탄소중립 강철 생산 달성: 혁신과 전략

탄소중립 제강

철강 생산 산업은 총 전 지구적 화석 및 산업 배출량 측면에서 단일 최대 부문으로, 온실가스(GHG) 배출량의 약 7~9%를 차지한다. 동시에 강철은 현대 산업 사회의 주요 자재 구성 요소다. 인프라 확장 및 개선 필요성과 전 지구적 생활 수준을 만족스러운 수준에 도달할 만큼 충분히 빠른 속도로 향상시켜야 할 필요성으로 인해 강철 소비는 더욱 증가할 것이다. 따라서 강철을 자재로 사회적으로 사용하면서 동시에 그 생산의 부정적 환경 영향을 피할 수 있는 경로를 찾는 과제가 있다.

전통적 제강의 높은 배출량과 파리 협정 목표

전통적인 철강 생산 공정은 매우 높은 환경적 GHG 배출과 연관되어 있다. 현재 철강 플랜트의 배출량은 조강 1톤당 약 1.8톤 CO₂(이산화탄소) 수준이다. 지난 수십 년간 제강의 GHG 배출 저감을 위한 상당한 지속적 노력이 있었으나, 철강 부문이 파리 협정하에서 필요한 전반적인 배출 저감을 따라잡으려면 주요 기술적 돌파구가 여전히 필요하다. 파리 협정은 금세기 말이 되기 전에 전 지구적 온도 상승을 산업화 이전 수준 대비 2°C 훨씬 아래로 제한하고, 1.5°C 상승이라는 더 야심 찬 목표를 향한 노력을 기울일 것을 명시하고 있다.

철강 산업의 CO₂ 배출은 탄소가 대부분의 제철소에서 철강 생산의 화학량론적 환원제로 사용되기 때문에 줄이기 가장 어려운 배출 중 하나다. 이 탄소는 제철소 가스에서 CO/CO₂ 혼합물로 끝나며, 열, 전력, 그리고 더 많은 CO₂를 생성하기 위해 연소된다. 철강 생산에서 탄소 포집 및 저장(CCS), 탄소 포집 및 활용(CCU), 또는 CO₂ 회피 전략이 존재하지만, 수소(H₂) 생산을 위한 재생 전력의 가용성에 크게 의존한다.

미래 강철 수요와 탈탄소화의 필요성

미래 강철 수요에 대한 현재 추정치는 다양하며, 연간 성장률이 1.4~3.3% 사이로 변동한다. 이 성장률로 2025년 예상 강철 수요는 최대 24억 톤에 달한다. 성장하는 철강 산업의 부분적 탈탄소화는 효율성 개선과 재생 전력의 기존 제강 경로 통합을 통해서만 달성될 수 있는 반면, 완전한 탈탄소화는 새로운 제로 탄소 및/또는 음의 배출 기술이 필요하다. 반면, 상당한 진행 중인 연구개발(R&D) 노력에도 불구하고, 철강 생산 공정의 탈탄소화 시도는 아직 대규모 산업적 채택 수준에 도달하지 못했다. 제강 맥락에서 CCS의 실행 가능성과 적용 가능성은 현재 시나리오에서 매우 의심스럽다.

기존 공정의 한계와 딥 탈탄소화의 두 가지 경로

기존 고로/전로(BF/BOF) 경로에서는 탄소(코크스와 석탄 형태)가 흡열 환원 반응을 구동하고 필요한 고온을 제공하는 데 사용된다. 일반적인 BF-BOF 공정은 조강 1톤당 1.6~2.2톤 CO₂를 생산한다. 강철 관련 배출량에 상당한 지역적 차이가 존재하며, 일부 제강국은 OECD 국가들에 비해 훨씬 높은 CO₂ 배출 발자국을 가지고 있다. BF-BOF, DRI-EAF(직접 환원 철-전기로), 스크랩-EAF 등 다양한 제강 경로 간에도 상당한 차이가 있다. 기술적 개선을 통해 제철소들은 지난 50년간 연료 소비율을 꾸준히 줄여왔으며, 이제 BF-BOF 경로는 CO₂ 배출 측면에서 이론적 최소치의 약 5% 내에서 작동하는 세계 최고 효율의 고로들과 함께 크게 최적화된 것으로 간주될 수 있다.

중공업 일반과 특히 철강 산업의 탈탄소화로의 전환은 매우 최근까지 에너지 및 기후 연구 관점에서 많은 관심을 받지 못했다. 그러나 산업 배출량이 발전 부문만큼 높으므로, 철강 산업에서 딥 탈탄소화를 위한 완화 조치를 강력히 추구해야 한다. 철강 산업의 딥 탈탄소화 전략은 크게 두 가지 뚜렷한 경로를 따를 수 있다.

• 화석 연료에 대한 고유한 의존성을 제거하기 위해 기존 공정을 변경하는 것. 이 경로는 전기력을 직접 또는 전기분해로 생산된 H₂를 통해 사용하는 데 크게 의존하는 경향이 있다.
• 기존 공정을 그대로 유지하면서 CCS와 CCU 적용의 조합과 공정 에너지를 위한 재생 가능 원천으로의 전환을 통해 배출을 해결하는 것.

이 두 경로를 철강 산업에 적용한 분류에는 구현과 관련된 여러 특성, 과제, 기회가 있으며 아래에 설명되어 있다. 그림 1은 다양한 대안에 대한 예상 CO₂ 배출 감축을 보여준다.

그림 1 다양한 대안에 대한 예상 CO₂ 배출 감축

기존 공정 변경: 전기화와 수소 환원

저비용 재생 전력의 가용성 증가로, 다양한 형태의 전기화가 철강 산업 탈탄소화를 위한 매력적인 옵션으로 점점 더 인식되고 있다. 여러 기술적 해결책이 제안되었다. 더 유망한 기술 중 하나는 철광석의 전기분해 또는 '전기 제련'이다. 이는 알루미늄(Al)을 산화알루미늄(Al₂O₃)에서 생산하는 것과 유사하게 전기력을 환원제로 사용하는 것을 수반한다. 이 공정은 아직 초기 개발 단계이며 지금까지 실험실 규모에서만 시도되었지만, 장기적으로 큰 배출 감축 약속을 가진 고효율 제강 옵션을 대표한다.

전기 제련(Electro-winning)

전기 제련은 전기를 사용하여 광석에서 금속을 추출하는 가장 오래된 전해 기술 중 하나다. 이 기술은 일반적으로 납, 구리, 희토류 원소 같은 금속의 전기 제련에 사용된다. 철에 대한 상업적으로 이용 가능한 광석별 전기 제련 기술로는 (i) Boucher 공정, FeSO₄-FeCl₂ 용액에서의 전기 정련, (ii) Eustis 공정, 황화 철 광석을 사용한 FeCl₂ 용액에서의 전기 제련, (iii) Pyror 공정, 황화 철 광석을 사용한 FeSO₄ 용액에서의 전기 제련 등이 있다. 그러나 철광석에서 철을 전기 제련하는 더 일반적으로 적용 가능한 방법은 실험실 규모에서만 확립되었다. 전기분해에 사용되는 전력 믹스의 탄소 발자국에 따라 이 경로는 잠재적으로 탄소 프리가 될 수 있다. 전 지구적 1차 에너지 공급이 재생 가능 원천이 지배하는 미래 시나리오에서 이 기술은 상당한 탄소 감축 잠재력을 제공한다. 현재 유럽의 SIDERWIN 이니셔티브는 Horizon 2020 프레임워크 하의 프로젝트로, BF-BOF 경로 대비 CO₂ 배출과 에너지 소비를 각각 87%와 31% 감축하는 것을 목표로 이 기술을 파일럿 규모에서 검증하고 2022년까지 기술 성숙도 수준(TRL)을 입증하는 것을 목표로 한다.

용융 산화물 전기분해(Molten Oxide Electrolysis)

최근 제강에 관심을 받은 또 다른 전해 경로는 철광석의 용융 산화물 전기분해(파이로-전기분해라고도 함)다. 이 공정은 홀-에루(Hall-Héroult) 공정으로 알려진 Al₂O₃에서 Al을 환원하는 표준 방법과 유사하다. 이 방법에서는 Al₂O₃이 800°C의 용융 크라이오라이트(알루미늄 나트륨 불화물) 욕조에 용해된 후, 위쪽의 흑연 양극과 아래쪽의 용융 알루미늄 음극 사이에서 전기분해된다. 철광석 환원을 위한 매우 높은 온도에서 유사한 공정 작동은 저온 전기분해 경로에 비해 에너지 소비 잠재적 감소를 가져올 것으로 예상된다. 개념 증명이 입증되었으나, 허용 가능한 효율로 기술적 실행 가능성은 여전히 불확실하다. 과제로는 용융 전해질의 부식성, 적절한 양극 재료 부족, 매우 높은 온도 전해 공정의 제한된 메커니즘 이해 등이 있다. 용융 산화물 전기분해에 의한 강철 생산이 고전적 추출 야금술에 비해 잠재적 경제적, 환경적 이점을 제공하지만, 그 실행 가능성은 즉각적인 제로 탄소 대안으로 설득력 있게 입증되지는 않았다.

다양한 제강 경로 비교 연구

한 연구는 BF-BOF 참조 케이스, 탄소 포집을 포함한 BF-BOF(BF-CCS), H₂-DRI, 전기 제련 공정 등 네 가지 다른 강철 생산 경로의 에너지 요구량과 CO₂ 배출을 비교했다. 전기 제련 경로는 참조 BF-BOF 케이스보다 50% 낮은 에너지 요구량을 보였고, H₂-DRI와 BF-CCS가 각각 28%와 13% 낮은 에너지 요구량을 보였다. 중요한 것은 분석 결과 BF-CCS 경로를 통해 50% 이상의 CO₂ 배출 감축은 불가능한 반면, H₂ 환원과 전기 제련 경로는 결국 철강 부문의 완전한 탈탄소화로 이어질 수 있다는 결론을 내렸다. H₂-DRI와 전기 제련의 시장 진입은 각각 2035년과 2040년으로 예상되지 않는다.

수소 기반 환원과 HYBRIT 이니셔티브

헤마타이트 환원을 위한 H₂의 화학량론적 소비량은 철 1톤당 54kg이다. 1Mtpa(연간 백만 톤) 철강 플랜트에는 STP에서 시간당 최대 70,000㎥의 H₂ 플랜트 용량이 필요하다. 대규모 H₂ 생산은 현재 메탄의 증기 개질로 달성된다. 이 옵션은 H₂ 기반 제철을 위해 유지 및 최적화될 수 있다. 예를 들어 일반적인 99.9% 이상의 순도 대신 97~98% H₂ 순도를 목표로 하는 것이다. 그러나 화석 자원 기반이므로 CO₂ 포집 장치를 추가하지 않는 한(이는 현재 추구되는 전략과 다른 전략임), CO₂ 완화 측면에서의 전반적 성능은 평균적이다. 다른 바람직한 옵션은 물 전기분해로 H₂를 생산하는 것인데, 필요한 전력이 화석 연료가 없어야 한다. 플랜트 크기는 전기분해 셀을 증설하여 달성할 수 있다. 양성자 교환막 및 고압/고온 전기분해 같은 새로운 개선 기술도 확인되었다.

H₂ 기반 환원에서 철광석은 DRI 경로와 유사하게 기체-고체 반응을 통해 환원된다. 유일한 차별화 요소는 환원제가 CO(일산화탄소) 가스, 합성가스, 코크스가 아닌 순수 H₂라는 점이다. HYBRIT은 'HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology'의 약자로, 스웨덴의 세 기업인 SSAB, LKAB, Vattenfall 간의 합작 투자다. 이는 H₂ 환원을 사용하여 제강에서 탄소를 완전히 제거하는 것을 목표로 한다. HYBRIT 공정은 상업적 배치에 상당히 더 가까운 기술 개념 범주에 속한다.

HYBRIT 공정의 상세 내용

HYBRIT 공정은 재생 전기에 기반한 전기분해를 통해 생산된 H₂를 환원제로 사용하는 것을 기반으로 한다. 환경적 관점에서 가장 중요한 장점은 이 공정의 배기가 CO₂ 대신 물(H₂O)이라는 점이며, 이에 따른 GHG 배출 감소다. 기존 DRI 제강과 마찬가지로, H₂ 기반 DRI 경로로 생산된 철은 상업적으로 이용 가능한 EAF 기술을 사용하여 강철로 추가 가공될 수 있다. H₂ 생산과 EAF 제강 단계는 PV(광전지)/풍력/수력 전기분해, 광화학적 H₂ 생산, 태양열 물 분해 같은 재생 가능 원천을 사용하여 전력과 H₂가 생산된다면 탄소 프리가 될 수 있다.

HYBRIT 공정은 철의 직접 환원(DR)에 석탄 대신 H₂를 사용하며, EAF와 결합된다. 이 공정은 거의 완전히 화석 연료가 없으며, 온실가스 배출을 대폭 감소시킨다. 이 공정은 H₂-DR/EAF 설정을 사용하는 여러 이니셔티브 중 하나로, H₂를 이용한 철광석 직접 환원과 EAF를 통한 추가 강철 가공을 결합한다. H₂-DR 공정의 제품은 DRI 또는 스펀지 철로, EAF에 공급되어 적절한 비율의 스크랩과 혼합되어 강철로 추가 가공된다. H₂-DR/EAF 공정의 일반적인 흐름도는 그림 2에 나와 있다.

그림 2 수소 직접 환원 공정의 일반적인 흐름도

이 특정 공정 조합이 상업적 규모로 구현된 적은 없지만, 몇 가지 개별 구성 요소는 이미 전 지구적 철강 산업에서 널리 사용되고 있다. EAF 기반 강철은 연간 전 지구적 생산의 약 30%를 차지한다. DR 공정도 널리 사용되어 총 전 지구적 철 생산의 약 7%의 기반이 되며, 일반적으로 EAF와 통합된다. 순수 H₂가 직접 환원에서 환원제로 상업적으로 사용되었지만, 기존 DRI 생산 능력은 천연가스에 의존하며, 이는 증기 개질되어 환원제인 CO와 H₂ 혼합물을 얻는다. 최근 제로 개질(ZR) 공정이 개발되어 천연가스 소비를 대폭 줄였다.

천연가스 비용이 이 설정의 경제적 실행 가능성의 핵심 요소이므로, 대부분의 DRI 생산은 저비용 천연가스(CH₄)가 풍부한 지역에 위치한다. H₂-DR/EAF 설정의 여러 구성 요소가 산업 환경에서 테스트되고 배치되었음에도 불구하고, 공정 통합, 제품 품질, H₂ 인프라(생산 및 저장)의 스케일업, 재생 전력 기반 에너지 시스템으로의 H₂-DR/EAF 제철소 통합과 관련된 주요 과제가 여전히 남아 있다. 주요 과제 중 하나는 철에 탄소를 어떻게 넣어 강철로 만들 것인가다.

기존 공정 유지: CCS와 CCU

CCS는 GHG 배출 통제 연구에서 중요한 주제였다. 1990년대 기술에 대한 더 심층적 분석으로 관심이 커졌다. 이 개념은 2000년대 초 기후 정책 논의에 더 널리 진입하여 전 지구적 화석 연료 사용이 대기 중 GHG 수준에 기여하지 않고 계속될 수 있는 잠재적 기술로 자리 잡았다. 탄소 포집 기술 자체는 20세기 중반 식품 및 화학 산업에서의 상업화 이후 상당히 성숙했다. 저장도 천연가스 저장소에서 성공적으로 시도되었다. 기후 변화 완화를 위한 CCS 연구 초기 단계에서 초점은 주로 전기 발전 부문, 특히 석탄 화력 발전에 대한 적용에 있었다. 그러나 긴 파일럿 플랜트와 시범 프로젝트 목록에도 불구하고, 상업적 CCS는 실현되지 못했다. 이는 부분적으로 비용 초과, 부분적으로 지하 CO₂ 저장에 대한 대중의 반대, 부분적으로 재생 에너지와 천연가스 같은 다른 덜 오염되는 발전 수단의 비용 하락 때문이다.

CCS의 산업 적용 가능성과 과제

발전 부문에서 CCS의 역할에 대한 기대는 감소했지만, 그러나 소위 알람 사이클(Allam cycle)을 사용한 천연가스 발전에서의 탄소 포집 최근 개발은 유망해 보인다. 이는 기존 공정에 큰 변화 없이 중공업(철강 산업 포함)의 GHG 배출 저감을 위한 핵심 옵션으로 여전히 간주된다. 산업에서의 CCS는 구현 조건과 관련하여 특정 구별되는 특성을 가진다. 장점은 산업에서 CO₂ 스트림이 전기 발전보다 상당히 순수하는 경향이 있어 분리 및 포집 단계를 덜 복잡하게 만들 수 있다는 것이다. 또한, 시멘트 산업 같은 여러 산업에 재생 에너지 기반 대안이 거의 없으므로 대중의 반대는 덜 심각할 것으로 예상된다.

그러나 철강 산업도 CCS 적용을 어렵게 만들 수 있는 특징을 가지고 있다. 첫째, 전기 발전 산업과 달리 철강 산업은 전 지구적으로 경쟁하므로 비용 증가에 훨씬 더 취약하며, 비용 증가를 고객에게 전가하는 것이 더 문제가 된다. CCS 옵션의 또 다른 단점은 산업 현장이 다양한 농도와 부피의 여러 CO₂ 공급원을 보유하고 있다는 것이다. 대부분의 CCS 평가는 주요 CO₂ 공급원에만 초점을 맞추지만, 플랜트에서 모든 CO₂를 포집하는 것은 훨씬 더 어려울 수 있고 대대적인 재건이 필요할 수 있다. 산업 현장에서 CO₂ 배출의 50~60%를 포집하고 저장하는 데 여러 평가에 따르면 톤당 약 70~80달러가 들 수 있다. 그러나 더 높은 배출 비율을 포집하는 데는 비용 구조가 더 불확실하다. 특히 90% 이상 배출 포집에 대한 신뢰할 수 있는 비용 추정치는 존재하지 않는다.

'초저탄소 제강'(ULCOS) 프로젝트는 철강 산업에서 CCS 구현을 지원할 수 있는 여러 기술을 식별했다. 이 중 하나인 TGR-BF(상부 가스 재순환-고로) 공정은 파일럿 플랜트에서 성공적으로 테스트되어 24% CO₂ 배출 감축 잠재력을 보였다. 그러나 실제 CO₂ 포집 및 저장은 이 파일럿 설정에 포함되지 않았다.

요컨대, 현재 CCS는 발전 부문보다 산업에서 더 유망한 해결책처럼 보이지만, 여전히 고유한 문제가 있다. 첫째, CCS로부터의 잠재적 GHG 배출 감축은 소규모 및 확산 배출원, 설치 공간 부족, 기타 문제로 인해 약 50%로 제한된다. 둘째, 저장 관련 문제(감독 및 저장 저장소의 장기 무결성 등)는 여전히 미해결 상태다. 셋째, CCS는 동반 편익이 매우 적으며, 동반 편익의 존재가 전환 공정 가속화의 핵심 촉진제로 확인되었다. 이는 광범위한 채택을 방해할 수 있는 요인이다. 탄소 포집이 어떤 형태의 CO₂ 활용(CCU)과 결합되면 더 큰 기회가 있을 수 있지만, 여전히 많은 공정 개발이 필요하다. 또한 CO₂가 어떤 형태의 특수 화학 물질이나 연료의 원료로 활용되더라도 결국 대기 중으로 끝나게 된다.

바이오매스의 역할

철강 가공 역사 대부분에서 바이오매스는 핵심 자원이었다. 목탄은 철광석에서 산소 성분을 해방시키는 데 필요한 환원제이자 고온 달성에 필요한 에너지원 역할을 했다. 1875년경 석탄에서 생산된 코크스가 장악할 때까지였으며, 1900년대 중반까지 목탄이 계속 사용되었음을 주목해야 한다. 빠르게 자라는 유칼립투스에서 생산된 목탄은 여전히 브라질의 소규모 제철소에서 주요 환원제로 사용되지만, 목탄의 코크스 대비 낮은 압축 강도로 인한 한계로 인해 대규모 철강 플랜트에서는 실행 가능하지 않을 것이다. 또한 필요한 대량의 양과 품질 유지의 상당한 과제로 인해 코크스에서 바이오코크스로의 완전한 전환은 매우 불가능하다.

바이오매스의 다양한 탈탄소화 활용 방안

그러나 바이오매스는 여전히 철강 부문 탈탄소화에서 중요한 역할을 할 수 있으며, 여러 옵션이 제안되었다. 점진적 측면에서는 야금 코크스 생산 시 코킹 석탄에 5~10% 목탄을 혼합하여 기존 BF에 사용하는 가능성이다. 또 다른 옵션은 원료 철광석 가공에 바이오매스를 사용하는 것으로, 공정 자체의 연료로 사용하거나 복합 바이오-탄소-철광석 펠릿을 생산하여 DR 공정에 사용하는 것이다. 가스화된 바이오매스를 DR 공정에 사용하기 위한 시도도 있었다. 이 접근법은 실행 가능하지만 추가 시험과 연구가 필요하다. 석탄 기반 DR 공정으로 철 분말을 생산하는 스웨덴 기업 Höganäs AB는 목재 가스화를 사용하여 바이오코크스(환원제로 사용)와 합성가스(공정 에너지로 사용, 가능하면 환원용로도 사용)를 생산하는 공정의 실제 시험을 시작했다.

바이오메탄은 코크스 오븐과 부산물 플랜트에서 나오는 코크스 오븐 가스가 더 이상 이용 가능하지 않은 경우 2차 야금 공정의 가열을 위한 중요한 저탄소 옵션이 될 것이다. 통합 제철소에서 코크스 오븐과 부산물 플랜트의 코크스 오븐 가스는 2차 야금 공정의 가열에 사용된다. H₂-DR 개념에서는 이 에너지를 대체해야 한다. 장기적으로 전기 가열을 위한 다양한 옵션이 존재하지만, 바이오메탄은 현재 사용되는 천연가스와 코크스 오븐 가스를 공정 최소 변경으로 직접 대체할 수 있다.

바이오매스의 시스템적 과제

그러나 바이오매스의 시스템적 과제는 상당하다. 석탄과 달리 바이오매스 자원은 특정 장소(광산 등)에 집중되어 있지 않아, 지리적으로 분산된 지역에서 바이오매스를 수집, 가공, 수송하여 제철소로 가져와야 하므로 높은 조달 비용이 발생한다. 둘째, 목재 수요 증가는 기존 사용자(산림 산업 등)뿐만 아니라 완화 목표 달성을 위해 바이오매스를 활용하려는 다른 부문과의 경쟁으로 이어질 수 있다. 이는 수요가 덜한 산림 잔재에 초점을 맞추지 않는 한 가격 상승으로 이어질 수 있다. 마지막으로, GHG 배출 감소를 보장하기 위해서는 바이오매스가 지속 가능한 방식으로 관리되는 산림에서 조달되는 것이 필수적이다.

요약

요약하면, 바이오매스는 재생 가능 경로와 CCS 경로 모두에서 중요한 역할을 할 수 있다. 둘 다 철광석 가공, 2차 야금, 열간 압연 공정에서 대량의 열을 필요로 한다. 이는 바이오메탄 연소를 통해 매우 잘 제공될 수 있다. CCS 경로에서 목탄은 BF 부담의 기계적 안정성이 유지되는 한 코크스를 부분적으로 대체할 수 있다. HYBRIT 개념에서 바이오매스는 철강 공정의 탄소 공급원으로도 예견되며, 잠재적으로 하류 금속 가공 공정에서도 사용될 수 있다.