■ ① 직원환원철(DRI)·열간성형철(HBI)
한국 등 선진국 ‘2035 NDC’ 의무화 앞두고 철강업계 ‘비상’
저탄소 견인 수소환원제철 상용화 앞당길 대체소재로 각광
‘석탄 대체 소재’로 조강 과정 불순물 제거 탄소 배출 저감
K-철강, 美 일관제철소 확보로 관세 극복…HBI ‘숨은 전략’
▲독일의 한 제철소에서 근로자가 철 성분이 스파크 형태로 튀는 용광로에서 작업 중인 모습. 사진=로이터 연합뉴스
산업 소재(素材)의 역사에서 강재는 제조업 전반을 고도화했고, 플라스틱과 합성고무는 대량생산을 현실화하는데 혁혁한 역할을 수행했다. 리튬과 니켈 같은 희토류로 만든 배터리 소재는 세계 전동화를 이끌고 있다. 실리콘 또한 반도체부터 항공우주 산업까지 특수환경 구현에 필수이다. 한마디로 소재를 알면 산업이 보인다. 차세대 산업을 견인하고 변화시킬 핵심소재 종류와 특성을 소개함으로써 국민생활과 국가경제를 지탱하는 '산업 영양소'의 중요성을 조명해 본다. <편집자주>
오는 2035년 국가 온실가스 감축 목표(NDC)가 2018년 대비 53~61% 줄이는 것으로 사실상 정해지면서 철강업계의 우려가 커지고 있다. 석탄을 원재료로 쓰는 '고로 공정'에서 벗어나 '저탄소 공정'으로 전환하려면 시간이 더 필요하기 때문이다. 온실가스를 거의 배출하지 않는 저탄소 공정의 핵심 역할을 할 수소환원제철을 철강업계가 상용화하려면 최소 2037년께 도달해야 한다는 전망이다.
직접환원철(DRI)은 철강사들이 수소환원제철로 나아가는 과정의 마중물 역할을 한다. 기존 고로 방식에서 필수인 코크스(석탄)를 태우는 과정을 없애고 기체를 직접 주입해 철광석에서 산소를 떼어내는 환원 작용을 하기 때문이다. DRI를 최대한 녹슬지 않게 형태를 조개 모양으로 가공한 것이 열간성형철(HBI)이다.
철강사들이 철광석이 풍부한 나라에 제철소를 확보하려는 행보가 당장은 높은 관세 장벽을 극복하려는 목적이지만, 멀리 내다보면 DRI와 HBI 공급망과도 연관이 있다.
'고로 핵심' 석탄부터 대체…가스 이용 환원 설비부터
▲열간성형철(Hot Briquetted Iron, HBI)을 1유로 동전과 크기 비교한 모습. 사진=Wikimedia Commons
철강 제품을 다양한 형태로 만들기 전, 철광석에서 산소 등 불순물을 떼어내는 조강 과정이 있다. 기존 고로 방식에서는 조강 과정에서 코크스를 태워 발생하는 열과 일산화탄소 가스가 중요한 역할을 한다.
철의 녹는점인 섭씨 1538도보다 높은 약 1600도에서 철광석을 열로 녹이고, 일산화탄소가 철광석에서 산소를 떼어내 이산화탄소로 배출된다. 석탄을 태우면서 온실가스를 내뿜고, 환원 과정에서 일산화탄소가 산소와 결합해 이산화탄소로 변하면서 온실가스가 더 배출된다.
DRI는 철광석을 작은 알갱이 모양으로 가공한 펠릿에 열을 가한 뒤 기체로 직접 환원 작용을 해 만든 것이다. 기체는 천연가스에서 나온 일산화탄소와 수소가 주로 쓰인다. 철을 액체로 완전히 녹이지 않고 800~900도 수준의 스펀지 형태에서 환원 작용이 이루어진다.
DRI는 전기로에서 녹은 뒤 불순물을 제거해 강으로 제련된다. 환원 과정의 온도가 낮고 열을 전기로 가하기 때문에 탄소 배출량이 고로보다 적다. 전기로는 기존 철강 제품을 재활용한 철스크랩을 DRI 대신 사용할 수 있어 자원 절약이 용이하다.
수소환원제철은 이 공정에서 천연가스를 수소로 대체한 것이다. 수소로만 철광석에 환원 반응을 일으키기 때문에 탄소 배출이 없다. 수소와 전력을 생산하는 과정에서 온실가스를 배출하지 않는 단계까지 나아가면 철강산업은 탄소 다배출 산업이라는 이미지를 벗게 된다. 전세계 온실가스 배출량 중 철강산업이 차지하는 비중은 7%가량이다. 한국에서는 지난해 온실가스 배출의 14.5%가 철강에서 나왔다.
다만, 아직은 개발 속도가 더딘 편이다. 진도가 가장 빠른 곳은 스웨덴이다. 스웨덴 SSAB가 철광석 생산 기업 LKAB, 에너지 기업 바텐폴과 합작해 '하이브리트' 프로젝트를 진행해 샤프트로 방식의 수소환원제철 설비를 개발했다. 2020년 세계 최초로 수소환원철을 생산했다. 올해 9월에는 SSAB 수소환원철이 국제에너지기구(IEA)가 요구하는 무탄소 철강 기준을 세계 최초로 충족했다고 발표했다.
한국도 고삐를 죄고 있다. 오는 2030년까지 수소환원제철 기술을 개발하고, 2037년을 상용화가 가능한 시점으로 보고 있다. 수소환원제철 실증 사업을 위해 정부와 철강사들이 총 8100억원을 투입한다.
포스코는 고온의 가스를 분사해 철광석 가루를 공중에 띄워 환원 반응을 일으키는 '유동환원로' 방식에 기반을 둔 수소환원제철 브랜드 '하이렉스'를 내세워 기술 실증 작업을 진행 중이다. 현대제철은 대형 전기로 기술 '하이아크'를 기반으로 자체 수소환원제철 기술 '하이큐브' 개발을 준비 중이다.
▲현대제철 당진제철소의 전기로가 가동되고 있다. 사진=현대제철
HBI, 광산 보유 제철소 확보의 '숨은 전략'
국내 철강사들도 전기로를 가동하고 있거나 건설 중이다. 아직은 건축물 철거로 나온 철근 같은 철강재 폐기물을 전기로에 녹일 수 있는 형태로 재활용한 '철스크랩'을 주로 투입하고 있다.
그러나, 전세계적으로 전기로 도입이 늘며 철스크랩 공급 부족 우려도 커지고 있다. DRI 공급망이 탄탄하면 이런 걱정을 덜 수 있다.
DRI 공급망에 필요한 것이 열간성형철(HBI)이다. HBI는 DRI를 조개 모양으로 뭉쳐놓은 것이다. DRI를 그대로 두면 공기 중 산소가 붙어 순도가 떨어지므로 HBI로 가공해 먼 거리를 운반한다. 광산을 보유한 제철소가 HBI를 다른 국가로 수출하면 수익 창출이 가능하고, HBI를 받는 제철소는 전기로에 투입할 원재료 확보 부담을 줄일 수 있다.
HBI는 포스코와 현대제철의 해외 현지 진출 전략과도 관련이 있다. 포스코는 인도와 호주, 미국에서 현지 생산을 검토하고 있다. 이들 국가는 철광석이 풍부하며 광산을 보유한 제철소가 많다. 광산을 가진 제철소와 협력하면 한곳에서 DRI를 생산할 수 있어 경제적이다. 이곳에서 HBI를 가공해 한국을 포함한 다른 나라로 공급하는 구상이 가능하다.
인도에서는 JSW와 연간 600만 톤 규모의 일관제철소를 건설하기로 하고, 철광석이 풍부한 오디샤주를 잠재적 부지 후보로 물색했다. 호주에서는 다른 철강사들과 컨소시엄을 구성해 남부 와일라 제철소 인수를 검토 중이다.
미국은 클리블랜드 클리프스와 전략적 파트너십을 위한 지분 투자 방안을 검토하고 있다. 와일라 제철소와 클리블랜드 클리프스 모두 자체 광산을 보유하고 있다.
현대제철 또한 저탄소 전환의 핵심 설비로 전기로를 택했다. 올해 3월 발표된 미국 루이지애나주 제철소 건립 사업은 DRI 기반 전기로를 염두에 둔 것이다. 2029년 가동을 목표로 준비 중이며, DRI를 직접 생산하거나 HBI를 조달할 방안을 마련해야 한다.
이준호 고려대 신소재공학부 교수는 포스코의 대미 전략에 관해 “미 철강사도 차량용 강판 품질 수준이 높다는 점에서 포스코가 클리블랜드 클리프스와 손을 잡으려는 의도는 관세 회피 전략과 현지 일관제철소 확보에 더 가까울 것"이라며 “클리블랜드 클리프스가 광산을 보유하고 있다는 점에서 DRI와 HBI 조달로 양사의 시너지를 기대할 수 있는 부분"이라고 설명했다.
이 교수는 “다만 지금 미국 행정부가 저탄소 산업 전환 같은 움직임에 소극적이어서 당장 이 효과를 내세우진 않을 것"이라며 “미국에서 정권이 교체돼 저탄소 정책 기조가 뚜렷해진다면 DRI, HBI 확보를 전면에 내세울 가능성도 있다"고 내다봤다.
현대제철의 루이지애나 제철소를 두고 이 교수는 “같은 루이지애나 주에 있는 뉴코어(Nucor) 전기로 제철소 모델에 더 가깝다"며 “현대제철의 전기로도 현지에서 DRI를 확보해 차 강판 등의 제품을 자체 생산하겠다는 의도"라고 설명했다. 그동안 철 스크랩(고철) 등을 기반으로 전기로 운영 능력을 쌓아온 뉴코어는 루이지애나주에 DRI와 HBI로 운영하는 전기로 제철소를 조성하고 있다.
▲포스코 포항제철소에 마련한 전기용융로(ESF) 실증 설비에서 한 작업자가 쇳물을 뽑아내는 작업을 지켜보고 있다. 사진=포스코홀딩스
2037년에나 수소환원제철…전기로 안착부터 준비
HBI 확보는 한국 철강산업의 탄소중립 이행 과정에서도 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 특히, HBI를 외국에서 조달하면 국내 탄소 배출 부담이 줄어든다. HBI가 안정적으로 공급돼야 DRI 전기로 공정이 정착될 수 있고, 수소환원제철 기술이 완성되면 철강업의 탄소중립 달성이 가능해진다.
국내에서도 기술 확보를 통해 HBI를 생산할 수 있지만, 철광석을 전량 수입하는 만큼 해외 생산품을 들여오는 것보다 효율이 낮을 수 있다. HBI 생산 과정에서 막대한 전력을 투입해야 한다는 점도 부담이다.
한국에서 최근 10년간 산업용 전기요금 부담이 커지고 있어 국내 HBI 생산이 경제성을 확보하기 어렵다는 것이다. 전력 생산 과정에서 재생에너지 등 무탄소 비중을 크지 않아 막대한 전력 소비가 이산화탄소 배출 확대로 이어지기도 한다.
정은미 산업연구원 선임연구위원은 지난 5일 열린 한국철강협회 주최 '스틸 코리아'의 기조연설에서 “HBI는 생산 비용이 크고 전력을 더 많이 쓴다는 한계가 있지만, 한국에는 (탄소 배출이 적은) 녹색전력의 대안이 없는 채로 들어왔다"고 지적했다.
따라서 “혁신기술 개발과 실적용의 차질 없는 추진과 기업의 적기 투자를 위한 그린 에너지, 그린수소 등 인프라 확보해 저탄소 제조 시장의 기반을 조성해야 한다"고 정 연구위원은 강조했다.
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