ULCOS: 초저탄소 배출로 제강 혁신

초저이산화탄소 제강 - ULCOS

기후 변화는 25년 이상 전 세계 철강 산업에 의해 주요 환경 과제로 인식되어 왔습니다. 2007년 기후 변화에 관한 정부간 패널(IPCC) 조사 결과 훨씬 이전부터 주요 철강 생산자들은 철강 생산 중 발생하는 이산화탄소(CO2) 배출을 해결하기 위한 장기적 해결책이 필요함을 인식했습니다.

그 결과 철강 산업은 에너지 소비 개선과 온실가스(GHG) 배출 감소에 매우 적극적이었습니다.

세계 철강 산업에 가장 관련 있는 온실가스는 이산화탄소(CO2)입니다. 세계철강협회(WSA)에 따르면, 평균적으로 조강 1톤 생산당 1.8톤 CO2가 배출됩니다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 2010년 철강 산업은 전 세계 CO2 배출량의 약 6.7%를 차지했습니다.

현황과 돌파구 기술 필요성

조강 1톤당 CO2 배출량은 현재 약 50% 낮아져 철강 부문의 기후 영향을 크게 줄였습니다. 최신 제강 플랜트는 현재 제강 기술로 설정된 열역학적 한계 근처에서 운영됩니다. 이는 철강 생산자들이 에너지 효율을 더 이상 크게 개선할 수 없음을 의미합니다. 주요 에너지 절감이 이미 달성되었으므로, 현재 기술을 사용한 추가적인 대규모 CO2 배출 감소는 불가능합니다.

온실가스 배출을 더 줄이려면 돌파구 기술(breakthrough technologies) 도입이 필요했습니다. 교토 의정서 이후 정책이 요구하는 수준으로 CO2 배출을 줄이는 것은 '상자 밖의 사고(out of box thinking)'를 요구했습니다. 이는 구체적인 과제를 제기했습니다. 이 목표를 달성하기 위한 간단한 공정은 기성품으로 존재하지 않았습니다. 철강 생산 방식에 대한 깊은 패러다임 전환을 상상하고, 이에 상응하는 돌파구 기술을 설계하고 개발해야 합니다. 정부와 국제 기구가 요구하는 감축 수준은 급진적인 새로운 생산 기술의 발명과 구현을 요구합니다.

ULCOS 프로그램 출범과 목표

이것이 ULCOS(Ultra-Low CO2 Steelmaking) 프로그램 창설의 배경입니다. 2004년 교토 의정서 결과로 시작된 협력적 유럽 연구개발 이니셔티브입니다. ULCOS는 철강 생산에서 CO2 배출을 추가로 대폭 줄이는 방법을 모색합니다. 프로그램 핵심 목표는 미래에 완전히 개발되면 철광석으로부터 강철 생산 시 CO2 배출을 대폭 삭감할 잠재력을 보여줄 돌파구 공정 경로를 찾는 것입니다. 프로그램은 현재 생산 기술 대비 CO2 배출을 최소 50% 줄이는 것을 목표로 합니다. 이러한 야심찬 목표 달성은 전 세계 제철소 운영 방식을 바꿀 제강 패러다임 전환을 요구합니다. ULCOS는 CO2 대폭 감축 잠재력을 가진 제강 기술을 식별하기 위한 전 세계 철강 산업 프로그램의 일부입니다. 이 프로그램 하에서 가장 지속 가능한 방식으로 강철을 만드는 해답을 찾으려 시도합니다.

ULCOS 프로그램 회원은 15개 유럽 국가의 48개 유럽 기업과 조직으로 구성된 컨소시엄으로, 모든 주요 EU 철강 기업, 에너지 및 엔지니어링 파트너, 연구소, 대학이 포함됩니다. 유럽 위원회도 지원합니다. ULCOS는 유럽 프로그램이지만, 지구 온난화 위협에 대한 해결책을 적극적으로 모색하는 전 세계 철강 산업 최대 규모의 노력입니다. 컨소시엄 전문성은 제강부터 바이오매스 생산, 지질학적 CO2 저장까지 범위가 넓으며, 공정 엔지니어링, 에너지 경제학, 기후 변화 전망 연구를 포함합니다.

오늘날 ULCOS는 지구 온난화 위협에 대한 해결책을 적극적으로 모색하는 전 세계 철강 산업 최대 이니셔티브입니다. ULCOS 파트너가 7,500만 유로 예산의 60%를 부담합니다. 유럽 위원회가 RTD(연구 및 기술 개발) 프레임워크 프로그램과 RFCS(석탄·철강 연구 기금) 프로그램을 통해 나머지 40%를 기여합니다. 둘 다 유럽 내 산업 연구 및 기술 개발 촉진을 위해 마련되었습니다.

CO2 저감 공정 경로 탐색

현재 제강 기술은 대부분 탄소인 석탄, 탄소와 수소 혼합물인 천연가스, 스크랩 기반 전기로에 기반합니다. CO2-린(lean) 공정 경로를 식별하기 위한 세 가지 주요 해결 경로는 다음과 같습니다: (1) 석탄에서 벗어나는 전환, 즉 탈탄소화로 탄소를 수소나 전기로 대체(수소 환원, 철광석 전기분해 등), (2) CCS(탄소 포집 및 저장)와 광물 탄산화 기술 도입, (3) 지속 가능한 바이오매스 활용.

ULCOS는 철강 산업과 사회 전체가 직면한 장기적 복잡한 과제에 대처하기 위해 신중하게 설정된 대규모 프로그램입니다. ULCOS 프로그램은 4단계로 구성됩니다: (1) 공정 개념 구축, (2) 대규모 실증, (3) 최초 상업 플랜트 대규모 실험, (4) 유럽 및 전 세계 기술 보급. 연구 이니셔티브였던 ULCOS는 현재 실증 이니셔티브로 전환되었습니다.

2004년 시작 이래 ULCOS 프로그램에서 상당한 연구가 수행되었습니다. 초기 4~5년간 타당성 조사에서 모델링과 실험실 접근을 사용하여 CO2 배출, 에너지 소비, 제강 운영 비용, 지속가능성 측면에서 잠재력을 평가하며 80개 이상 기술/개념 경로를 조사했습니다. 여러 개념이 병렬로 조사되었습니다. 이 중 ULCOS 프로그램 내에서 추가 조사와 상업적 인수 가능한 규모로 확대를 위해 다음과 같은 광범위한 공정 경로 패밀리가 선정되었습니다.

• 고로(BF) 변형: 고로 상부 가스가 CO2 포집을 거쳐 나머지 환원 가스가 로 바닥으로 재주입되며, 열풍(공기) 대신 순수 산소로 운전. '상부 가스 재순환 고로(TGR-BF)'라 함. CO2 풍부 가스 스트림은 저장(CCS 기술)으로 보내짐.
• 용융 환원 공정: '히사르나(HIsarna)' 공정. 사이클론과 욕로 제련소 결합 기반, 히스멜트(HIsmelt) 공정 기술 일부 통합. 순수 산소 사용, 저장 준비된 오프가스 생성(CCS 기술).
• 직접 환원(DR) 공정: '울코레드(ULCORED)'. 샤프트로에서 천연가스 또는 석탄 가스화 가스로 DRI(직접 환원 철) 생산. 샤프트 오프가스에서 CO2 포집 후 공정으로 재순환, 농축 스트림으로 DR 플랜트 이탈 후 저장(CCS 기술).
• 두 가지 전기분해 공정 변형: '울코윈(ULCOWIN)'과 '울콜리시스(ULCOLYSIS)'. ULCOWIN은 소량 광석 입자가 든 알칼리 수용액에서 100°C 약간 위에서 작동(전기제련). ULCOLYSIS는 슬래그로 만든 용융염 전해질에서 제강 온도로 작동(용융산화물 전기분해).
• 두 가지 추가 옵션: 탄소 발자국 없이 수소 이용 가능한 경우 수소 직접 환원. 두 번째는 지속 가능한 바이오매스 기반, 첫 구현체는 열대 국가 유칼립투스 지속 가능 플랜테이션에서 생산된 목탄.

새로운 ULCOS 기술 내 CCS와 광물 탄산화 활용도 평가되었습니다. CCS는 처음부터 강력한 해결책으로 식별되었습니다. 광물 탄산화는 적당하지만 중요한 전체 배출 감소만 가능함을 확인했습니다.

ULCOS 프로그램 하에서 조사 및 개발 중인 공정들은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 ULCOS 프로그램 하에서 조사 및 개발 중인 공정들

선정된 4대 공정 컨셉과 실증 단계

ULCOS는 현재 모범 사례 대비 CO2 배출을 절반 이상 줄일 수 있는 4가지 공정 컨셉을 선정했습니다. 이들은 실험적으로 테스트되었으며, ULCOS 프로젝트 2단계에서 실제 제철소에 구현되고 있습니다. 2단계 결과는 향후 15~20년 내 생산 플랜트에 적용될 잠재력이 있습니다. 선정된 공정 컨셉은 (1) CCS를 공정 핵심에 통합한 고로 재설계, (2) CCS 능력 갖춘 용융 환원, (3) 현재보다 CO2-린 기술로 천연가스 대규모 활용, (4) 수소 제강과 철광석 전기분해.

TGR-BF는 기존 고로를 신기술로 개조할 수 있어 단기적으로 가장 유망한 솔루션으로 보입니다. 이는 돌파구 기술 전환에 필요한 막대한 자본 지출을 어느 정도 통제할 수 있게 합니다. 또한 공정 원리상 CO2 포집과 정제 가스 재순환이 고온 화학 평형(부두아르 반응)을 대체하고, 코크와 석탄을 기존 운전보다 고로 내부에서 더 높은 효율로 사용하게 하여 포집 및 저장 추가 비용을 어느 정도 상쇄합니다. TGR-BF에 적용된 적절한 개념은 산소 운전과 공정 내 CO2 포집입니다. 산소 부분은 산소 연소(oxy-fuel) 운전과 유사하지만 동일하지 않습니다. 재순환 부분이 독창적이며 에너지 절감과 운영비 절감의 핵심 이유입니다. 이 개념은 스웨덴 뤼레오(Luleå) 대형 실험실 고로에서 테스트되어 긍정적 결과를 얻었습니다.

천연가스 가용성이 있는 곳에서는 ULCORED 공정 경로가 매력적입니다. ULCORED에 적용된 개념은 TGR-BF와 유사하며 순수 산소 사용과 공정 내 샤프트 상부 가스 재순환을 포함하며, 재순환 루프 내 일련의 시프트 반응기 등 다른 특징도 가집니다. 이 개념 검증을 위해 LKAB(ULCOS 파트너)가 향후 몇 년 내 뤼레오에 1톤/시간 파일럿을 건설할 계획입니다.

개발 중인 히사르나(HIsarna) 공정은 향후 몇 년 내 그린필드(green field) 제철소용 옵션이 될 것입니다. 히사르나 공정은 가스 재순환 루프가 없다는 점에서 TGR-BF, ULCORED와 약간 다릅니다. 제련소 가스는 사이클론 레벨에서 산화되며, 여기서 일부 환원과 연소가 일어나 광석을 예열하고 용융시킵니다. 철 스트림에 역류하는 가스 흐름에서 화학 에너지가 완전히 소진됩니다. 8톤/시간 파일럿 플랜트가 ULCOS 프로그램 중 건설되어 테스트되었습니다. 파일럿은 2011년 4월 가동 시작. 1차 캠페인 4월 18일~6월 11일 운영. 4번 시동. 첫 시동 실패, 나머지 3번 성공. 주입율 60% 달성. 가용 데이터는 공정이 예상대로 작동함을 보여주나 더 많은 운전 시간 필요. 운전 시간은 기대 미달. 2차 캠페인 2012년 10월 16일 시작, 11월 말까지 지속.

전기분해 공정은 ULCOS 프로그램 내에서 처음부터 개발되어 아직 실험실 규모에서 작동 중입니다. 녹색 전력 접근 시 무배출 약속을 하지만, 상업적 규모(10~20년)로 확대하려면 시간이 필요합니다. ULCOWIN은 철광석 알칼리 전기분해. 전기분해는 강철 외 금속 생산에 흔히 사용되며 대량 전력 필요. 수력이나 원자력 같은 CO2-린 전원 필요. ULCOLYSIS는 용융 산화물 전기분해. 철산화물 공급 용융 슬래그에 전류 통과. 철산화물은 액체 철과 산소 기체로 분해. CO2 발생 없음. CO2-린 전원으로 공정 배출 추가 감소.

수소 제강에서 철은 고온(1,300°C 이상)에서 매우 짧은 반응 시간으로 철광석으로부터 환원됩니다. CO2 배출 없지만 수소 생산에 대량 CO2-린 전력 필요. 저탄소 연료인 천연가스로도 운전 가능.

수소 제강은 녹색 수소 가용성에 크게 의존하며, 재배 국가에서 먼 목탄 사용은 여러 대륙에 걸친 중장비 인프라 등 복잡한 물류 구축 필요.

ULCOS는 철강 산업의 장기 이니셔티브입니다. 약속으로 가득하지만 위험과 함정도 가득하며, 아마 다른 섹터도 비슷한 상황일 것입니다. 위험은 매우 짧은 시간 제약 하에 돌파구 기술 개발과 구현을 요구하는 이슈 복잡성과 관련됩니다. 이 프로그램이 철강 산업의 성공적 이니셔티브가 되어 표적 목표 대부분을 달성하려면 인내, 지원, 진정성, 지속적 결의가 필요합니다.