산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2024.6 특집 (p45-49)

변화하는 철강업
탈탄소로 진화하는 제철 프로세스

산업계에서 가장 많은 이산화탄소를 배출한다고 알려진 철강업. 탈탄소화는 매우 중요한 과제로, 전 세계에서 개발 경쟁이 벌어지고 있다. 일본은 지금까지 용광로를 사용한 제철 프로세스가 주체였지만, 이 전환이 임박해 있다. 일본의 철강업이 탈탄소화에 어떻게 움직일 것인가? 비장의 카드가 될 대형 전기로의 개발이나, 용광로의 수소 환원 기술 등 각 사의 전략을 따라가 본다.

Part 1. 탈탄소화 유예 불가
대형 전기로에 용광로 수소 환원, 재생에너지 자원 부족한 일본의 방책은
탈탄소화 흐름에 따라 철강업의 제철 프로세스가 전환점을 맞고 있다. 일본의 경우는 철강업에서 나오는 이산화탄소(CO₂) 배출량이 산업부문 중에서 가장 많으며, 3분의 1 이상을 차지한다고 한다. 전 세계에서 탄소중립(온난화 가스 배출량 실질 제로) 실현을 목표로 하는 가운데, 제철 공정 등에서 많은 CO₂를 배출하는 철강업의 탈탄소화는 더 이상 미룰 수가 없다.

일본이 강점으로 내세우는 자동차용 고급 강재는 용광로를 사용해 염가로 대량 제조가 가능한 한편, 원료인 철광석을 코크스(석탄을 고온 건류한 것)로 환원하는 공정에서 CO₂가 대량으로 발생한다.

기존의 방법으로 용광로를 계속 사용한다면 환경 부담이 큰 강재는 머지않아 시장에서 받아들이지 않을 것이고, 그렇게 되면 국제경쟁력을 잃을 수도 있다. 광로를 보유한 철강 대기업은 사업 지속을 위해서도 조기에 방법을 강구할 필요가 있다.

이러한 가운데 제철 프로세스의 탈탄소화를 위해 세계에서 개발 경쟁이 격화하고 있다. 재생가능에너지가 풍부한 유럽이나 전기로 비율이 높은 미국은 수소 등에서 직접 환원한 철광석을 전기로에서 녹이는 방법을, 용광로 비율이 높은 중국은 용광로에 수소를 불어넣는 방법을 시험하는 등 다양한 방책을 모색하고 있다.

-- 용광로법인가 전기로법인가 --
용광로에서의 조강 생산량이 전체의 70% 이상을 차지하는 일본은, 수소를 활용한 용광로에서의 탈탄소화, 나아가 고급강을 제조할 수 있는 대형 전기로로의 전환 등 여러 어프로치로 기술 개발을 추진하고 있다.

현재 개발하고 있는 탈탄소화 방법은, 용광로법과 전기로법 중 어디에 적용할지로 대별된다. 기존의 용광로법을 활용하면서 CO₂의 삭감을 노리는 것이 ‘수소 환원 기술’이다(Part3 참조). 용광로 내에 환원제로서 수소를 직접 또는 간접적으로 불어넣음으로써 사용하는 코크스의 양을 줄이고, CO₂ 배출량을 억제하는 것이다. 일본제철이나 JFE 홀딩스 산하의 JFE 스틸이 중심이 되어 개발하고 있다.

한편 철 스크랩 등을 전기의 힘으로 녹여 용강을 뽑아내는 전기로법은 환원 반응을 거치지 않는다. 그렇기 때문에 용광로법과 비교해 CO₂의 삭감량을 4분의 1정도로 억제할 수 있다.

원료로 제철소나 시중에서 나온 철 스크랩을 활용하는 것 외에, 샤프트로(爐)에서 미리 철광석을 천연가스나 수소로 환원한 직접 환원 철을 사용하는 ‘수소 직접 환원 기술’이 검토되고 있다. 수소를 이용한 환원철 제조에서는 고베제강소가 강점을 갖고 있다.

-- 장래성 있는 대형 전기로 --
각 방법에는 일장일단이 있지만 그 중에서도 장래성이 있는 것은 대형 전기로의 활용이다. 용광로의 조강(粗鋼) 생산량을 공급할 수 있을 정도의 대형 전기로는 아직 없지만, CO₂ 삭감 효과가 높은 것은 물론 원리 자체는 이미 확립되어 있기 때문이다.

전기로화가 진행되면 원료에 철 스크랩 등을 활용하기 때문에 용광로법에서 필요한 철광석이나 원료탄의 수입량이 줄어 경제안보상 리스크도 줄일 수 있다. 유럽과 미국 등에서는 전기로의 활용이 기정 노선이 되고 있다.

“수소 환원 제철 도입에 수반하는 용광로에서의 탈탄소화는 CCS(Carbon dioxide Capture and Storage, 이산화탄소 포집 및 저장) 등과 조합하지 않는 한은 과도적인 것이 될 것이다”. 이렇게 분석하는 것은 미쓰비시종합연구소의 사토(佐藤) 연구원이다. 용광로 수소 환원 기술에서는 수소의 투입량이 증가하면 환원 반응이 일어나기 어려워져 CO₂ 배출 삭감량은 한계점이 되기 때문에 CO₂ 배출량 삭감 효과는 전기로법이 우세하다.

더불어 용광로법의 탈탄소화에는 수소의 안정 조달이라는 과제가 있어 현시점에서 불확실성이 높다. 재생에너지 자원이 부족한 일본에서는 국내에서 그린수소를 제조하기는 어렵고, 수입에 의존하지 않을 수 없기 때문에 비용이 비싸질 것으로 예상된다. 이 때문에 철강 기업은 용광로의 수소 환원 실용화는 어디까지나 수소를 저렴하게 조달할 수 있다는 것이 전제라는 자세를 보이고 있다.

실제로 철강 기업은 용광로에서의 수소 환원은 물론 전기로로 전환하기 위한 계획도 내놓고 있다(Part2의 ‘용광로로부터 전환 모색, 막아서는 기술 향상과 경제 합리성의 벽’ 참조).

예를 들면, 일본제철은 2030년까지 규슈제철소 야와타지구와 세토우치제철소 히로하타지구의 2개의 거점에서, 용광로에서 전기로로 전환하는 것을 계획. JFE 스틸이나 고베제강도 2030년 전후로 전기로로 전환하는 것을 검토 중이다.

-- 공세를 취하는 전기로 제조업체 --
전기로로의 전환으로 인해 사업 기회를 맞이하고 있는 곳이 전기로 제조업체이다(Part2의 ‘도쿄제철이 자동차 재료에도 진출, 14억톤 철 자원 활용’ 참조). 전기로 제조 기업인 도쿄제철은 지금까지 주로 건설자재용으로 전기로 제품을 제공해 왔지만 자동차용 고급 강재에도 진출해 2025년까지 양산/공급을 목표로 하고 있다. 차체에 사용하는 강재의 약 70%에 전기로 제품을 채택한 EV 컨셉트카를 완성시키는 등 철강 대기업에 공세를 취하고 있다.

미쓰비시종합연구소의 사토 연구원에 따르면, 앞으로 철강 대기업에 의한 전기로로의 전환이 진행되면, 일본에서의 전기로 비율은 높아질 전망이다. 일본의 조강 생산량은 향후 감소해 가지만, 조강 생산에서 차지하는 전기로의 비율은 현재의 4분의 1정도에서 2050년에는 최대 2분의 1정도까지 높아질 것으로 예측한다.

세계에서는 이미 전기로에서 사용하는 철 스크랩을 둘러싼 쟁탈이 시작되었다. 대형 전기로에서 고급강을 만들기 위해서는 고품질의 철 스크랩을 입수할 필요가 있다. 하지만 일본에서는 현재 “국내에서 두지 않고 해외에 수출하고 있다”(사토 연구원). 참고로 일본에는 14억톤이나 되는 철 원료가 잠들어 있는 것으로 알려져 있지만, 이 중에 시중에서 매년 회수돼 사용되는 것은 고작 1.7%에 그친다. 앞으로는 이 회수율을 높여 철 스크랩을 순환시켜 나갈 필요가 있다.

-- 대형 전기로에서 고급강을 만드는 과제 --
전기로에 의한 탈탄소화에서는 카본프리(탄소배출을 하지 않는) 전력을 어떻게 조달하는가 하는 과제와 함께 기술적인 문제도 놓여 있다. 현재 사용되고 있는 전기로는 소형 전기로가 주체이며, 거기서 만들어지는 강재의 대부분은 건축 자재용이다.

전기로를 대형화해 고급강을 만들 수 있도록 하려면 철 스크랩에 포함된 불순물 제어 기술과 고효율로 철을 뽑아내는 기술 개발이 필요하다. 불순물이 많은 철 스크랩을 주원료로 하는 전기로의 경우, 대형화를 하면 성분 조정이 어렵다고 한다.

그 때문에 불순물을 많이 포함하는 철 스크랩과 함께, 순수한 철에 가까운 직접환원철을 섞는 방법도 검토되고 있다. 다만, 직접환원철은 스크랩에 비해 잘 녹지 않기 때문에 양자를 어떻게 배분해 성분을 조정하는지가 각 사의 능력이 될 것이다.

참고로 용광로법에서는 용광로에서 나온 불순물이 적은 선철을, 후공정의 전로(轉爐)에서 정련한 다음 첨가재를 더하는 등으로 조성을 조정하고 있기 때문에 정확도가 높은 조성 제어가 가능해진다.

또한 대형화에서는 전기로를 개발하는 기계 업체나 전원 설비를 공급하는 전기 업체의 협력도 빼놓을 수 없다(Part2의 ‘대형화로 전원 시스템 개발이 급선무, 점점 다가오는 유럽 기업의 발소리’ 참조). 내구성이 높은 로(爐)의 개발이나 전압 플리커라고 불리는 조명의 깜박거림 현상 등에 대처할 수 있는 새로운 전원 시스템의 개발이 시급하다.

■ 탈탄소화와 무관하지 않은 닛폰스틸의 US스틸 인수 제안
지금 철강업계에서 큰 관심을 모으고 있는 것은 닛폰스틸(일본제철)의 미국 철강 대기업 US스틸 인수 제안일 것이다. 인수 금액은 2조엔 규모라고 한다. 닛폰스틸은 글로벌 사업을 가속하기 위해 미국 시장을 수중에 넣으려 하고 있다.

2024년 11월의 미국 대통령 선거를 앞두고 문제가 정치화되고 있는 점이 주목받기 쉽지만 사실 이 인수는 닛폰스틸의 탈탄소화 전략과 무관하지 않다. US스틸은 인수한 전기로 업체 Big River Steel의 기술을 보유하며, 전기로 프로세스에 강할 뿐만 아니라 천연가스 베이스의 직접환원철도 제조한다.

닛폰스틸의 인수에는 탈탄소 기술을 이미 보유한 US스틸과의 상승효과로 탈탄소화를 추진하려는 의도가 엿보인다. 인수한 후에는 전기로 등에 14억 달러 투자를 계획하고 있다. 미국에서 클린 에너지를 사용해 제조한 직접환원철을 일본에 수입해 대형 전기로의 원료로 쓰는 것 아니냐는 전문가들의 평가도 있다.

다만, 인수의 성패는 불투명하다. 2024년 4월에 열린 US스틸의 주주총회에서는 찬성 비율 98%로 승인됐지만 전미철강노동조합(USW)이 인수를 반대하고 있고, 바이든 대통령 후보와 트럼프 전 대통령이 인수를 저지하는 듯한 발언을 반복하고 있기 때문이다.

또한 닛폰스틸은 미국 기업결합 심사에서 미국 법무부로부터 제2차 자료 청구를 받아 내용을 정밀 조사한 결과, 상정보다 긴 시간이 전망된다고 판단. 인수 완료 예정 시기를 당초 2024년 7~9월에서 같은 해 10~12월로 연기했다.

Part 2. 전기로화를 둘러싼 각 사의 생각 -철강 대기업의 도전
용광로로부터 전환 모색, 막아서는 기술 향상과 경제 합리성의 벽
닛폰스틸과 JFE 스틸, 고베제강소의 철강 대기업 3사는, 탄소중립 실현을 위해 기존의 용광로를 사용한 제조의 일부를 전기로로 대체하려는 움직임을 가속화하고 있다.

도쿄제철이 자동차 재료에도 진출, 14억톤 철 자원 활용
탄소중립의 흐름을 사업 기회로 보고 사업을 가속시키고 있는 것이 전기로 제조업체이다. 철 스크랩을 전기로에서 녹여 새로운 강재를 만들어내는 제철 방법은 용광로에서의 철광석 환원 프로세스를 거치지 않기 때문에 이산화탄소 배출량을 대폭 줄일 수 있다.

대형화로 전원 시스템 개발이 급선무, 점점 다가오는 유럽 기업의 발소리
철강 대기업이 진행하는 대형 전기로의 개발 뒤에서 비명을 지르고 있는 것은 전기로 전용의 전원 설비를 전개하는 전기 업체이다. 현행 용광로에서의 생산능력을 대체할 수 있을 만큼의 대형 전기로를 안정 가동시키기 위해서는 고부하에 견딜 수 있는 새로운 전원 시스템의 개발이 필요하기 때문이다.

Part 3. 수소로 제조
세계에서 개발 경쟁이 격화, 용광로에 대한 투입이나 직접 환원을 모색
제철 프로세스의 탄소중립 실현을 위해 지금 전 세계적으로 철광석 환원 프로세스의 탈탄소화 기술에 대한 개발 경쟁이 벌어지고 있다.

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Nikkei Monozukuri_2024.6 목차

도전자
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엔도 히데유키(遠藤 秀幸) (닛산화학 기획본부장)

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