이준호 교수가 말하는 탄소저감과 철강의 미래 ⑤ 꿈의 기술, 수소환원제철

제철, 어디서 왔고 어디로 가는가

보스턴 미술관에는 폴 고갱의 <우리는 어디서 왔고, 우리는 무엇이며, 우리는 어디로 가는가>가 걸려있다. 건강도, 재산도 잃어버린 채 방탕한 삶을 살던 고갱이 타히티에서 아끼던 딸의 부고를 접한 이후 그린 대작이다. 제품의 탄생부터 폐기까지 일련의 과정도 이러한 인간의 삶과 닮았다. 그러니 같은 질문을 던져볼 수 있겠다. “이 제품은 어디서 왔고, 이 제품은 무엇이며, 이 제품은 어디로 가는가?”

세상의 모든 물질은 크게 유기물과 무기물로 구분할 수 있다. 유기물은 생명체의 근간을 이루는 물질로 탄소와 탄소 또는 탄소와 수소의 결합을 근간으로 이루어져 있다. 반면 무기물은 생명체와는 무관한 것으로 금속, 산화물, 기체 등을 포함한다. 생명체의 근원인 유기물은 무기물인 산소와 반응해 이산화탄소나 물의 형태로 바뀌는데, 이러한 반응은 생명체가 자연의 무기물로 돌아가는 과정이다.

생명체는 무기물을 흡수한 뒤 생명체 안에 새로운 세포들을 만드는데, 이러한 유기물과 무기물의 반복적 변화는 실로 놀라운 일이 아닐 수 없다. 유기물의 근본이 되는 탄소와 수소가 산소와 반응하는 것을 연소라고 부르며, 연소는 인류에게 열에너지를 공급하는 기본적인 수단이다. 또 탄소와 수소가 산소를 포함한 산화물과 반응하면 연소와 마찬가지로 이산화탄소와 물이 형성되고, 산화물을 구성하는 금속 성분을 얻게 되는데, 이것을 환원 반응이라 부른다. 열역학적으로 산화물의 환원반응은 흡열반응이어서 연소로 공급된 열에너지를 활용해 환원반응을 완성하며, 이것을 제련이라 부른다. 궁극적으로 금속을 얻기 위한 과정은 생명의 희생이 깃들여져 있으며, 그곳에 생명을 구성하는 탄소와 수소의 역할이 강조된다.

탄소와 수소의 연소, 환원반응에서 불가피하게 탄소를 만들어 냈던 인류는 탄소저감 시대를 맞아, 수소의 기여를 높여 지속가능한 미래를 만드는 도전에 사활을 걸고 있다. 이는 고귀한 생명의 희생이 헛되지 않도록 지구의 균형 추를 맞추는 작업이기도 하다. 금속 제련 공정에서도 탄소 중심의 반응을 멈추고 수소에 중점을 둔 반응이 요구되는데, 가장 대표적인 것이 철강의 저탄소 제련 공법인 수소환원제철이다.

인류가 가장 많이 사용하는 금속인 철은 약 30억 년 전 호상철광층(Banded Iron Formation)의 축적으로 시작됐다. 학자들은 원시시대에 박테리아가 내뿜은 산소가 물속에서 농도가 높아지며 철이온과 결합해 산화철을 형성한 뒤 얕은 바다에 가라앉았고, 이렇게 퇴적된 산화철층과 점토나 모래에 의한 퇴적층이 교대로 쌓여 호상철광층을 이루었다고 설명한다.

▲호주 카리지니 국립공원의 호상철광층

이후 지각의 융기와 탈수반응을 통해 지금의 철광석 광산이 만들어졌다. 철의 제련은 이렇게 만들어진 산화철을 탄소와 수소를 이용하고 고온에서 산소를 제거해 금속 철을 얻는 과정이다. 이러한 생성 기구로 인해 철광석에는 다양한 불순물인 맥석 성분이 존재하며 약 30~68%의 철 성분이 포함되어 있는데, 고로 조업에는 철 성분을 58% 이상 포함한 소결광이나 65% 이상을 포함한 펠렛을 제작해 사용한다.

한편, 전기로에 직접 투입하는 직접환원철(DRI)을 제조하려면 맥석 성분이 거의 포함되지 않은 철 성분 67% 이상의 펠렛이 요구되는데, 이러한 고급 펠렛은 전 세계 철광석 사용량의 약 2.4% 정도로 그 양은 매우 미미하다.

수소환원제철, 꿈은 이루어진다!

현재 전 세계에서 가장 앞서 나가는 수소환원제철법은 스웨덴의 SSAB, LKAB, VATTENFALL사에서 공동 개발한 하이브리트(Hybrit) 공법이다. 고순도 철광석을 원료로 바이오 오일과 플라즈마 가열법을 이용해 펠렛을 제작하고, 풍력과 태양광으로 얻은 전기에너지로 생산한 그린수소를 활용해 샤프트 반응로(Shaft Furnace)에서 펠렛을 환원시키는 공법으로, 이렇게 얻어진 직접환원철(DRI)은 전기로에서 용융해 고품질의 철강 제품을 제조하는 데 활용한다.

문제는 하이브리트(Hybrit)에서 사용하는 고급 펠렛은 원료가 극히 제한적이며, 스웨덴과 같이 신재생에너지의 단가가 낮은 국가가 드물다는 점이다. 결국에는 전 세계적으로 풍부한 저급 광석을 수소로 환원해 고순도 철을 얻는 수소환원제철법의 개발이 요구된다.

포스코는 지난 20년간 수소와 일산화탄소를 같이 사용하는 차세대 제선 기술인 파이넥스공정을 개발해 한국형 수소환원제철법인 하이렉스(HyREX) 공정의 기반 기술을 구축했다. 파이넥스공정을 개발하는 가운데 고로에서 사용하기 까다로운 저급 광석을 활용할 수 있는 기술을 확보했고, 더 나아가 수소에 의한 반응 기구 변화에 대한 지식도 축적했다. 특히 200만 톤 급 상용 설비를 운영하며 체득한 독보적인 파이넥스의 유동환원 기술은 전 세계 경쟁사에서 따라올 수 없는 수준에 있다. 전 세계 철강사들이 포스코의 수소환원제철법인 하이렉스(HyREX) 공정에 주목하는 이유다.

포스코는 한국에 첫 대형 고로를 도입해 산업화의 주춧돌을 놓았고, 파이넥스 기술 개발로 저탄소 제선 기술의 최전선을 달리고 있다. 이제 꿈의 기술인 수소환원제철 공정 개발을 통해 인류가 지속가능하게 살아갈 터전인 지구의 균형을 맞추는 일을 감당하고자 한다.

세계반도체시장통계기구(WSTS)에 따르면 2022년 전 세계 반도체 시장은 약 6천억 달러에 이른다. 한편 세계철강협회(WSA)에 의하면 2022년 전 세계 철강 생산량은 18억 3000만 톤이고, e나라지표에서 밝힌 2022년 하반기 철강 제품의 가격은 철근 1133달러/톤, 후판 1850달러/톤, 열연 867달러/톤, 냉연 1259달러/톤 수준으로 대략 1000달러/톤 내외로 볼 수 있다. 이를 통해 대략적으로 추산해 보면, 전 세계 철강 시장은 약 1조 8000억 달러 이상인 것으로 추정할 수 있다. 이는 반도체 시장의 약 3배 이상의 규모이며, 전후방 산업 분야에 미치는 파급효과 또한 막대하다.

대한민국이 한국형 수소환원제철법인 하이렉스(HyREX) 상용화를 통해 전 세계 철강산업을 주도한다면, 이는 대한민국을 새롭게 다시 세우는 일이요, 인류의 지속가능한 미래에 공헌할 수 있는 기회가 될 것이다. 정부, 기업, 학계, 연구소가 하나로 힘을 합쳐 꿈의 기술을 현실로 이루어 내기를 간절히 기대한다. 꿈은 이루어진다!