화석 대신 ‘수소환원 원리’로 철 생산, 탄소 배출 획기적 절감

눈 앞으로 다가온 탄소중립시대, 포항 철강이 이끈다

지난 7월 23일 포항시청 대회의실에서 열린 ‘탄소중립·수소환원제철 포럼’ 에 참석한 시민들이 발제자들의 발표에 귀를 기울이고 있다. /이부용기자

전 세계적으로 환경문제가 심각해짐에 따라 탄소 배출을 줄이는 기술들이 주목받고 있다. 특히, 철강 산업은 세계적으로 탄소 배출량의 주요 원인 중 하나로, 이에 따라 저탄소 또는 탄소 배출을 아예 하지 않는 철강 생산 방식에 대한 관심이 커지고 있다. 철강 산업은 기후 변화의 주요 원인 중 하나로, 파리 협정(2015) 등 국제적인 기후 협약에서 탄소 배출을 줄여야 한다는 압박을 받고 있다. 이를 해결하지 않으면, 온실가스 농도가 계속 증가하면서 지구 온도 상승을 초래할 수 있다. 포스코는 수소를 활용한 ‘수소환원제철소’ 기술 개발에 적극적으로 나서고 있다. 이는 철강업계뿐만 아니라 글로벌 탄소 중립 목표 달성에 중요한 기여를 할 수 있는 혁신적인 기술로 떠오르고 있다.

철 추출 과정서 상당한 CO₂ 발생

철강산업은 탄소배출 원인 지목

각국 배출 감소 기술 개발에 전력

“수소 환원, 시장 판도 바꿀 기술”

포스코 2019년 부터 개발 에 몰두

세계 최초 상용화 목표로 연구 중

“산업 혁신 넘어 환경 보호까지”

글로벌 철강 미래 이끌 기술 각광

글 싣는 순서

1. 탄소중립시대, 수소환원제철 필요성

2. 수소환원제철, 해외에서는 어떻게

3. 정부, 지자체가 적극적인 지원해야

△철강 산업의 탄소 배출 문제

철강 산업은 세계에서 두 번째로 큰 탄소 배출원이다. 철강 산업은 고온의 가열과 화학 반응을 통해 철광석에서 철을 추출하는 과정에서 상당한 양의 이산화탄소(CO₂)를 배출한다. 이는 기후 변화의 주요 원인으로 지목되고 있다. 철강 산업의 탄소 배출 문제는 전 세계적으로 기후 변화 대응과 탄소 중립 목표를 달성하기 위해 해결해야 할 중요한 과제이다. 철강 산업은 전 세계 산업 배출량의 약 7~9%를 차지하는 것으로 추정된다. 이는 철강이 건설, 자동차, 기계 등 다양한 산업에 필수적인 재료이기 때문에, 그 생산 과정에서 발생하는 CO₂ 배출이 막대함을 의미한다. 철강 생산에서 CO₂ 배출의 주요 원인은 화석 연료를 사용하는 제철 공정이다. 철강을 만드는 전통적인 방식인 고로 제철에서 코크스라는 화석 연료가 철광석과 반응해 철을 추출하는데, 이 과정에서 막대한 양의 이산화탄소가 발생한다. 이러한 탄소 배출 문제는 기후 변화와 환경 파괴를 가속화시키는 주요 원인으로 지목되고 있으며, 탄소 배출을 줄이기 위한 혁신적인 기술 개발이 시급하다.

지난 7월 23일 포항환경연대가 주최한 ‘탄소중립·수소환원제철 포럼’ 발제자 및 관계자들이 단체 사진 촬영을 하고 있다. /이부용기자

△탄소 배출 감소를 위한 기술 접근

철강 산업의 탄소 배출 문제를 해결하기 위한 다양한 기술적 접근이 이루어지고 있다. 주요 기술들은 기존의 제철 방식을 개선하거나 새로운 방법을 도입하는 것이다. 탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture and Storage)기술은 제철, 화력발전 등의 과정에서 발생하는 탄소를 분리, 포집해 저장하는 것이다. CCUS 기술은 탄소중립 실현의 가교가 되는 ‘브릿지 기술’로 주목받고 있다. 2021년 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 이산화탄소 감축량의 14％를 CCUS가 차지할 것이라는 전망을 내놓기도 했다. 탄소포집 기술을 이용하면 대기중에 배출되는 탄소를 포집해 고갈 유전, 가스전 등에 수십~수백만년 저장할 수 있다. 탄소 포집, 운송, 저장 기술은 이미 어느정도 상용화돼 있고, 기술 성숙도도 높아 단기간 내에 활용할 수 있다는 점도 큰 장점이다. 한국의 경우, 이산화탄소 저장 공간이 부족해 탄소포집기술 활용이 제한적이다.

한국석유공사(KNOC) 주도로 동해가스전 저장소를 개발하고 있지만, 연간 40만 t 수준에 불과하다. 철강업계에서만 연간 탄소배출량이 1억t에 달한다는 점을 고려했을 때 역부족인 상황이다. 이에 많은 민간 기업들은 탄소포집, 저장, 활용 기술을 개발하는 한편, 말레시아, 인도네시아 등 해외 탄소 저장소를 확보하고 있다.

포스코는 인도네시아 국영가스공사인 ‘페르타미나(Pertamina)’와 탄소 포집 및 저장 사업을 추진하고자 협력하고 있다. 찔레곤에 위치한 크라카타우 포스코에서 50~250㎞ 떨어진 인근 해상에 고갈중인 유전과 가스전을 활용해 탄소를 저장하는 것이 계획이다. 포스코는 2030년부터 포집한 이산화탄소를 폐유전 및 가스전에 보관하는 실증사업이 가능할 것으로 예상하고 있다.

이 밖에 전기로 제철(EAF, Electric Arc Furnace)과 철강 스크랩(재활용된 철)을 많이 사용하는 방법도 탄소 배출을 줄이는 중요한 접근이다.

△수소환원제철 기술의 필요성

전통적인 제철 방법인 고로 제철(Blast Furnace)은 코크스라는 화석 연료를 사용해 철광석에서 철을 추출한다. 이 과정에서 발생하는 CO₂는 대기 중으로 방출돼 온실가스를 증가시키고, 이는 기후 변화의 주요 원인으로 꼽힌다.

반면, 수소환원제철의 기본적인 원리는 수소(H₂)가 철광석(Fe2O3)과 반응해 철(Fe)을 추출하는 것이다. 즉, 철광석(Fe2O3)과 수소(H₂)가 반응해 철(Fe)과 물(H₂O)을 생성하는 반응이다. 이때, 수소는 철광석을 환원시키는 역할을 하며, 기존에 사용되던 코크스를 대신한다. 즉, 수소환원제철은 탄소 배출을 제로화하거나 최소화하는 방식으로, 기존 제철 방법에서 발생하는 환경적 문제를 해결할 수 있다. 따라서 수소를 활용한 제철 기술은 탄소 중립 목표를 달성하기 위한 핵심 기술로 떠오르고 있다. 또한, 수소는 풍부하게 존재하는 자원이므로 장기적으로 안정적인 철강 생산을 위한 원료로도 유망하다.

△수소환원제철 기술의 도전 과제

철강 산업은 전 세계적으로 탄소 배출량의 중요한 원인 중 하나이다. 수소환원제철 기술이 상용화되면, 철강업계의 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있어 탄소 중립 목표 달성에 중요한 기여를 할 수 있다. 기존의 철강 생산 시설을 수소 기반으로 업그레이드하는 방식도 가능하므로, 새로운 제철소를 건설하는 것보다 비용 면에서 효율적일 수 있다. 수소는 재생 가능한 에너지 원으로부터 생산할 수 있어, 철강업계가 지속 가능한 방식으로 전환하는 데 중요한 역할을 한다. 수소환원제철의 핵심은 청정 수소의 공급이다. 청정 수소는 주로 재생 가능한 에너지(풍력, 태양광 등)로부터 생산할 수 있지만, 현재 수소 생산 비용이 높고, 이에 대한 대규모 인프라 구축이 필요하다. 수소를 대량으로 생산하고 운반하는 인프라가 부족하기 때문에, 이를 구축하는 데 많은 시간과 투자가 필요하다. 수소환원제철 기술은 아직 상용화 초기 단계에 있으며, 기술적 안정성과 대규모 상용화가 이뤄지기 위해서는 추가적인 연구와 시험이 필요하다. 이 기술이 성공적으로 자리 잡기 위해서는 수소 생산, 인프라 구축, 기술적 안정화 등의 여러 도전 과제를 해결해야 한다.

지난해 5월 부산 벡스코에서 열린 ‘2023 기후산업 국제박람회’ 참석자들이 포스코 수소환원제철 기술을 둘러보고 있다. /이부용기자

△포스코 수소환원제철소 프로젝트

포스코는 2019년부터 ‘수소환원제철 기술 개발’을 선언하고, 이를 실현하기 위한 연구개발에 집중해왔다. 포스코는 ‘수소환원제철소’를 구축해 수소를 사용한 철강 생산 시스템을 세계 최초로 상용화하려는 목표를 설정하고 있다. 포스코는 이미 수소환원제철 기술에 대한 시험을 마친 후, 상용화 단계로 넘어갈 준비를 하고 있다. 이는 포스코뿐만 아니라 한국의 철강 산업, 나아가 전 세계 철강업계에 큰 영향을 미칠 수 있다.

수소환원제철 기술이 상용화되면, 기존의 제철소가 사용할 수소는 대부분 청정 수소가 돼야 하므로, 수소 생산을 위한 새로운 시장이 열리게 된다. 이를 위해서는 수소 생산비용을 낮추는 기술 개발이 선행돼야 하며, 이를 위해 정부와 민간 기업의 협력이 필수적이다. 또한, 수소환원제철소를 구축함으로써, 한국은 글로벌 철강 시장에서 탄소 배출 문제에 대응하는 선도국으로 자리매김할 수 있다. 수소를 통한 철강 생산 방식은 장기적으로 운영비 절감과 함께 친환경적인 경쟁력을 제공할 수 있다.

△기후 변화 대응과 글로벌 경쟁력

포스코의 수소환원제철소가 상용화되면, 한국은 기후 변화 대응에서 중요한 역할을 할 수 있다. 탄소 배출을 획기적으로 줄이는 수소환원제철 기술은 글로벌 철강산업의 환경적 규제를 준수하는 데 필수적인 기술로 자리잡을 것이다. 특히 유럽연합(EU)과 같은 주요 경제권에서는 철강산업에 대한 탄소 배출 규제가 강화되고 있으며, 수소환원제철소는 이러한 규제에 대응할 수 있는 기술로 국제 시장에서의 경쟁력을 강화할 수 있다.

포스코의 수소환원제철소는 단순히 철강 산업의 혁신을 넘어, 지구 환경을 보호하고 지속 가능한 산업 발전을 가능하게 하는 중요한 기술로 자리잡고 있다. 탄소 중립 사회를 목표로 하는 현재, 수소를 활용한 제철 기술은 철강업계뿐만 아니라 전 세계적으로 큰 변화를 이끌어낼 수 있다. 포스코는 수소환원제철소 프로젝트를 통해 글로벌 철강 산업의 미래를 선도하고, 기후 변화 대응의 중요한 주역이 될 것이다.

/이부용기자 [e-mail]