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[탄소저감테크②] 유럽 철강사, 수소환원제철 기술 전환 '시동'

[블루이코노미 김재평 기자] 한국을 포함한 해외 각 철강사들은 지역별 상황과 환경 등을 고려한 CO2 저감 전략을 채택 중이다. 그러나, 기본 방향은 탄소 대신 수소를 이용하는 방식에서 유사하다.

대부분의 유럽 철강사들은 상대적으로 풍부한 신재생에너지 전력을 활용한 수소 제조 및 활용을 장기 전략으로 채택했다.

반면, 일본과 한국은 지정학적 한계로 인해 유럽과 같은 신재생에너지의 확대를 통한 친환경 수소 생산의 구체화가 곤란하다고 판단해, 부생가스 중 수소를 고로에 활용한 부분 수소 환원 전략을 우선 채택하고 있다.

한편, 수소환원제철 공정은 아니지만 유럽 철강사중 타타스틸(Tata Steel)은 지난 10여 년 동안 개발해 온 석탄을 기반으로 한 HIsarna법에 CCS 기술을 병합한 CO2 저감 기술도 개발 중에 있다.

수소환원제철 공정의 기본적인 개념은 재생에너지 기반의 전력에 의한 그린수소(Green H2)의 생산을 통해 고품위의 정제된 철광석을 활용하여 직접환원철을 제조한 후 전기 로에서 용융시켜 제품생산으로 연계하는 방식이다.

중요한 사실은 수소 생산, 전기로 이용 등에 요구되는 전력에너지의 경제적인 수급을 전제한다는 것이다. 또한, 수소 생산 방식에 있어 기술적인 접근은 다르지만, 재생에너지를 활용하여 탄소 발생 없이 제조된 수소를 저렴하게 안정적으로 공급받는 것을 전제로 하고 있다.

대부분 제시하는 기술적 구현의 종료시기를 2050년으로 선언하고 있지만, 현재 개발수준이 TRL(기술성숙도, Technology Readiness Levels) 3~6 수준의 초기 단계이고 많은 전제사항을 극복해야 하므로 향후 총체적인 진행과정을 지켜볼 필요가 있다.

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수소환원제철 공정의 기본개념과 유럽철강사의 개발공정, 자료:기후변화와 녹색성장 9호
유럽의 철강사들은 대부분 수소환원제철 기술로의 전환을 선언하고 있다. 다양한 명칭과 개념을 가지고 있지만 기본 추진개념은 유사하다.

유럽의 철강 산업은 그 역사가 150년 이상으로 1950년대 후반부터 가동되었던 코크스 오븐을 포함한 관련 설비의 수명이 한계에 이르렀다.

주력 설비인 고로, 전로 등의 공정 설비가 특히 노후화 되어, 설비 교체 혹은 새로운 공정도입에 대한 판단의 기로에 서 있다.

일반적으로 철강 산업은 자본 및 설비가 집약된 산업으로 초기 투자비가 막대한 장치 산업임이 잘 알려져 있는 사실이다. 그럼 에도 불구하고 유럽 철강사들의 설비는 대부분 연산 100만톤 이하로 소형설비로서 경쟁력이 낮고 무엇보다도 노후화에 따른 유지 보수의 한계를 가지고 있다.

한편, 유럽 산업구조 또한 철강 산업을 포함한 중화학 공업에서 첨단 서비스 산업 등으로 변화되어 있는 상황이다. 그 밖에 한국과 같이 철강을 이용한 자동차, 조선 등 전방산업규모가 작기 때문에 철강산업자체의 의존도가 크지 않은 차이를 고려할 수 있다.

여기서는 유럽 철강사 중 가장 적극적으로 앞선 수소환원제철 로드맵을 가지고 추진하고 있는 스웨덴의 HYBRIT 프로젝트가 있다. 스웨덴의 전력 믹스를 검토해 보면, 현재 원자력 42%, 수력 39%, 풍력 10%, 열 병합 9%로 이미 상당부분 저탄소형 전력발생구조로 전환됐고, 향후에도 지속적으로 재생에너지 비율이 상승될 것으로 예상된다.
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HYBRIT 공정 및 개발 관련 인프라 구축 공정간의 Timetable
스웨덴에서 개발 중인 수소환원제철 기술 HYBRIT 프로젝트는 필요한 그린전력(green electricity)을 확보하기 위한 로드맵도 동시에 구성하여 전력산업과 같은 인프라와의 체계적인 연계를 고려하고 있다.

즉, 사회적으로 적정한 재생에너지의 확장을 전제하여 관련 산업의 실행계획도 구체적으로 제시하는 노력을 경주하고 있다.

한편, 원자재(commodity)로서의 철강재를 현재와 같이 공급하기 위한 조건을 전제로, 철강업이 필요한 가용 수소의 공급가격 및 요구량을 지난 2019년 9월 일본 수소각료 회의 시 일본제철에서 발표한 바 있다.

제철 공정에서 석탄을 수소로 전환할 때, 제철용 석탄 가격을 200$/톤으로 가정하면 수소 가격은 7.7cent/Nm 3 이 되어야 하고, 용철 1.0톤 생산에 필요한 수소량을 1,000Nm³ 로 가정하면 세계적으로 연간 1.3 trillion Nm³가 필요한 것으로 제시하였다.

2020년 현재 국내 수소시판가격은(제조공정 무시) 70cent/Nm 3 수준이며, 정부 로드맵상 2040년 경 이를 1/3 가격으로 낮출 것으로 계획하고 있지만 여전히 수소 공급가격은 20cent/Nm 3 이상이 될 수 밖에 없다.

여기에 탄소 배출 없는 수소제조를 위해서는 추가로 더 고려할 여지가 있음을 알 수 있으며 동시에 철강 산업에 필요한 물량을 안정적으로 공급할 수 있다는 전제사항도 동시에 만족시켜야 한다.

여러 가지 가정과 전제사항을 가진 수소 공급단가와 수급을 고려한다면 향후 많은 시간과 동시에 다양한 기술개발이 필요함을 알 수 있다.

따라서 현재의 철강시장이 성숙되어 있음을 고려한다면, 향후 탄소 배출 없는 철강재의 가격 상승은 불가피할 것임을 예상할 수 있다. 최종소비자가 철강을 사용하여 제품을 생산할 때 현재보다 가격이 수백 유로 이상 상승할 수도 있으므로, 이에 대한 사회적 합의가 필요한가에 대한 공론화도 강조되고 있다.

김재평 기자 jaejae@blueconomy.kr
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