탄소중립을 위한 기술적인 개선 노력 - 철강분야

산업의 쌀 '철강' 탄소배출 최다 산업 오명

 철강은 산업의 쌀이라 불리운다. 쌀은 밀과 함께 전 세계 사람들에게 가장 많이 사용되는 곡식이다. 이 쌀에 비견될 정도로 산업에서는 철강의 많이 활용된다. 아니 활용이 안되는 곳이 거의 없을 정도이다. 그동안 우리의 삶에 없어서는 안될 산업으로 여겨져 왔고 앞으로도 철강의 중요성은 낮아지지 않을 것이다.

 

 최근 지구 온난화의 문제가 부각되면서 파기 기후 협약 등의 국제적 약속을 통해 온실가스를 배출하는 것을 규제하자는 논의가 지속되어 왔다. 산업분야에서도 어떤 분야가 가장 온실가스를 많이 배출하는지를 확인해 본 결과 바로 철강, 시멘트, 화학 제조 등이었다. 산업의 쌀이라 불리운 철강이 산업분야에서 가장 온실가스를 많이 배출하는 오명을 뒤집어 쓰게 된 것이다. 국제적인 약속 등에 대한 실행 계획으로 유럽에서는 탄소세라 불리우는 제도를 도입하여 탄소를 배출하는 산업에 그만한 패널티를 주는 제도를 도입하기에 이르렀다.

 

탄소배출을 줄이기 위한 철강 산업으로의 요구

  우리나라도 탄소중립 2050 계획을 수립하여 이행중에 있으며 산·학·연·정부 등에서 산업 분야에서 발생하는 온실가스를 줄이기 위한 노력이 이루어지고 있다. 철강산업에서는 탄소중립을 위하여 다양한 요구와 노력이 진행되고 있는데, 몇가지 예를 들면 다음과 같다.

저탄소 제조공정 도입	· 수소환원제철법 도입
	· 전기로 활용의 증대
에너지 효율화	· 공정 자동화 및 디지털화
	· 에너지 재활용
재생에너지 전환	· 재생에너지 활용 확대
CCUS	· 탄소 포집, 활용, 저장 기술 개발
친환경 소재 및 제품 개발	· 고강도 경량 철강 개발
	· 순환경제 모델 구축

 

 철강 분야에서의 근본적인 탄소배출을 줄이기 위한 기술적 과제는 '수소환원제철법'의 도입이라고 생각한다. 기본적으로  가장 많은 철강을 생산하는 고로 공법의 경우 쇳물(선철)을 생산할 때 철광석에 붙어 있는 불순물(산소)을 제거하기 위한 환원제로 일산화탄소가 활용되고 부산물로는 이산화탄소가 발생한다. 철광석 1톤을 생산할 때 이산화탄소 1.6톤이 발생한다고 하니 어느정도로 온실가스가 많이 배출되는지 짐작할 수 있을 것이다. 수소환원제철은 일산화탄소를 환원제로 활용하던 것에서 수소를 환원제로 활용하며 부산물로는 물이 생성되어 대표적인 친환경 제철법으로 알려져있다.

사진: 포스코 제공

 

 다양한 시도와 방법이 있을 수 있겠으나 기본적으로 수소환원제철은 일산화탄소를 활용하지 않기 위해서는 철광석에 함께 있는 불순물을 수소를 활용하여 환원철(직접환원철 Direct Reduction Iron)을 만들고, 생산된 환원철을 전기로에서 용융시켜서 선철을 만드는 것이다. 이 때 전기로 동작에 활용되는 전력은 그린전력으로 신재생에너지를 활용하며, 마찬가지로 수소를 만들어 낼 때에도 물을 전기분해 하되 전기 분해에 활용되는 전기 또한 신재생에너지를 활용하는 것이다.

 

 전기를 신재생에너지를 활용한다. 그리고 수소 또한 생성된 신재생에너지를 활용하여 수전해한다. 라는 것은 철강 생산의 본질에서 약간 벗어난 것으로 본질적인 면은 철광석과 함께 있는 불순물을 제거할 때 수소를 활용하는 직접환원철의 제조가 탄소 배출을 줄이는 근본이라고 볼 수 있겠다.

 

 직접환원철을 제조하는 경우에도 기존에는 일산화탄소, 천연가스, 수소 등을 이용해 왔으나 앞으로는 100% 수소만을 활용하는 것을 목표로 하고 있다. 그러면 직접환원철을 제조하는 방법에서 여러 철강사들이 수소를 활용하기 위한 기술을 어느정도의 양적 증대를 이루어왔는지를 확인해 보도록 하겠다.

 

직접환원철 제조에 대한 철강사들의 특허동향

 특허에는 IPC와 CPC라고 불리는 분류코드가 있다. 간단히 말하면 도서관에 가면 책을 분류하기 위한 코드를 붙여서 나중에 책을 찾기 쉽게 관리하는 코드를 볼 수 있을 것이다. 이와 비슷한 형태라고 생각하면 쉬울 것이다. 그런 특허 분류 코드 중에서 직접환원철을 제조하는 기술에 대한 분류가 있다. C21B 13/*(직접법에 의한 해금철 또는 용강의 제조)으로서 전 세계에 출원한 해당 분류코드를 가진 특허들 중 수소를 활용하는 기술을 분석해 보았다.

 파란색 선이 전체 특허이다. 2003년부터 2020년까지 2017년을 제외하고는 큰 폭의 증감없이 꾸준한 출원건수를 보이고 있다. 2021년부터 특허 출원이 대폭 증가하고 있다. 전체 특허 중 수소를 활용하는 기술(오렌지색 선)과 수소를 활용하는 기술이 아닌 특허(회색 선)를 분류해 봤을 때 회색선은 2021년까지 큰 폭의 증감이 없다. 수소를 활용한 기술적 내용을 담고 있는 특허인 오렌지색 선은 2020년부터 대폭 증가하고 있다. 해석해보면 철강사들이 2020년부터 본격적으로 철강의 생산에 수소를 활용하는 기술들의 개발이 이루어지고 있고, 특허로 출원까지 이루어지고 있는 것이다.

 수소를 환원제로 활용하는 기술들이 매년 상대적으로 어느정도 비율을 차지하는 지를 확인해보면, 전체 직접환원법 특허 중에서 2019년가지는 20%에 미치지 않고 있으나, 2020년부터는 35%, 그리고 2021년 이후는 40%를 상회하는 비율을 보일 정도로 지속적으로 증가하고 있는 모습을 보인다. 수소활용과 그렇지 않은 특허의 비율을 보면 2021년에는 거의 1:1 수준까지(1:0.83) 양적인 증가가 이루어졌다. 후일을 예측해보자면 탄소중립의 필요성과 함께 수소를 환원제로 활용하는 기술이 수소를 활용하지 않는 기술보다 가까운 시일 내에 추월할 것으로 예측된다.

 

 위 그래프는 직접환원법 특허 전체에 대한 출원인 특허 동향이다. 2017년에 튀는 모습을 보이는 출원인은 '장수성 야금 설계 연구소'로 저 시기에만 특허를 대폭 출원한 것으로 나타난다. 그 외의 기업은 FINEX 공정을 보유하고 있는 POSCO가 가장 많은 출원량을 나타내고 있으며, 최근 특허 출원이 증가하는 기업으로 JFE STEEL(일본)이 있으며, 전통적인 철강 엔지니어링 기업 VOESTALPINE(오스트리아) 등이 다수의 출원량을 보이는 것으로 나타난다. 그리고 그래프상 2021년과 2022년 연속으로 증가한 기업은 JFE STEEL로 환원제로 수소를 활용하는 기술에 기술개발을 확대하는 것으로 분석된다.

 

 직접환원법 기술 특허 중에서 수소를 활용하는 기술만을 선택했을 때는 조금 다른 현황을 볼 수 있다. 직접환원법 전체 특허에서는 증가하는 기업은 JFE STEEL 정도였으나, 수소를 활용하는 기술로 한정했을 때는 JFE STEEL 뿐만 아니라, HYBRIT(스웨덴, SSAB, LKAB, VATTENFALL의 합작기업 프로젝트, 참조 http://www.snmnews.com/news/articleView.html?idxno=510800)가 2021년과 2022년 지속적인 출원 증가를 보이고 있으며, 그 외 여러 기업들도 2020년보다 많은 출원을 보이는 기업을 확인할 수 있다.

 

결론 및 시사점

 탄소중립은 기후위기에 따라 반드시 완수해야할 인류적인 숙제로 받아들여지고 있다.(물론 이의를 제기하는 사람, 단체 등도 많이 있다.) 온실가스를 가장 많이 배출한다는 철강 분야에서도 이미 그 움직임이 확인되고 있다. 대표적으로 HYBRIT 프로젝트이다. 유럽최대의 에너지사, 특수강제조사, 철광석 생산업체 등이 힘을 합쳐 환원제로 수소만을 활용하고, 전기로를 동작시키는 에너지를 신재생에너지로부터 확보하며, 확보된 신재생에너지를 수소를 확보하기 위한 수전해에 활용하는 100% Green 철강을 계획하고 실행에 옮기기 시작했다. 그 기술적 시작이 위 표에 나타난 특허의 증가에서 확인이 가능하다.

 

 다른 철강사들도 마찬가지다. POSCO(대한민국)와 세계 최대의 다국적 철강사인 ARCELOMITTAL(벨기에)도 환원제로 수소를 활용하는 특허의 순위에서 직접환원법 전체의 순위보다 높게 나타나고 있고, NIPPON STEEL(일본)과 PRIMETALS(영국) 등의 세계적인 철강 및 엔지니어링 기업들도 수소의 활용 기술에 대한 연구개발을 확대하고 있는 것으로 나타난다.

 

 대표적으로 온실가스를 많이 배출하는 오명을 벗어나기 위하여 국가 뿐만 아니라 개별 기업들도 탄소를 줄이기 위한 기술을 개발하고 있으며 현실화시키기 위한 노력이 특허로서 확인되고 있는 것이다. 가장 기술 혁신이 느린 것으로 알려진 철강기술도 탄소중립이라는 전 지구적인 아젠다에 발맞춰서 수소라는 재료를 기반으로 기술 혁신 속도를 개선해 나갈 것으로 보이며 지구 온난화의 주범격으로의 취급을 기술혁신을 통해 벗어나야 할 것이다.