철강 생산의 수소 및 탈탄소화

철강 생산의 수소 및 탈탄소화

지속 가능한 에너지 미래의 주요 동인은 (i) 전 세계 이산화탄소(CO2) 배출을 줄이고 대기 질을 개선하고, (ii) 에너지 공급의 보안을 보장하고 지속 가능한 에너지 자원의 사용으로 나아가고, ( iii) 미래 경제에 중요한 새로운 산업 및 기술 에너지 기반을 창출합니다. 전 세계 에너지 미래에 대한 모든 현대적 평가는 수요 증가가 재생 가능 또는 지속 가능한 에너지원을 포함하는 다양한 에너지 믹스에 의해 점점 더 충족되어야 한다는 견해를 취합니다.

유형의 환경 문제의 증가는 지속 가능한 에너지 개발을 향한 주요 원동력 중 하나를 제공하고 있습니다. 이러한 우려 중 가장 중요한 것은 CO2 및 기타 기후 변화 가스의 대기로의 방출 및 축적 문제입니다. 이러한 배출량은 이제 명백히 산업화 이전 수준을 훨씬 초과했으며 온실 가스(GHG) 효과를 통해 지구(평균) 온도를 높이는 원인으로 간주됩니다. 다양한 활동을 통해 환경에서 방출되는 CO2의 양이 급격히 감소하지 않는 한 지구 기후에 잠재적으로 재앙적인 결과가 있을 것입니다. 이러한 우려는 의심할 여지 없이 에너지와 그 운반체가 평가되고 사용되는 방식을 변화시키고 있으며 균형을 전통적인 탄화수소 기반에서 재생 가능하거나 지속 가능한 에너지원으로 전환하고 있습니다.

수소는 매력적인 대체 연료입니다. 그러나 석탄, 가스 또는 석유와 달리 1차 에너지원이 아닙니다. 오히려 그 역할은 2차 '에너지 운반체'로서의 전기의 역할을 더 밀접하게 반영합니다. 이 전기는 먼저 다른 소스의 에너지를 사용하여 생산된 다음 잠재적인 화학 에너지가 완전히 실현될 수 있는 미래 사용을 위해 수송됩니다.

수소는 진정으로 지속 가능한 글로벌 에너지 미래를 약속합니다. 에너지 사용이 환경에 미치는 영향에 대한 우려가 증가하고 화석 연료 공급의 보안에 대한 우려가 높아짐에 따라 에너지 서비스를 제공하는 방법으로서 수소에 대한 관심이 최근 몇 년 동안 증가하고 있습니다. 수소는 업계에서 널리 사용되는 잘 알려진 다목적 청정 에너지 운반체입니다. 수소와 관련된 대부분의 기술은 오랜 역사를 가지고 있습니다. 수소를 사용하는 업계의 실적과 현재 여러 응용 분야에서 수소를 사용하는 것은 그 안전성을 입증합니다. 수소는 생산, 유통 및 사용을 위한 여러 옵션을 제공합니다. 현재 용도를 다른 용도로 안전하게 확장할 수 있습니다.

에너지 운반체로서의 수소는 원칙적으로 오늘날 사용되는 모든 형태의 최종 에너지를 대체할 수 있습니다. 경제의 모든 부문에 에너지 서비스를 제공할 수 있습니다. 화석 연료에 비해 잠재적인 환경적 이점이 있습니다. 사용 시점에서 수소는 유해한 배출물을 생성하지 않는 방식으로 연소될 수 있습니다. CO2를 배출하지 않고 수소를 생산한다면 수소 경제로 알려진 진정으로 지속 가능한 에너지 시스템의 기반을 형성할 수 있습니다.

수소는 높은 기대치와 비현실적인 현실의 순환을 경험했습니다. 기후변화에 따른 신재생에너지 가격의 하락과 엄격한 규제요건으로 인해 전 세계적으로 탄소경제에서 수소경제로의 패러다임 전환이 이루어지고 있습니다. 하지만 수소경제로의 전환은 전담 전략과 노력이 필요하기 때문에 하루아침에 이루어지지 않을 것입니다.

수소는 주기율표의 첫 번째 원소입니다. 그것은 우주에서 가장 가볍고 가장 풍부하며 가장 오래된 화학 원소 중 하나입니다. 지구에서 수소는 물이나 탄화수소와 같은 더 복잡한 분자에서 발견됩니다. 순수한 형태로 사용하려면 수소를 추출해야 합니다. 수소 불꽃은 무색 무취입니다. 눈에 띄고 감지할 수 있게 하려면 착색제와 방향제를 추가해야 합니다. 또한, 수소는 천연 가스보다 분자가 작기 때문에 더 쉽게 누출될 수 있습니다. 이러한 수소의 특성은 수소 누출이 밀폐된 공간에 수소 농도를 증가시킬 수 있는 특정 문제가 될 수 있습니다.

수소는 글로벌 산업 탈탄소화에서 중요한 역할을 할 수 있습니다. 현 상황에서는 수소경제가 우선입니다. 순 제로 CO2 배출량은 완전한 화석 연료의 단계적 폐지가 필요합니다. 수소가 기후에 미치는 영향은 전적으로 수소가 어떻게 만들어지는지에 달려 있습니다. 전지구적 기후변화를 통제하기 위해서는 재생에너지로 구동되는 물을 전기분해하여 생산하는 수소가 기후중립에 필수불가결한 요소입니다. 그러나 수소 경제로의 전환에는 수소를 생산, 운송, 저장 및 최종 사용자에게 제공하기 위한 새로운 인프라에 막대한 투자가 필요합니다.

산업화 이전 수준보다 1.5도 C의 지구 온도 상승을 제한하기 위해 2050년까지 순 배출량 제로를 목표로 할 필요성을 인식하는 합의가 증가하고 있습니다. 거기에 도달하려면 현재 전 세계 에너지 요구량의 4/5를 충족하는 화석 연료를 대체할 방법을 찾아야 합니다. 지구 온난화로 인한 1.5℃ 상승을 억제하기 위해 수소는 지속적으로 에너지 운반체로서 중심적인 역할을 하고 있다. 에너지 운반체로서의 수소는 탄소 경제에서 현재 석탄, 석유 또는 가스가 수행하는 역할에 필적하는 역할을 합니다. 철강, 시멘트, 유리 및 화학 물질의 생산에 사용되는 산업 공정은 모두 고온의 열이 필요합니다. 현재 이 열은 화석 연료를 태울 때 발생합니다. 이러한 CO2 감축이 어려운 산업 부문의 경우 수소를 사용하지 않고 필요한 규모의 순배출량 제로에 도달하는 방법은 본질적으로 없습니다.

경제를 탈탄소화하는 데 실패하는 것은 현재 사용할 수 있는 옵션이 아닙니다. 장기적으로 재생 가능한 발전 전력과 함께 수소는 철강 부문과 같이 저감하기 어려운 부문을 탈탄소화하는 솔루션을 제공할 수 있는 능력이 있습니다. 그러나 극복해야 할 몇 가지 과제가 있습니다.

수소는 식품, 전자 제품, 유리 및 금속 산업뿐만 아니라 정제를 위한 비료용 암모니아 생산과 같은 산업 공정의 에너지원 및 공급원료 모두로 사용할 수 있는 매우 다재다능한 기본 화학 물질입니다. 그러나 수소를 에너지원으로 사용하는 것은 경제의 탈탄소화를 위해 매우 중요합니다. 새로운 증거에 따르면 수소는 특히 화염(및 후속 연소 가스)이 생산되는 재료 또는 제품과 직접 접촉해야 하는 경우(예:용광로 및 가마에서) 산업 열의 배출을 줄이는 데 중요한 잠재적 역할을 합니다.

수소에는 여러 가지 유용한 특성이 있습니다. 다양한 저탄소 방식으로 생산할 수 있으며 연소를 통해서든 연료 전지의 전기 화학 반응을 통해서든 사용하면 GHG 배출이 발생하지 않습니다. 연료전지에서 수소를 사용하면 부산물이 물뿐이기 때문에 대기오염물질을 배출하지 않습니다. 이는 대체하는 화석 연료에 비해 대기 질을 크게 향상시킵니다.

수소의 연소는 고온을 발생시킬 수 있으므로 산업 응용 분야의 예와 같이 고온의 열이 필요한 화석 연료의 대체물로 사용할 수 있습니다. 그러나 수소는 더 높은 온도에서 연소되기 때문에 유해한 오염물질인 질소산화물(NOx)이 문제가 될 수 있습니다.

수소는 화석 연료보다 에너지 밀도가 훨씬 낮지만 압축하면 에너지 밀도가 상당히 높습니다. 그것은 몇 시간 또는 며칠이 아닌 몇 달 동안 지속될 수있는 양으로 대량으로 저장할 수 있습니다. 또한, 압축성 가스로서 수소는 파이프라인을 통해 고속으로 전달될 수 있습니다.

에너지 운반체로서의 수소는 어떤 면에서 전기와 유사합니다. 둘 다 화석 연료와 같이 유용하고 추출 가능한 형태로 발생하기보다는 생성되어야 합니다. 저탄소 전기를 기반으로 한 전기분해를 통해 또는 탄화수소(예:바이오매스, 천연 가스)의 가스화 또는 개질과 결합된 탄소 포집 및 저장 또는 활용(CCS/U)의 적용을 통해 다양한 저탄소 방법으로 생산할 수 있습니다. .

수소는 여러 가지 방법으로 저장 및 배포될 수 있습니다. 수소는 (중량) 에너지 밀도가 높습니다. 운송 옵션은 화석 에너지 운반선의 운송 옵션과 유사하며 기체/액화 트럭 운송, 선박 운송 및 파이프라인을 통한 기체 수소 펌핑이 포함됩니다. 기존 천연 가스 그리드에 혼합하는 것도 가능하며 특히 전환 기간 동안 중요해질 수 있습니다. 몇 가지 저장 옵션이 있으며 그 중 일부는 아직 개발 단계에 있습니다.

산업 공정을 위한 지속 가능한 수소 생산 방법으로의 전환은 주로 녹색 연료에 대한 인식 증가와 적절한 탄소 가격 및 규제 프레임워크를 통해 실현할 수 있는 녹색 산업 제품에 대한 적절한 가격 책정에 달려 있습니다. 산업 공정에서 녹색 수소를 사용하면 대규모 수소 수요에 기여하고 결과적으로 생산 비용이 낮아져 이동성과 같은 다른 부문에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다는 이점이 있습니다.

수소는 에너지원이 아니라 에너지 운반체입니다. 사용하기 전에 생산 및 보관해야 합니다. 에너지를 저장하는 수소 가스 분자는 연소하거나 연료 전지를 통해 에너지를 복원할 수 있습니다. 1kg의 수소를 연소하면 휘발유 1kg보다 3배 더 많은 에너지를 방출하고 물만 생성합니다. 연료전지의 경우 수소와 산소의 화학에너지가 한 쌍의 산화환원(환원-산화) 반응을 통해 전기로 변환된다. 반응의 부산물은 물입니다.

수소의 CO2 감소 영향은 생산 방식의 CO2 발자국과 수소가 사용되는 활동으로 인한 배출량의 조합에 의해 결정됩니다. 수소 생산과 관련된 CO2 배출량은 사용된 기술 및 공정에 전력을 공급하는 전력망 구조와 밀접하게 연결되어 있습니다. 현재 수소 생산의 탈탄소화는 도전적이지만 CO2 배출에 긍정적인 영향을 미치고 비용 절감을 실현하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 또한 재생에너지의 전기분해로 인한 수소 생산 비용도 감소할 것으로 기대됩니다.

수소 생산 공정에는 기본적으로 두 가지 범주가 있습니다. 하나는 전기로 물에서 수소를 추출하는 것이고(즉, 전기분해), 두 번째는 화석 연료를 에너지 및/또는 수소의 원천으로 활용하는 것입니다. 천연 가스, 석유 또는 석탄과 같은 화석 연료와 함께 또는 그로부터 수소를 추출할 때 CO2 배출은 촉매되는 화학 반응에 고정되어 있습니다. 전기가 전기분해 공정을 실행하는 데 사용되는 경우 관련 배출은 전원의 CO2 강도로 인해 발생합니다.

사용된 에너지원과 수소 생산에 사용된 방법은 비공식적으로 회색, 파란색 또는 녹색 수소로 간주되는지 여부를 정의합니다. 현재 약 96%의 수소가 탄소 집약적 공정을 통해 화석 연료에서 생산되고 있습니다. 이러한 과정에서 생성된 수소를 회색 수소라고 합니다. 두 가지 주요 공정은 증기와 석탄 가스화를 통한 메탄 개질입니다. 이 두 공정에 의해 수소를 생산하는 동안 배출되는 이산화탄소가 탄소 포집 및 저장 또는 활용(CCS/U)을 통해 격리되면 생산된 수소를 청색 수소라고 합니다. 수소 자산에 대한 CCS/U는 90%에 달하는 높은 포집율 범위를 가지며 이는 온실 가스 관점에서 이 생산 경로를 매우 효과적으로 만듭니다.

재생 가능한 자원으로 생성된 전기 에너지를 사용하여 전기분해 공정으로 생성되는 저공해 또는 무공해 수소를 녹색 수소라고 합니다. 다른 색상 코드가 있습니다. 수소는 원자력 발전소에서 전기를 공급받아 전해조에서 생산될 때 노란색(또는 보라색) 수소로 알려져 있습니다. 물 전기분해를 이용한 수소 생산은 현재 비용이 많이 드는 많은 양의 전기가 필요하기 때문에 극소수입니다. 이 기술은 일반적으로 매우 높은 순도의 수소를 생산하는 데만 사용됩니다.

전기분해와 관련된 추가 문제는 물 소비입니다. 순수한 물 소비량은 일반적으로 수소 출력 킬로그램당 10리터에서 15리터의 범위이며 투입되는 물은 탈이온화되어야 합니다. 담수 공급원이 없는 경우 옵션에는 해수 담수화 또는 폐수 회수가 포함됩니다.

무공해 수소를 생산하는 세 가지 주요 경로는 (i) 바이오 메탄을 사용하는 증기 메탄 개질(SMR), 또는 CCS/U와 결합, (ii) 재생 가능 에너지로 생성된 전기를 사용하는 전기분해, (iii) 바이오매스의 가스화. SMR 및 전기분해는 성숙한 기술이지만 CCS/U를 사용한 바이오매스 및 SMR의 가스화는 아직 개발 중입니다. 현재로서는 가장 경제적인 경로이기 때문에 현재 거의 모든 수소 생산이 화석 연료 개질을 통해 이루어지고 있습니다.

청색수소 경로와 관련하여 물 소비는 자주 간과되는 측면입니다. 청색 수소 경로는 상당한 양의 물을 소비하며 경우에 따라 전기분해 공정보다 더 많은 양의 물을 소비합니다. 수명 주기 인벤토리에 따라 구현된 물을 비교할 때 결과는 수소 킬로그램당 물 소비량이 SMR 공정의 경우 24리터, 석탄 가스화 공정의 경우 38리터까지 높을 수 있음을 보여줍니다.

청록색(녹색을 띤 파란색) 수소라고도 하는 추가 경로는 아직 TRL(기술 준비 수준) 단계에 있습니다. 그것은 메탄의 열분해로 구성됩니다. 현재 전 세계 여러 지역에서 다양한 기술 솔루션이 개발 중입니다. 이 과정에서 천연 가스가 공급원료로 사용되는 반면 에너지 소비는 전기, 아마도 저탄소 공급원에서 비롯됩니다. 메탄은 고온에서 수소와 고체 탄소(카본 블랙이라고도 함)로 분리됩니다. 그림 1은 색상 표현으로 수소 생성 경로의 식별을 보여줍니다.

그림 1 색상 표현으로 수소 생성 경로 식별

수소의 물 전기분해 공정과 관련하여 알칼리 전해조는 최신 공정을 나타냅니다. 개발 중인 다른 공정은 실증 단계에 있는 양성자 교환막(PEM) 기술이며, 고체 산화물 전해기는 아직 연구 및 개발 단계에 있습니다. PEM 전해기는 더 높은 출력 압력, 더 나은 부분 부하 범위, 더 빠른 시작 및 부하 변동을 포함하여 비슷한 에너지 소비에 대해 다양한 이점을 제공할 수 있습니다.

현재 수소는 거의 전적으로 천연 가스와 석탄에서 공급됩니다. 수소는 이미 전 세계적으로 산업 규모로 배치되어 있지만 그 생산은 연간 CO2 배출량을 책임지고 있습니다. 저탄소 에너지로 수소를 생산하려면 비용이 많이 듭니다. 현재 녹색 수소는 값비싼 가스입니다. 그러나 재생 가능한 전기로 수소를 생산하는 비용은 급격히 떨어지고 있습니다.

'잉여' 재생 가능 에너지 및/또는 원자력의 전기분해를 통한 수소 생산은 비용 효율적인 대안이 될 수 있지만 이러한 기회의 규모는 수소에 대한 잠재적 수요에 비해 작습니다. 전기분해로부터 대량으로 수소를 생산하는 것은 현재 훨씬 더 비싸고 발전 용량을 위한 매우 어려운 구축 속도를 수반합니다. 재생 가능한 전기로 생산되는 녹색 수소는 앞으로 빠르게 성장할 것으로 예상됩니다. 현재 진행 중이거나 계획 중인 많은 프로젝트가 이 방향을 가리키고 있습니다.

재생 가능 전력의 녹색 수소는 기술적으로 실행 가능하며 매우 빠르게 경제적 경쟁력에 접근하고 있습니다. 이 공급 옵션에 대한 관심 증가는 재생 가능 전력의 비용 감소와 가변 재생 가능 전력 공급의 점유율 증가로 인한 시스템 통합 문제로 인해 발생합니다. 현재 초점은 전해조 비용과 공급망 물류를 줄이기 위한 배치 및 학습을 통한 학습입니다.

재생 가능한 수소 생산의 경제적 실행 가능성에는 세 가지 주요 매개변수가 중요합니다. 이는 (i) 전해조 자본 지출, (ii) 공정에 사용되는 재생 가능 전기 비용(평형 전기 비용, LCOE) 및 연간 기준 작동 시간 수(부하 계수)입니다. 전해조 부하 계수가 높을수록 고정 투자가 더 많은 양의 제품 생산량으로 희석되면 수소 1단위의 비용이 더 저렴해집니다. 일반적으로 전해조의 부하율은 현재 투자 비용 수준에서 50%를 초과하지만 거의 최적의 수소 비용은 35% 이상에서 달성되기 시작합니다. 그러나 녹색 수소를 위한 전해조 용량은 최근 몇 년 동안 기하급수적으로 증가했습니다.

전해조의 규모 확대는 매우 빠르게 진행되고 있습니다. 기술이 계속 발전함에 따라 메가와트(MW) 규모에서 기가와트(GW) 규모로 확장됩니다. 진전은 점진적이며, 급진적인 돌파구가 예상되지 않습니다. 전해조의 비용은 2040년에서 2050년까지 절반으로 줄어들 것으로 예상되는 반면 재생 가능 전력 비용도 계속해서 하락할 것으로 예상됩니다. 재생 가능한 수소는 곧 미래의 많은 녹색 분야 응용 분야에서 가장 저렴한 청정 수소 공급 옵션이 될 것입니다.

지금부터 2050년 사이에 일어나고 있는 탈탄소화의 주요 추진력과 함께 글로벌 에너지 전환에서 필요한 것은 현재 24,000TWh(테라 와트시)의 전력 생산을 재생 에너지로 대체하는 것입니다. 또한 예상되는 인구 증가와 생활 수준의 향상으로 인해 재생 가능한 에너지원에서 생성되는 추가 23,000TWh가 필요합니다. 이것은 본질적으로 수소가 없어도 향후 30년 동안 전 세계 전력 소비가 두 배로 증가할 것임을 의미합니다. 녹색 수소 경제를 성공적으로 성장시키려면 20,000TWh가 더 필요합니다. 이는 수소 경제로의 전환이 직면한 큰 과제입니다.

수소 저장은 전기 공급/가격 책정 관점에서 이점을 제공할 수 있지만 프로세스 개념에서는 그렇게 중요하지 않습니다. 오늘날, 수소 저장을 위한 가장 비용 효율적인 대안은 지하 염층에 저장하기 위한 가장 비용 효율적인 대안이 존재하는 지하 가압 저장입니다. 수소 저장을 위한 이 저장 기술은 산업적 규모로 테스트되었습니다. 현재 많은 관심을 끌고 있는 다른 솔루션에는 천연 가스 파이프라인을 활용하고 중간 수소 저장으로 암모니아 또는 탄화수소로 전환하는 것이 포함됩니다. 현재 스웨덴에서 천연가스로 사용되고 있는 LRC(Lined Rock Cavern) 기술에 대한 초기 평가도 유망한 것으로 여겨진다. 개발 중인 수소 저장을 위한 다른 대체 방법은 금속 수소화물 및 다공성 물질에 저장하는 것입니다.

수소에 대한 여러 투자는 10년에서 20년의 긴 지평을 필요로 합니다. 특히 초기에는 소비자 수요가 증가하기 전에 인프라 투자가 필요합니다. 특정 부문에 대한 명확하고 구속력 있는 배출 감소 목표 또는 자극의 부재는 잠재적 투자자가 장기적인 위험을 감수하는 것을 방해합니다.

오늘날 수소에 대한 주된 수요는 산업용 공급원료로서의 사용입니다. 그러나 이러한 공정에 사용되는 수소는 현재 저탄소 공급원에서 나온 것이 아닙니다. 주요 미래 산업 난방 응용 프로그램에는 현재 철강 산업이 현재 석탄을 사용하는 철강 생산이 포함됩니다. 적철광(Fe2O3)을 줄이기 위한 수소의 화학량론적 소비량은 철 톤당 54kg입니다. 따라서 연간 100만 톤의 수소 환원제 제철소는 시간당 수소의 STP(표준 온도 및 압력)에서 70,000 입방 미터의 수소 플랜트 용량이 필요합니다.

철강 산업의 의존도를 석탄에서 수소로 전환하는 것은 단지 기술 및 재정적 문제가 아닙니다. 또한 국가, 지역 및 글로벌 수준에서 철강 산업이 조직되는 방식에 영향을 줄 수 있습니다. 역사적으로 석탄에 대한 접근 용이성은 제철소의 위치를 ​​결정하는 중요한 측면이었습니다. 따라서 철강 공장은 국내 석탄전 가까이에 설치되거나 항구 시설 근처에서 수입 석탄에 의존하는 철강 공장에 자주 설치되었습니다.

철강 생산에 수소를 사용하는 것은 현재 개발 단계에 있는 기술입니다. 목표는 1차 제강에 널리 사용되는 기술이며 점결탄을 열원으로 사용하고 철광석에서 산소를 환원하는 BOF(고산소로) 공정을 철의 직접 환원( DRI) 여기서 수소는 열원이자 환원제입니다.

수소를 환원제로 사용하는 아이디어는 주로 기후 변화 문제와 관련이 있습니다. 제철 공정의 탈탄소화는 환원 반응에서 탄소/일산화탄소를 탄소 배출을 낮추거나 0으로 만들 수 있는 다른 가스로 대체해야 합니다. 이 가스는 메탄 또는 수소일 수 있습니다. 탄소와 수소를 모두 포함하는 화합물인 메탄(CH4)을 사용하면 CO2 배출량을 줄여 부분적으로 수증기(H2O)로 대체하지만 완전히는 대체할 수 없습니다. 수소를 사용하면 화학적 부산물로 수증기만 생성하기 때문에 공정을 완전히 탈탄소화할 수 있습니다.

두 대안 모두 기술적으로 잘 알려져 있습니다. 메탄은 천연 가스의 주요 구성 요소이므로 많은 양을 사용할 수 있습니다. 그것은 이미 철강 생산에서 제한된 정도로 사용되지만 더 널리 사용되면 공정의 부분적인 탈탄소화가 가능합니다. 반면에 수소는 제강 공정을 완전히 탈탄소화하는 것을 가능하게 합니다. 그러나 수소는 지금까지 제한된 양으로만 생산되고 있으며 철강 생산에 사용하기 위해서는 산업적 규모의 생산을 위해 더 미세 조정해야 합니다.

따라서 철강 생산 공정의 탈탄소화는 두 가지 주요 과제, 즉 (i) 파일럿 플랜트를 통한 수소 기반 철강 생산 경로의 최적화 및 확대, (ii) 수소 생산 확대, 더 낮은 비용으로 더 많은 양을 생산하는 두 가지 주요 과제를 제기합니다. 더 높은 효율성을 가진 비용. 조만간 철강 생산에서 수소로 전환하려면 전례 없는 규모로 새로운 수소 생산 시설을 구축해야 할 것입니다. 따라서 수소 기반 철강 생산을 위한 노력의 성공은 가능한 한 가장 낮은 비용으로 최대한 많은 양의 수소를 사용할 수 있도록 하는 데 결정적으로 달려 있습니다.

일반적으로 철강 생산에서 (녹색) 수소를 사용하는 두 가지 방법이 있습니다. 첫째, PCI(미분탄 주입)의 대체 주입 재료로 사용되어 기존 고로의 성능을 향상시킬 수 있습니다. PCI의 사용은 일반적이지만 수소 주입을 사용하는 첫 번째 파일럿 플랜트는 최근 탈탄소화 가능성을 평가하기 위해 설정되었습니다. 그러나 고로에 (녹색) 수소를 주입하면 탄소 배출량을 최대 20%까지 줄일 수 있지만 일반 점결탄은 여전히 ​​고로에서 필요한 환원제이기 때문에 탄소 중립 철강 생산을 제공하지 않습니다.

둘째, 수소는 EAF(전기 아크로)를 사용하여 강철로 추가 처리될 수 있는 DRI를 생산하기 위한 대체 환원제로 사용될 수 있습니다. 환원제로 수소를 사용하면 물만 방출됩니다(즉, 탄소 배출을 생성하지 않음). DRI/EAF 경로는 현재 천연가스를 환원제로 적용하고 있는 검증된 생산 공정입니다. 그러나 직접 환원 공정은 수소로도 수행할 수 있습니다. 풍력, 태양열 또는 물에서 재생 가능한 전기뿐만 아니라 녹색 수소의 사용을 기반으로 하는 DRI/EAF 설정은 탄소 중립에 가까운 철강 생산을 가능하게 합니다. 스웨덴과 독일 조직은 깨끗한 수소를 사용하여 가열하는 '그린 스틸'을 실험해 왔으며, 스웨덴에서 2020년에 첫 번째 성공적인 실험이 있었습니다.

친환경 수소 기반 DRI 및 스크랩을 EAF와 결합하여 DRI 생산 단계의 화석 연료를 재생 에너지로 생산된 수소로 대체합니다. 이는 거의 배출 가스가 없는 철강 생산을 가능하게 하는 기술적으로 입증된 생산 방법을 나타냅니다. 유럽의 모든 주요 철강 업체는 현재 PCI 대체품으로 수소를 사용하거나 수소 기반 직접 환원을 사용하여 수소 기반 철강 생산 공정을 구축하거나 이미 테스트하고 있습니다.

그러나 필요한 수소 수송 및 저장과 함께 순수 수소 기반 철강 생산(DRI + EAF) 설정을 위한 자본 요구 사항은 상당히 중요합니다. 그림 2는 수소 직접 환원 공정의 일반적인 흐름도를 보여줍니다.

그림 2 수소 직접 환원 공정의 일반적인 흐름도

철의 직접환원은 현재 전 세계 철 생산량의 약 8%에 사용되며 직접환원에 의해 생산됩니다. 현재 철의 직접 환원은 천연 가스 또는 석탄에서 파생된 환원 가스를 사용합니다. 2016년에 스웨덴의 3개 회사(SSAB, LKAB, Vattenfall AB)는 환원 가스로 수소를 사용하여 '직접 환원'으로 알려진 철 생산 공정을 탈탄소화하는 방법을 개발할 계획을 발표했습니다. 그들의 개념은 Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology(HYBRIT)라고 합니다. HYBRIT는 CO2 대신 물을 부산물로 생성하는 유일한 환원 가스인 수소를 기반으로 합니다. 그 결과 생성된 '직접 환원철'(DRI)은 전통적인 DRI가 사용되는 것과 동일한 방식으로 전기 아크로를 사용하여 강철로 만들 수 있습니다. 그림 3은 HYBRIT 프로세스의 기본 흐름도를 보여줍니다.

그림 3 HYBRIT 프로세스의 기본 순서도

HYBRIT 공정의 주요 특징은 (i) 펠릿 생산에 비화석 연료를 사용하고, (ii) 화석이 없는 전기를 사용하여 전기분해하여 수소를 생산하고, (iii) 특별히 설계된 장치에 수소를 저장하여 버퍼로 사용한다는 것입니다. 그리드로, (iv) 용광로가 철광석 환원에 사용됨, (v) 맞춤형 펠릿이 철광석 공급물로 사용됨, (vi) 환원 가스/가스 혼합물이 샤프트에 주입되기 전에 예열됨, (viii ) 제품은 DRI 또는 ​​HBI(hot briquetted iron)일 수 있으며 (ix) DRI/HBI는 EAF에서 재활용 스크랩과 함께 녹습니다.

HYBRIT 프로세스는 새로운 공급망 설정 및 용광로의 기준 사례 모두와 관련된 종단 간 에너지 소비를 평가했습니다. 분석에는 땅에서 철광석을 추출하기 위한 채굴 활동도 포함됩니다. 이 분석에 따르면 고로는 1톤의 조강을 생산하기 위해 점결탄과 기름이 연소될 때 1,600kg의 CO2를 배출합니다. DRI 경로는 약 50kg의 수소를 소비하면서 25kg의 CO2만 배출하며, 차례로 2,633kWh의 전력을 사용합니다. 이는 kg H2당 32kg CO2의 배출 감소 효과를 시사합니다.

이것은 소비된 수소에 대해 달성된 배출량 감소의 정확한 계산이지만 DRI 공정은 BOF의 최종 제품인 조강을 생산하기 위해 전기 아크로(EAF)에서 처리되어야 하는 중간 해면철 제품을 생성합니다. 수소의 다른 최종 용도와의 비교를 정규화하기 위해 조강 톤당 855kWh의 EAF 전력 소비는 또 다른 16kg의 수소를 생산하는 데 사용할 수 있으며 이는 kg H2당 24kgCO2의 정규화된 효율성을 의미합니다. 그림 4는 BF-BOF 제강과 HYBRIT 공정을 비교한 것입니다.

그림 4 BF-BOF 제강과 HYBRIT 공정의 비교

이제 EAF를 사용한 수소 기반 철강 생산은 기술적으로 실현 가능하며 철강 산업을 대규모로 탈탄소화하기 위한 잠재적인 장기 솔루션의 일부로 이미 간주되고 있습니다. 문제는 이러한 변화가 일어날 수 있는지 여부가 아니라 언제 그리고 어느 정도로 일어날 수 있느냐는 것입니다. 그러나 철강 산업에서 탈탄소화 티핑 포인트가 발생할 수 있는 시기를 결정하는 다양한 상호 의존적 요인이 있습니다. 미래의 발전과 녹색 수소 기반 강철의 채택 시기를 결정하는 몇 가지 외부 요인이 있습니다.

수소 기반 철강으로의 전환은 하루아침에 이루어질 수 없습니다. 또한 현재 탄소 중립 철강 산업을 달성하기 위해 활용할 수 있는 핵심 생산 기술은 단 하나뿐입니다. 재생 가능 에너지 및 규제 문제에서 미래의 저렴한 에너지 가용성은 수소 기반 강철 채택의 두 가지 핵심 동인이 될 것입니다. 탄소중립이 되기 위한 목표가 앞으로 28년 정도 남았음에도 불구하고 지금 행동하는 것이 중요합니다. 산업 현장의 수명은 50년을 초과하고 투자 계획 기간은 10~15년입니다. 자산 및 발자국 결정은 지금 이루어져야 하며 명확한 탈탄소화 로드맵을 따라야 합니다. 로드맵 자체는 장기적인 목표와 실행 가능한 빠른 승리를 결합하여 모든 이해 관계자를 계속 참여시키는 탈탄소화로의 점진적인 전환을 허용하는 것입니다.

전반적으로, 철강 제조 공정에서 탄소에서 수소로의 시기적절한 전환은 수소 가격을 낮추는 동시에 탄소 가격을 상승시키는 광범위한 분야에서 조정된 정치적 행동이 필요합니다. 결과적으로 수소 가격을 낮추려면 광범위하고 조정된 일련의 조치를 개발해야 합니다. 이러한 조치는 수소 경제에 대한 일관된 추진의 일환으로 수소 수요를 촉진하고 공급 능력을 확대하는 데 필수적입니다.