저탄소 금속 산업을 향한 변화

2023년에 금속 산업의 특별한 전시회가 열린다. 2023년 6월 12일부터 16일까지 독일 뒤셀도르프에서 “빛나는 금속의 세계(The bright world of metal)”를 슬로건으로 한 GIFA(세계 주조 전시회 및 기술 포럼), METEC(세계 야금 전시회 및 국제회의), THERMPROCESS(열처리 기술 전시회 및 심포지엄), NEWCAST(세계 캐스팅 전시회 및 뉴캐스트 포럼) 2023이 개최된다. 네 전시회를 묶어 GMTN이라 부르며, GMTN에 전세계 철과 알루미늄 업계, 주물공장과 금속 작업 분야의 기업 및 장비 업체들이 한 자리에 모인다. 업계를 선도하는 네 개의 전시회에서 알루미늄, 구리와 철 등의 금속 제품을 기후 변화에 대응하는 방식으로 생산하고 가공하는 기술이 전시회의 주요 주제로 다뤄진다. 전시회에서는 AI를 활용한 에너지 절감으로부터 수소 기술과 탄소 대체 기술까지 다양한 혁신을 볼 수 있다. 2022년 9월 20일부터 22일까지 뒤셀도르프에서 열린 decarbXpo(디카브엑스포, 독일 뒤셀도르프 탈탄소전시회)에서 이미 탄소 저감을 향한 다양한 방법이 제시된 바 있다. 탄소 저감과 그린 스틸 트렌드에 대한 본 기사는 탄소 저감 자체와 관련된 여러 가지 과제를 소개하려 한다.

늦어도 2050년까지 기후 중립성을 달성하기 위해 금속 업계는 금속 산업 역사상 가장 큰 변신을 앞두고 있다. 용융, 어닐링, 템퍼링과 금속 홀딩 등에 쓰이는 용광로가 소비하는 에너지만 해도 독일에서 산업용으로 쓰이는 에너지의 약 40%에 이른다. 전체 온실 가스의 약 20%는 제조업에서 배출되며 이는 매년 무려 2억 톤의 이산화탄소에 해당하는 수치이다. 따라서 에너지와 자원 효율성 등의 전통적 지속가능성 주제와 함께 산업 간 이산화탄소 저감과 이산화탄소 발생 억제가 업체들의 최우선 과제가 되었다.

탈탄소화를 향해 가는 길은 업종에 따라 다르다. 예를 들어 디지털 기술의 사용은 생산 과정에서 가장 큰 잠재력을 갖고 있다. 컨설팅 회사인 액센추어가 실시한 500대 기업 대상 연구에 따르면, 생산 과정의 디지털화를 가속화하는 것으로 2030년까지이산화탄소 61메가톤을 줄일 수 있다고 한다. 이것 만으로는 금속 생산 같은 분야에 큰 변화를 일으킬 수는 없다. 철강산업은 이산화탄소 배출 제로를 위한 수소와 재생에너지 기반 신기술 도입이라는 엄청난 과제에 직면해 있다.

새로운 전시회 decarbXpo (디카브엑스포, 탈탄소산업전시회)

지난 9월 20일부터 22일까지 뒤셀도르프에서 개최된 decarbXpo 전시회는 기후 중립성을 이루기 위한 현실성 있는 방법을 제시하고 시장 출시가 가능한 기술들을 선보였다 메쎄 뒤셀도르프는 에너지 집약적 산업은 물론 에너지 프로세싱, 공급 분야에서 미래를 준비하는 모든 산업과 기업에 decarbXpo 전시회가 도움을 줄 것으로 전망한다. 에너지 저장 시스템은 계속해서 이 전시회의 중요한 일부가 될 것이다. 에너지 저장 시스템은 최대 용량 관리나 에너지 공급 안정성과 관련하여 기업들의 에너지 비용을 줄이는데 특히 중요한 역할을 담당한다.

금속 산업의 만남의 장: 빛나는 금속의 세계 2023

금속 산업은 산업 분야 중에서도 이산화탄소를 많이 배출하는 업계이다. 철강과 알루미늄 산업만 해도 글로벌 이산화탄소 배출량의 8%를 차지한다. 독일에서 산업 시설 이산화탄소 배출량의 약 30%가 철강 산업에서 나오며 이는 전체 배출량의 무려 6%에 이르는 양이다. 이 산업 네트워크에서 이산화탄소를 가장 많이 배출하는 부분은 강철의 원료인 선철 생산용 코크스 용광로다.

철 생산공장과 알루미늄 생산 업체, 주물 공장과 금속 가공 업체들은 생산에서 비교적 많은 양의 이산화탄소를 배출한다. 높은 전기료, 가스와 유류의 에너지 비용 상승 및 에너지 변화와 기후 위기, 우크라이나 전쟁 등의 다양한 원인으로 인해 이들 기업의 부담은 가중되고 있다.

2023년 6월 12일부터 16일까지 뒤셀도르프에서 열리는 GIFA, METEC, THERMPROCESS와 NEWCAST는 금속 분야의 새로운 트렌드와 금속 공학 기계와 장비 기업들이 내놓은 혁신적인 제품과 기술 등을 선보일 것이다. <빛나는 금속의 세계> 전시회는 철과 강철, 알루미늄과 마그네슘, 구리, 아연 및 비철금속의 모든 생산 루트와 가공 방법을 다룬다. 네 전시회 중 통상 GIFA가 다루는 주물 산업 참가사가 전시회 관람 포인트가 될 것이다.

기후 변화는 금속 업계를 딜레마에 빠뜨렸다. 금속 산업은 기후 문제의 원인이기도 하고 해결책이기도 하기 때문이다. 풍력과 태양광 발전, 경량 자동차 생산 및 e-모빌리티, 마이크로칩을 이용한 전자 제품 및 수퍼 컴퓨터와 로봇에 이르기까지 금속이 쓰이지 않는 분야는 없다. 철과 강철, 알루미늄과 구리, 망간, 마그네슘, 니켈, 그리고 리튬과 희토류 등은 원료임과 동시에 생산 전 단계에서 필수불가결한 요소이다. 주조, 절삭, 단조와 스탬핑과 같은 기본적이면서 형태를 부여하는 프로세스와 용접, 드릴링, 절삭과 같은 생산 기술과 제조 자체는 금속 생산 및 가공에 관련된 성숙한 기술이며 이들을 제외한 금속 산업 밸류 체인은 상상할 수도 없다.

원료에서 재활용에 이르는 “순환 사이클 전체”에서 금속은 그 성격상 순환 경제의 없어서는 안 될 원동력이다. 실제로 다양한 제품에서 고순도로 분리된 금속은 2차 원료로 거의 무한정 재사용될 수 있다. 광물로부터 생산된 1차 금속보다 훨씬 낮은 비용과 적은 에너지가 필요하며 이산화탄소 배출량도 적다. 그러나 2050년까지 광물로부터 만드는 금속 생산도 역시 기후 중립적으로 만들려면 업계 전반에 걸쳐 새로운 프로세스 루트를 반드시 개발해야 한다.

기후 논쟁의 중심에 선 강철 생산 업체

강철 산업은 기후 논쟁에서 ‘주범’으로 지목되고 있다. 용광로를 사용하는 강철 산업은 이미 이산화탄소 저감 측면에서 최적화된 프로세스 파라미터로 운영하고 있다. 기후 중립성과 온실 가스 배출의 급격한 감소는 비용이 많이 들어가는 기술 변화로만 이룰 수 있다. 코크스를 수소 및 재생 에너지원에서 나온 전력으로 대체하고 순환 경제를 더욱 확장해야 한다.

무엇보다도 먼저 제철소의 용광로를 수소 기반의 직접 환원 방식(DRI 루트)으로 바꿔야 한다. 코크스를 이용하는 용광로와는 달리, 수소 기반의 직접 환원 방식은 직접 환원 공장에서 수소를 이용하여 철광석의 산소 성분을 환원한다. 용광로에서 용융 선철이 아닌 소위 직접 환원철이라고 불리는 고체 해면철을 생산하고 이를 제강 원료로 투입하는 것이다. 수소는 석탄을, 재생 에너지는 화석 연료를 대체한다. 이 생산과정의 부산물은 이산화탄소가 아닌 물이다.

이산화탄소를 많이 배출하는 철강 산업은 탈탄소화에서 매우 유리한 입장에 있다. 1톤의 그린 수소를 사용하면 기존의 석탄 기반 용광로 사용 시보다 26톤의 이산화탄소를 적게 배출할 수 있다. 최근 부퍼탈 연구소가 탈탄소 산업에 관한 보고서에서 강조한 것처럼 철강 산업은 수소 경제 건설을 담보할 수 있다.

독일 철강협회에 따르면 독일의 조강 중 약 30%는 아크로에서, 70%는 용광로에서 생산된다. 아크로가 사용하는 전기를 재생 가능한 에너지로만 얻을 수 있다면 전기로강은 이론적으로 기후 중립적인 해결책이 될 것이다. 그러나 고철 부족이나 그린 전기 공급 부재만이 이러한 해결책의 실행을 막고 있는 것이 아니다. 모든 그레이드의 강철 제품을 고철로만 생산할 수는 없기 때문에 금속공학적인 측면에서 보면 제강에서 철광석은 대체 불가능한 원료이다.

오늘날 제강의 문제는 용광로에 쓰이는 석탄에 있다. 전통적인 용광로에서 철광석 속의 산소는 코크스를 환원제로 하여 추출되며 환원된 철강석에 첨가제를 부가하면 용융 상태의 선철이 된다. 이와 동시에 진행되는 화학적 프로세스에서 뜨거운 공기가 주입되고 철광석 속의 산소가 코크스와 반응하여 이산화탄소를 생성한다. 이어 컨버터에 산소를 주입하여 탄소, 규소, 황과 인 등의 불필요한 부산물을 제거하는 방법으로 용융 선철을 정화하면 강철이 생성된다. 조강 1톤은 약 1.7톤의 이산화탄소를 배출하며, 이 중 90%는 용광로에서 나온다.

그러므로 제철에서 탈탄소란 석탄을 다른 환원제로 대체하는 것이다. 이론적으로, 재생가능한 에너지원 또는 유기 폐기물로부터 얻은 바이오 코크스를 사용해도 된다. 그러나 공급량 문제로 인해 이는 주물 공장에서 소량의 주철을 생산할 경우에 적합하다.

기후 중립적인 강철 생산으로의 변화

대기 중의 이산화탄소 농도를 줄이기 위해 탄소의 포집 및 저장(CCS)을 2045년까지의 임시 해결책으로 논의 중이다. 그러나 독일 같은 나라에서 이 해결책은 아직까지 큰 호응을 얻지 못하고 있다. 현재로서는 탄소의 포집 및 사용(CCU)이 더 현실적이다. 여기서 이산화탄소는 단순히 온실가스가 아니라 화학 공업의 원료로 여겨진다. 예를 들어 티센크룹은Carbon2Chem 프로젝트에서 금속 처리에서 나오는 가스를 화학 공장에서 사용하고 있다. 이를 통해 철강 생산과 화학제품 생산 양쪽에서 이산화탄소 배출을 줄인다.

당분간 중간 과정의 해결책으로 논의되고 있는 또 한가지 방법은 직접 환원에 천연 가스를 이용하는 것이다. 그러나 직접 환원 플랜트들은 이 방법을 쓰려면 수소 도입에 대한 대비가 되어 있어야 한다. 천연 가스에서 생산된 그레이 수소도 일정 기간은 허용될 것이다. 기존 용광로에 기후 중립적인 수소를 주입하는 방법도 기존 플랜트에서 이산화탄소를 당장 줄이는 방법이 될 수 있다.

그러나 목표는 단순히 생산 과정의 이산화탄소 저감이 아니라 CO2 발생 최소화 조치와 함께 동시에 잔여 이산화탄소량을 보상하는 조치를 함께 실시하는 것이다. 이는 재생가능에너지로 얻은 수소로 철광석을 직접 환원하는 방법으로만 가능하다. 

금속 산업과 철강 분야의 혁신적인 프로세스를 2023년 6월 12일부터 16일까지 뒤셀도르프에서 열리는 GIFA, METEC, THERMPROCESS, NEWCAST에서 만나볼 수 있다. 메쎄 뒤셀도르프의 ecoMetals 캠페인은 해당 산업의 환경 보호를 향한 노력을 널리 알림과 동시에 혁신적이고 환경친화적이며 지속가능한 기술에 투자하는 기업들을 홍보하는 기회가 될 것이다.

업계와 기업 뉴스 및 기타 자세한 정보는 www.tbwom.com에서 얻을 수 있다.

저자: 게르트 크라우제, 메디아콘쳅트(뒤셀도르프)

전 세계 금속 산업을 총망라한 GMTN 2023이 오는 6월 12일 - 16일에 독일 뒤셀도르프에서 개최된다. GMTN은 주조전시회 GIFA(기파), 야금전시회 METEC(메텍), 열처리전시회 THERMPROCESS(썸프로세스), 캐스팅전시회 NEWCAST(뉴캐스트)를 일컫는다.

전시회 방문 희망 시, 공식홈페이지(www.gifa.com)에서 입장권을 구매하면 된다. 전시회 참가 및 참관 문의는 전시회 공식한국대표부 라인메쎄(02-798-4343, info@rmesse.co.kr)로 연락하면 된다.