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철강 산업의 탈탄소 과제

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현황

철강 생산은 중공업 중 온실가스를 가장 많이 배출하는 업종입니다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 철강 부문의 온실가스 직접 배출량은 연간 3.7기가톤으로, 전 세계 에너지 부문 이산화탄소 배출량의 10%를 차지합니다.

철강 부문의 온실가스 배출량이 높은 이유는 석탄을 가장 많이 소비하는 산업이기 때문입니다. 현재 철강 생산은 석탄 연소에 크게 의존하기 때문에 매우 탄소 집약적입니다.

철광석으로부터 철강을 생산하는 가장 일반적인 방식은 석탄을 사용하는 고로와 전로 공정입니다. 2021년 19억5천만 톤의 철강을 생산한 이 공정이 전 세계 철강 생산량의 73%를 차지합니다. 

세계철강협회에 따르면, 이 규모의 철강을 생산하기 위해 소비된 석탄의 양은 약 11억 톤에 달했습니다. 평균적으로, 철강 1톤을 생산하려면 약 2.0톤의 이산화탄소가 배출되는 셈입니다.  철강을 만드는 과정에서 석탄 사용은 이산화탄소의 주 배출원이자, 또 다른 온실가스인 메탄의 주요한 배출원이기도 합니다.

철 스크랩(고철)을 사용한 철강 생산 방식은 전력으로 운영되는 전기로를 통해 생산되기 때문에 온실가스 배출량이 상대적으로 낮습니다. 전기로를 통해 생산된 철강은 투입되는 재료와 전력 믹스에 따라 고로-전로에 비해 10-20% 수준의 이산화탄소를 배출합니다.

석탄 대신 수소로 철광석을 환원하는 직접환원철(direct reduced iron) 공정은 온실가스 감축에 더 큰 잠재력을 갖고 있으며 확대 추세에 있습니다. 재생에너지로 생산되는 그린 수소와  전기로 생산을 확대하기 위해서 석탄에서 깨끗한 전력 기반으로 제철 공정을 규모 있고 조속히 전환하는 과제가 철강의 탄소중립의 핵심입니다.

글로벌에너지모니터(Global Energy Monitor)에 따르면, 석탄 기반의 철강 생산 공정이 점차 감축되고 있지만, 변화는 너무 미미한 수준입니다.  2023년 3월 기준, 계획 중인 신규 철강 생산 설비의 57%가 여전히 석탄 기반의 고로-전로 공정에 해당합니다.

반면 “국제에너지기구는 탄소중립 시나리오에서 2050년까지 절반 이상(53%)의 철강 생산 설비가 전기로를 사용해야 하고 1차 철강 생산 설비의 42%는 수소 직접환원철 또는 철광석 전기분해 기반의 전기로에 해당해야 한다고 제시”하고 있습니다. “현재 철강 생산 설비 계획에 따르면 2050년 전기로의 설비 비중은 고작 32%에 그칠 것으로 전망되며, 이는 탄소중립 이행에 한참 못 미치는 수준”이라고 분석됐습니다.  게다가, 국제에너지기구는 1.5ºC 탄소중립 시나리오를 달성하려면 철강 부문의 2030년 이산화탄소 배출량은 2019년 대비 약 30% 감축돼야 한다고 제시했습니다.

철강 생산량을 기준으로, 2030년까지 온실가스 배출 제로에 근접한 철강 생산 프로젝트는 1,300만톤 규모에 해당합니다. 이는 1.5ºC 기후 목표 달성에 필요한 그린 철강 프로젝트의 약 10%에 불과합니다. 이러한 그린 철강 프로젝트의 대부분은 유럽 지역에서 진행 중입니다. 전 세계 4분의 3 정도의 신규 철강 생산 프로젝트는 아시아 지역에서 집중돼 있고, 그 중 55%는 중국과 인도가 차지하는데, 대부분 석탄을 사용하는 고로 방식의 철강 공정에 해당합니다.

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대안

석탄에서 깨끗한 전력으로의 전환

철강 산업의 탄소중립 이행은 석탄에서 전력으로 대대적인 전환에 달려 있습니다. 석탄의 대체 연료인 수소 생산과 철 스크랩 기반의 전기로에 필요한 전력 공급은 필수적입니다. 수소 생산과 전력 공급을 비롯한 업스트림 생산 단계에서 탈 화석연료화가 이뤄져야 합니다. 

석탄 기반 철강 생산 기술의 단계적 감축

온실가스 주요 배출원인 석탄 기반의 철강 생산 기술에 신규 및 추가적 투자가 이뤄져선 안 됩니다. 고로의 조기 폐지 및 좌초자산화를 방지하기 위해 고로의 단계적 폐지 계획이 수립돼야 합니다.

철 스크랩 이용 확대 및 자원 효율화

철 스크랩은 철강 산업의 탈탄소화에서 중요한 역할을 담당합니다. 철강은 자원 순환 측면에서 우수한 특징을 갖고 있기 때문에, 철 스크랩으로 철강을 재생산한다면, 온실가스 배출량과 자원 소비량을 줄일 수 있습니다.  세계철강협회에 따르면, 철강 생산 과정에 철 스크랩을 1톤 사용한다면, 이산화탄소 배출량 1.5톤, 철광석 1.4톤 및 석탄 0.74톤의 소비량을 감축할 수 있습니다. 철 스크랩은 건물, 인프라, 자동차와 같은 철강 생산물의 수명이 끝나면 회수해 얻을 수 있습니다. 현재 철 스크랩은 약 85-90% 수준으로 회수되고 있지만, 자원 효율성 및 수거 시스템을 개선시킨다면 더 높은 회수율을 달성할 수 있습니다. 스크랩을 활용해 철강을 생산할 때 주로 전력을 사용하기 때문에 온실가스 배출량을 크게 줄일 수 있고, 풍력과 태양광과 같은 깨끗한 전력을 공급한다면 배출량을 제로 수준으로 감축할 수 있습니다.

풍력 및 태양광과 같은 재생에너지 확대

철강 부문의 탄소중립 달성을 위해 석탄에서 전력으로의 대대적 전환이 일어난다면, 철강 부문의 전력 수요는 2050년까지 4배 증가할 전망입니다. 경제적이고 안정적인 전력 공급은 경쟁력 있는 배출 제로 철강 생산의 핵심입니다. 화석연료 가격 상승과 재생에너지 가격 하락이 이어지면서 그린 수소 기반의 철강 생산 전망도 밝습니다.  국제재생에너지기구(IRENA)에 따르면, 2010년과 2022년 사이 태양광과 육상 풍력 발전 비용은 각각 89% 및 69% 하락했습니다. 재생에너지는 화석연료 가격 변동성과 충격으로부터 철강 산업을 보호하면서 물리적 전력 부족을 방지하고 에너지의 안정적 공급을 강화할 수 있습니다. 자가 발전, 전력구매계약(PPA), 직접 투자를 통해 재생에너지 조달이 가능합니다.

철강 구매 기업과 생산 기업의 협력

맥킨지에 따르면, 유럽 내 저탄소 철강은 2030년까지 과소 공급될 전망으로, 이는 저탄소 철강에 대한 수요가 증가하는 반면 그린 철강 설비가 상용 가동하는 데까지 시차가 발생하기 때문입니다. 이에 따라 2025년부터 2030년까지 그린 철강에 대한 높은 프리미엄이 형성될 것으로 보입니다. 철강 구매 기업은 그린 철강에 대한 구매 선언을 통해 철강사와 협력해야 합니다. 정부는 그린 철강 수요 확대를 촉진하기 위한 녹색 공공 조달 제도를 도입할 수 있습니다.

오해 및 피해야 할 해법

오해: 그린 철강은 비싸서 고객들이 비용 부담을 하지 않을 것이다.

자동차 제작사, 소비재 생산자, 기기 공급자와 같은 철강 소비 기업들이 공급망의 탈소 감축을 목표로 제시하면서 그린 철강 수요는 빠르게 증가 중입니다. 특히, 그린 철강에 대한 수송 부문의 수요가 두드러지는데, 이는 자동차 제작사가 전주기 이산화탄소 감축 규제에 해당하기 때문입니다. 저탄소 철강의 생산 비용이 높지만, 점점 더 많은 고객들이 가격 프리미엄을 지불할 의사를 나타내고 있습니다.

저탄소 철강을 2030년까지 50%, 넷제로 철강을 2050년까지 100% 사용하겠다는 글로벌 공개 선언 이니셔티브인 스틸 제로(Steel Zero)에 오스테드, 바텐팔, 볼보를 비롯한 40여개의 기업들이 참여하고 있습니다. 그린 프리미엄의 비율은 최종 상품 비용에서 미미한 수준을 차지해, 소비자 가격에 미칠 저항감은 적을 것입니다. 자동차 산업을 예로 들면, 저탄소 철강 가격이 25% 늘어나더라도 자동차 생산 비용은 불과 1% 상승에 그칠 것으로 분석됐습니다.

오해: 저탄소 철강 생산 기술을 당장 도입할 여건이 안 된다.

그린 철강 생산을 위한 레이스는 이미 진행 중입니다. 스웨덴 철강사인 사브(SSAB)는 2021년 세계 최초로 화석연료 없는 철강을 생산했다고 밝혔습니다. 아르셀로미탈 및 H2 그린 스틸과 같은 철강사들은 2025년부터 제로 배출 철강을 상업적 규모로 생산할 계획입니다.

2030년까지 그린 철강 생산 프로젝트는 명확한 증가 추세에 있습니다. 국제에너지기구(IEA)는 2023년 배출 제로 수준의 그린 철강 신규 프로젝트는 13Mt 규모에 달해, 2022년 5Mt 수준에 비해 두 배 이상 증가했다고 보고했습니다. 

오해: 그린 철강 생산에 필요한 고품위 철광석 공급이 충분하지 않다.

철광석의 환원제로 석탄 대신 수소를 사용하는 직접환원철 기술과 전기로는 현재 상용화되어 있으며, 저탄소 철강 생산의 핵심 공정으로 더욱 주목 받고 있습니다. 이 공정에는 불순물 비율이 낮고 철 함량이 67% 이상인 고품위 철광석이 일반적으로 사용됩니다. 현재 고품위 철광석은 세계 총 철광석 공급량의 4%에 불과합니다. 다만 에너지경제재무분석연구소(IEEFA)에 따르면, 향후 고품위 철광석 생산량이 증가하고, 수소환원제철에 저품위 철광석을 활용할 수 있는 기술 개발이 확대될 전망입니다.

오해: 원료탄은 철강 생산에 필수 물질로, 고로 사용은 불가피하며 이에 기반한 탄소포집이용저장 및 수소 주입을 통한 탈탄소화 기술 개발이 필요하다.

아고라 인더스트리 보고서에 따르면, 석탄 기반의 고로에 활용하기 위한 탄소 포집, 이용, 저장 기술은 글로벌 철강 탄소중립 이행에서 주요한 역할을 맡기 어렵습니다. 아울러, 철강 부문에서 석탄의 단계적 폐지는 2040년 초까지 기술적으로 타당하다고 분석됐습니다. 탄소 포집, 이용, 저장 프로젝트의 현황을 평가한 분석을 보면, 평가된 13건의 프로젝트 중 10건은 실패했거나 설계 용량에 비해 상당히 낮은 성능을 보인 것으로 나타났습니다.

일부 철강사들은 석탄 사용량을 일부 대체해 이산화탄소를 감축하기 위한 일환으로 고로에 수소를 주입하는 기술을 활용 중입니다. 타타 스틸 및 일본 제철 사례에서 보여지 듯, 이런 방식을 통해 전통적인 고로 공정에서 감축 가능한 탄소 배출량은 7-10%에 불과합니다.

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