지속가능한 에너지 전환을 위한 포스코의 과제와 노력

탄소저감 시대, 철강산업은 큰 도전에 직면해 있다. 외부적으로는 지구 온난화의 위기 속에 시장과 고객의 저탄소 제품에 대한 요구가 매년 높아지고 있고, 내부적으로는 제철공정에서 발생하는 탄소를 줄이기 위한 새로운 기술 개발과 대규모 설비 투자가 요구되고 있다. 수십 년간 지속해 온 제철공법을 설비부터 기술, 원료에 이르기까지 저탄소 체제로 대전환해야 하기 때문에, 철강사의 ‘생존’이 탄소저감에 달렸다고 해도 과언이 아니다.

‘저탄소 제철 프로세스로의 대전환’ 시리즈에서는 포스코의 수소환원제철기술 개발, 재생에너지 확대, CCS 등 포스코가 ‘2050 탄소중립’ 목표를 달성하기 위해 추진 중인 실행방안을 살펴보고, ‘생존’의 길을 함께 모색해 보고자 한다.

글로벌 신용평가 및 투자 기관들이 기업의 기후변화 대응 노력을 ESG 경영 평가의 중요한 요소로 반영함에 따라, 전력 생산 과정에서 탄소 발생이 적거나 없는 지속가능한 에너지의 중요성이 높아지고 있다.

기업이 사용하는 전력을 100% 재생에너지로 충당하겠다는 RE100(Renewable Energy 100%) 캠페인에 동참하는 기업이 늘고 있으며, 올해 5월 기준 전세계 371개사에 이른다. RE100캠페인에서 인정하는 재생에너지 발전에는 풍력, 태양광, 지열, 바이오매스, 수력 발전이 있다. 탄소 성분이 없는 연료인 수소와 암모니아를 활용해 탄소 발생을 저감하는 발전 기술도 세계 여러 나라에서 연구 개발이 진행 중이다. EU에서는 원자력 발전과 천연가스를 온실가스 감축과 탄소 중립 실현에 필요한 경제 활동 분류 목록인 택소노미(Taxonomy)에 포함시킬지를 두고 논의가 활발하다.

미래에 저탄소 제철 프로세스가 도입되면, 철강 생산에 사용되는 전력도 지속가능한 에너지로 전환될 수 있을까? 그 가능성을 확인하기 위해서는 먼저 제철소의 전력 사용 현황과 필요한 전력 생산 구조 및 미래의 전력 사용 전망을 살펴본 후, 이를 위한 포스코의 과제와 노력을 살펴보기로 한다.

l 제철소의 전력 사용 현황

철강생산에는 얼마나 많은 전력이 소요될까? 포스코가 ‘21년 포항과 광양의 제철소에서 사용한 전력량은 약 25TWh(테라와트시)로, 이는 원자로 3기를 합친 발전량에 해당한다. ‘21년 한국전력 통계집에 따른 ‘21년 대한민국 신재생에너지 발전량이 약 39.1 TWh 인 것을 감안하면, 포스코 제철소가 한 해에 소비하는 전력량은 우리나라 연간 신재생에너지 발전량의 약  3분의 2를 차지한다.

하지만 한국전력의 ’21년 전력 다소비 기업 판매실적 순위를 살펴보면, 포스코가 한전을 통해 구입한 전력량은 25TWh가 아닌 3.8 TWh 정도에 불과하다. 이처럼 한국전력의 판매량과 실제 포스코의 전력 사용량이 차이 나는 이유는 제철소가 대부분의 전력을 자가발전을 통해 충당하기 때문이다.

l 제철소의 전력 생산 구조

포스코 제철소의 전력 생산 구조는 전통적인 고로(용광로) 조업 공정을 기반으로 설계되어 있다.

제철소는 주된 발전원으로 제철공정 중에 발생하는 부생가스를 활용하고, 이는 전체 전력사용량의 63%를 차지한다. 부생가스는 석탄을 고로에 넣기 좋게 가공하는 코크스오븐, 석탄과 철광석을 녹여 쇳물을 제조하는 고로와 파이넥스, 쇳물을 정제하는 전로 등의 설비에서 배출되며, 메탄(CH₄), 일산화탄소(CO) 등의 성분을 포함하고 있다. 제철소는 이 부생가스를 전량 회수해 제철공정에 다시 이용하거나, 제철소 내부의 발전시설로 옮긴 후 증기터빈을 돌려 자체적으로 전력을 생산한다.

이 외에도 제철공정 중에 발생하는 폐열을 활용한 폐열회수발전이 10%, LNG발전이 12%를 차지하고 있다.

자가발전 충당과 함께 부족한 전력은 한전으로부터 구입하고, 반대로 남는 전력은 한전에 판매한다. 실제 ‘20년 광양제철소는 유휴 전력을 한전으로 송전한 바 있다. 즉, 제철소는 제철공정을 기반으로 하는 거대한 발전소라고 할 수 있다.

l 저탄소 제철 프로세스로의 대전환과 지속가능한 에너지 확보의 중요성

제철소의 전력생산 구조가 제철공정과 이어져 있기 때문에, 제철공정이 전기로, 수소환원제철 등 저탄소 제철 프로세스로 전환되면 자연스럽게 제철소의 에너지 사용에도 큰 변화가 일어난다.

‘20년 12월 포스코는 탄소배출 감축 목표로 2030년 사업장 감축 △10% 및 사회적 감축 △10%, 2040년 △50%,  <2050 탄소중립>을 선언한 바 있다.

그러나 이를 위해 고로 조업 비중을 줄이고, 전기로 및 수소환원제철 중심의 제철 프로세스로 전환하면 부생가스를 에너지원으로 하는 자가발전의 비중도 줄어들게 된다. 반면 수소환원제철용 유동환원로 등 기존보다 상대적으로 전력사용이 많은 설비가 늘어남에 따라 제철소의 전체 전력 사용량은 증가할 것으로 예상된다.

즉, 기존에는 제철소가 필요 전력의 대부분을 자가발전을 중심으로 안정적으로 해결해 왔으나, 미래에는 자가발전 비중 감소와 전력사용량 증대에 따라 전력생산 과정에서 탄소 발생이 없고 안정적인 에너지 공급의 중요성이 더욱 부각될 것으로 전망된다.

글로벌 철강사들도 안정적인 지속가능한 에너지 확보를 위해 풍력, 태양광 발전과 같은 재생에너지 발전 투자에 직접 뛰어들고 있다.

지난해 다국적 철강회사 아르셀로미탈은 오스테드사와 협력하여 네덜란드에 2GW급 해상풍력단지 조성 계획을 밝혔으며, 중국 보무강철(China Baowu Steel Group)의 자회사인 보무클린에너지는 허난성 서부 도시인 삼문협(싼먼샤, Sanmenxia)에 150MW급의 풍력발전소를 착공했다. 같은 달 인도 타타그룹(TaTa Group)의 자회사 타타파워는 10년간 연 2GW 규모의 태양광 발전 투자 계획을 발표했다.

l 포스코의 RE100 이행 방안

포스코는 재생에너지 100% 사용 제품을 요구하는 고객사가 늘어날 것에 대비해 재생에너지 사용확인서를 확보할 계획이다. 이를 위해 재생에너지 자가발전에 대한 직접 투자를 확대할 계획 계획을 가지고 있으나, 자가발전 확보에도 부족한 재생에너지는  단기적으로 한국형 RE-100제도인 1)녹색프리미엄을 통해 재생에너지를 구매하거나, 2)REC 구매하여 고객사에 제공하는 형태로 RE100 요구에 대응할 예정이다. 중장기적으로는 직접 3)PPA를 추진함으로써 재생에너지를 안정적으로 확보한다는 방침이다.

1) 녹색프리미엄은 기업이 기존 전기요금과 별도의 녹색 프리미엄 비용을 한전에 납부하여 재생에너지를 구매하는 방식으로, 한전이 연초 1회 입찰시장을 개설한다.

2) REC 구매는 재생에너지 공급 인증서(Renewable Energy Certificates)를 에너지공단 거래플랫폼을 통해 구매하는 것으로, 월 2회 수시 구매 가능하다.
REC는 한국에너지공단에서 재생에너지 사용 확인서로 교환하여 고객사에 제공한다. 철강제품의 종류에 따라 사용 전력량이 다르겠지만, 만약 100톤을 생산하는 데 50MWh의 전력이 사용됐다면, 1MWh는 태양광 발전의 경우 1REC에 해당하므로, 50REC를 구매하여 고객사에 제공해야 한다. ‘21년 12월 기준 1REC 시세는 약 4만원이므로, RE100제품 100톤에 약 200만원의 추가 비용 들게 된다.

3) PPA(Power Purchase Agreement)는 기업과 재생에너지 발전사업자가 계약을 맺고 전력을 거래하는 방식으로, 한전을 중개할 경우 제3자 PPA, 발전사업자와 직접 계약할 경우 직접PPA라고 한다. 기업이 재생에너지 발전사업자를 통해 구매한 재생에너지 사용 실적을 한국에너지공단에 제출하면 재생에너지 사용 확인서를 발급받을 수 있다.

l 재생에너지와 무탄소/저탄소 발전 Mix

그런데, 재생에너지만으로 지속가능한 에너지를 안정적으로 공급하는 것이 가능할까? 철강산업의 입장에서 안정적인 전력 수급이 중요한 근본적인 이유는 제철소가 24시간 조업 체제로 운영되기 때문이다. 그러나 한정적인 조건에서만 전력 공급이 가능한 재생에너지 발전은 24시간 쉬지 않고 운영되는 제철소에 안정적으로 전력을 공급하는 데에 다소 한계가 있다.

태양광 발전의 경우, 우리나라는 지정학적 특성상 하루 평균 3.2시간만 최대 효율로 발전이 가능하다. 특히, 적도 부근에 위치한 나라와 달리 일조량이 일정하지 않고, 장마철이나 태풍 등 기상 악화로 장시간 해가 들지 않을 경우 전력 수급이 불안정해지는 리스크가 발생한다.

풍력 발전의 경우, 일반적으로 7m/s 이상의 바람이 불어야만 경제적인 발전이 가능하다고 업계에서는 보고 있다. 그러나 산맥이 많은 우리나라는 불어오는 바람이 막히는 경우가 잦고, 태풍이 없는 유럽 북해나 아시아 내륙 지역과는 달리, 태풍의 주 이동 경로에 해당되는 남서해는 강풍에 의한 블레이드 손상 위험이 있어 불안전한 측면이 있다.

이에 따라, 포스코는 제철소의 안정적인 전력 공급을 위해 재생에너지 발전과 수소/암모니아를 활용한 무탄소(carbon-free) 발전을 동시에 검토하고 있다.

수소/암모니아 발전은 무탄소연료인 수소(H₂) 또는 암모니아(NH₃)를 연소시켜 전력을 생산한다. 수소 또는 암모니아를 LNG 등 화석연료와의 혼합없이 그대로 연소시키면 ‘전소발전’(無탄소), 화석연료와 혼합하면 ‘혼소발전’(低탄소)이라고 부른다. LNG발전에서 수소를 30% 혼합할 경우, 탄소(CO₂)배출을 약 11% 저감한다는 연구결과가 있다. (‘21.11 에너지경제연구원 ‘무탄소 신전원 해외사례 및 정책방향 연구’ 자료보기)

지난달 국회 본회의를 통과하여 올해 12월 시행을 앞두고 있는 ‘수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률'(수소법) 개정안은 수소 발전 시, 연료전지를 통해 수소를 발전부문에 활용하는 기존 방식에서 벗어나, 수소를 발전연료로 직접 태워서 전력을 생산하는 수소가스터빈발전을 포함하고 있다.

철강산업 입장에서 수소는 전력 생산뿐만 아니라 철강 생산에도 없어서는 안 될 필수 연료이다. 탄소 발생이 없는 미래 철강 기술인 수소환원제철에서 수소는 석탄을 대신해 철광석을 환원시키는 환원제로 쓰이기 때문이다.

암모니아(NH₃)는 수소(H₂)와 질소(N₂)의 혼합물로서, 발전용 연료 뿐만 아니라 해외에서 청정수소 도입 시 수소 캐리어(carrier) 역할로도 주목받고 있다. 암모니아의 저장밀도는 수소 대비 1.7배 높고, 끓는점은 -33℃로 수소의 -253℃ 보다 높아 액화가 용이하여 수소보다 효율적인 저장, 운송이 가능하기 때문이다.

수소/암모니아는 혼소발전을 중심으로 기술 개발이 추진되고 있으며, 전 세계적으로 현재 실증 및 상용화 준비 단계에 있다. ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’에 따르면 우리나라는 석탄발전의 경우 ‘30년까지 암모니아 20% 혼소발전, LNG발전의 경우 ‘35년까지 수소 30% 이상 혼소발전 상용을 목표로 하고 있다.

한편, 포스코그룹과 한국전력은 지난 5월 29일 ‘수소•암모니아 사업협력 파트너십 구축 양해각서’ 체결하고, ▲국내외 그린•블루수소 생산 프로젝트 공동개발 및 투자, ▲수소•암모니아 공급 유연성 확보를 위한 물량교환(SWAP), ▲수소•암모니아 혼소 발전 및 CCUS(탄소 포집/활용/저장) 기술개발 등 3가지 분야에서 협력을 추진키로 했다.

포스코그룹은 포스코의 수소환원제철과 포스코에너지의 발전 사업으로 국내 최대 규모의 수소 수요처가 될 것으로 전망되며, 안정적인 내부 수요를 기반으로 적극적으로 외부 판매까지 연계하는 수소 사업 모델을 구축한다는 방침이다. 2030년까지 수소사업에 10조 원을 투자하여 연간 매출 2조 3천억 원, 생산 50만 톤 달성을 목표로 하고 있다. 이후 2040년 300만 톤, 2050년 700만 톤으로 생산 능력을 단계적으로 확대해 국내외 철강, 연료전지, 발전, 충전소 등 대규모 B2B 수요처에 수소를 공급한다는 계획이다.