최근 전 세계가 기후 변화 대응에 나서면서 ‘탈(脫)탄소 전환’이 산업 전반의 가장 중요한 과제로 떠오르고 있습니다. 이에 따라 생산 과정에서 탄소 배출이 불가피한 철강 산업의 패러다임도 빠르게 변화하고 있는데요. 그렇다면 세계 각국은 어떤 방식으로 탄소 감축 전략을 추진하고 있을까요? 고려대학교 신소재공학부 이준호 교수와 함께 글로벌 탄소 감축 전략 현황과 우리나라의 탈탄소 추진 과제를 살펴보겠습니다.

“If you don’t have steel, you don’t have a country.” (철강이 없으면 나라도 없다)

지난 3월, 미국 의회 합동 연설에서 트럼프 대통령이 한 말입니다. 최근 미국은 철강에 추가 관세를 부과하면서 자국 철강 산업 보호에 나서고 있는데요. AI가 각광받는 요즘 같은 시대에 미국이 철강에 이토록 신경 쓰는 이유는, 바로 철강이 국가 안보의 핵심이자 건설·조선·자동차·에너지·기계 등 모든 제조업의 근간이 되는 소재이기 때문입니다.

혹시 ‘러스트 벨트(Rust Belt)’라고 들어보셨나요? 한때 제조업으로 잘 나갔던 미국 오대호 연안 지역이 산업 쇠퇴로 심각한 경기 침체를 겪고 몰락해 붙은 이름인데요. 철강 공급이 끊기면 산업 생태계는 물론 일자리까지 얼마나 큰 영향을 받는지 잘 보여주는 이 사례로, 철의 가치가 국가 경쟁력과 직결된 문제라는 걸 잘 알 수 있습니다.

철은 한 국가의 기간 산업인 만큼 전 세계 철강 생산량은 2024년 기준 무려 18억 8000만 톤이나 됩니다. 그만큼 생산 과정에서 나오는 온실가스도 만만치 않겠죠? 온실가스는 지구 온난화나 집중호우 같은 기후 재난의 주된 원인이어서 세계 각국은 탄소 배출을 줄이기 위해 힘을 쏟고 있는 실정이에요. EU는 2026년 1월부터 ‘탄소국경조정제도(CBAM)’*을 시행한다고 밝혔고, 이외에도 정부와 기업이 함께 탄소 배출을 줄이기 위한 다양한 전략을 내놓고 있습니다.

가끔 철강의 대체재로 알루미늄이나 마그네슘 같은 금속을 언급하기도 하는데요. 사실 다른 금속이 철을 따라잡기는 어렵습니다. 철강 1톤을 만들 때 발생하는 온실가스가 약 2톤이라면, 알루미늄은 1톤 당 14~16톤의 온실가스가 발생하거든요. 게다가 철은 인장 강도**를 용도에 맞게 다양하게 조절할 수 있어 품질 면에서도 훨씬 뛰어나죠. 결국 철을 대체할 만한 금속을 찾기는 현실적으로 어려운 셈입니다.

*탄소국경조정제도(CBAM, Carbon Border Adjustment Mechanism) : 유럽연합(EU)이 탄소 유출 문제를 해결하기 위해 도입한 제도로, EU로 수입되는 특정 제품의 제조 과정에서 발생한 탄소 배출량에 따라 세금을 부과하는 정책.

**인장 강도 : 물체가 잡아당기는 힘에 견딜 수 있는 최대한의 응력.

그렇다면 세계 각국은 어떤 탈탄소 전략을 세우고 있을까요? 대부분의 국가는 제선 공정에서 기존에 석탄을 사용해 철광석 산소를 제거하던 환원제와 원료탄을 석탄 대신 수소로 바꾸는 기술 개발에 한창인데요. 이 기술을 수소환원제철(Hydrogen-based Direct Reduced Iron) 기술이라고 합니다. 기술이 상용화되면 온실가스 배출을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있죠.

먼저 CBAM을 전면 시행하며 탄소 감축 의지를 강하게 내비친 EU를 한번 살펴볼까요? EU는 가장 발 빠르게 수소환원제철로의 전환을 진행하고 있습니다. 2021년 클린 스틸 파트너십*을 결성하고, 2030년까지 대형 데모 플랜트 개발을 목표로 연구개발비 26억 유로를 지원하고 있습니다.

스웨덴의 철강기업 SSAB AB는 ‘하이브리트(HYBRIT)’라는 수소환원제철 기술로 파일럿 플랜트 실증을 성공적으로 마쳐 큰 주목을 받았고요. 또 다른 스웨덴 기업 스테크라(Stegra)는 연간 200만 톤 규모 설비를 건설 중이며, 이외에도 유럽 각국의 철강사들이 2026~2030년을 목표로 연간 200만 톤 내외 규모의 수소환원제철 설비를 구축·개발하고 있어요. 다만, 글로벌 조강 생산량 2위 철강사인 아르셀로미탈(ArcelorMittal)은 수소 인프라 부족과 정책 불확실성 때문에 투자를 잠정 보류한 상태입니다.

*클린 스틸 파트너십(CSP, Clean Steel Partnership) : 유럽연합(EU)에서 추진하는 철강 산업의 탄소 배출 저감 및 공정 혁신을 위한 공동 연구·혁신 프로그램.

일본은 에너지 환경분야와 산업기술을 담당하는 독립행정법인 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)와 철강 연맹을 중심으로 수소 DRI(Direct Reduced Iron) 프로세스, 대형 전기로, CCUS* 기술 개발 등 다양한 탈탄소 프로젝트를 적극 추진하고 있는데요. 이런 행보 뒤에는 정부 차원의 투자 지원이 깔려 있습니다.

일본 정부는 탈탄소 전환을 위해 설비 투자에 5조 엔, 연구개발비에 5000억 엔이라는 막대한 자원을 투입했습니다. 또한 2000년부터 시행된 ‘그린 구매법’을 통해 수소환원제철로 생산된 탄소 저감 철강이 시장에 나오면 정부가 먼저 구매함으로써 초기 시장을 형성하는 구조를 마련하기도 했죠. 기업과 정부가 함께 소매를 걷어붙이고 탈탄소 전환을 향해 나아가는 협동 전략이라고 볼 수 있어요.

*CCUS(Carbon Capture, Utillzation and Storage) : ‘탄소 포집, 활용 및 저장’의 약자로, 이산화탄소를 포집해 산업적으로 활용하거나 땅속에 저장하는 기술.

철강 산업은 전 세계 온실가스 배출량의 약 8%를 차지합니다. 세계적으로도 철강 산업이 발달한 한국은 국내 온실가스 배출량 중 철강 산업 비중이 약 17%로, 상대적으로 높은 편인데요. 현재 정부는 수소와 철광석을 반응시켜 탄소 대신 물을 배출하는 제철 공법인 수소환원제철 기술을 국가 전략기술로 지정하고, 철강 산업의 탈탄소 전환을 추진하고 있습니다. 포스코는 정부와 협력해 2030년까지 수소환원제철 기술 상용화를 목표로, 핵심 기술인 HyREX(하이렉스) 개발에 박차를 가하고 있습니다. HyREX는 포스코가 20년간 독자 개발한 파이넥스(FINEX) 공정의 유동환원 기술을 기반으로 한 한국형 수소환원제철 기술인데요. 이 유동환원로 방식은 스웨덴을 비롯한 유럽 철강사들이 주로 사용하는 샤프트환원로 방식과는 뚜렷한 차이가 있습니다.

샤프트환원로 방식에서는 철광석을 일정한 크기의 구형으로 가공한 고순도 펠렛이 필요한데요. 문제는 이 원료가 전 세계 철광석 물동량의 약 4%에 불과하다는 겁니다. 결국 샤프트환원로 방식은 전 세계에서 일반적으로 사용하는 고로 소결용 분광(철광석 미분을 소결해 고로 투입용 소결광으로 만드는 원료)을 그대로 사용할 수 없다는 단점이 있죠. 반면 유동환원로 기술은 별도의 가공 없이 광산에서 채굴한 가루 상태의 일반 분광을 바로 사용할 수 있어 경제성과 활용성 면에서 우수합니다.

▲2024 기후산업국제박람회에 모형으로 전시된 포스코 수소환원제철기술 HyREX 공정.

우리나라만의 탈탄소 전략 경쟁력, 이게 다가 아닙니다. 파이넥스 공정에서는 환원 과정에 필요한 가스를 사용해 왔는데요. 그동안 가스에 약 25% 정도의 수소가 포함된 상태로 환원을 진행해 왔기 때문에 이미 수소환원 경험에 익숙하죠. 이 경험은 앞으로 완전한 수소환원제철로 전환하는 데 중요한 기술적 발판이 될 전망입니다. 결국 한국이 출발은 늦었지만, 기술을 빠르게 완성하기만 한다면 글로벌 탈탄소 전략에서 주도권을 확보하고 선도할 수 있을 것으로 기대됩니다.

물론 탈탄소 전환은 전 세계적으로 중요한 과제인 만큼 기술 혁신만이 아닌 국가 차원의 적극적인 지원도 함께 뒷받침돼야 한다는 의견이 나오고 있어요. 이런 기대에 맞춰 최근 국회는 철강산업 경쟁력 강화 및 녹색철강기술 전환을 위한 특별법안, ‘K스틸법’을 발의했죠. 거기다 지난 6월에는 한국형 수소환원제철 실증 기술 개발 사업이 총 사업비 8146억 원(국비 3088억 원) 규모로 예비타당성 조사를 통과해 내년부터는 한국형 수소환원제철 기술 개발에 한층 속도가 붙을 전망입니다.

인류 문명의 필수 소재이자 국가 경쟁력을 좌우하는 철! 이 중요한 소재를 탄소 배출 영향을 최소화해 생산할 날이 멀지 않았는데요. 포스코그룹은 앞으로 한국형 수소환원제철 기술 상용화를 위해 더욱 힘차게 나아갈 예정입니다. 철강 산업의 지속가능한 미래를 향한 여정을 기대해주세요!

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기후위기 대응을 위한 글로벌 환경규제가 강화되고 있는 가운데, 철강산업의 탈탄소 전환은 지속가능한 미래 사회를 위한 중요한 과제로 떠오르고 있습니다. 포스코그룹은 수소환원제철(HyREX) 기술, 탄소감축 브릿지 기술, 청정에너지 전환 등 차별화된 탈탄소 전략을 바탕으로 철강산업의 새로운 패러다임을 선도하고 있습니다. 이번 특집에서는 철강산업의 탈탄소 혁신을 이끌 포스코그룹의 ‘2050 탈탄소 로드맵’과 단계별 기술 적용 전략을 자세히 살펴봅니다.

포스코그룹은 그룹 내에서 가장 많은 온실가스를 배출하는 철강 사업 부문의 탈탄소 전환을 위해, 중장기 종합 전략을 담은 ‘2050 탈탄소 로드맵’을 수립했습니다. 이 로드맵에는 원료, 투자, 에너지, 기술 개발 등 다양한 분야의 중장기 전략이 포함되어 있으며, 포스코그룹은 매년 모니터링과 전략 갱신을 통해 탈탄소 전환을 위한 노력을 지속적으로 이어가고 있습니다.

▲기술 개발, 설비 투자, 원료 구매, 에너지 조달 등 중장기 종합 전략이 포함된 포스코 ‘2050 탈탄소 로드맵’. [2024 포스코홀딩스 지속가능경영보고서 中]

이러한 중장기 전략을 바탕으로, 포스코그룹은 2017~2019년 3년간 평균 배출량인 7880만 톤을 기준으로 2050년까지 탈탄소 전환을 이루어내겠다는 목표를 세웠습니다. 2030년과 2035년의 감축 목표는 국가 온실가스 감축 목표(NDC)*와 연계해 재점검 중입니다. 포스코그룹은 탈탄소 전환을 그룹의 미래 성장 동력을 강화하는 전략적 기회로 인식하고 기술 개발, 설비 투자, 에너지 조달 등 전 과정에서 체계적인 탈탄소 전략 이행을 이어 나갈 계획인데요. 포스코그룹이 추진하는 철강산업의 핵심 탈탄소 기술과 그 실행 전략을 지금부터 자세히 짚어봅니다.

*국가온실가스감축목표(Nationally Determined Contribution·NDC) : 각 회원국이 온실가스 배출에 대한 책임과 역량을 고려해 자발적으로 얼마만큼의 온실가스 배출을 줄일 것인지를 유엔기후변화협약에 공식적으로 제출하는 계획.

철강 제품 생산 시 이산화탄소가 배출되는 주된 이유는, 철광석에서 산소를 떼어내 철로 환원하는 과정에서 석탄이나 천연가스 같은 화석연료가 사용되기 때문입니다. 이 과정에서 많은 이산화탄소가 발생하게 되는데요. 이산화탄소 배출을 근본적으로 줄이기 위해서는, 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 환원제가 필요합니다. 이러한 상황에서 고로와 전로 등 기존 설비를 최대한 활용하면서도 탄소를 저감한 철강제품을 생산할 수 있는 ‘브릿지(Bridge)’ 기술이 점점 더 주목받고 있습니다.  포스코그룹은 수소환원제철 전환기 동안 탄소 배출을 줄이기 위해, 탄소저감형 연원료 활용, 대형 전기로 도입, CCUS 실증 등 다양한 브릿지 기술을 병행하고 있습니다. 또한 데이터와 AI 기반의 인텔리전트 팩토리로 에너지 효율성을 높이고 안전한 생산 현장을 만들고 있습니다.

① 고로 기반 탄소감축 기술

흔히 용광로라 불리는 고로는 철강 생산의 중심에 있는 핵심 설비입니다. 석탄(코크스)과 철광석(소결광)을 고로 상부에서 넣어 겹겹이 쌓은 뒤, 고로 하부에 뜨거운 바람을 불어넣어 녹여서 쇳물(용선)을 만들어 내는 설비입니다. 고로에서 발생하는 탄소 배출을 줄이려면 근본적으로 원료와 환원 공정을 개선하는 방법이 있습니다. 포스코그룹은 펠렛(Pellet), HBI(Hot Briquetted Iron), 함수소가스, 세 가지 주요 방식을 통해 고로 기반 탄소감축 기술 개발을 추진하고 있습니다.

펠렛(Pellet)은 기존에 원료탄으로 사용하던 소결광 대신, 철광석을 파쇄·선별해 일정한 크기의 구형으로 가공해 고로에 투입하는 방법입니다. 원료를 소결광에서 펠렛으로 변경하는 것만으로도 소결광 생산에 사용되는 화석연료를 줄일 수 있어, 이산화탄소 배출 원단위를 낮추는 효과가 있습니다. 또한 펠렛은 소결광보다 높은 온도에서 잘 녹고 환원성이 좋아서 석탄 사용량도 줄일 수 있습니다.

HBI(Hot Briquetted Iron)는 철광석에서 산소를 제거해 환원한 직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)을 조개탄 모양으로 성형해 고로에 투입하는 방법입니다. 이 방식을 활용하면 환원에 필요한 석탄의 사용량을 크게 줄일 수 있죠. 쇳물 1톤을 생산할 때 HBI를 100kg 사용한다고 가정하면, 이산화탄소를 약 100kg 정도 줄일 수 있습니다.

함수소가스 방식은 석탄 대신 저탄소 연료인 천연가스(NG)를 환원제로 사용하는 방법입니다. 천연가스의 주성분인 메탄은 개질 과정*을 거치면서 일산화탄소와 수소로 분해되는데요. 이 과정에서 수소를 포함한 함수소가스가 생성됩니다. 이렇게 만들어진 함수소가스를 고로 하부 풍구에 불어넣어 환원제로 활용하면, 석탄 사용량을 상대적으로 줄일 수 있습니다. 포스코는 2023년 상반기에 고로 천연가스 취입 설비를 신설해 탄소저감 효과를 확인했으며, 산학연 29개 기관과 국책과제 ‘COOLSTAR**’를 공동 추진 중입니다. 해당 설비를 기반으로 고로 수소 취입 기술을 개발 중이며, 이를 브릿지 기술로 패키지화해 탄소감축 특화 고로 모델을 정립할 예정입니다.

*개질(改質) 과정 : 메탄 등 탄화수소를 수소와 일산화탄소로 바꾸는 화학적 처리 과정.
**COOLSTAR : CO2 Low emission technology of Steelmaking And hydrogen Reduction, CO2 저감 Hybrid 제철기술개발 산업부 국책과제.

② 전로 기반 저 HMR 조업 기술

전로는 고로에서 생산한 쇳물인 ‘용선’에 산소를 불어 넣어 불순물을 제거하고, 원하는 온도와 성분으로 정제된 ‘용강’을 생산하는 설비입니다. 용강 1톤을 생산할 때 발생하는 이산화탄소의 약 80% 이상이 용선 생산 과정에서 발생하기 때문에, 탄소감축을 위해서는 전로에 사용되는 용선 사용량을 줄이는 것이 매우 중요한데요. 포스코그룹은 용선의 투입 비율을 낮추는 ‘저 HMR(低 Hot Metal Ratio) 조업 기술’을 개발하고 있습니다. 저 HMR 조업 기술의 대표적인 두 가지 기술을 살펴보겠습니다.

전기로 용해 스크랩 장입 기술은 고로에서 생산된 용선과 전기로에서 생산된 용강을 혼합해 전로의 용선 사용량을 줄이는 기술입니다. 전기로는 이미 사용하고 난 철 스크랩을 재활용해 용강을 만들기 때문에 고로 대비 탄소 배출량이 적습니다. 따라서 전기로에서 용해 스크랩 장입 기술을 활용해 연간 250만 톤의 쇳물을 생산할 경우, 기존 고로 대비 최대 350만 톤의 탄소감축 효과가 기대됩니다. 하지만 스크랩의 잔류 원소 함량으로 인해 고급 제품 생산에는 한계가 있는데요. 이 때문에 고급 자동차 강판이나 선박용 후판 등 고급강은 주로 고로에서 생산한 용선을 전로에서 정제해 만듭니다. 이에 포스코그룹은, 고로 용선과 전기로 쇳물을 혼합하는 방식으로 탄소감축과 고급강 생산을 동시에 실현할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다.

상저취전로 기술은 전로의 철 스크랩 투입량을 늘리기 위해 전로 상·하부에서 산소를 주입해 추가 열원을 확보하는 기술입니다. 전로는 외부에서 열이 공급되지 않고, 용선 내 불순물의 산화반응에서 발생하는 열로 용강을 생산합니다. 따라서 용선 투입을 줄이고 철 스크랩 비율을 높이면 용선 온도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있습니다. 상저취전로 기술은 기존의 상부 산소 주입에 더해 하부에도 산소를 취입함으로써, 2차 연소와 열 전달 효율을 극대화하여 이러한 한계를 보완하는 기술로 주목받고 있습니다.

이처럼 포스코그룹은 기존 전로 설비를 활용해 스크랩 사용량을 높이는 기술을 개발했습니다. 스크랩 브랜드를 최적화하고 전로를 두 차례 경유하는 방식으로 스크랩을 2회 장입하여 스크랩 사용 비율을 30% 이상으로 확대했습니다. 또한, 포스코그룹 고유의 파이넥스(FINEX) 용선을 활용한 저 HMR 조업 기술 개발 시에는 전로 내 용선 투입 비율(HMR)을 70% 이하로 낮춰, 제선 공정의 온실가스 배출을 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 기대합니다. 이를 통해 탄소감축 설비 전환 이전까지 고객사의 탄소저감 제품 수요에 단기적으로 대응할 계획입니다.

EU CBAM · 고객의 탄소감축 요구에 대응하는 전기로 생산 체제 구축

유럽연합(EU)은 글로벌 탄소 감축을 촉진하고 역내 기업의 경쟁력 저하 및 탄소 누출을 방지하기 위해, 2026년부터 탄소국경조정제도(CBAM, Carbon Border Adjustment Mechanism)를 전면 시행할 예정입니다. CBAM은 유럽연합(EU)역내로 수입되는 제품의 생산 과정에서 발생한 탄소 배출량에 따라 추가 비용(탄소세)을 부과하는 제도입니다. 이러한 국제적 환경 변화와 고객의 탄소 감축 요구가 강화됨에 따라, 포스코그룹은 2022년 8월 CBAM 대응 전담팀을 신설하고, 포스코 유럽 사무소 및 포스코인터내셔널과 협력하여 CBAM에 적극적으로 대응하고 있습니다.

▲포스코는 탄소저감 생산체제로의 전환을 위해 지난해 2월 약 6000억 원을 투입해 광양제철소 내 연산 250만톤 규모의 대형 전기로 공장을 착공했으며, 오는 2026년 본격 가동에 나설 예정이다. 사진은 광양제철소 전경.

이와 더불어, 탄소감축 생산 체제 구축을 위해 기존 고로 방식 대비 최대 75%까지 탄소 발생량을 줄일 수 있는 전기로 공장을 2024년 2월 광양제철소에 연산 250만 톤 규모로 착공했습니다. 2026년 가동을 목표로 하고 있는데요. 용해 스크랩 장입 기술을 적용하면 기존 전기로 방식으로는 불가능했던 고급강 생산도 가능해질 것으로 전망됩니다. 이를 통해 적극적인 CBAM 대응은 물론, 탄소저감 강재를 안정적으로 공급할 수 있을 것으로 기대됩니다. 전기로에서 생산된 용탕*은 정련 공정에 바로 사용되어 자동차와 전기 강판 생산에 활용될 예정입니다. 포스코는 주원료인 스크랩의 선별, 분류와 2차 정련에서의 성분 정밀 제어 등 핵심 기술을 개발해, 2030년까지 자동차 강판과 전기 강판을 양산하는 것이 목표입니다.

*용탕 : 금속이 고온에서 녹아 액체 상태가 된 것으로, 전기로에서 철스크랩이나 직접환원철을 녹여 생산한 액체 철을 의미.

▲포스코그룹의 CCUS(탄소 포집·활용·저장) 기술 과정을 나타낸 전시 모형.

포스코와 포스코홀딩스 미래기술연구원은 제철소에서 발생하는 이산화탄소를 포집·재자원화해 탄소 배출을 줄이는 다양한 CCUS* 기술을 개발하고 있습니다. 현재 CCUS 기술은 여러 방식으로 실증되고 있는데요. 그 중 대표적인 세 가지 적용 방법을 소개합니다.

*CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage) : 대규모로 배출되는 이산화탄소를 포집하여 산업적 용도로 직접 이용하거나, 고부가가치 제품으로 전환·활용하거나, 영구 또는 반영구적으로 격리시키는 기술.

코크스 오븐 활용 이산화탄소 취입 전환 기술

첫 번째는 철강 공정에서 발생한 이산화탄소를 분리·포집해 코크스 오븐에 취입하고, 이를 부생가스 발전의 열원으로 활용하는 방안입니다. 포스코는 2021년부터 RIST(포항산업과학연구원)와 함께 이산화탄소 포집·전환 기술 실증을 위한 민관 합동 국가연구개발 사업을 추진해 왔는데요. 2024년 1월 포항제철소에서 실증 테스트를 한 결과, 고순도 정제 에너지가 불필요하며, 중순도 이산화탄소만으로도 코크스 오븐 취입이 가능하다는 점이 확인됐습니다.

▲포스코 기술연구원은 2021년부터 이산화탄소 배출을 줄이고 에너지원인 COG를 추가 생산하며, COG를 정제하는 CCU 실증설비 과제 추진을 통해 COG 정제 기술력을 확보했다. 사진은 ‘증량 COG 처리 실증설비’ 모습.

또한, 코크스 오븐에서 배출되는 부생가스(COG, Cokes Oven Gas) 열량이 증가하는 효과도 얻을 수 있었습니다. COG는 연료가스, 부생수소 생산 원료, 고부가 화학제품 생산 원료 등으로 활용되는 에너지원으로, 열량이 높을수록 활용도가 더욱 높습니다. 이러한 성과를 인정받아, 코크스 오븐 활용 이산화탄소 취입 전환 기술은 2024년 산업통상자원부 ‘R&D 대표 기술 10선’에 선정되어 장관상을 받았습니다.

광물 탄산화 기술 개발

두 번째는 광물 탄산화 기술을 적용하는 방안입니다. 포스코홀딩스 미래기술연구원은 포집한 이산화탄소를 광물화해 육상에 저장하거나, 건설 소재로 재활용하는 CCU(이산화탄소 포집·활용) 기술을 개발하고 있습니다.

▲2024년 8월 ‘폐갱도 활용 이산화탄소 육상저장 시범사업’ 과제 착수회의에서 관계자들이 기념 촬영을 하고 있다.

포스코홀딩스는 2024년 7월, 산업통상부가 주관하는 ‘폐갱도 활용 이산화탄소 육상저장 시범 사업’ 과제에 주관기관으로 선정되었는데요. 제철소에서 발생하는 이산화탄소를 철강 슬래그와 반응시켜 고정화한 후, 총 300톤 규모의 탄산화 슬래그를 생산하여 폐갱도에 되메우는 기술을 설계하고 운영하는 사업으로, 포스코홀딩스는 지난해 11월, 삼척시와 협력해 탄산화 슬래그 실증 플랜트를 운영하고 있습니다. 포스코홀딩스는 이번 시범 사업을 기반으로 국가 CCS사업의 한계로 지적받고 있는 탄소저장소 부족 문제를 해결하고, 철강산업의 탈탄소 전환에 기여할 예정입니다.

CCS(이산화탄소 포집·저장) 단계적 상용화

세 번째는 CCS(이산화탄소 포집·저장) 기술을 단계적으로 적용하는 방안입니다. 포스코는 상용화된 이산화탄소 포집 기술을 활용해 코크스로, 소결로, 열풍로, 발전소 등 다양한 설비를 대상으로 가장 적합한 포집 기술을 탐색해 왔습니다. 이를 바탕으로 효율성과 효과성이 높은 설비부터 단계적으로 이산화탄소 포집을 확대해 나갈 계획입니다.

※ 자료 출처 : 포스코인터내셔널

포집된 이산화탄소는 압축·액화·정제 공정을 거쳐 운송과 저장에 필요한 물성으로 전환되며, 이후 밀폐형 지질 구조를 갖춘 폐유가스전이나 염대수층에 이산화탄소를 주입해 영구적으로 격리됩니다. 여기서 밀폐형 지질구조란, 불투과성 암석이 다공질 퇴적지형을 덮어 가스가 밖으로 새어 나가지 않도록 차단하는 지층을 의미합니다.

포스코그룹은 유망한 저장소로 동해 가스전뿐만 아니라 인도네시아를 포함한 동남아시아, 호주 북서부 등지를 탐색하고 있습니다. 2024년에는 수출입은행의 ‘국제 감축 사업 타당성 조사 지원 사업‘에 선정되어 인도네시아 크라카타우포스코(PT.Krakatau POSCO)의 CCS 예비타당성 평가를 수행했습니다. 이 평가를 통해 CCS 적용 방법을 구체화하고, 향후 국내 제철소에도 확대 적용할 계획입니다.

▲2024 기후산업국제박람회에 모형으로 전시된 포스코 수소환원제철기술 HyREX 공정.

유동환원로 방식으로 탄소저감 철강 원료 공급망 확보

수소환원제철은 제선 공정에서 기존에 석탄을 사용해 철광석의 산소를 제거하던 환원제 및 원료탄을, 석탄 대신 수소로 대체함으로써 온실가스 배출을 감축하는 기술입니다. 포스코는 이러한 수소환원제철 기술을 이미 상용화된 파이넥스(FINEX) 공정의 유동환원로 기술을 기반으로 개발하고 있습니다. 유동환원로 방식은 원료·설비기술 측면에서 해외 철강사들이 주로 사용하는 샤프트환원로 방식과는 뚜렷한 차이가 있습니다. 샤프트환원로는 철광석을 일정한 크기의 구형으로 가공한 고품위 DR Grade 펠렛을 원료로 사용해야 하지만, 유동환원로는 별도의 가공 없이 광산에서 채굴한 가루 상태의 일반 철광석 분광을 그대로 활용할 수 있다는 장점이 있습니다.

전 세계 철광석 공급량 17억 톤 중 DR Grade 펠렛의 비중은 약 4%에 불과합니다. 이러한 공급량으로는 세계적인 철강 수요를 충족시키기 어려운 상황입니다. 향후 수소환원제철이 본격적으로 상용화될 경우, 샤프트환원로 기술을 적용하는 해외 철강사들 사이에서 펠렛 확보 경쟁이 더욱 치열해질 것으로 전망하는데요.

이러한 경쟁 심화 속에서 포스코그룹은, 유동환원로 방식을 채택함으로써 별도의 가공이 필요하지 않은 철광석 분광을 원료로 사용할 수 있어 생산원가가 상대적으로 저렴하고, 원료 확보에도 유리하다는 강점이 있습니다. 또한, 유동환원로 방식은 설비 기술 측면에서도 샤프트환원로 방식에 비해 온도 제어가 쉽다는 장점이 있습니다. 포스코가 개발한 유동환원로 기반 파이넥스 공정은 수소 투입 및 DRI(직접환원철) 제조 기술이 적용되어, 수소환원제철 분야에서 가장 경쟁력 있는 기술로 평가받고 있습니다.

2030년 HyREX 상용화 기술 완성 목표 추진

포스코그룹은 2021년부터 포항제철소 내 수소환원제철 건립을 위한 용지(135만㎡, 41만 평) 조성 인허가 절차에 착수했으며, 2022년 7월에는 FINEX 설비 설계 경험을 보유한 기업 프라이메탈스(Primetals)와 공동 엔지니어링 업무협약을 체결했습니다. 이 협약을 바탕으로 HyREX 데모 플랜트의 주요 설비에 대한 공동 설계를 진행하고 있으며, 포항제철소에 연산 30만 톤 규모의 시험 설비 건설을 추진할 예정입니다.

▲포스코는 지난해 1월 26일 포항제철소에 수소환원제철 개발센터를 개소하고, 2030년 수소환원제철 상용 기술 개발 완료를 목표로 연구개발을 지속하고 있다.

또한 2023년 포항 기술연구원에 배치(Batch)당 50kg 규모의 수소 유동환원 실험로를 도입하여 수소 유동환원 기술을 검증했습니다. 이어 2024년 1월에는 수소환원제철 개발센터를 개소하고, 4월에는 시간당 1톤 규모의 ESF(전기용융로, Electric Smelting Furnace) 파일럿(Pilot) 설비를 준공해 첫 출선에 성공함으로써, 전기용융로 요소 기술 개발과 HyREX 기술 완성의 토대를 마련했습니다. 포스코그룹은 2030년까지 HyREX 상용화 기술개발을 목표로 실증사업을 추진하고 있습니다. 그러나 수소환원제철 상용화 도입을 위해서는 청정에너지 인프라 구축에 대한 정책 지원, 청정수소 경제성 확보, 탄소저감 제품에 대한 시장 수용성 등 탈탄소 이행 환경이 사전에 마련되어야 합니다. 이에 따라 국가 인프라 및 정책·제도적 기반이 마련되고, 시장 수용성이 확보되는 시점부터 기존 고로 설비를 HyREX 설비로 단계적으로 전환할 계획입니다.

수소환원제철 기술 개발을 위한 국내외 협력 네트워크 강화

수소환원제철 기술은 국가 안보와 국민경제에 미치는 전략적 중요성이 인정되어, 2024년 1월 국가 전략기술로 선정되었습니다. 이어 2024년 5월에는 과학기술정보통신부의 ‘글로벌 R&D 플래그십 프로젝트’ 중 하나로 ‘한국형 수소환원제철용 철광석 최적화 기술개발(철강)’이 선정되었습니다. 포스코그룹은 이러한 국내 공감대를 바탕으로, 2030년 상용화 기술 개발을 목표로 국책과제와 연계한 ‘한국형 수소환원제철 실증사업’을 준비하고 있습니다. 또한, 글로벌 철강업계의 탈탄소 전환을 촉진하기 위해 다양한 기술 개발 협력에도 적극적으로 참여하고 있습니다.

특히, 포스코그룹은 2023년부터 글로벌 철강사들과 경쟁을 넘어 협력을 통해 탄소 감축 기술 개발을 가속화하고자 ‘HyREX R&D Partnership’을 운영하고 있습니다. 이 파트너십에는 글로벌 철강사, 원료사, 에너지사 등 총 19개 유관 기업이 참여하고 있으며, 2024년 11월에는 1차 컨퍼런스를 성공적으로 개최한 바 있습니다. 또한, 세계철강협회와 스웨덴 철강사 SSAB 등과 협력하여 2021년과 2022년에는 국제수소환원제철포럼(HylS Forum) 개최를 주도했으며, 2023년부터는 세계철강협회가 주관하는 혁신기술 컨퍼런스(Breakthrough Technology Conference)로 확대해 운영하고 있습니다.

▲‘2025 기후산업국제박람회’에 포스코그룹의 탈탄소 비전을 형상화한 콘텐츠가 전시되어있다. 포스코그룹은 한국형 수소환원제철(HyREX)을 중심으로, AI와 브릿지 기술을 통한 실질적 탄소감축, 청정 에너지 전환 확대를 추진하고 있다.

수소환원제철 기술부터 탄소감축 브릿지 기술, 에너지 전환을 아우르는 포스코그룹의 다양한 리얼옵션 전략은 철강산업의 탈탄소 실현에 한 걸음 더 가까워지는 핵심적인 역할을 할 것으로 기대합니다. 포스코그룹은 기술 혁신과 전략적 로드맵을 바탕으로 철강산업의 탈탄소 혁신을 향해 꾸준히 나아갈 예정인데요. 지속가능한 미래를 향한 포스코그룹의 탈탄소 여정, 함께 지켜봐 주세요!

알면 알수록 신나는 포스코! 포스코TV <알신포> 시즌2 1편에서
가수 카더가든이 일일 취재기자로 변신, 수소환원제철 기술에 대하여 집중 취재를 하고 왔다는데요.
다양한 미션과 인터뷰를 진행하며 포항제철소 파이넥스 공장을 체험하고 온 카더가든
그 생생한 현장을 함께 만나 보겠습니다. <편집실>

안녕하세요. 가수 카더가든(본명,차정원)입니다. 제가 갑자기 포스코에 온 이유가 궁금하신가요? 저는 사실 포스코와 인연이 깊은데요. 작년 냉천범람으로 인해 포항제철소에서 수해복구 작업이 한창일 때 위로의 노래를 부르기도 했고요. 제가 또 헬스장에서 철로 된 운동기구도 많이 들었다 놨다 하거든요. 하하

그 깊은 인연으로 제가 이번 <알신포> 시즌2의 취재기자를 맡게 됐습니다! 모든 열정을 불살라서 열심히 취재하고 왔는데요. 아무래도 초보 기자인 제가 걱정됐는지 포스코의 유능한 사원 포석호 씨를 불러주셨더라고요! 덕분에 긴장도 좀 풀리고 재미있게 다녀왔습니다.

오늘 취재의 첫 미션 카드! 석호 씨와 제가 도착한 곳은 한 연구소였는데요. 시끌벅적한 소리가 들리는 곳으로 가보니, 남자 세 분이 오붓하게 케이크를 나눠먹고 계시더라고요. 포스코 기술연구원분들이셨는데 직원 한 분이 생일이라 파티 중이셨대요.

저 카더가든을 아시는지 조심스레… 여쭈었더니, 한 분이 갑자기 엄청난 노래 실력을 뽐내시는 게 아니겠어요? 저도 질 수 없죠! 저의 답가가 기분 좋은 생일 선물이 되었으면 하네요. 그럼 이제 본론으로 돌아가 저는 미션을 풀기 위해 연구원분들에게 도움을 구했는데요

미션 카드를 보여드리자마자 다들 당연히 알겠다는 듯한 미소를 보이셨습니다. 바로 미션 카드 속 숫자와 그림은 수소환원제철과 관련된 이야기였던 것이죠.

물방울은 수소를 표현한 것이고, 숫자 25와 100은 ‘파이넥스(FINEX)’라는 유동환원로기술로 수소 25%를 환원제로 사용해 왔었는데, 그것을 100%까지 늘리겠다는 의미라고 해요. 쉽게 말하면 25%만 사용하던 수소를 100%까지 끌어올린다는 것이죠.

자! 이렇게 연구원분들께 도움을 받아 첫 번째 미션을 완료했습니다. 그런데 여기서 ‘파이넥스’라는 생소하면서 신비로운 이름을 듣고 호기심이 생겼는데요. 수소로 만드는 철이라니! 명색이 취재기자인데 안 가볼 수 없겠죠? 당장 파이넥스 공장으로 달려갔습니다!

석호 씨와 파이넥스 공장에 도착했는데요. 오자마자 미션 카드를 또 주시더라고요! 이번엔 믹서기(?) 4개에 당근주스가 담겨 있는 것 같은 그림이 그려져 있었는데요. 역시나 어떤 의미인지 전혀 모르겠더라고요. 미션을 풀기 위해 파이넥스 공장 안으로 들어갔습니다.

안으로 들어가니 파이넥스 3공장 운전실 이창형 리더님이 따뜻하게 맞이해 주셨습니다! 그런데 방송국 중계실 같은 느낌이 들어 여쭤봤더니 여기는 공장을 모니터링할 수 있는 곳이라고 해요. 내부 온도가 3000도 가까이 되기 때문에 여러 센서들을 달아놓고 긴급한 상황이 생겼을 때 해결할 수 있도록 하는 곳이라고 합니다! 그래서 여기서 근무하시는 분들은 순발력이 필수라고 하네요.

이제 본격적으로 취재를 시작했는데요. 아까 연구실에서 들었던 파이넥스 기술에 대한 질문을 드렸습니다. 대체 어떻게 탄소 배출을 줄이고 있는 건지 여쭤봤더니 리더님이 신나게 설명해 주셨어요. 파이넥스 기술은 유동환원로라는 설비를 이용한다고 해요. 고로 내에서 동시에 이루어지던 공정들을 분리해 유동환원로에서 단계적 환원 과정을 거치게 되는 것이죠. 파이넥스 누계 생산량은 3,500만 톤으로 세계 최대 생산량이라고 합니다.

답변을 듣고 나니 공장을 직접 체험해 볼 순 없는 건지 아쉬움이 들어 리더님께 말씀드렸는데요. 쇳물이 끓는 용융로는 들어가 보기 힘들지만 공장 안은 가볼 수 있다고 하셔서 안전모와 마스크, 고글을 끼고 공장으로 향했습니다!

리더님을 따라 용융로타워 위쪽으로 올라가봤는데 그곳에서 ‘유동환원로’라는 설비가 한눈에 들어오더라고요. 그런데 아까 미션 카드에서 본 믹서기(?)가 있는 게 아니겠어요? 실제로 보니 엄청난 크기와 포스에 압도됐습니다.

리더님은 보여줄 설비가 한 가지 더 있다며 저를 이끌었는데요. 이번에는 PSA 설비였어요. 배출되는 이산화탄소를 포집하여 제거해 주는 공정을 CCUS라고 하는데요. 이 설비를 통해 CCUS* 기술을 적용하면 이산화탄소 배출을 50%나 절감할 수 있답니다. 전 세계에서도 포항 FINEX 공장에서 세계 최대 규모의 PSA설비(3FINEX : 20개 , 2FINEX : 14개)를 보유한만큼 CCUS 기술은 당연히 포스코가 일등이겠죠?

* CCUS (탄소 포집 .활용. 저장 기술) : carbon capture, utilization and storage

두 번째 미션을 끝내니 점심시간이 돼 다 같이 구내식당으로 이동해서 식사를 했는데요. 조금 여유롭게 있어볼까 했는데, 맛있는 철(?)로 식사를 마친 석호 씨가 새로운 미션 카드를 주더라고요. ‘2050’이라는 숫자는 대체 어떤 의미일까요?

같이 식사하던 부장님께서 실험동에 힌트가 있을 거라고 하셔서 바로 이동! 이곳은 파이넥스처럼 대량으로 작업하기 전 조금씩 연구를 해보는 소형유동환원 장치가 있었어요. 원래는 소형 장치로 실험하다가 최근 중형 장치로 늘렸다고 하는데요. 머지않아 이 공정이 상용 설비까지 업그레이드 될 거라고 하셨습니다! 정말 탄소 배출 없이 물로 철을 만드는 미래 제철소가 다가오고 있네요.

더 안쪽으로 들어가니 ‘상온유동층모사’라는 실험 장치가 있었는데요. 연구원님 말씀을 들어보니 이 장치에 광석을 넣으면 어떻게 움직이는지 볼 수 있다고 해요. 간단하게 유동로를 체험하는 장치라고 생각하면 되겠습니다!

특별히 직접 광석을 넣어 볼 수 있게 도와주셨는데요. 제가 연구에 참여했다니 너무 설레는 시간이었습니다. 광석을 넣으니 바로 끓는 모습이 보이더라고요. 수소 100%일 때 환원 유동이 어떻게 되는지 차이가 있을 수 있기 때문에 직접 실험해서 설정한다고 해요.

이처럼 현장과 연구원의 끊임없는 도전으로 2030년 까지 하이렉스(HyREX) 상용 기술 개발을 완료한 후 2050년까지 포항, 광양 제철소의 기존 고로 설비를 단계적으로 수소환원제철로 전환해 ‘2050 탄소중립’을 달성할 계획이라고 해요!

뭔가 엄청난 비밀을 알아버린 거 같아 두근두근했는데요. 잠깐 여기서 ‘2050’ 왠지 낯익은 숫자 아닌가요? 바로 미션 카드 속 숫자입니다! 2050은 탄소중립 실현을 말한 거였네요.

이렇게 마지막 미션을 완료하니 어렵게만 생각했던 포스코 기술들이 쉽게 와닿았습니다. 과연 다음에 방문했을 때 포스코는 어떤 모습일까요? 환경과 미래를 모두 다 잡을 2050 수소환원제철 건립을 응원하며 취재를 도와주신 기술연구원 이준혁 부장님, 라기호 수석연구원님과 파이넥스 공장 이창형 리더님, 그리고 귀염둥이 석호 씨에게 감사 인사드립니다. 그럼 일일 취재기자 카더가든이었습니다!

▼카더가든 취재기 영상으로 만나보기!