소환원제철 기술이 상용화되면 수요가 더욱 늘어날 것으로 예상된다.

포스코는 저탄소 원료 확보를 위해 지난 3월 호주의 자원개발기업 핸콕(Hancock)社와 ▲ HBI 공장 신설 ▲호주 철광석(자철광) 광산 개발 ▲수소 생산 파일럿 설비 투자를 주요 내용으로 하는 HoA(Heads of Agreement, 주요 조건 합의서)를 체결했다. 핸콕은 2015년 말부터 서호주 필바라(Pilbara)에서 연간 55백만톤의 철광석을 생산하고 있는 대형 광산 회사인 로이힐의 대주주이다. 포스코도 로이힐의 지분을 12.5% 보유하고 있다.

포스코와 핸콕사가 개발을 검토 중인 철광석 광산은 펠렛 생산이 가능한 ‘자철광’ 광산이다. 양사는 광산 개발과 더불어 수소를 환원제로 활용해 HBI를 제조하기 위한 공장을 신설하고, 나아가 호주 현지의 풍부한 천연가스 자원과 태양광 및 풍력 등 우수한 신재생에너지 여건을 활용하여 수소 생산기반을 구축하는 방안도 검토할 예정이다.

▲ 포스코는 올해 3월 호주 핸콕사(왼쪽)와 저탄소 HBI 생산 프로젝트의 사업 타당성 조사를 위한 HoA 체결한 데 이어, 지난 8월 브라질 발레사(오른쪽)와도 저탄소 HBI 생산 추진을 위한 공동 연구 업무협약을 체결했다.

또한 포스코는 지난 8월 1일 글로벌 리딩 철광석 공급사인 브라질 발레(Vale)社와 저탄소 HBI 생산 추진을 위한 업무협약을 체결했다. 포스코와 발레는 HBI 사업 추진을 위해 ▲후보 지역 선정 ▲생산 공정별 원가 및 투자비 분석 ▲생산 과정에서의 탄소배출 저감 방안 등의 분야에서 공동 연구를 실시하기로 했으며, 올해 연말까지 HBI 사업을 위한 기초 검토를 완료할 계획이다.

한편, 지난 3월 포스코인터내셔널은 호주 퀸즐랜드주에 위치한 3개의 천연가스전(아틀라스, 로마 노스, 루이지애나)을 보유한 세넥스에너지를 인수했다. 포스코인터내셔널은 세넥스에너지의 생산가스전을 활용하여 블루수소사업 및 CCS(Carbon Capture & Storage, 이산화탄소 포집·저장) 사업을 추진함으로써, 포스코그룹의 수소사업에도 전략적으로 진출한다는 계획이다.

‘저탄소 친환경 제철 프로세스로의 대전환’ 시리즈에서는 포스코의 수소환원제철기술 개발, 재생에너지 확대, CCS 등 포스코가 ‘2050 탄소중립’ 목표를 달성하기 위해 추진 중인 탄소중립 실행방안을 살펴보고, ‘생존’의 길을 함께 모색해 보고자 한다.

글로벌 신용평가 및 투자 기관들이 기업의 기후변화 대응 노력을 ESG 경영 평가의 중요한 요소로 반영함에 따라, 전력 생산 과정에서 탄소 발생이 적거나 없는 그린 에너지의 중요성이 높아지고 있다.

기업이 사용하는 전력을 100% 재생에너지로 충당하겠다는 RE100(Renewable Energy 100%) 캠페인에 동참하는 기업이 늘고 있으며, 올해 5월 기준 전세계 371개사에 이른다. RE100캠페인에서 인정하는 재생에너지 발전에는 풍력, 태양광, 지열, 바이오매스, 수력 발전이 있다. 탄소 성분이 없는 연료인 수소와 암모니아를 활용해 탄소 발생을 저감하는 발전 기술도 세계 여러 나라에서 연구 개발이 진행 중이다. EU에서는 원자력 발전과 천연가스를 온실가스 감축과 탄소 중립 실현에 필요한 경제 활동 분류 목록인 택소노미(Taxonomy)에 포함시킬지를 두고 논의가 활발하다.

미래에 저탄소 친환경 제철 프로세스가 도입되면, 철강 생산에 사용되는 전력도 그린 에너지로 전환될 수 있을까? 그 가능성을 확인하기 위해서는 먼저 제철소의 전력 사용 현황과 필요한 전력 생산 구조 및 미래의 전력 사용 전망을 살펴본 후, 그린에너지 전환을 위한 포스코의 과제와 노력을 살펴보기로 한다.

l 제철소의 전력 사용 현황

철강생산에는 얼마나 많은 전력이 소요될까? 포스코가 ‘21년 포항과 광양의 제철소에서 사용한 전력량은 약 25TWh(테라와트시)로, 이는 원자로 3기를 합친 발전량에 해당한다. ‘21년 한국전력 통계집에 따른 ‘21년 대한민국 신재생에너지 발전량이 약 39.1 TWh 인 것을 감안하면, 포스코 제철소가 한 해에 소비하는 전력량은 우리나라 연간 신재생에너지 발전량의 약  3분의 2를 차지한다.

하지만 한국전력의 ’21년 전력 다소비 기업 판매실적 순위를 살펴보면, 포스코가 한전을 통해 구입한 전력량은 25TWh가 아닌 3.8 TWh 정도에 불과하다. 이처럼 한국전력의 판매량과 실제 포스코의 전력 사용량이 차이 나는 이유는 제철소가 대부분의 전력을 자가발전을 통해 충당하기 때문이다.

l 제철소의 전력 생산 구조

포스코 제철소의 전력 생산 구조는 전통적인 고로(용광로) 조업 공정을 기반으로 설계되어 있다.

제철소는 주된 발전원으로 제철공정 중에 발생하는 부생가스를 활용하고, 이는 전체 전력사용량의 63%를 차지한다. 부생가스는 석탄을 고로에 넣기 좋게 가공하는 코크스오븐, 석탄과 철광석을 녹여 쇳물을 제조하는 고로와 파이넥스, 쇳물을 정제하는 전로 등의 설비에서 배출되며, 메탄(CH₄), 일산화탄소(CO) 등의 성분을 포함하고 있다. 제철소는 이 부생가스를 전량 회수해 제철공정에 다시 이용하거나, 제철소 내부의 발전시설로 옮긴 후 증기터빈을 돌려 자체적으로 전력을 생산한다.

이 외에도 제철공정 중에 발생하는 폐열을 활용한 폐열회수발전이 10%, LNG발전이 12%를 차지하고 있다.

자가발전 충당과 함께 부족한 전력은 한전으로부터 구입하고, 반대로 남는 전력은 한전에 판매한다. 실제 ‘20년 광양제철소는 유휴 전력을 한전으로 송전한 바 있다. 즉, 제철소는 제철공정을 기반으로 하는 거대한 발전소라고 할 수 있다.

l 저탄소 친환경 제철 프로세스로의 대전환과 그린 에너지 확보의 중요성

제철소의 전력생산 구조가 제철공정과 이어져 있기 때문에, 제철공정이 전기로, 수소환원제철 등 저탄소 친환경 제철 프로세스로 전환되면 자연스럽게 제철소의 에너지 사용에도 큰 변화가 일어난다.

‘20년 12월 포스코는 탄소배출 감축 목표로 2030년 사업장 감축 △10% 및 사회적 감축 △10%, 2040년 △50%, 2050년 탄소중립을 달성하는 <2050 탄소중립>을 선언한 바 있다.

그러나 탄소중립 이행을 위해 고로 조업 비중을 줄이고, 전기로 및 수소환원제철 중심의 제철 프로세스로 전환하면 부생가스를 에너지원으로 하는 자가발전의 비중도 줄어들게 된다. 반면 수소환원제철용 유동환원로 등 기존보다 상대적으로 전력사용이 많은 설비가 늘어남에 따라 제철소의 전체 전력 사용량은 증가할 것으로 예상된다.

즉, 기존에는 제철소가 필요 전력의 대부분을 자가발전을 중심으로 안정적으로 해결해 왔으나, 미래에는 자가발전 비중 감소와 전력사용량 증대에 따라 전력생산 과정에서 탄소 발생이 없고 안정적인 그린 에너지 공급의 중요성이 더욱 부각될 것으로 전망된다.

글로벌 철강사들도 안정적인 그린 에너지 확보를 위해 풍력, 태양광 발전과 같은 재생에너지 발전 투자에 직접 뛰어들고 있다.

지난해 다국적 철강회사 아르셀로미탈은 오스테드사와 협력하여 네덜란드에 2GW급 해상풍력단지 조성 계획을 밝혔으며, 중국 보무강철(China Baowu Steel Group)의 자회사인 보무클린에너지는 허난성 서부 도시인 삼문협(싼먼샤, Sanmenxia)에 150MW급의 풍력발전소를 착공했다. 같은 달 인도 타타그룹(TaTa Group)의 자회사 타타파워는 10년간 연 2GW 규모의 태양광 발전 투자 계획을 발표했다.

l 포스코의 RE100 이행 방안

포스코는 재생에너지 100% 사용 제품을 요구하는 고객사가 늘어날 것에 대비해 재생에너지 사용확인서를 확보할 계획이다. 이를 위해 재생에너지 자가발전에 대한 직접 투자를 확대할 계획 계획을 가지고 있으나, 자가발전 확보에도 부족한 재생에너지는  단기적으로 한국형 RE-100제도인 1)녹색프리미엄을 통해 재생에너지를 구매하거나, 2)REC 구매하여 고객사에 제공하는 형태로 RE100 요구에 대응할 예정이다. 중장기적으로는 직접 3)PPA를 추진함으로써 재생에너지를 안정적으로 확보한다는 방침이다.

1) 녹색프리미엄은 기업이 기존 전기요금과 별도의 녹색 프리미엄 비용을 한전에 납부하여 재생에너지를 구매하는 방식으로, 한전이 연초 1회 입찰시장을 개설한다.

2) REC 구매는 재생에너지 공급 인증서(Renewable Energy Certificates)를 에너지공단 거래플랫폼을 통해 구매하는 것으로, 월 2회 수시 구매 가능하다.
REC는 한국에너지공단에서 재생에너지 사용 확인서로 교환하여 고객사에 제공한다. 철강제품의 종류에 따라 사용 전력량이 다르겠지만, 만약 100톤을 생산하는 데 50MWh의 전력이 사용됐다면, 1MWh는 태양광 발전의 경우 1REC에 해당하므로, 50REC를 구매하여 고객사에 제공해야 한다. ‘21년 12월 기준 1REC 시세는 약 4만원이므로, RE100제품 100톤에 약 200만원의 추가 비용 들게 된다.

3) PPA(Power Purchase Agreement)는 기업과 재생에너지 발전사업자가 계약을 맺고 전력을 거래하는 방식으로, 한전을 중개할 경우 제3자 PPA, 발전사업자와 직접 계약할 경우 직접PPA라고 한다. 기업이 재생에너지 발전사업자를 통해 구매한 재생에너지 사용 실적을 한국에너지공단에 제출하면 재생에너지 사용 확인서를 발급받을 수 있다.

l 재생에너지와 무탄소/저탄소 발전 Mix

그런데, 재생에너지만으로 그린 에너지를 안정적으로 공급하는 것이 가능할까? 철강산업의 입장에서 안정적인 전력 수급이 중요한 근본적인 이유는 제철소가 24시간 조업 체제로 운영되기 때문이다. 그러나 한정적인 조건에서만 전력 공급이 가능한 재생에너지 발전은 24시간 쉬지 않고 운영되는 제철소에 안정적으로 전력을 공급하는 데에 다소 한계가 있다.

태양광 발전의 경우, 우리나라는 지정학적 특성상 하루 평균 3.2시간만 최대 효율로 발전이 가능하다. 특히, 적도 부근에 위치한 나라와 달리 일조량이 일정하지 않고, 장마철이나 태풍 등 기상 악화로 장시간 해가 들지 않을 경우 전력 수급이 불안정해지는 리스크가 발생한다.

풍력 발전의 경우, 일반적으로 7m/s 이상의 바람이 불어야만 경제적인 발전이 가능하다고 업계에서는 보고 있다. 그러나 산맥이 많은 우리나라는 불어오는 바람이 막히는 경우가 잦고, 태풍이 없는 유럽 북해나 아시아 내륙 지역과는 달리, 태풍의 주 이동 경로에 해당되는 남서해는 강풍에 의한 블레이드 손상 위험이 있어 불안전한 측면이 있다.

이에 따라, 포스코는 제철소의 안정적인 전력 공급을 위해 재생에너지 발전과 수소/암모니아를 활용한 무탄소(carbon-free) 발전을 동시에 검토하고 있다.

수소/암모니아 발전은 무탄소연료인 수소(H₂) 또는 암모니아(NH₃)를 연소시켜 전력을 생산한다. 수소 또는 암모니아를 LNG 등 화석연료와의 혼합없이 그대로 연소시키면 ‘전소발전’(無탄소), 화석연료와 혼합하면 ‘혼소발전’(低탄소)이라고 부른다. LNG발전에서 수소를 30% 혼합할 경우, 탄소(CO₂)배출을 약 11% 저감한다는 연구결과가 있다. (‘21.11 에너지경제연구원 ‘무탄소 신전원 해외사례 및 정책방향 연구’ 자료보기)

지난달 국회 본회의를 통과하여 올해 12월 시행을 앞두고 있는 ‘수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률'(수소법) 개정안은 수소 발전 시, 연료전지를 통해 수소를 발전부문에 활용하는 기존 방식에서 벗어나, 수소를 발전연료로 직접 태워서 전력을 생산하는 수소가스터빈발전을 포함하고 있다.

철강산업 입장에서 수소는 전력 생산뿐만 아니라 철강 생산에도 없어서는 안 될 필수 연료이다. 탄소 발생이 없는 미래 철강 기술인 수소환원제철에서 수소는 석탄을 대신해 철광석을 환원시키는 환원제로 쓰이기 때문이다.

암모니아(NH₃)는 수소(H₂)와 질소(N₂)의 혼합물로서, 발전용 연료 뿐만 아니라 해외에서 청정수소 도입 시 수소 캐리어(carrier) 역할로도 주목받고 있다. 암모니아의 저장밀도는 수소 대비 1.7배 높고, 끓는점은 -33℃로 수소의 -253℃ 보다 높아 액화가 용이하여 수소보다 효율적인 저장, 운송이 가능하기 때문이다.

수소/암모니아는 혼소발전을 중심으로 기술 개발이 추진되고 있으며, 전 세계적으로 현재 실증 및 상용화 준비 단계에 있다. ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’에 따르면 우리나라는 석탄발전의 경우 ‘30년까지 암모니아 20% 혼소발전, LNG발전의 경우 ‘35년까지 수소 30% 이상 혼소발전 상용을 목표로 하고 있다.

한편, 포스코그룹과 한국전력은 지난 5월 29일 ‘수소•암모니아 사업협력 파트너십 구축 양해각서’ 체결하고, ▲국내외 그린•블루수소 생산 프로젝트 공동개발 및 투자, ▲수소 •암모니아 공급 유연성 확보를 위한 물량교환(SWAP), ▲수소•암모니아 혼소 발전 및 CCUS(탄소 포집/활용/저장) 기술개발 등 3가지 분야에서 협력을 추진키로 했다.

포스코그룹은 포스코의 수소환원제철과 포스코에너지의 발전 사업으로 국내 최대 규모의 수소 수요처가 될 것으로 전망되며, 안정적인 내부 수요를 기반으로 적극적으로 외부 판매까지 연계하는 수소 사업 모델을 구축한다는 방침이다. 2030년까지 수소사업에 10조 원을 투자하여 연간 매출 2조 3천억 원, 생산 50만 톤 달성을 목표로 하고 있다. 이후 2040년 300만 톤, 2050년 700만 톤으로 생산 능력을 단계적으로 확대해 국내외 철강, 연료전지, 발전, 충전소 등 대규모 B2B 수요처에 수소를 공급한다는 계획이다.

‘저탄소 친환경 제철 프로세스로의 대전환’ 시리즈에서는 포스코의 수소환원제철기술 개발, 재생에너지 확대, CCS 등 포스코가 ‘2050 탄소중립’ 목표를 달성하기 위해 추진 중인 탄소중립 실행방안을 살펴보고, ‘생존’의 길을 함께 모색해 보고자 한다.

l HyREX와 수소환원제철의 개념

수소환원제철은 화석연료 대신 수소(H₂)를 사용하여 철을 생산하는 혁신적인 기술이다. 석탄이나 천연가스와 같은 화석연료는 철광석과 화학반응하면 이산화탄소(CO₂)가 발생하지만, 수소는 물(H₂O)이 발생하기 때문에, 수소환원제철은 철강 제조과정에서 탄소배출을 혁신적으로 줄일 수 있다.

HyREX(Hydrogen Reduction)는 포스코가 보유하고 있는 파이넥스(FINEX) 유동환원로 기술을 기반으로 가루 상태의 철광석과 수소를 사용하여 쇳물을 제조하는 수소환원제철 기술이다.

l 수소환원제철의 핵심 설비 ‘환원로’ : HyREX는 유동환원로

석탄, 천연가스, 수소의 공통점은 철광석(Fe₂O₃)에서 산소(O₂)를 떼어내는 환원제의 역할을 한다는 것이다. 수소환원제철의 핵심은 바로 수소에 의해 철광석의 환원반응이 일어나는 설비인 ‘환원로’에 있다.

전통적인 제철공정에서 이 환원로의 역할은 ‘용광로’(고로)가 담당한다. 고로 조업은 철광석과 석탄을 사용하기 적합한 형태로 가공해 고로에 넣고 뜨거운 공기를 불어넣으면서 이뤄진다. 뜨거운 공기는 석탄을 연소시키고, 이때 발생되는 일산화탄소 가스는 철광석에서 산소를 떼어내는 환원반응을 일으킨다. 또한, 고로 내부에 발생하는 1,500도 이상의 열은 철광석을 녹이는 용융반응을 일으키며 쇳물을 만든다. 즉, 철광석에서 산소를 떼어내는 환원반응과 환원된 고체 철(Fe)을 녹이는 용융반응이 석탄에 의해 고로 내에서 동시에 이루어지는 것이다.

하지만 수소환원제철공정에서는 환원반응과 용융반응이 고로가 아닌, ‘환원로’와 ‘전기로’라는 두 가지 설비에서 각각 분리되어 일어난다. 먼저 환원로에서 철광석 (Fe₂O₃)을 고온으로 가열된 수소와 접촉시켜 고체 철(Fe)을 제조한다. 이러한 방식으로 제조된 철을 직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)’라고 부른다. 이후 이 DRI를 전기로에 넣어서 녹이면 쇳물이 생산되는 것이다.

수소환원제철의 핵심이 환원로인 이유는 아직 전 세계적으로 100% 수소만을 사용해 DRI를 생산하는 환원로가 상용화되지 않았기 때문이다. 현재 기술로는 석탄 또는 천연가스를 사용하는 과정에서 발생하는 수소를 일부 활용하여 DRI를 생산하는 것이 가능하다. 포스코의 FINEX 기술도 석탄을 사용하는 과정에서 발생하는 수소가 철광석의 환원에 약 25% 사용되고 있다. 포스코는 FINEX에 적용된 유동환원로 기술을 기반으로, 수소를 100% 사용하는 HyREX 기술 개발을 정부를 포함한 국내 철강사들과 함께 추진 준비 중이다. 반면, 유럽, 미국, 중국 등 해외 철강사들은 천연가스(CH₄)를 일산화탄소(CO)와 수소(H₂) 가스로 개질하여 사용하는 샤프트환원로(Shaft Furnace)를 기반으로 기술 개발을 추진 중이다.

포스코는 지난해 10월 세계 최초의 수소환원제철 국제포럼인 HyIS 2021 (Hydrogen Iron & Steel Making 2021)을 개최했으며, 이 자리에서 HyREX 기술을 글로벌 철강사들에 처음으로 선보였다. HyREX에 적용되는 유동환원로는 해외 철강사들의 샤프트환원로 방식과는 철광석의 종류부터 수소와의 접촉방식까지 완전히 차별화된 수소환원제철기술이다. 포스코는 2030년까지 HyREX 기술을 검증함으로써 탄소중립으로 전환되는 미래 글로벌 철강 기술 리더십을 강화하고 그린철강 시대를 주도해나갈 계획이다.

l HyREX ‘유동환원로’와 타 철강사 ‘샤프트환원로’의 차이점

그렇다면, 포스코의 유동환원로와 해외 철강사의 샤프트환원로의 차이점은 무엇일까? 크게 3가지로 나눠볼 수 있다.

첫째, 원료 자체의 차이다. 샤프트환원로는 철광석을 파쇄·선별한 후, 일정한 크기의 구형으로 가공한 펠렛(Pellet)을 사용하나, 유동환원로는 별도의 가공없이 광산에서 채굴한 가루 상태의 철광석을 그대로 사용한다.

둘째, 원료와 수소 환원가스와의 접촉 방식의 차이다. 샤프트환원로는 고온의 환원가스인 수소가 환원로에 안에 쌓여 있는 펠렛의 사이사이 빈 공간을 아래에서 위로 지나가며 펠렛의 환원반응을 일으킨다. 이렇게 환원된 펠렛은 환원로에 들어온 순서대로 DRI가 되어 밖으로 나간다. 환원가스가 펠렛 사이을 원활히 지나가려면 환원로 내 통기성 확보가 중요하기 때문에, 일정한 크기와 강도를 확보할 수 있는 형태인 펠렛으로 철광석을 가공하여 사용하는 것이다.

반면 유동환원로는 고온의 환원가스가 환원로 하부의 분산판을 통해 골고루 분사되어 가루 상태의 철광석을 공중으로 띄워 액체를 혼합하듯이 서로 뒤섞으면서 환원반응을 일으킨다. 이렇게 환원된 철광석 분광은 4단계로 된 계단 형태의 다단환원로를 거쳐 DRI가 되어 밖으로 나간다. 이 같은 접촉 방식의 차이로 인해 유동환원로는 철광석을 펠렛으로 사전 처리하지 않고 분광 그대로 사용할 수 있는 것이다.

셋째, 탄소 배출의 차이다. 일반적으로 펠렛 1톤 생산 시 50~150 kg의 CO₂가 발생한다. 이는 샤프트환원로가 탄소중립을 달성하려면, 펠렛 제조에 사용되는 에너지도 풍력, 태양광 같은 그린에너지를 사용해야 한다는 뜻이다. 반면 철광석 분광을 그대로 사용하는 유동환원로는 펠렛 가공과정에서의 탄소배출을 염려할 필요가 없다.

l 포스코가 HyREX 기술을 개발하는 이유

포스코가 샤프트환원로가 아닌, 유동환원로 기술을 적용한 HyREX 수소환원제철 기술을 개발하는 이유는 크게 원료와 설비기술의 측면에서 나눠볼 수 있다.

먼저, 원료의 측면에서 HyREX는 철광석 분광을 그대로 사용할 수 있기 때문에 원료 확보가 용이하고 생산 원가가 경제적이다. ’20년 기준 전세계 철광석 생산량 18억 톤 중 펠렛 공급량은 4.2억 톤 수준이다. 이는 현재 펠렛 공급량이 전세계 철강 수요를 충족시키지 못하는 상황임을 의미한다. 지난해 12월 국제철원협회(IIMA, International Iron Metallics Association)는 원료 생산에 대한 추가 투자와 제강 기술 혁신 없이는 2030년 DRI용 펠렛 공급 부족사태에 직면할 가능성이 있다고 전망한 바 있다. (관련 기사 보기)

그렇다면 펠렛 생산량을 늘리면 되지 않을까? 여기에도 한계점이 있다. 펠렛은 주로 유럽, 미주에서 적철광 또는 자철광만으로 생산되는데, 이는 전세계 철광석 사용량의 30%에 불과하며, 나머지 70%는 펠렛 제조에는 활용하기 어려운 갈철광이 차지하고 있다. 가격 측면에서도 ’21년 기준 철광석 분광은 펠렛보다 톤당 약 U$85 저렴하였으며, 이는 펠렛을 생산하는 데 분광에 가공처리가 추가로 필요하기 때문이다.

펠렛은 품위에 따라 여러 종류가 있지만, 값싼 저품위 펠렛은 부서져 가루가 발생하고 반용융 상태의 융착물을 생성시킬 수 있어, 통기성을 떨어뜨리고 DRI의 배출이 힘들어질 우려가 있기 때문에 샤프트환원로에는 주로 값비싼 고품위 펠렛이 사용된다.

지난해 7월 글로벌 컨설팅 회사 맥킨지&컴퍼니는 기사(보기)를 통해 고급 원료의 제한된 생산이 철강산업의 그린 전환을 방해할 수 있다는 우려를 표명하기도 했다. 펠렛 생산국의 자국 소비량을 제외한 해상물동량 1.1억 톤 중 DRI를 생산할 수 있는 고품위 펠렛이 4,900만 톤에 불과한 것을 감안하면, 앞으로 철강사들의 고품위 펠렛 확보 경쟁은 더욱 심화될 것으로 보인다.

다음으로 설비기술의 측면에서, 유동환원로는 샤프트환원로 대비 환원로의 온도 제어에 유리하다. 환원로의 열이 부족해지면 철광석은 환원불량을 일으키기 때문에, 수소환원제철에서 환원로의 온도 제어 기술은 매우 중요하다. 석탄이나 천연가스와 같은 화석연료를 이용한 철광석의 환원반응은 자체적으로 열을 발생시키는 발열반응이 일어나지만, 수소는 철광석과 접촉 시 주변의 열을 흡수하는 흡열반응이 일어나기 때문에 환원로 내부의 열은 쉽게 부족해진다. 즉, 온도 저하로 환원불량이 일어나지 않도록 외부에서 환원로에 열을 지속적으로 공급하고 제어해줘야 하는 것이다.

환원로의 열은 산소와의 반응열로 뜨겁게 데워진 고온의 수소 환원가스를 통해 공급되는데, 유동환원로는 여러 개의 반응기가 계단 형태로 구성된 다단환원로로 이루어져 각각의 반응기 별로 산소 추가 투입을 통한 온도 제어가 가능하고, 반응기 하부뿐만 아니라 벽부에서도 가열이 가능하기 때문에 900℃ 이하의 환원가스 주입 만으로도 충분한 환원반응이 가능하다. 반면 샤프트환원로는 단일 환원로로 이루어져 하부에서 주입되는 환원가스의 열로만 환원로 전체의 온도를 제어해야 하기 때문에 환원로 상부의 온도가 저하되기 쉬워 1000℃ 이상 고온의 환원가스 주입이 필요하다.

글로벌 철강사들은 현재 천연가스를 환원제로 쓰는 샤프트환원로에 일부 수소를 부가하는 방식의 수소환원제철 기술을 개발하고 있다. 샤프트환원로는 천연가스 개질 방식과 조업 압력에 따라 크게 두 종류로 나뉜다. 다국적 철강기업 아르셀로미탈(ArcelorMittal)은 전세계 DRI의 60%를 점유하여 비교적 조업안정성이 높으나 설비투자비가 높은 미드렉스(MIDREX) 방식을, 스웨덴의 SSAB와 독일 잘츠기터(Salzgitter)는 설비투자비가 낮고 설비매몰비가 적어 상대적으로 수소전환에 유리한 에너지아이언(Energiron) 방식을 채택했다. 이중 SSAB는 지난해 *하이브리트(HYBRIT) 프로젝트를 통해 시간당 1톤 규모의 DRI를 파일럿 단계에서 생산하기도 했다.

*HYBRIT(Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) 프로젝트: 스웨덴 철강업체 SSAB, 철광석 생산기업 LKAB, 에너지 기업 바텐발(Vattenfall)이 합작해 그린스틸 생산을 추진 중인 프로젝트

국제에너지기구(IEA)는 ’20년 10월 보고서(보기) 에서 2030년 수소환원제철 상용화 전망에 대해 샤프트환원로를 100% 수소로 전환하기 위해서는 환원로의 열 부족과 원료 제한을 극복하는 기술 개발에 상당한 기간이 소요될 것으로 예상했다.

l HyREX 기술 상용화 계획

포스코는 정부 및 국내 철강사와 협업하여 2028년까지 포항제철소에 연산 100만 톤 규모의 시험설비를 건설하여, FINEX 유동환원로 기술을 기반으로 한 수소환원제철 기술인 HyREX 기술의 상업화 가능성을 확인할 예정이다. 이는 기존 FINEX 유동환원로의 일산화탄소(CO)에 수소가 일부 혼합되어 있는 방식을 100% 수소로 전환하기 위해, 유동 환원 조업이 기존 FINEX와 어떻게 다른지 기술적으로 확인하는 것을 의미한다. 또한 수소환원제철 전용의 新전기로 공정 기술 개발도 추진된다. 화석연료로 만든 DRI는 침탄반응에 의해 탄소가 소량 함유되어 있다. DRI에 탄소가 함유되면 철(Fe)의 녹는점이 1538℃에서 200~300℃ 낮아져서 용융이 쉬워진다.  반면 100% 수소로 생산한 DRI에는 탄소가 전혀 함유되어 있지 않아 상대적으로 용융이 어렵기 때문에, 수소환원제철을 완성하기 위해서는 기존 전기로와는 다른 새로운 형식의 전기로 기술 개발이 요구된다.

포스코는 ’92년 FINEX 기술 개발을 시작하여, ’07년 상용화 이후 현재까지 파이넥스 공장에서 누계 3천 4백만 톤의 쇳물을 성공적으로 생산하고 있다. 일반적으로 기술의 개발 단계는 Lab(컨셉검증)-Pilot(연속공정검증)-Demo(상용화검증) 단계를 거쳐 상용화 확대로 이어지는데, 포스코는 FINEX 공정 개발과정 중 확보한 기술과 경험을 활용하여, Pilot 단계 없이 2025년부터 Demo 단계에 돌입, 2030년까지 HyREX 기술을 검증할 계획이다. 또한 2050년까지 포항·광양 제철소의 기존 고로 설비를 단계적으로 수소환원제철로 전환하여, ‘2050 탄소중립’을 달성할 계획이다.