포스코그룹 대표 사업 분야의 동향을 전문가가 직접 알기 쉽게 알려드립니다. 최근 글로벌 에너지 시장에서 재생에너지의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 LNG, 액화천연가스를 주목하고 있습니다. 이에 포스코그룹은 해상 가스전 프로젝트, LNG 터미널 구축 등 LNG 풀밸류체인을 구축하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 5편에서는 포스코경영연구원 주영근 수석연구원이 포스코그룹 LNG 풀밸류체인에 대해 알려드립니다.

천연가스는 화석연료 중 가장 가벼운 가스 형태의 에너지로, 상태와 운송 방법에 따라 세 가지 이름으로 불립니다. 지하에서 뽑은 기체 상태인 천연가스에서 암모니아, 황화수소, 이산화탄소 등 불순물을 제거하고 액화해 만든 것은 LNG(Liquefied Natural Gas), 액화천연가스라고 하는데요. LNG는 대량 수송을 위해 -163°C에서 약 1/600로 압축하여 선박으로 운반합니다.

두 번째로 천연가스를 파이프로 수송하는 경우, PNG(Piped Natural Gas)라고 부르는데 이는 가스관(Pipeline)을 통해 기체 상태의 천연가스가 수요처에 공급되기 때문입니다. 러시아, 아프리카에서 생산된 천연가스를 파이프라인을 통해 유럽으로 공급하고 있습니다. 수송 거리가 길어지면 파이프라인 건설비가 증가하기 때문에 5,000㎞ 이하에서 가스를 수송할 때 파이프라인을 이용하고 그 이상에서는 LNG를 운반선으로 운송합니다.

도로에서 CNG 버스라고 적혀있는 시내버스를 보신 적 있으실 텐데요. CNG(Compressed Natural Gas)는 압축천연가스로, 천연가스를 1/200 수준으로 압축해서 탱크에 저장해 사용하는 것을 말합니다. 냉각과정이 없어 비용이 상대적으로 저렴하지만, 큰 저장 공간이 필요하기 때문에 주로 시내버스 연료로 사용합니다.

가끔 LNG와 LPG(Liquefied Petroleum Gas)를 헷갈리시는 분들이 있는데 LPG는 액화석유가스로, 유전에서 원유를 채굴하는 과정이나 원유를 분별 증류하는 과정에서 나오는 탄화수소가스를 말합니다. 가정용 가스는 대부분 LNG로 교체됐는데, LNG는 공기보다 가볍고 쉽게 확산되기 때문에 LPG보다 사용하기 안전하다는 장점이 있습니다.

장기적으로는 재생에너지나 수소로 에너지 전환을 꾀하고 있지만, 아직은 기술과 경제성이 확보되지 않아 석탄 발전을 대체할 수 있는 브릿지 에너지로 LNG를 사용하기 위해서입니다. 천연가스는 태양광, 풍력, 수소 같은 신재생 에너지보다는 아니지만, 석탄이나 중유보다는 환경적입니다. LNG는 메탄이 주성분인데 메탄은 탄소 하나에 수소가 4개 붙어 있는 구조이기 때문에 석유, 석탄에 비해 이산화탄소 배출이 적고, 정제 과정을 거치면서 불순물을 제거해 질소화합물 등 오염물질과 초미세먼지 발생도 적습니다.

실제로 1GMW의 전력을 생산할 때 이산화탄소 배출량은 석탄발전 888톤, 석유발전 733톤, 가스발전 499톤, 복합(LNG) 발전 389톤, 태양광 85톤, 원자력 29톤으로, 재생 및 원전에 비해 이산화탄소 배출량은 많지만, 석유ㆍ석탄발전 대비 현저히 낮은 배출량을 보입니다.

또, LNG는 계절성, 간헐성 같은 문제점을 가진 재생에너지의 대안으로도 사용할 수 있습니다. 비가 많이 와서 태양광 발전이 안 되거나, 태풍이 불어서 또는 바람이 안 불어서 풍력발전이 안될 경우, 가동이 오래 걸리는 석탄발전, 원자력 발전과 달리 LNG발전은 훨씬 유연하게 운영할 수 있기 때문에 글로벌 에너지 시장에서 충분한 경쟁력을 가지고 있다고 할 수 있습니다.

밸류체인(Value Chain)은 가치 사슬이라는 뜻으로, 기업이 제품이나 서비스를 창출하는 과정에서 부가 가치를 더하는 일련의 활동들을 의미합니다. 크게 상품의 기획과 생산, 유통, 사용 단계로 구분할 수 있는데 강이 흘러가는 것에 비유해 전체 밸류체인을 상류인 업스트림(Upstream), 중류인 미드스트림(Midstream), 하류인 다운스트림(Downstream)으로 구분합니다.

원래 유가스 사업에서는 밸류체인을 업스트림(생산-유통-저장)과 다운스트림(활용)으로만 나누었는데 포스코그룹은 LNG터미널, 트레이딩 역량 강화, 업스트림과 다운스트림의 연계 강화 및 사업확장을 위해 2016년부터 미드스트림 개념을 추가했습니다.

우선 업스트림은 천연가스 탐사와 생산을 의미합니다. 포스코인터내셔널은 미얀마에서 13년의 개발 끝에 2013년 6월부터 천연가스를 생산하고 있습니다.

미드스트림은 천연가스를 액화해서 유통, 보관하는 단계를 말합니다. 천연가스를 LNG로 만들어서 수출하는 수출터미널 또는 액화터미널, LNG를 운반하는 LNG 전용 운반선, 광양LNG터미널 같은 LNG수입터미널 또는 재기화터미널*을 모두 포함하는데요. LNG를 거래하는 LNG 트레이딩 사업도 이에 속합니다.

*재기화터미널: 초저온 액체 상태의 LNG를 기체 상태의 천연가스로 변환하는 기술을 갖춘 터미널. LNG는 끓는 온도가 -162°C인 초저온 액체이기 때문에 외부로부터 전달되는 열에 의해 저장탱크 및 배관에서 가스가 일부 증발하는데, 발생된 BOG(boil-off gas)를 증발가스 압축기를 통해 재액화설비에서 재액화하거나, 내부 연료로 사용하기 위해 증발가스를 압축하여 증압하는 과정이 필요하다.

마지막으로 다운스트림은 천연가스를 소비하는 수요처들을 말합니다. 포스코 제철소, 포스코인터내셔널의 인천LNG복합발전소, 도시가스를 사용하는 가정, 산업, 상업 시설 등이 이에 해당합니다.

에너지 사업은 조원이 들어가는 대규모 인프라사업으로, 업스트림과 다운스트림에서 몇십에서 몇백만 톤의 천연가스를 생산하고 사용합니다.

최근 러-우 전쟁, 중동 지역의 지정학적 이슈로 인해 국제 에너지 가격 및 물동량 변동성이 더욱 심화되고 있는데 이런 상황에서 LNG 풀밸류체인을 구축하고 있으면 각 밸류체인 간 시너지를 극대화해 변동성에 적절히 대응할 수 있습니다.

포스코그룹은 많은 양의 천연가스를 생산하고 사용하는데 이처럼 많은 물량을 처리하면 유동성이 풍부해져 공급이 불안해져도 트레이딩, 스왑 등을 통해 다운스트림에 안정적으로 LNG를 공급할 수 있습니다. 만약 한국의 포스코인터내셔널이 인도네시아 A 기업하고만 LNG를 계약했는데 천재지변이 일어나 LNG를 수입하지 못하면 LNG발전을 돌릴 수 없어 기업 경영활동과 국민의 삶에 엄청난 불편을 초래하겠지요.

업스트림에서는 천연가스를 생산해 비싸게 팔아야 많은 수익을 거둘 수 있고, 다운스트림에서는 LNG를 싸게 구입해야 하는데 둘을 미드스트림으로 연결하면 가격 유연성을 높일 수 있습니다. 예를 들어 포스코인터내셔널 LNG 발전을 위해 저가의 LNG가 필요할 경우 많은 LNG 물량을 할인받아서 구매하거나 업스트림 광구 개발을 통해 전달받기도 하고, 시장 상황에 따라 현물을 저가로 구매해 LNG터미널에 저장해 두었다가 발전소에서 쓰거나 높은 가격을 제시하는 수요처에 판매할 수도 있습니다.

이처럼 LNG 풀밸류체인을 구축하면 LNG 물량의 안정성, 가격의 유연성으로 인해 사업과 수익에서 시너지를 창출할 수 있습니다.

포스코인터내셔널은 지난 2000년부터 미얀마 해상에서 탐사를 시작해 3개의 해저 가스전을 발견하고, 2013년 6월부터 천연가스를 상업생산 중입니다. 이는 국내 민간 에너지기업이 해외에서 개발한 최대 규모의 자원개발 사업인데요. 바다에서 육지까지 약 105㎞의 해저 가스관을 연결해 천연가스를 운송하고, 미얀마 짝퓨에 있는 육상 가스터미널에서 중국까지 가스관을 연결해 미얀마와 중국에 천연가스를 판매하고 있습니다.

하루 생산량은 약 5억 입방피트로 이는 우리나라 연간 천연가스 소비량의 9%에 해당하는데요. 현재는 쉐(Shwe), 쉐퓨(Shwe Phyu), 미야(Mya)로 명명된 3개의 해저 가스전에서 천연가스를 생산하고 있으며, 지난 2020년 인근에서 마하(Mahar)라는 해저 가스전을 추가 발견했습니다. 미얀마 가스전은 국내 기업이 진행한 최초의 심해 탐사 및 개발 사업이라 그 의미가 더욱 큽니다.

또한, 포스코인터내셔널은 업스트림 확장을 위해 지난 2022년 호주 유가스 분야 5위인 세넥스에너지를 인수했습니다. 세넥스에너지는 호주 동부 지역에서 천연가스를 생산, 개발하는 회사로 호주 퀸즐랜드주에 위치한 3개의 가스전인 아틀라스, 로마 노스, 루이지애나를 보유하고 있으며, 여기서 생산된 가스를 호주 동부의 LNG액화플랜트와 가스발전소 등에 판매하는 등 안정적 수익모델을 보유하고 있습니다. 포스코인터내셔널은 파트너사인 핸콕에너지와 2026년까지 총 6억 5천만 호주달러를 투자해 세넥스에너지를 인수하여 우리나라 연간 천연가스 소비량의 44%에 해당하는 매장량을 확보했습니다.

이 외에도 2021년 말레이시아 국영석유사인 페트로나스(PETRONAS)로부터 말레이반도 동부 해상에 위치한 PM524 광구 탐사 운영권을 낙찰받아 현재 유망성 평가를 진행하고 있고, 2025년부터 탐사 및 개발에 착수할 예정입니다. 또, 2023년에는 인도네시아 국영기업인 PHE*와 컨소시엄으로 인도네시아 벙아(Bunga) 광구의 탐사권을 획득했으며, 2029년까지 탐사를 진행할 예정입니다.

*페르타미나 훌루 에너지(PHE, Pertamina Hulu Energi): 인도네시아 국영석유가스공사 페르타미나(Pertamina)의 자회사다.

LNG 터미널은 LNG의 안전한 운반, 효율적 보관에 필수적인 시설입니다. 천연가스를 -162°C에서 액화하여 부피를 1/600로 줄인 뒤 LNG 상태로 저장 및 운송하기 때문에 LNG수입터미널, LNG인수터미널, 재기화터미널로 부르기도 합니다. 한마디로 LNG터미널은 LNG 하역 → 저장 → 기화 및 재기화 → 송출이 이뤄지는 복합 시설이죠.

주요 설비는 LNG 선박이 접안해 하역할 수 있는 부두와 접안 설비, LNG를 선박에서 육상 탱크로 수송하는 하역 파이프라인, 펌프 시스템 등 하역 장비, LNG를 저장하는 저장 탱크, 저장된 LNG를 육상 수송 파이프라인에 넣기 위해 기체로 상태로 변환하는 기화설비와 배관망으로 보내는 송출설비 등으로 구성돼 있습니다. 이 외에 가스 처리 시설, 배관 시스템, 안전 및 제어 시스템 등도 필요합니다.

그중 LNG 저장탱크는 -162°C 초저온 액체 상태의 천연가스를 저장하는 설비입니다. LNG발전, 도시가스 등 천연가스 수요가 적은 계절에 LNG를 저장했다가 수요가 공급보다 많은 동절기에 LNG를 보충해 수요와 공급 사이의 불균형을 해소하는 완충 역할을 하는데요. LNG 저장탱크는 특수콘크리트의 외벽, 초저온 액체를 유지하기 위해 외부의 열 유입을 막는 보냉제, 초저온에도 견디는 특수 재질의 내벽과 부속 설비로 구성돼 있습니다.

우리나라에는 총 8개의 LNG 터미널이 운영되고 있으며 향후 11개까지 늘어날 예정입니다. 8개의 터미널은 가스공사 및 민간 LNG터미널사업자가 운영하고 있는데 총 탱크 수는 88기, 용량은 1,409만㎘에 달합니다. 포스코인터내셔널은 2005년 국내 민간 최초로 LNG터미널 상업 운전을 시작했는데요. 수입한 LNG를 광양LNG터미널에 저장했다가 포스코 제철소, 포스코인터내셔널 LNG복합발전 등에 사용하고 있습니다.

▲2024년 7월 9일 종합준공된 포스코인터내셔널 광양 제1 LNG터미널 전경.

광양 LNG 제1터미널은 현재 6기의 탱크를 가지고 있으며, 저장능력은 93만㎘입니다. 2023년 1월 착공한 광양 제2터미널은 2025년까지 20만㎘짜리 7, 8호기 탱크 2기를 갖출 예정인데요. 총 8개의 탱크가 확충되면 저장용량 총 133만㎘로 국내 민간 1위이자, 전 세계 11위 터미널로 자리매김할 수 있을 것입니다.

포스코인터내셔널은 2020년 8월 국내 최초로 선박용 천연가스 사업자 자격을 획득하고 해외 선사를 대상으로 초도 LNG를 제공하는 사업도 하고 있는데요. 2020년 9월에는 국내 최초로 천연가스 반출입업자 지위를 취득했으며, 지리적으로 유리한 광양LNG터미널의 보세 탱크를 활용해 일본, 중국 등 동북아 주변국으로 LNG수출을 확대하고 있습니다.

더불어 선박에 저탄소 연료인 LNG를 공급하는 바다 위의 주유소 LNG 벙커링 사업도 추진하고 있는데요. 광양LNG터미널에 벙커링 전용 인프라를 구축해 저탄소 연료를 선박에 안정적으로 공급함으로써 국내 LNG 벙커링 시장을 활성화하고 국제 환경정책에 적극적으로 대응해 나갈 예정입니다.

우리나라는 한국가스공사가 독점적으로 전국에 가스 공급 배관을 설치하고 관리합니다. 가스 공급 배관의 총길이는 약 4,937㎞인데 이는 천연가스의 수송 통로이자 저장소 역할도 합니다. 광양LNG터미널에서 LNG를 천연가스로 바꿔서 한국가스공사 배관에 넣어주면 그 가스량을 계량하고, 인천의 발전소에서 그 양만큼 가스를 인출해 사용하는데요. 광양LNG터미널에서 가스 공급 배관에 공급하는 천연가스는 LNG 발전소, 공장 등의 발전용, 상업시설, 가정 등에서 도시가스용으로 활용됩니다.

포스코인터내셔널은 인천에 3~9호기, 총 7기의 LNG 복합발전기를 운영 중인데요. 총 설비용량은 3,142MW로 이는 우리나라 발전 설비의 약 2.64%, 수도권 발전 설비의 약 9%에 해당하는 규모입니다. LNG복합발전은 천연가스를 이용해 가스터빈과 스팀터빈을 가동해 복합발전하는 방식으로 발전효율이 높으며, 1시간 이내 신속한 기동과 출력조정이 가능해 수도권 계통 안정화에 기여하는데요. 기동·정지 시간이 매우 짧아 긴급한 전력수요에 즉각 대응할 수 있다는 장점이 있습니다. 현재 발전소 운영기술에 IoT 및 Big Data를 접목해 스마트 발전소를 구축하고 있는데 국가 전력 수요 변동에 적기 대응해 국가 에너지 안보에 기여하는 것이 최종 목표입니다.

국내에서는 제3자에게 LNG 가스를 판매하는 것이 불가능하나, 포스코인터내셔널은 싱가포르 무역법인을 통해 LNG 트레이딩 사업을 추진하고 있습니다. 지난 2023년 포스코인터내셔널이 트레이딩 한 LNG 물량은 212만 톤이며 이는 우리나라 연간 사용량의 4%에 해당하는 양입니다. 포스코인터내셔널은 2025년까지 357만 톤으로 판매량을 확대할 계획입니다.

유럽의 PNG 대체, 에너지 전환에 따라 전 세계 LNG 시장은 지속 성장할 것으로 전망됩니다. LNG 수출 강자인 카타르는 2030년까지 연간 생산 능력을 7,700만 톤에서 1억 4,200만 톤으로 증가시킬 것이라 밝혔는데요. 트럼프 2기는 셰일가스 생산 및 LNG 수출 규제를 풀어 천연가스 생산과 수출을 극대화할 것으로 보입니다.

또한, 러-우 사태로 인해 유럽이 러시아산 PNG의 대안으로 LNG를 적극 도입하고 있는데요. 최근 독일은 재생에너지 확대 기조에도 on-shore LNG터미널을 완공하여 러시아산 PNG를 대체할 LNG 도입 인프라를 확보했습니다. 우리나라는 재생에너지, 수소발전 등의 에너지 확대를 위해 LNG 소비량을 줄이는 계획을 수립했으나, 송전망 제약, 열병합 발전 증가 등으로 인해 LNG의 현실 수요는 증가할 것으로 보고 있습니다.

세계적인 에너지 기업인 셸은 올해 8월 연례 시장 전망 보고서에서 중국, 남아시아, 동남아시아의 LNG 수요가 지속적으로 늘면서 2040년에는 LNG 수요가 지금보다 50% 많은 6억 2,500만에서 6억 8,500만 톤까지 늘어날 것으로 전망했습니다. 환경의 중요성이 강조되는 가운데 무탄소·저탄소 에너지원이 충분히 확보되기 전까지 LNG가 브릿지 연료의 역할을 톡톡히 해낼 것으로 기대합니다.

포스코그룹 대표 사업 분야의 동향을 전문가가 직접 알기 쉽게 알려드립니다. 4편에서는 차세대 배터리로 촉망받는 ‘전고체전지’에 대한 이슈를 포스코경영연구원 박재범 수석연구원과 함께 짚어봅니다. 최근 전기차에 탑재되는 리튬이온전지의 이론적 한계를 극복할 대안으로 전고체전지가 떠오르고 있습니다. 포스코그룹도 차세대 전지 소재 시장 선점을 위해 전고체전지 풀 라인업 구축에 나섰는데요. 전고체전지를 중심으로 배터리 기술 현황과 시장의 미래를 살펴봅니다.

전지는 크게 일차전지(Primary Battery)와 이차전지(Secondary Battery)로 구분합니다. 일차전지는 한 번 사용하면 더 이상 충전이 불가능한 전지로, 건전지나 수은전지가 이에 해당합니다. 그에 비해 이차전지는 여러 번 충전해 사용할 수 있어 경제적이라는 장점이 있죠. 이차전지에도 여러 종류가 있지만 가장 흔히 사용하는 이차전지가 바로 리튬이온전지(LIB, Lithium-Ion Battery)입니다.

리튬이온전지는 다른 이차전지와 비교했을 때 수명, 충전 용이성, 방전율, 비용 등 모든 면에서 종합적으로 우수해 다양한 애플리케이션에 활용되고 있습니다. 특히 에너지 밀도*가 높아 한번 충전으로 오래 주행해야 하는 전기차나 모빌리티용으로 많이 쓰입니다.

*에너지 밀도 : 단위 무게 또는 단위 부피당 에너지의 양

그런데 현재까지 상용화된 이차전지 중 가장 완벽한 전지로 꼽히는 리튬이온전지도 에너지 밀도, 가격, 안정성 측면에서 지속적인 개선과 보완이 필요한 상황입니다. 그 이유를 알려면 우선 리튬이온전지의 작동 원리를 살펴볼 필요가 있습니다.

리튬이온전지를 이루는 핵심 요소 4가지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막입니다. 이중 전해질은 양극과 음극 사이로 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 중요한 매개체 역할을 하는데요. 이 전해질의 주요 성분으로 가연성 유기 용매를 포함하고 있어 고온 환경이나 외부 충격 상황에서 화재나 폭발 위험이 크다는 문제가 있습니다. 이런 문제를 해결하려면 양극재, 음극재, 전해질 등 소재의 성능을 개선하는 방법도 있겠으나 궁극적으로는 전지 타입 자체를 바꾸는 개선책이 필요합니다. 전고체전지, 리튬황전지, 나트륨이온전지 같은 포스트 리튬이온전지(Post-LIB) 또는 차세대 전지가 그 개선책으로 떠오르고 있으며, 그중 에너지 밀도와 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 전고체전지가 꿈의 배터리로 불리며 최근 전 세계적으로 각광받고 있습니다.

전고체전지와 리튬이온전지의 가장 큰 차이점은 전해질의 형태라고 할 수 있습니다. 전고체전지는 리튬이온전지 내 전해질을 액체가 아닌 분말 형태의 고체로 대체한 배터리인데요. 이렇게 되면 단순히 형태만 변화하는 것이 아닌, 리튬이온전지의 다른 소재도 크게 변화합니다. 리튬이온이 이동하는 과정에서 양극과 음극의 직접적인 접촉을 막는 기존의 분리막이 필요 없어지고, 고체전해질이 그 자체로 분리막 역할을 하게 되는 것이죠.

안정성 향상

전고체전지가 가진 장점은 여러 가지가 있지만 대표적으로 안정성을 꼽을 수 있겠습니다. 리튬이온전지 전해질은 가연성을 띠는 유기 용매(액체)로 이루어져 있어 양극과 음극의 접촉을 차단하는 분리막이 열로 녹아내리거나 다양한 이유로 손상되는 경우, 화재나 폭발 가능성이 크다는 위험이 따르지만, 전고체전지 고체전해질은 그 자체로도 분리막 역할을 하기에 리튬이온전지의 분리막보다 강성이 높아 양극과 음극의 접촉을 잘 차단해 줍니다. 따라서 화재나 폭발 위험을 줄여 주죠. 또, 온도 변화나 외부 충격에 따른 누액, 산화 등이 일어날 가능성이 적은데요. 이는 곧 사용 편의성이 좋고 내구성이 뛰어나 유지보수 비용도 줄일 수 있다는 말이 됩니다.

높은 에너지 밀도 구현 가능

안전성이 향상되면 배터리 외장 케이스나 냉각장치를 단순화할 수 있기에 자연스레 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다. 냉각장치 등의 부품을 최소화한다면 남은 공간을 배터리 셀(Cell)로 활용할 수 있을 텐데요. 그렇게 되면 배터리 팩(Pack) 단위에서 보다 향상된 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다. 또한 음극 소재로 사용 가능한 후보 물질 중 에너지 용량이 가장 큰 리튬을 이용해 음극재를 만든다면, 이론적으로는 기존 흑연계 음극재 대비 에너지 밀도를 10배 가까이 늘릴 수도 있는데요. 따라서 차세대 음극재 끝판왕으로 불리는 리튬메탈 음극재가 안정성 문제를 해결하고 상용화된다면 에너지 밀도를 획기적으로 개선할 수 있으리라 예상합니다.

온도 변화에 용이

전해액이 고체로 바뀌면 온도에 대한 민감도가 낮아져 더 넓은 영역대의 온도에서 작동할 수 있다는 것도 또 하나의 큰 장점입니다. 기존 리튬이온전지는 -10°C 이하의 저온에서 이온 전도도*가 크게 감소하고, 고온에서는 열폭주 가능성이 높아져 주로 -10°C~40°C 사이에서 원활하게 작동했으나, 전고체전지는 -40°C~100°C의 넓은 온도 구간에서 문제없이 작동하는데요. 이에 따라 겨울철 배터리 방전이나 고온으로 인한 화재 위험을 개선할 수 있으며 열을 식히는 냉각장치도 대폭 줄일 수 있습니다.
*이온 전도도 : 이온이 무한 희석 상태에서 당량 전기 전도도에 기여하는 정도

공정 단순화 및 원가 절감

기존 리튬이온전지는 하나의 셀 당 전극을 하나씩만 가지는 모노폴라(Monopolar, 단극성) 전극 구조이나, 전고체전지는 셀 내 여러 전극을 직렬로 연결하는 바이폴라(Bipolar, 양극성) 구조로의 전환이 가능합니다. 바이폴라 구조는 셀 안에 전극을 여러 개 적층해 전지의 전압을 높일 수 있으며 이에 따라 출력도 증가한다는 장점이 있습니다. 또, 외장재·냉각 시스템·BMS*등의 최소화로 공정을 단순화하고 공간 활용률을 높이며 원가를 절감할 수 있죠.
*BMS (Battery Management System) : 배터리의 상태를 모니터링해 최적의 조건에서 배터리를 유지, 사용할 수 있도록 제어하는 시스템

전고체전지는 리튬이온전지에 비해 장점이 많지만 단점도 존재합니다. 바로 낮은 이온 전도성인데요. 액체전해질은 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 환경을 제공해 높은 이온 이동성을 갖지만 고체전해질은 이온이 흐르지 않고 고체 격자 사이에서 이동해 이온 전도성과 전기 화학적 성능이 떨어집니다. 이온 전도도가 떨어지면 출력 및 충전 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이온 전도도를 높이기 위해서는 전해질과 양 극판의 접촉을 최대화하고 접촉면의 저항을 최소화해야 하는데, 여러 기업에서 이를 고려한 활발한 연구 개발을 진행해 오고 있으며 그 결과 다양한 종류의 고체전해질이 등장하게 되었습니다.

전고체전지에 쓰이는 고체전해질은 크게 유기계와 무기계로 나뉩니다. 유기계로는 고분자(Polymer, 폴리머) 전해질이 있으며 무기계로는 황화물계, 산화물계 전해질이 있습니다. 이중 전기차용으로 상용화 가능성이 가장 높으며 많은 기업들이 관심을 갖는 것이 황화물계입니다. 황화물계가 주목받는 데는 여러 가지 이유가 있겠지만 무엇보다 이온 전도도가 가장 뛰어나다는 점 때문인데요. 상대적으로 부드러운 성질로, 전극과 전해질 간의 계면*을 넓게 형성해 리튬 이온 전도도가 높죠. 황화물계 내에서도 결정구조의 유무에 따라 다양한 구조가 존재하는데 특히 LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂)나 아지로다이트(Argyrodite, Li₆PS₅CL)은과 게르마늄을 함유한 희귀 황화물 광물) 구조의 고체전해질은 일반적인 액체전해질의 이온 전도도(5~10mS/cm)와 유사하거나 그 이상의 이온 전도도를 구현할 수 있다고 알려져 있습니다.
*계면 : 서로 다른 물질 또는 물리적 상태의 물질이 차지하는 두 공간 영역 사이의 경계

※이온 전도도 : LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂) 12~25mS/cm, Argyrodite(Li₆PS₅CL) 2~12mS/cm

많은 기업이 빈틈없이 더 완벽한 전고체전지를 만들어 내고자 연구 개발에 한창인데요. 기업마다 다르겠지만 일반적으로 양극은 현재 가장 활발하게 사용 중인 삼원계 양극재*가 중심이 될 것으로 보이며, 음극은 기존에 가장 많이 쓰이던 흑연계에서 실리콘계를 거쳐 리튬메탈이 사용될 것으로 보입니다. 리튬메탈 음극재는 부피당, 무게당 에너지 밀도가 높아 배터리가 사용하는 공간을 줄일 수 있고, 경량화를 통해 전기차의 전비를 향상할 수 있다는 장점이 있어 차세대 음극재로 주목받지만, 음극 표면에 덴드라이트**가 발생해 배터리 성능과 안전성을 저해하는 요인이 되기도 하는데요. 전고체전지의 고체전해질은 강성이 높은 분리막 역할을 해 덴드라이트로 발생하는 셀 손상 문제를 방지해 주기에 전고체전지 음극 소재로 리튬메탈이 매우 적합합니다. 따라서 삼원계 양극-황화물계 고체전해질-리튬메탈 음극재가 상용화 가능성이 높은 전고체전지의 소재 구성이라고 할 수 있겠습니다.

*삼원계 양극재 : 양극재로 주로 쓰이는 리튬코발트산화물(LCO)을 기본으로 다른 원소가 더해져 총 세 가지 원소가 들어가는 양극재. 니켈-코발트-망간(NCM)과 니켈-코발트-알루미늄(NCA)으로 나뉜다.
**덴드라이트 (Dendrite) : 배터리 충·방전 시 음극 표면에 맺히는 리튬 결정

물론 기업들마다 조합하는 소재 구성이 다를 수 있습니다. 산화물계나 폴리머계 고체전해질을 준비하는 기업도 있으며, 일부 기업은 황화물계 고체전해질에 LCO 양극재(리튬코발트산화물)와 LTO 음극재(리튬티타늄산화물) 조합을 취하기도 하고, 어떤 기업은 무음극 (은-탄소 나노 복합층이 음극 역할) 방식으로 R&D를 하고 있기도 합니다.

선도 업체들은 이미 전고체전지 2027년 상용화 계획을 발표한 바 있으며, 주요 기업들도 늦어도 2030년까지는 양산하겠다는 계획입니다. 상업화 잠재력이 높다고 판단되는 황화물계 아지로다이트 고체전해질 조성 관련 원천 특허의 만료 시점이 2028년인 것도 상용화 시기에 영향을 줄 수 있을 것으로 예상됩니다.

독일 지겐대학교(University of Siegen)는 2008년 황화물계 원천 특허에 대한 PCT 특허출원을 한 바 있는데요. 이 특허가 후에 다른 기업에 이전되어 현재는 다른 기업이 권리를 보유하고 있습니다. 동 특허가 출원된 시점으로부터 20년 후인 2028년, 특허 만료 시기에 맞춰 많은 기업의 고체전해질 양산이 이루어질 가능성이 있습니다. 일부 기업들은 반고체전지(Semi Solid State Battery)를 준비하고 있기도 합니다. 반고체전지는 액체와 고체의 중간 형태인 젤(Gel) 타입의 전해질을 사용하는 것인데, 전해액과 고체전해질의 단점을 보완하고 장점은 살리기 위한 목적으로 개발 중입니다. 리튬이온전지의 기존 공정을 대부분 활용할 수 있기 때문에, 본격적인 전고체전지로의 전환에 앞서 징검다리 형태에 해당하는 기술이라고 볼 수도 있겠습니다.

낮은 이온 전도성, 높은 계면 저항 등 기술적으로 극복해야 할 이슈도 있지만, 또 다른 중요한 극복 과제로는 리튬이온전지와 유사한 수준의 양산성 및 가격 경쟁력을 확보하는 것입니다. 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)이 주 원료인 삼원계 전구체(Precursor)에 리튬이 혼합된 양극재를 사용하는 삼원계 배터리 셀의 경우, 현재 가격이 약 140달러/kWh인데요. NCM을 이루는 핵심 요소 중 가장 원가 비중이 높은 양극재가 30~50달러/kWh로 전체 가격의 약 30%를 차지합니다. 한편 전고체전지의 고체전해질 가격은 1000달러/kWh로, 다른 소재를 제외한 고체전해질 가격만으로도 현재 리튬이온전지 가격을 크게 상회하죠. 이는 고체전해질의 핵심인 황화리튬이 1,000달러/kg 이상으로 아직 비싸며, 고체전해질, 황화리튬 모두 랩(Lab), 파일럿(Pilot) 라인에서 제조되고 있어 생산량이 증가함에 따라 평균 가격이 감소하는 규모의 경제 효과가 일어나고 있지 않기 때문입니다. 전고체전지 1Gwh를 생산하기 위해서는 대략 황화물계 고체전해질 1000톤, 황화리튬 300톤이 필요할 것으로 추정되는데 랩, 파일럿 제조 라인으로는 생산량이 턱없이 부족하죠.

그러나 희망적인 것은 게르마늄 등 희토류가 투입되는 일부 전해질을 제외하면 일반적인 고체전해질의 원재료 가격은 10달러/kg 내외라는 것입니다. 즉, 공정을 개선해 생산량을 늘린다면 시장 가격은 30달러/kWh 수준까지 하락할 수도 있다고 예상되는데요. 현재 분리막과 전해액의 가격이 약 15달러/kWh임을 감안할때, 분리막과 전해액을 대체하는 고체전해질 가격이 30달러/kWh 이하로 하락한다면 전고체전지의 장점을 고려할 때 충분히 경쟁력 있는 가격이라고 볼 수 있겠습니다. 고체전해질과 황화리튬의 가격 절감이 기술적 이슈 극복과 함께 전고체전지 대중화의 중요한 전제 조건인 셈입니다.

포스코그룹은 전고체전지용 핵심 소재인 고체전해질 사업 경쟁력을 선점하고자 디스플레이 소재·부품 전문 기업인 ㈜정관에 지분 40%를 투자해 2022년 2월 포스코JK솔리드솔루션을 합작 설립하고, 연간 24톤의 황화물계 고체전해질을 양산할 수 있는 규모의 생산 공장을 준공했습니다. 현재는 생산량을 7200톤까지 획기적으로 늘리고자 단계적인 규모 확장을 준비하고 있으며 핵심 수요사를 대상으로 전고체전지 제품 테스트를 진행 중입니다. 해외에서는 2006년 대만에서 설립된 전고체전지 제조 기업인 프롤로지움에 지분을 투자한 후 공동연구 협약을 맺고 전고체전지 소재 공급망을 확장해 나가고 있습니다. 아울러 황화물계 고체전해질의 핵심 원료인 황화리튬(Li2S) 공급망도 확보하고자 사업 방안을 다방면으로 검토하고 있습니다.

포스코그룹은 전고체전지에서 고체전해질만큼이나 중요한 리튬메탈 음극재를 양산할 수 있는 경쟁력도 갖추고 있습니다. 아르헨티나에 순도가 높고 불순물이 적은 염호를 보유하고 있어 리튬을 음극재로 쓰기 위해 필요한 순도를 높이고 불순물을 제거하는 데 유리한데요. 이는 세계적인 수준의 리튬 정제 기술력이라고 평가받고 있습니다.

리튬메탈 제조 시 전기차용에 이차전지에 적합하면서도 경제성을 확보할 수 있도록 극박, 광폭 생산공정이 필요한데요. 압연, 도금 공정에서 쌓아온 포스코의 독자적인 기술력인 롤 투 롤(Roll to Roll) 공법을 적용하면 리튬음극의 두께를 얇게 만들고 폭을 넓히는 초극박화 과정을 무리 없이 소화할 수 있습니다. 이 공법을 리튬메탈 생산 공정에 적용해 차별화된 경쟁력을 확보해 나갈 계획입니다. 현재는 전착 방식의 리튬메탈 제품에 대한 샘플 제공과 테스트도 이어 가고 있습니다.

포스코그룹은 차세대 전지의 대표 격인 전고체전지 원료와 소재 분야에서 경쟁력을 확보하고자 그동안 쌓아온 포스코그룹만의 차별화된 기술력을 집약해 풀 라인업(Full Line-up) 구축에 나섰는데요. 앞으로도 포스코그룹은 변화하는 글로벌 시장 환경에 대응해 새로운 부가가치를 창출해 나가고자 노력할 것입니다.

포스코그룹 대표 사업 분야의 동향을 전문가가 직접 알기 쉽게 알려드립니다. 3편은 철강산업에서 순환경제를 실현하는 최신 트렌드 3R에 대한 이슈를 포스코경영연구원 이종민 수석연구원과 함께 짚어봅니다. 전 세계 철강산업에 지대한 영향을 미치고 있는 순환경제 3R 트렌드와 포스코의 에너지 절감 사례 등 다양한 이야기를 살펴봅니다.

최근 천연자원을 절약하고 환경에 미치는 영향이 적은 산업을 구현하고자 하는 사회적, 경제적 목소리가 커지고 있습니다. 이에 따라 철강산업도 혁신적이고 지속가능한 솔루션 개발로 철강제품 생산과정에서 생기는 부산물 회수율을 높이고 품질을 향상하고자 노력하고 있는데요.

3R 캠페인은 2008년 영국 웨일스에서 처음 나타난 환경운동입니다. 쓰레기를 줄이고(Reduce), 버릴 물건을 다시 사용하고(Reuse), 재활용 제품(Recycle)을 적극적으로 사용하자는 취지에서 Reduce, Reuse, Recycle 개념으로 출발했습니다. 이 개념이 산업 속으로 들어오면서 산업에서의 3R 기술은 새로운 개념인 Recover, Replace, Rot 등을 추가해 4R을 구분하기도 합니다.

예를 들어, 화학산업에서는 ‘Rot’ 개념을 적용해 플라스틱 제품이 잘 썩도록 만드는 기술을 개발함으로써 환경 피해를 최소화하기도 하고, ‘Replace’ 개념을 도입해 환경오염의 위험이 있거나 인체에 유해한 물질을 새로운 것으로 대체하는 기술을 개발하기도 합니다. 하지만 기존 3R과 명확한 구분이 어렵거나, 산업에 따라 적용하기 어려운 상황도 있죠.

최근 철강산업에서도 순환경제가 강조되면서 3R 트렌드의 바람이 거셉니다. 철강산업에서 사용하는 3R 기술은 ‘Reduce(감소)’, ‘Recover(회수)’, ‘Recycle(재활용)’ 종류로 구분할 수 있는데요. Reduce 기술은 철강제품 생산 과정에서 사용하는 에너지와 원료의 사용량을 감축하는 기술로, 효율적인 제품 설계, 생산공정의 최적화, 에너지 효율성 향상 기술 등입니다. Recover 기술은 생산과정에서 발생하는 부산물이나 폐기물을 회수해 재사용하거나 다른 용도로 사용하는 기술입니다. 마지막으로 Recycle 기술은 사용한 제품이나 원자재를 분해해 재사용하거나, 다른 용도로 활용하는 기술을 의미합니다.

철강산업은 에너지 소비가 많은 제조업이라 에너지 소비 축소에 중점을 두고 기술을 개발합니다. 특히 철강 제조 프로세스 중 에너지 사용 비중이 가장 높은 고로(Blast furnace) 공정을 중심으로 다양한 기술을 개발하고 있습니다. 대표적인 기술은 미국 DOE(에너지부 : Department of Energy) 등에서 주도하는 Hot Oxygen Injection 기술로 현재 Pilot 수준의 기술 진척을 보이고 있는데 고로에 고온 산소를 주입함으로써 기존 고로 대비 생산성을 15% 증가시키는 기술로, 단위 에너지 당 철강 생산량을 극대화하는 기술입니다. 고로의 배출가스를 다시 고로의 연소 가스를 미리 예열하는 데 사용해 연료비를 절감하는 Blast Furnace Heat Recuperation 기술과 화학⋅금속산업에서 광범위하게 사용되는 Plasma를 고로 공정에 이용해 Metal Loss를 최소화하는 기술인 Plasma Blast Furnace 기술도 에너지 절감 기술의 대표적 사례라고 할 수 있습니다.

스마트 팩토리 기술은 철강제품 제조 시 수율을 향상시켜 원자재, 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 스마트 팩토리를 구현해 불량률 저감, 의사 결정 시간 단축, 불필요한 재고나 설비장애발생 감축, 사고발생건수 감소, 이상대응시간 단축 등 다양한 효과를 기대할 수 있습니다.

포스코 제강공정은 용선의 온도, 성분, 원료가 달라도 조건에 맞춰 AI가 학습하도록 설계해 온도 적중률을 80%에서 90% 이상으로 높여 원료 사용량을 60% 정도 감축했습니다.

포스코 연주공정은 기존에 수많은 소재 중 대표 소재만 의무적으로 100% 표면 검사 후, 이상 발생 시 모든 소재 대상으로 검사를 확대해서 결함을 제거했는데요. 스마트 팩토리 도입 후 품질 이상에 대한 기준을 AI에 입력하고 결함이 있는 소재만 선별해서 원인을 분석하는 표면 품질 예측 모델을 적용해 연간 6억 원의 원가를 절감했습니다.

포스코 도금공정에서는 딥러닝으로 제품의 강종⋅두께⋅폭⋅조업조건과 목표 도금량을 스스로 학습해 정확하게 제어하도록 해서, 기존 도금 제어 적중률을 89%에서 99% 이상으로 끌어올렸습니다.

탄소저감을 목표로 신공정을 개발하고 있지만 수소환원기술 상용화까지는 상당한 시간이 걸릴 것으로 보입니다. 매몰비용 등을 따지면 기존 고로 설비를 계속 활용할 수밖에 없습니다.  따라서 현재 사용 중인 고로에 대한 에너지 절감 기술 개발이 활발하게 이뤄질 전망입니다. 스마트 팩토리 기술은 Al 기술 발전과 맞물려 철강사들이 경쟁적으로 도입하면서, 기술 경쟁이 가장 뜨겁게 이뤄질 분야가 될 것으로 보입니다.

철강산업 Recover 기술은 생산과정에서 발생하는 부산물이나 폐기물을 회수해 재사용하거나 다른 용도로 사용하는 기술입니다. 글로벌 철강산업은 이로 인해 전 세계적으로 97.3%의 효율성을 보여주고 있습니다.

세계적으로 철강 생산 시 생기는 철강제품, 부산물, 폐기물 비율은 각각 64.4%, 32.9%, 2.7% 수준입니다. 이 중 철강생산과정의 대표적 부산물인 슬래그(slag)는 시멘트, 비료 산업의 원료로 사용하거나 로드스톤 또는 아스팔트에 쓰입니다. 분진(dust) 등에서는 아연(Zinc)이나 철(Iron) 성분을 회수합니다.

슬래그
철강제품 생산 시 발생하는 부산물 중 가장 대표적인 것은 슬래그인데요. 매년 4억 톤 이상 만들어지며, 이 가운데 고로슬래그는 시멘트 또는 비료의 원료로 사용합니다. 철광석으로부터 철을 분리하고 남은 물질인 슬래그는 어디에서 발생했는지에 따라 고로슬래그와 제강슬래그로 구분할 수 있습니다. 고로슬래그는 고로에서 쇳물을 만들 때 생성된 암석 성분의 뜨거운 용융슬래그입니다. 이를 밀폐된 설비에 넣고 고압의 물을 분사해 급속 냉각하면 모래 형상의 수재슬래그가 되고, 야드에서 서서히 냉각하면 괴재슬래그가 되죠.

고로에서 생성된 수재슬래그를 시멘트의 주원료이자 천연자원인 석회석 대신 사용해 시멘트를 만듭니다. 석회석 대신 슬래그 사용 비율을 높이면 석회석 사용량을 45% 가량 절감할 수 있고, 시멘트가 물과 결합하면서 발생하는 수화열(水和熱)이 낮아 콘크리트 균열을 줄일 수 있으며 내구성과 강도도 높일 수 있습니다. 괴재 슬래그 와 제강슬래그는 토목용 골재로 사용해 석산(石山) 개발을 억제하고 골재 채취⋅가공 공정 등에 사용할 에너지를 절감하는 효과가 있습니다.

부생가스
코크스 오븐의 COG(Coke Oven Gas), 고로의 BFG(Blast Furnace Gas), 전로의 LDG(Linz-Donawitz converter Gas)와 같은 부생가스에는 메탄(CH4), 일산화탄소(CO) 등의 성분이 포함되어 있습니다. 이런 부생가스는 연료로 사용하기에 충분한 에너지를 보유하고 있기 때문에 재사용되는데요. 발전소에서는 가스 압축기로 부생가스를 압축해 가스터빈에서 1차 전력을 생산한 후, 배출되는 고온의 배기가스를 회수해 스팀터빈에서 2차 전력을 생산합니다. 부생가스는 99% 회수해 재이용하거나 발전시설에서 전력 생산에 사용하는 것이죠!

철강산업 부산물 회수 기술개발은 수십 년간 이어져오면서 주목할 만한 성과를 냈습니다. 시멘트, 비료 산업 등 타산업의 원료로 사용하면서 모범적인 공급사슬을 구축했고, 토목용 골재로 사용하는 괴재와 제강슬래그는 무리한 석산(石山) 개발을 줄여 환경 파괴를 최소화하는 효과를 냈습니다. Recover 기술은 철강산업의 지속가능성을 극대화한 분야로, 앞으로도 꾸준한 기술 고도화와 개발이 필요한 분야입니다.

Recycle 기술은 사용한 제품이나 원자재를 분해해 재사용하거나, 다른 용도로 사용하는 기술입니다. 현재 철강산업에서는 철스크랩에 관련한 다양한 Recycle 기술이 개발 중인데요. 철스크랩은 전기로 제강의 주요 원료로 사용되고 있으며, 고로 프로세스에서도 저HMR(Hot Metal Ratio) 조업으로 이산화탄소 배출을 줄이는 재활용 기술을 집중적으로 개발하고 있습니다.

순환성 원소 제거 기술
대표적인 철강산업 Recycle 기술로 철스크랩의 순환성 원소(tramp element) 제거 기술을 들 수 있습니다. 철스크랩에 포함된 구리(Cu)나 주석(Sn) 같은 순환성 원소는 쉽게 제거하거나 분리할 수 없는 한계가 있어, 이들 원소가 들어가면 고순도 철강제품 제품을 생산하기 어렵습니다. 따라서 전기로 공정에서 구리와 주석 등을 효과적으로 제거하는 기술에 초점을 맞춰 연구개발이 이뤄지는데요. 구리에 관해서는 저온 슈레더(shredder) 법, 알루미늄 용액 침적법, 아민 이온을 함유하는 암모니아 용액으로 구리를 분리하는 습식 기술 등을 개발 중입니다. 주석 제거에도 다양한 물리적, 화학적 방법을 적용한 기술을 시도하고 있습니다.

AI 활용 철스크랩 검수 시스템

인공지능을 활용한 철스크랩 검수 시스템도 개발 중입니다. 최근에는 철스크랩 재활용 효과를 높이는 Al 활용 화상 검수 자동화가 활발히 이뤄지고 있습니다. 철스크랩은 재활용하기 전 경량, 중량, 생철 등 다양한 등급으로 분류하고 불순물 함량 정도를 분석하는 과정을 거칩니다. 지금까지는 현장 작업자들이 육안에 의존해 작업했기 때문에 판별 오류, 안정성 이슈가 자주 제기됐는데요. Al를 활용한 화상 검수 자동화 시스템을 도입하면 데이터를 기반으로 철스크랩 등급 비율, 품질 등을 자동으로 분류하고 검수할 수 있어 판별 정확도도 높아지고 비용 절감도 가능해집니다. 2~3년 전부터 일본과 중국 등에서 경쟁적으로 기술을 개발하고 있으며, 한국에서는 아직 철스크랩 분류 시스템이 업계에 보편적으로 적용된 상태는 아니지만 개발 실증 단계에 돌입했습니다.

블록체인 기술
블록체인 기술 역시 아직 쉽게 찾아볼 수는 없지만, 앞으로 관련 철스크랩 산업의 추적성, 투명성과 인증 관련 문제를 해결할 대안 기술로 주목받고 있습니다. 블록체인을 활용하면 거래와 운송 현황이 기록되고 문서화되므로, 수집에서 처리에 이르기까지 각 단계에서 신뢰할 수 있는 기록이 남는다는 장점이 있습니다.

드론 활용 기술
드론을 활용하면 상공에서 실시간으로 현장을 관찰함으로써 철스크랩 야적장에서 일어나는 안전 문제를 사전에 해결하고 사고 위험을 최소화할 수 있습니다. 또, 드론에 카메라와 센서를 장착해 혁신적인 재고 관리도 가능합니다.

최근 들어 가장 기술개발이 활발한 분야는 스마트 팩토리 기술과 철스크랩 관련 분야입니다. Reduce 관점에서 스마트 팩토리 기술은 수율 향상과 에너지 소비 절감 등의 효용이 확실하고, 관련 기술의 발달로 적용 분야의 폭도 넓어지고 있습니다. 저탄소 시대에 특히 각광받는 분야인 철스크랩 산업은 수집, 분류 등에 Al 및 드론기술을 적용해 재활용률을 높이려는 노력과 투자가 매우 활발합니다.

포스코 역시 순환경제의 흐름 속에서 빠르게 변해가는 철강산업, 3R의 관점에서 밝은 미래를 그려가고 있습니다.

포스코그룹 대표 사업 분야의 동향을 전문가가 직접 알기 쉽게 알려드립니다. 2편은 ‘탄소중립’에 대한 이슈를 포스코경영연구원 주영근 수석연구원과 함께 짚어봅니다. 산업 전반에 지대한 영향을 미칠 전 세계 무역 관세 제도와 2024년 탄소중립 트렌드를 알아봅시다.

지구 온도가 1°C 오르면 가뭄이 지속돼 물 부족 인구가 5천만 명에 이르고 육상생물 10%가 멸종 위기에 직면합니다. 이 경우 사망자는 30만 명에 이르는데요. 3°C가 오르면 기근과 기후 이상으로 식량 생산이 어려워져 사망자가 1~3백만 명, 20~50% 생물이 멸종 위기에 처하게 됩니다. 우리나라의 경우, 연평균 기온은 1908년 10.4℃에서 2022년 13.2℃로 단순히 계산했을 때 2.8℃ 상승했습니다. 이러한 지구 온난화의 주범은 온실가스인데요. 우리나라 산업 분야별 탄소배출량 비중을 보면 에너지 분야 86.9%(5억 9,060만 톤), 산업공정 7.5%(5,100만 톤), 농업 3.1%(2,120만 톤), 폐기물 분야가 2.5%(1,680만 톤)로 산업 분야에서 이산화탄소 배출량이 압도적입니다. 때문에 산업 전반에서 탄소를 줄여야 기후변화에 대응할 수 있습니다.

CBAM은 국경을 통과해 EU로 수입된 제품의 탄소배출량을 기준으로 관세를 부과하는 제도를 말합니다. 이 제도는 EU가 환경규제를 강화할수록 권역 내 제조업체들이 규제 수준이 낮은 지역으로 생산시설을 이전하거나, 저탄소 제품 생산을 위한 투자로 EU 제품의 생산 원가가 상승해 자사 제품이 역외국 상품 대비 가격경쟁력이 낮아지는 ‘탄소 누출(Carbon Leakage)’ 현상을 해결하고자 도입됐는데요. CBAM은 철강, 시멘트, 알루미늄, 비료, 전력, 수소까지 총 6개 업종에 적용되며 EU 수입업자(신고자)가 수입품에 내재된 탄소배출량 1톤당 인증서 1개를 구매해 제출해야 합니다.

영국 역시 자국 내에서 생산한 제품과 다른 지역에서 수입한 제품 간의 탄소배출 비용 격차를 줄이기 위해 2027년부터 수입품에 배출 비용을 부담하는 제도를 계획 중입니다. 철강, 알루미늄, 비료, 수소, 세라믹, 유리, 시멘트 등이 대상 품목이며, 2024년 산업계와 추가 협의를 거칠 예정입니다. 호주 연방정부 역시 2027년부터 온실가스 배출 감축이 어려운 철강, 알루미늄, 시멘트를 대상으로 CBAM을 적용할 계획입니다.

미국의 청정경쟁법 역시 EU CBAM과 비슷한 성격의 무역 관세로 2025년부터 시행될 예정입니다. 청정경쟁법의 핵심은 철강, 정유, 석유화학, 유리, 제지 등 에너지 집약 산업군에 속하는 12개 수입품목에 대해 온실가스 배출 1톤CO₂당 55달러를 부과한다는 것입니다. 대상 품목은 전기전자제품, 자동차 등 완제품으로 확대될 예정이며, 부과 금액도 첫해 1톤CO₂당 55달러에서 매년 물가상승률을 반영해(매년 실질 5% 인상) 2030년 기준 90달러까지 상승할 것으로 추정됩니다.

단, 청정경쟁법은 CBAM과 달리 수입국의 배출집약도와 미국 산업 평균 배출집약도 차이를 고려해 가중치를 적용합니다. 자국 제조업의 탄소집약도*가 전 세계 평균의 50% 미만인데 중국은 3배, 인도는 약 4배가 높은 탄소집약도를 가진 제품을 생산하고 있어 시장경쟁 공정성을 위해 일부 국가에 높은 가중치를 부여할 가능성이 있습니다. 철강 산업의 탄소 관련 무역장벽은 현재 미국, 유럽 등 선진국에서 본격적으로 도입되고 있는데요. 유럽 및 미국을 대상으로 한 철강 수출 환경이 만만치 않을 것으로 예상합니다.
^*탄소집약도: 소비한 에너지에서 발생된 탄소의 양을 총 에너지 소비량으로 나눈 값을 말한다.

배출권거래제란 온실가스를 배출하는 사업장을 대상으로 정부가 연 단위로 배출권을 할당해 할당범위 내에서 온실가스를 배출하도록 하는 제도입니다. 우리나라는 대기오염을 예방하고 환경을 관리·보존하고자 제정된 대기환경보전법을 통해 2015년 배출권거래제를 처음 도입했는데요. 기업은 배출권거래제에 따라 사업장의 실질적 온실가스 배출량을 평가해 감축분 또는 초과분의 배출권을 타 사업장과 거래할 수 있습니다. 예를 들어 탄소저감 기술 등을 활용해 정부로부터 부여받은 배출량 이하로 탄소를 배출한 기업은 저감한 만큼의 배출권을 시장에 판매할 수 있습니다.

최근 정부와 한국거래소, 국내 증권사들이 협력해 국내 배출권 시세를 반영하는 상장지수증권(ETN, Exchange Traded Note)을 출시할 계획이라고 밝혔는데요. 향후에는 국내 탄소배출권 시세를 추종하는 상장지수펀드(ETF, Exchange Traded Fund)와 선물계약도 이뤄질 것으로 보입니다. 일반투자자들이 이를 통해 탄소배출권을 투자 자산으로 인식한다면 탄소배출권 시장이 활성화돼 탄소저감 사업이 더욱 활발해질 것으로 예상합니다.

항공기는 운송수단 중 탄소 배출량 1위를 차지합니다. 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)의 보고서에 따르면 항공기의 이산화탄소 배출량은 전체 배출량의 2%를 차지한다고 하는데요. 이에 국제민간항공기구(ICAO)는 항공 부문 온실가스 감축을 위해 2019년 세계 최초 항공업계 탄소규제인 CORSIA(Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation, 국제항공 탄소상쇄･감축제도)를 도입했습니다.

이 제도는 국제항공 온실가스 배출량을 2019년 수준으로 동결하는 것을 목표로 하는데요. 만약 항공사가 2019년 온실가스 배출량의 85% 이상을 배출할 경우 그에 상응하는 배출권을 구매해야 합니다. 2023년 1월 기준 우리나라를 포함한 115개 국가가 해당 규제에 참여하고 있는데요. 우리나라 항공사들은 매년 검증기관으로부터 국제선 운항의 온실가스 배출량을 검증 받고, 국토교통부에 배출량 보고서와 검증 보고서를 제출하고 있습니다.

탄소시장은 정부가 직접적 규제하는 규제 시장과(Compliance) 민간에서 운영하는 자발적 시장으로(Voluntary) 구분됩니다.

규제 시장은 정부가 탄소배출량에 대해 산업별 또는 기업별로 목표치를 설정하고, 목표치 아래로 배출한 기업에는 감축한 만큼의 탄소배출권을 할당해 시장에서 판매할 수 있도록 하고, 배출량 목표치를 초과한 기업은 타기업의 배출권을 구매하거나 징벌적 과세를 내는 제도를 말합니다. 규제 시장은 정부 및 인증된 3자가 탄소배출량에 관한 측정, 보고, 인증 등에 직접적으로 관여하는 형태인데요. 이때 국가 탄소크레딧 레지스트리*에 탄소배출권을 등록해 거래할 수 있습니다.
^*탄소크레딧 레지스트리: 탄소크레딧은 온실가스 배출 저감 또는 흡수 프로젝트로 생성된 배출 저감·흡수량을 가치화한 것으로, 탄소크레딧 레지스트리는 탄소크레딧을 보관해 거래할 수 있도록 관리하는, 은행의 통장과 비슷한 역할을 한다.

자발적인 시장은 민간 인증 기관에서 탄소배출권을 등록하고, 이를 거래하는 시장입니다. 민간 기관은 베라(Verra), 골드스탠다드(Gold Standard), ACR(American Carbon Registry), 퓨로어스(Puro.Earth) 등이 있는데요. 이러한 민간 기관은 각기 다른 탄소크레딧 레지스트리를 보유하고 있으며, 여기에 등록할 수 있는 감축 방안도 기관별로 차이가 있습니다. 기업들은 이러한 자발적 배출권 시장에 등록된 탄소크레딧을 구매하고, 이를 자사 감축실적에 포함하고 있는데요. 마이크로소프트는 매년 자발적 시장에서 구매한 감축크레딧을 ESG 리포터에 기재하고 있습니다.

탄소배출권 확보를 위한 비용, 신뢰성 이슈로 민간 주도 시장에는 한계가 있습니다. 예를 들어 상대적으로 저렴한 자발적 시장에서 탄소크레딧을 구매해 탄소를 저감한 카본 뉴트럴(Carbon Neural) LNG를 도입할 경우, 전력 생산 입찰경쟁에서 일반 LNG 대비 탄소배출권 가격만큼 높은 가격을 제시해야 하므로 가격 경쟁력에서 뒤처질 수밖에 없습니다.

마이크로소프트 등 일부 기업들은 태양광 등 탄소저감 사업을 통해 탄소배출권을 확보하거나, 외부에서 탄소배출권을 구매합니다. 이때 탄소배출권을 자발적 시장에서 구매하는 경우가 많은데 자발적 시장의 탄소배출권 검증체계에 대한 불안정성, 불확실성이 문제가 될 수 있습니다. 예를 들어 태양광 사업, 조림 사업으로 탄소배출권을 확보하려던 목표만큼 탄소배출권을 생산하지 못하거나, 검증 오류로 탄소배출권 목표를 달성하지 못하는 경우가 발생할 수 있죠.

때문에 기업들은 탄소저감을 위해 정부가 법률과 규정으로 운영하는 국가 주도 시장을 활용할 것으로 전망합니다. 하지만 비용 측면, 신속성 등을 고려했을 때 자발적 탄소배출권 시장이 보완해 주는 역할도 있기 때문에 당분간 두 시장이 공존하는 체제가 될 것입니다.

직접적인 탄소저감 방법으로 최근 CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage)* 중 CCS(Carbon Capture and Sequestration)가 각광받고 있습니다. CCS는 철강, 발전, 정유, 석유화학, 시멘트 등 이산화탄소를 직접 줄이기 어려운 산업에서 이산화탄소를 포집해 저장소에 격리하여 화석화하는 기술인데요. 블루소스(Blue Source), 엑손모빌(Exxon Mobil) 등 세계적인 IOC(International Oil Company)가 석유시추 효율성 향상을 위한 EOR(Enhanced Oil Recovery, 원유회수증진법)*로 탄소를 지하에 저장했습니다. 최근에는 노후 유전, 폐유가스전보다 저장소 확보 용이성, 저장 용량, 안정성 측면에서 장점이 있는 염대수층 저장방식***이 증가하는 추세입니다.
^*CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage): 연료연소 및 산업공정에서 배출된 이산화탄소를 포집해 저장 및 전환하여 활용하는 기술. CCUS는 이산화탄소를 포집해 저장소에 저장하는 CCS와 부가가치 있는 제품의 재료로 활용하는 CCU로 구분할 수 있다.
^**EOR(Enhanced Oil Recovery, 원유회수증진법): 이산화탄소를 유전에 주입해 석유의 생산량을 늘리는 기술.
^***염대수층 저장방식: 염분이 포함되어 수자원으로서의 가치가 없는 염대수층에 포집된 이산화탄소를 보내 저장시키는 기술

미국, 호주 등에서는 정책 지원 및 보조금 지급으로 CCS 활성화에 힘쓰고 있는데요. 인도네시아, 말레이시아 등에서도 CCS를 활성화하기 위한 정책적·재정적 지원의 기반을 마련하고 있습니다. 우리나라도 이산화탄소 포집·수송·저장 및 활용에 관한 법률을 통과시켜 CCS 산업 육성과 지원을 위한 법적 근거를 마련했습니다. 우리나라, 일본 같은 이산화탄소 다배출 산업이 많은 국가가 미국, 호주, 인도네시아, 말레이시아, 중동 등 저장광구가 많은 국가와 긴밀하게 협의한다면 글로벌 CCS사업을 더욱 활성화할 수 있을 것으로 기대합니다.

최근 가장 주목받고 있는 이차전지소재 핵심광물은 ‘리튬’과 ‘코발트’입니다. 리튬은 이차전지 제조에 반드시 필요한 핵심광물로 배터리의 에너지 밀도를 결정짓는 역할을 합니다. 배터리 출력을 높이는 역할을 하는 코발트는 고용량 이차전지에 없어서는 안 될 필수 요소로, 생산지역이 콩고민주공화국(D.R.콩고)을 비롯한 아프리카에 집중되어 있습니다. 특히 코발트는 이차전지소재 핵심광물 중 톤 당 가격이 가장 비쌉니다.

이에 따라 최근에는 코발트를 대체하기 위한 연구들이 증가하고 있는데요. 중국 업체들이 주도하고 있는 리튬인산철(LFP) 배터리가 대표적입니다. 리튬인산철 배터리는 코발트를 사용하지 않아 주행 거리가 짧은 대신 가격이 낮다는 장점을 가지고 있습니다. 이 외에도 코발트 가격의 30분의 1 수준인 망간을 활용한 배터리 개발도 활발하게 진행되고 있습니다.

한편 이차전지와 함께 재생에너지, 수소 기술과 관련한 핵심광물의 확보도 탄소저감을 위한 에너지 전환에는 매우 중요합니다. 한국지질자원연구원은 2022년 탄소저감 실현과 에너지 전환 대비를 위한 6대 핵심광물로 리튬, 니켈, 코발트, 흑연, 희토류, 백금족을 지정했습니다.

특히 백금족은 자동차, 화학, 전기·전자 산업 외에도 연료전지 및 전해조 방식의 수소 생산에서 필수적으로 사용되는 핵심 금속입니다. 세계적으로 수소경제가 탄소저감의 한 축으로 확대 추진되면서 향후 연료전지용 백금족 금속에 대한 수요도 늘어날 것으로 전망됩니다.

이 밖에 풍력 터빈의 영구자석에 필요한 희토류는 2040년까지 3배 이상 증가할 것으로 예상됩니다. 희토류 영구자석은 풍력 등 재생에너지뿐만 아니라 스마트폰, 전기차, 수소차, 플라잉카, 드론택시 등 미래 모빌리티 기술에도 필수적인 원자재입니다.

포스코그룹은 국내에서 유일하게 양극재와 음극재를 동시에 생산하고 있습니다. 양극재는 니켈, 코발트, 리튬, 망간 등으로 구성되고, 음극재는 흑연이 필수 원료입니다. 현재 포스코그룹은 양극재를 구성하는 핵심광물의 80% 이상, 음극재의 경우 90% 이상을 중국에서 공급받고 있습니다.

그러나 최근 미-중 갈등 격화로 중국산 핵심광물에 대한 미국, 유럽 등의 제재가 강화되고 있어 공급망 다변화의 필요성이 높아졌습니다. 이에 포스코그룹은 아르헨티나, 호주, 인도네시아, 아프리카 등으로 공급망 다변화를 시도하고 있습니다. 구체적으로 아르헨티나와 호주에서는 리튬을, 인도네시아에서는 니켈, 아프리카에서는 흑연을 확보해 소재화할 예정입니다.

아프리카는 전 세계 1/3의 광물을 보유하고 있는 풍부한 광물 지역입니다. 특히 핵심광물 중 코발트는 전 세계 생산량의 70% 이상, 백금족의 경우에는 80% 이상이 아프리카에서 생산됩니다.

최근에는 짐바브웨와 나미비아, 모로코 등에서 리튬 개발도 활발히 이루어지고 있습니다. 이에 따라 기존에 남미와 호주 중심으로 이루어지던 리튬 개발이 아프리카에서도 활기를 띠고 있습니다. 이 밖에도 모잠비크에서는 연간 20만 톤 이상의 천연흑연을 생산하고 있고, 천연흑연 매장이 풍부한 탄자니아와 마다가스카르에서도 개발 프로젝트들이 진행되고 있습니다.

중국은 일찍부터 아프리카 핵심광물 확보에 나섰습니다. 그 결과 아프리카 코발트의 약 70%를 중국 기업들이 확보했으며, 최근에는 리튬 확보를 위해 짐바브웨, 나미비아 등에 대규모 투자를 하고 있습니다.

한편 유럽과 미국은 중국의 아프리카 핵심광물 독점을 막기 위해 아프리카 광물부국들에 자금 및 기술 등을 지원하며 협력을 강화하고 있습니다. 특히 미국은 2022년에 「핵심광물 안보 파트너십(MSP)」을 만들어 유럽과 일본, 한국 등과 협력을 추진하고 있습니다.

한국 기업들의 아프리카 핵심광물 계약은 아직 미미한 실정입니다. 가장 큰 규모의 투자가 진행되고 있는 곳은 마다가스카르의 암바토비 니켈 광산 및 제련 부문으로 이 프로젝트에는 한국광물자원공사와 포스코인터내셔널 등이 참여하고 있습니다. 이 밖에 포스코그룹이 탄자니아와 마다가스카르에 천연흑연 확보를 위한 지분을 투자했으며, LG화학도 모로코에서 중국의 화유그룹과 리튬 양산을 위한 공장 설립에 나섰습니다.

포스코그룹은 천연흑연 확보를 위해 포스코인터내셔널이 마다가스카르, 탄자니아와 ‘흑연 공급망 구축 업무 협약’ 체결했고, 포스코홀딩스는 탄자니아 흑연 광산을 보유 중인 블랙록마이닝의 지분 15%를 인수했습니다.

앞에서도 언급했듯이 포스코그룹의 이차전지소재 핵심광물 수입은 중국 비중이 높습니다. 지금까지는 중국으로부터 안정적으로 공급받아 양극재와 음극재를 생산하고 있지만 미중 갈등의 고조, 중국의 핵심광물 수출 통제 등에 따른 공급망의 리스크 대비가 필요합니다. 따라서 포스코그룹은 이차전지소재 관련 안정적인 공급망 확보를 위해 광물이 풍부한 국가에서 글로벌 기업들과 협력을 통해 핵심광물을 확보하고자 합니다. 아프리카에서의 천연흑연 확보도 그 일환이라고 할 수 있습니다.

포스코그룹은 1996년 크롬 확보를 위해 남아프리카공화국 현지 업체와 생산 합작 법인을 만들어 진출한 경험이 있고, 2006년에는 포스코인터내셔널이 마다가스카르 암바토비 니켈 광산에 투자를 했습니다. 그러나 이후에는 아프리카 광물 투자가 주춤해졌고, 최근에야 이차전지소재 핵심광물 확보가 중요해지면서 탄자니아와 마다가스카르에 천연흑연 확보를 위한 지분 투자를 시작했습니다.

다만 현재도 흑연 이외의 핵심광물에 대한 투자는 본격적으로 이루어지지 않고 있습니다. 이는 아프리카의 높은 정치적 리스크와 열악한 인프라 등으로 초기 자본투자 비용이 크기 때문입니다. 그러나 과도한 중국 의존에서 벗어나기 위해서는 한국 정부의 지원과 미국의 핵심광물 안보 파트너십 등을 바탕으로 유럽, 일본 기업 등 글로벌 기업과의 협력을 통해 향후 아프리카 핵심광물 투자는 반드시 필요한 부분으로 여겨집니다.