‘수소환원제철’ 혁신 기술로 탄소중립 실현하는 포스코

‘하이렉스’ 개발 나선 포항제철소

화석연료 대신 수소로 쇳물 생산
파이넥스 공법 기반 경제성 확보

40조 들여 공정전환 인프라 구축
2028년 年 30만t 규모 설비 준공대한민국 산업화의 상징인 포스코 포항제철소가 탄소중립 시대를 맞아 미래를 향한 큰 걸음을 내디딘다. 화석연료 대신 수소를 사용해 철을 생산하는 ‘수소환원제철’(Hydrogen Reduction)이라는 혁신 기술 실현에 본격적으로 뛰어들면서다. 1일 포스코에 따르면 포항제철소는 탄소중립이라는 글로벌 과제 해결과 독자 기술 확보를 통한 경쟁력 강화를 위해 공을 들이고 있다. 미국의 철강 관세 부과와 글로벌 수요 둔화, 막대한 투자 비용 등 수많은 고비도 앞두고 있다. 그런데도 포스코가 자체 기술력을 바탕으로 수소환원제철을 실현하는 ‘하이렉스’(HyREX) 개발에 도전하는 이유는 기술 격차를 통한 대한민국 철강 산업 경쟁력 확보, 산업 생태계 유지 및 투자를 통한 지역 상생 발전의 지속가능성 확보 때문이다.

전 세계적으로 탄소중립과 친환경은 거스를 수 없는 시대적 흐름이 되고 있다. 산업화 과정에서 제철은 대한민국 국가 경쟁력을 성장시킨 중요한 역할을 했다. 하지만 이제는 많은 양의 온실가스 배출 때문에 근본적인 체질 변화를 요구받고 있다. 지구 온난화로 인한 해수면 상승과 이상기후 등 전 세계가 이미 기후 위기를 목격하면서 이런 요구는 더욱 거세지고 있다.


우리나라도 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC)를 2018년 대비 40%로 상향하며 강한 탄소중립 의지를 보이고 있다. 특히 제철은 철 생산 과정에 많은 양의 탄소를 배출하는 산업이다. 국가 전체 온실가스 배출량에서도 상당 부분을 차지하면서 NDC를 달성하기 위해서는 변화가 필요하다. 이는 단순 환경 보호뿐만 아니라 기업 생존에도 영향을 미치는 문제다.

냉엄한 현실 속에서 포스코는 지속가능한 제철 산업 현실화와 기존 제철 공법을 대체할 혁신을 위해 수소환원제철에 뛰어든 것이다.

수소환원제철은 화석연료 대신 수소를 활용해 철을 생산하는 기술이다. 전통적인 제철 공정에서는 석탄(코크스)이 타면서 발생하는 일산화탄소 가스가 필요하다. 일산화탄소 가스가 철광석에서 산소를 떼어내면서 순수한 철이 생산되고 동시에 열기로 철을 녹여 쇳물을 제조한다. 그 과정에서 일산화탄소는 산소와 결합해 이산화탄소를 내뿜게 된다.

●고온 가열한 수소로 철광석 녹여

반면 수소를 활용한 제철 공정을 실현할 경우 철광석을 고온으로 가열한 수소와 접촉시켜 철을 제조할 수 있다. 수소와 산소가 결합해 깨끗한 물이 발생하고 획기적으로 탄소 배출을 줄이게 되는 원리다. 여기에 더해 포스코는 자체 기술력을 바탕으로 하이렉스를 개발해 100% 수소를 활용한 제철 공정 실현으로 글로벌 기술 격차를 확보하려고 한다.

해외 경쟁사들이 추진하는 수소환원제철 공정에는 철광석을 일정한 크기로 가공한 ‘펠릿’을 사용해야 한다. 펠릿은 가공 과정에서 이미 이산화탄소를 배출하고 가격 또한 가공되지 않은 철광석보다 t당 80~90달러 비싸다.

●2007년 세계 최초 파이넥스 공법 상용화

이 같은 단점을 해결하기 위해 포스코는 2007년 세계 최초로 상용화했던 파이넥스(FINEX) 공법을 기반으로 수소환원제철을 개발할 계획이다. 파이넥스 공법은 별도의 가공 없이 광산에서 채굴한 가루 형태의 ‘분광’을 그대로 사용하는 것이 핵심이다. 이는 원료 확보가 쉽고 생산 원가 또한 절감할 수 있어 그 자체로 경제성을 확보하고 있다.

또한 파이넥스 공법은 여러 차례 환원 과정을 거치는 다단유동로 구조를 채택하고 있다. 수소는 철광석과 반응하면서 열을 흡수하는 흡열 반응을 일으켜 온도를 낮춘다. 다단유동로 구조를 그대로 계승하면 단계별로 산소만 추가 투입해 온도 저하 문제를 효과적으로 제어할 수 있다.

결국 안정적인 철 생산성과 저렴한 원료 가격이라는 장점을 가진 파이넥스 공법을 수소 기반 공정으로 전환하는 것이 하이렉스라 할 수 있다. 이는 향후 글로벌 철강 시장의 새로운 표준으로 자리 잡을 잠재력도 충분하다.

포스코는 이미 2024년 수소환원제철 공정 구현의 시험 설비 구축 핵심 역할을 할 ‘수소환원제철 개발센터’를 개소했다. 개발센터에는 총괄부서인 ‘하이렉스 추진반’, 투자사업 관리를 전담하는 ‘투자엔지니어링실’, 연구개발 부서인 ‘미래철강연구소’, 설계를 담당하는 ‘포스코이앤씨’가 입주해 기술연구부터 설비 구축, 시험조업까지 일련의 과정을 통합 수행한다.

3400만t 이상의 쇳물을 생산하며 이미 기술력이 검증된 파이넥스 공법을 바탕으로 설비 개발을 거쳐 2028년까지 포항제철소 내에 연간 30만t 규모의 하이렉스 실증 설비를 준공할 계획이다. 이후 시운전에 돌입해 2030년까지 상용화를 위한 기술 검증을 완료한다는 구상이다. 최종적으로는 2050년까지 단계적으로 기존 고로 설비를 모두 수소환원제철 설비로 교체해 나갈 계획이다.

글로벌 탄소중립 산업 시장은 지속적으로 성장할 전망이다. 2021년 22조 130억 달러였던 이 시장은 2032년 193조 1475억 달러로 크게 성장할 것으로 예상된다. 관련 시장에는 수소환원제철과 같은 탄소 감축 기술 산업 분야, 수소 생산기술 및 인프라 분야, 에너지 산업 분야, 탄소 포집 및 재활용 분야 등이 포함되어 있다. 뿐만 아니라 유럽과 미국 등 주요국에서는 탄소 배출을 새로운 무역장벽으로 활용해 자국 산업 경쟁력을 지켜내고 있다.

올해부터 유럽연합(EU)은 탄소국경조정제도(CBAM)를 시행한다. CBAM은 유럽으로 수입되는 제품은 물론 제품의 생산 과정에서 발생한 온실가스양에 비례해 온실가스 배출권을 구매하도록 하는 제도다. 일종의 탄소 관세인 셈이다. 철강과 알루미늄, 시멘트, 수소, 전기, 비료 등 품목에 적용되고 있으며 향후 품목을 점진적으로 확대할 가능성이 높다. 저탄소 철강 생산은 포스코의 선택을 넘어 시장에서 살아남기 위해 꼭 필요한 생존 전략인 셈이다.

CBAM은 제철 공정을 넘어 에너지 생산 전반에도 커다란 변화를 요구하고 있다. 수소환원제철 설비를 가동하기 위해서는 엄청난 양의 전력이 필요하다. 기존 고로 방식에서는 생산 과정에서 발생하는 가스를 활용한 자가발전이 일부 가능하다. 하지만 수소환원제철은 외부 전력 의존도가 높아져 기존 대비 전력 소모가 높아진다. 단순 전기요금에 더해 전기를 생산하는 과정에서 발생하는 탄소까지 고려해야 한다.

●포항·광양·당진 등 철강도시 생존 직결

탄소중립을 향한 첫 단추로 현재 포스코는 포항제철소 인접 공유수면을 매립하는 부지 조성 사업을 진행 중이다. 제철 공정상 수소환원제철 설비는 기존 고로와 가까운 곳에 배치해야 한다. 생산성 유지를 위해 기존 다른 고로 철거를 통한 부지 확보도 쉽지 않다. 또한 추가로 요구되는 발전소와 수소설비, 물류 동선 등을 고려하면 대규모 신규 부지 확보가 먼저 이뤄져야 한다. 이에 포스코는 바다 매립이라는 부담을 감수하면서 부지 마련에 나서고 있다.

가장 큰 문제는 설비 투자 비용이다. 설비 교체와 관련 인프라 구축 등 수소환원제철 공정 전환을 위한 투자비는 40조원 수준에 달할 것으로 예상된다. 단일 기업이 쉽게 감당할 수 있는 수준의 금액을 넘어서고 있다.

해외 주요국은 기업 부담을 줄이기 위한 국가 차원의 지원을 강화하는 중이다. 일본은 ‘그린 이노베이션 기금’을 통해 철강업계 탄소 감축에 약 4조원을 지원한다. 독일 등 EU 국가들은 설비 투자와 함께 운영비 차액까지 보전한다. 스웨덴은 수소환원제철 설비와 값싼 전력 공급까지 연계한 지원으로 상용화를 돕고 있다.

포스코의 수소환원제철 기술 실현을 통한 하이렉스 공정 전환은 한 기업의 미래에 그치지 않는다. 대한민국 산업의 한 축을 담당하는 철강이 글로벌 경쟁에서 살아남느냐를 결정짓는 여정이다. 경북 포항, 전남 광양, 충남 당진 등 미국의 관세 부과로 직격탄을 맞은 철강 도시 입장에선 생존 문제와도 연결된다.

포스코 관계자는 “탄소중립 전환이라는 거스를 수 없는 시대적 요구와 함께 제조업의 근간인 철강 산업의 국제적 경쟁력 확보를 위해 과감한 투자와 끊임없는 연구개발에 나설 계획”이라며 “지속가능한 철강 생산 능력 확보를 통해 대한민국 산업 경쟁력과 지역 상생 발전을 모두 이뤄낼 수 있도록 노력할 것”이라고 밝혔다.

포항 김형엽 기자