How green steel made with electricity could clean up a dirty industry

탄소 배출 줄이는 차세대 철강 기술

미국의 스타트업 보스턴메탈(Boston Metal)이 시범용 반응로를 새롭게 개발해 ‘저탄소 차세대 철강 기술’의 가능성을 보여주고 있다.

보스턴메탈(Boston Metal)의 최신 프로젝트를 큰 그림에서 보면 철강산업이 기후에 미치는 영향을 줄이는 게 얼마나 큰일인지 한눈에 알 수 있다.

이 독특한 새 설비의 정체는 탄소를 배출하지 않고 강철을 만드는 데 쓸 시범용 반응로(reactor)다. 현재 연구소 바닥에 놓여있는 이 반응로는 버스 한 대 크기로, 노란색 난간을 따라 계단을 오르면 설비 꼭대기에 올라갈 수 있다. 하지만 이 방식을 통해 생산할 수 있는 철강은 연간 약 20억 톤을 생산하는 전체 산업 규모에 비교했을 때 아직 턱없이 미미한 수준이다.

산업용 제철 과정은 철강 1톤을 생산할 때마다 약 2톤의 이산화탄소를 배출하며, 이는 전 세계 탄소 배출량의 약 10%에 해당한다. 세계 철강 시장이 2050년까지 약 30% 더 성장할 것으로 예상되는 가운데, 세계적인 철강회사들은 같은 해 탄소 중립에 도달하겠다고 선언한 바 있다. 그러나 업계가 급변하지 않는 한 이 목표는 이루어질 수 없을 것으로 보인다.

최근 보스턴 북쪽에 위치한 보스턴메탈 본사에는 앞으로 기술 상업화에 있어 중요한 이정표가 될 신형 반응로가 설치되었다. 2013년에 설립된 이 스타트업은 그동안 소형 실험 설비를 통해 ‘그린 스틸(Green Steel)’로 불리는 친환경 강철을 만드는 공정을 개발했다. 현재 앞두고 있는 투자 유치와 더불어, 이 새로운 반응로는 점차 규모를 확장하고 있는 회사의 다음 도약을 상징한다.

만약 보스턴메탈이 청정 생산 공정을 산업적인 규모에서도 실용화하고 이를 가동하는 데 필요한 재생에너지를 충분히 확보할 수 있다면, 이는 탄소 배출 억제라는 세계적인 난제를 해결하는 데 큰 도움을 줄 것이다.

새로운 접근법

강철은 자동차에서 건물, 풍력 터빈에 이르기까지 모든 곳에 사용되지만, 철강산업을 탈탄소화하는 것은 사람들의 주목을 받지 못하고 있다. 보스턴메탈의 CEO 타듀 카네이로(Tadeu Carneiro)는 “사람들이 이 산업에 너무 관심이 없다”면서 “철강산업은 매우 보수적인 곳이고, 이를 약화시키는 것은 쉽지 않다”라고 토로했다.

화석 연료는 오늘날 철강산업에 필수적이다. 대부분의 제철 과정은 용광로에서 시작되는데, 거의 순수한 탄소라고 할 수 있는 코크스(coke)라는 석탄 유래 물질이 산화철 및 기타 광물의 혼합물인 철광석과 반응하는 게 핵심이다. 이 반응은 액체 철에서 산소를 끌어내고, 산소는 탄소와 함께 이산화탄소 형태로 방출된다.

보스턴메탈은 용융 옥사이드 전기분해(molten oxide electrolysis, MOE)라고 불리는 완전히 새로운 접근 방식을 택했다. 여기서는 탄소를 사용하여 산소를 제거하는 대신 용해된 산화철 등의 혼합물로 채워진 셀(cell)에 전류를 가해 약 1,600 °C까지 가열한다.

전기는 가열 외에도 산소를 제거하는 화학 반응을 촉진한다. 용해된 철은 반응로 바닥에 모이며 이산화탄소 대신 산소 기체가 방출된다.

카네이로는 불순물이 대부분 이 반응 과정에 참여하지 않기 때문에 MOE 공정은 저품질의 철광석도 처리할 수 있으며, 이는 이 기술의 주요 이점이 될 수 있다고 설명했다.

실용화하기

보스턴메탈의 제철 공정은 2000년대 중반 MIT 재료공학 연구원 도널드 사도웨이(Donald Sadoway)와 앙투안 알라노어(Antoine Allanore)가 개발하였다. 사전 연구는 커피잔만 한 크기의 작은 반응로에서 진행되었고, 여기서 2, 3일 만에 땅콩 크기의 철이 생산되었다.

보스턴메탈의 수석기술부사장인 스테판 브로크(Stephan Broek)는 더 큰 반응로로 전환하는 데 있어 지금까지의 주요 과제는 강철과 크롬의 혼합물로 만들어진 금속 조각인 비활성 양극(anode)의 안정성과 관련이 있다고 말한다. 만약 반응로가 의도한 대로 작동한다면 양극은 반응에 참여하지 않으며, 단지 전기가 셀을 통해 이동할 수 있는 경로로 작용한다. 그러나 전류 분포와 전해질 화학과 같은 조건 사이의 균형이 맞지 않으면 양극의 성능이 빠르게 저하되는 경향이 있다.

연구용 버전보다 약 천 배 더 큰 새로운 시험용 반응로에서는 이러한 문제들이 훨씬 더 심각하게 나타날 수 있다.

새로운 반응로에서는 최대 25,000암페어(A)의 전류를 사용하게 된다. (일반 가정용 전류는 100에서 200 암페어 수준이다.) 이 반응로는 많은 수의 양극과 추후 궁극적으로 산업용 규모의 셀에 필요한 다양한 장치들을 갖추고 있다. 산업용 규모의 셀은 적어도 지금보다 10배 이상의 크기를 갖춰야만 한다.

시험용 반응로의 건설은 거의 완료되었고 실험은 8월에 시작될 예정이다. 우선 탄소 양극을 사용하여 합금철(ferroalloys)을 생산하는 실험이 계획되어 있다. 합금철은 강철을 만드는 데 사용되는 것과 유사한 전기분해 공정에서 생산되는 고가의 금속이다. 브로크는 우선 합금철 제조를 시험해본 후, 내년 초부터는 제철 공정을 시작할 계획이라고 밝혔다.

시대에 걸맞은 기술

보스턴메탈 입장에서 시범용 반응로를 가동하는 것은 상업적인 규모의 시범 프로젝트를 건설하기에 앞서 가장 중요한 이정표가 될 것이다. 5개의 더 큰 셀로 구성된 다음 프로젝트는 2026년에 완공될 것이다. 이 스타트업은 이를 위한 투자를 유치하고 있다.

이 최종 단계 프로젝트까지 가동이 성공하면, 보스턴메탈은 기존의 철강 회사들과 제휴하여 보스턴메탈의 반응로를 설치하고 운영할 수 있도록 라이센스를 제공할 예정이다.

그러나 기존 업계에 새로운 MOE와 같은 공정을 도입하는 데는 시간이 걸릴 것이다. 스웨덴 룬드 대학(Lund University)의 에너지 및 환경시스템학과의 맥스 아만(Max Åhman) 교수는 “이를 실제로 산업 현장에 적용할 수 있다는 것을 증명하기 위해서는 수년간의 실제 운용 데이터가 필요하다.”라고 말했다. 또 그는 “실제 운용 과정에서 어느 정도의 비용이 발생할지도 우리는 아직 모른다”고 덧붙였다.

아만은 현재 시험 단계에 있는 다른 새로운 접근법이 입증하기 더 쉽고 산업 생산에 적용하기 용이할 것으로 보고 있다. 특히 오늘날 널리 사용되는 직접환원(direct reduction)이라고 불리는 방법은, 약간만 변경하면 이산화탄소 발생을 없앨 수 있다.

직접환원은 일반적으로 고체 철광석에서 산소를 제거하는 데 천연가스를 사용하는데, 이 과정에서는 용광로에서 제련하는 것과 마찬가지로 이산화탄소가 방출된다. 왜냐하면 대부분 메탄인 기체 속의 탄소가 광석 속의 산소와 반응하여 철과 분리되기 때문이다. 하지만 천연가스 대신에 수소를 사용하면 수증기가 방출된다.

스웨덴 철강기업 SSAB는 수소 직접환원 실험을 위한 대규모 시범 시설을 건설하고 있으며, 2026년경 산업 규모의 생산에 도달하는 것을 목표로 하고 있다.

카네이로는 수소를 이용한 환원법을 시도하는 철강회사들이 현재 앞서 나가고 있다는 것은 인정하면서도, 결국에는 MOE의 경쟁력이 더 클 것이라고 주장한다. 직접환원법에는 질 좋은 철광석이 필요한 반면, MOE는 저품질의 철광석으로도 반응을 일으킬 수 있기 때문이다.

하지만 철강회사들이 수소나 보스턴메탈의 MOE와 같은 전기 공정으로 전환하더라도, 이를 통해 실제 탄소 배출을 줄이기 위해서는 저렴하고 풍부한 재생에너지 전력의 공급이 필수적이다.

미국 컬럼비아 대학교(Columbia University) 연구진이 추산한 바에 따르면 전 세계 용광로 방식 철강 생산량을 모두 보스턴메탈의 MOE 공정으로 전환할 경우 이를 가동하는 데 5,000테라와트시 (TWh) 이상의 전력이 소요된다. 이는 2018년 전 세계 전력 소비량의 약 20%에 해당하는 어마어마한 양이다. 수소로 강철을 생산하는 것 또한 많은 전력을 필요로 한다.

만약 그 전기를 화석 연료를 통해 생산한다면, 제철 과정을 바꾸는 것은 결국 이산화탄소 배출 감축에 아무런 도움이 되지 않을 것이다. 그러나 만약 이러한 전기를 재생에너지를 통해 생산할 수 있다면 이는 실제 감축 목표 달성에 큰 도움을 줄 수 있다.

연구원들은 또한 이 공정이 경제성을 갖추기 위해서는 전기의 가격이 지금보다 훨씬 더 저렴해져야 한다고 말한다.

새로운 기술의 보여주는 밝은 미래에도 불구하고, 실제 탄소 배출 감축을 위해서는 아직 갈 길이 멀다. 비영리단체인 클라이밋웍스재단(ClimateWorks)의 산업 프로그램 책임자인 레베카 델(Rebecca Dell)은 “철강산업과 관련하여 사람들은 극초기 단계의 기술만 보고도 과도하게 낙관적인 전망을 하는 경향이 있다. 게다가 이 분야에도 실제로는 별로 도움이 되지 않는데도 불구하고 친환경 기술로 홍보하는 ‘그린 워싱(green washing)’이 만연해 있다.”라고 비판했다.

그녀는 “아주 작은 진전을 그보다 훨씬 큰 발전으로 착각해서는 안 된다”고 덧붙였다.

보스턴메탈이 의미 있는 규모로 녹색 철강을 생산하기 위해서는 많은 단계가 남아있지만, 적어도 카네이로는 열광적으로 이 일을 이끌고 있다. 회사의 계획을 설명하고 미래를 계획하는 그에게서는 에너지가 뿜어져 나왔다. 그는 “이것처럼 큰 기회는 또 없다고 생각한다. 엄청난 기회다.”라고 말했다.

또한 그는 “강철은 모든 곳에 쓰인다”면서 지구상 가장 큰 탄소 배출원 중 하나인 이 산업에 탄소 배출 감소를 위한 압력이 증가하고 있는 “바로 지금이 우리가 행동해야 할 때”라고 덧붙였다.

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