11주차/김지선/탄소중립/일본 탄소중립사회 실현을 위한 철강산업의 탈탄소 노력

[김지선]

일본 탄소중립사회 실현을 위한 철강산업의 탈탄소 노력

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#탈탄소 #철강 #탄소제로스틸 #일본

- 일본 정부의 탈탄소 목표 발표에 따른 탄소 배출 절감에 대한 위기의식 고조 -

- 일본 탄소 배출량의 40%가 철강산업, 해당 분야에서의 탈탄소 방안 마련이 중요 -

- 일본 정부의 다양한 지원 정책 속 탄소 배출량 삭감 기술 개발 노력 진행 중 -

일본 정부는 2020년 12월 발표한 ‘그린 성장 전략’을 바탕으로 탈탄소 사회로의 전환을 가속화하기 위한 전방위적인 노력을 펼치고 있다. 특히 스가 총리가 지난 2021년 4월 기후변화 정상회의에서 일본의 온실가스 감축 목표를 ‘13년 배출량 기준 대비 2030년까지 46%로 감소하겠다는 매우 높은 목표*를 발표함에 따라 각 산업계에서도 탄소 배출 절감에 대해 심각한 의식을 가지기 시작했다. 해당 목표는 현재 2019년 기준 CO2의 배출기준이 12억1200만 톤에서 30년 7억9000만 톤으로 감소해야 하는 것을 의미하며 이를 달성하기 위해서는 매년 4500만~5500만 톤의 배출량 감소가 필요한 것으로 계산된다.

    주*: 원래 파리협정 하 2030년 감축 목표는 13년 대비 26% 감축이었음.

해당 발표 이후 각 산업계에서는 난색을 표명하고 있지만 현재 글로벌 시장에서 지속 가능성 및 환경에 대한 인식이 중요한 요인으로 부각되고 있는만큼 이에 대해 대응할 수밖에 없다는 것이 주요 반응이다. 특히 철강산업은 주요 산업 분야 중 가장 탄소 배출량이 많기 때문에 이번 탈탄소 정책에 가장 민감하면서 중요한 위치를 차지하고 있다. 이에 정부와 주요 기업들은 철강산업의 탈탄소를 위한 다양한 정책과 방안을 마련하는데 집중하고 있다.

일본 철강산업 현황

일본 국내 철강업의 총 매출액은 2018년 기준 19조 엔, 종업원은 22만 명 규모로 2019년 기준 제조업 전체의 GDP의 8.5%인 9조6000억 엔을 차지하는 대규모 산업이다. 전 세계적인 철강산업 분야에서도 중요한 위치를 차지하고 있는데, 2019년 전 세계 조강 생산량인 18억7000만 톤 중 중국이 10억 톤인 55%를 차지하고 있으며 그 뒤를 인도 1억1000만 톤(6%), 일본 1억 톤(5%), 미국 8800만 톤(5%)가량을 생산하는 것으로 알려져 있다.

제조업의 근간을 차지하는 철강산업은 일본에서 결코 소홀히 할 수 없는 산업 분야이다. 특히 일본의 제조업에서 철강은 자동차 산업에서 주로 활용되고 있고 그 외 산업기계, 선박 등 제조업 분야와 건축 및 토목 등 건설용 자재로 사용되며 일본 산업계의 근간을 뒷받침하고 있다. 그리고 높은 기술력을 기반으로 전자 강판, 초하이텐강 등 다양한 고품질 철강 제품을 세계 시장에 공급하고 있는 상황이다. 특히 전자 강판 등은 전기 자동차 모터 등에 사용되고 있어 향후 탈탄소 산업계에서도 중요한 위치를 선점할 것으로 예상된다.

철강 용도별 비중(2019년)

구분		보통강(%)	특수강(%)
건설용		38.5	5.4
	건축	21.8	0.5
	토목	7.9	2.1
	기타	8.7	2.8
제조업		61.5	94.6
	조선	14.3	1.9
	자동차	31.2	67.2
	산업기계	5.1	20.2
	기타	10.9	5.2

자료: 경제산업성

제조업의 근간을 뒷받침하고 있는 철강산업이지만 탄소 중립의 실현을 위해서 많은 어려움을 극복해야하는 산업이기도 하다. 2019년 기분 일본의 산업별 이산화탄소 전체 배출량인 386억 톤에서 약 40%가 철강산업에서 배출됐다. 이는 일본 전체의 이산화탄소 배출량의 14%에 해당하는 규모로 일본의 탄소 중립 실현을 위해서는 반드시 철강산업분야에서의 탈탄소화가 이루어져야 한다는 것을 보여주고 있다.

산업별 이산화 탄소 배출량 비중(2019)

자료: 경제산업성

철강산업에서 탄소 배출량이 많은 원인은 고로 공정이 큰 비중을 차지한다. 고로 공정은 커다란 용광로라고 할 수 있는 고로에서 철광석의 불순물을 제거하는 사전처리 과정인 소결 공정과 석탄을 코크스로 변환하는 코크스 공정을 거친 후 커다란 용광로인 고로에서 코크스와 철광석을 불태우면서 쇳물을 만들어내는 제선 과정을 거치는데, 이 제선 과정에서 대량의 이산화탄소를 발생시킨다. 전기로 방식은 전기를 활용하여 제선 과정을 진행하여 고로 방식에 비해 이산화탄소를 적게 발생시키지만, 소형이 대부분이고 대형화가 어려운 상황이라 고로 방식을 대체하기는 어려운 것으로 알려져 있다.

고로 방식의 경우 용선의 대량 공급이 가능한 고로가 필수적인 시설로 이에 초기 설비투자가 많이 들어가며 고로의 가동을 쉽게 조절하기 어려워 생산 탄력성이 낮은 것으로 알려졌다. 그러나 원료의 높은 청정도와 고탈탄 능력으로 표면 특성과 가공성이 중요한 판재류 제품들을 만들어 낼 수 있고 대형 생산이 가능하다는 점에서 여전히 중요한 공법이다. 특히 자동차, 배터리, 전기자동차의 구동 모터 등 신기술에 필요한 철강 재료들이 주로 고로 공정을 통한 슬래브형 철강제품들에서 나온다는 점에서 고로의 친환경화가 매우 중요한 이슈로 떠오르고 있다.

전기로 방식은 철스크랩(쇠부스러기, 파쇠, 고철 등)을 원료로 쇳물 대신 전기를 사용해 철강제품을 생산하는 것으로 탄소 발생률이 낮아 비교적 친환경적인 생산 방식으로 알려졌다. 그러나 구리(Cu), 주석(Sn) 등의 잔류 원소의 완전한 제거가 불가능해 합금강이나 강도 중심의 형강, 철근 등 조강류를 주로 생산하는 것으로 알려져 있다. 또한 규모의 대형화가 아직까지 어려운 것으로 알려져 있어 대형화를 위한 기술 연구가 진행되는 상황이다. 일본에서 설치된 최대 규모 전기로는 150톤으로 알려져 있으나 고로를 대체하기 위해서는 2배 규모인 300톤 이상의 대규모 전기로가 필요한 상황으로 아직 실현되지는 못했다.

고로방식과 전기로 방식의 공정도

자료: 한국철강협회

철강 내 불순도와 산업별 필요 철강제품관의 관계

자료: 경제산업성, Jones, A.J.T.(2019)

일본의 철강산업에서 고로와 전기로의 생산 비율은 고로가 75%, 전기로가 25%에 달하고 있다. 인도나 미국에서 전기로의 비중이 점차 올라가고 있는 것과는 대비되는 모습으로 철강산업에서의 이산화탄소 배출량은 한동안 유지될 것으로 보이고 탈탄소 공급망을 구축하고 있는 유럽 및 미국에서 경쟁력 저하 문제가 나타날 수 있는 상황이다.

국가별 고로, 전기로 구성 비율

자료: 경제산업성

일본 철강산업의 탈탄소정책

제철 과정을 살펴보면, 자연상태에 존재하는 철광석은 산화철(Fe203)로 이를 석탄(코크스)을 활용해 탄소와 산소를 결합(C + 02 = C02)해 산화철을 순수한 철(Fe) 상태로 환원시켰다. 이렇게 배출되는 이산화탄소 경감을 위해 일본에서는 2013년부터 다양한 실증 실험을 진행해오고 있다. 2020년에는 ‘제로 카본 스틸(zero carbon steel)’의 실현을 위해 과제 선정 및 로드맵을 책정해 실현 노력을 진행 중이다.

그중 대표적인 프로젝트는 ‘COURSE50(CO2 Ultimatie Reduction System for Cool Earth 50)’이다. 일본 제철, JFE스틸, 코베제철소 등 주요 일본 철강회사들이 2008년부터 참여해 제철소에서 발생하는 이산화탄소의 약 30%를 감소시키는 혁신 저탄소제철 프로세스 기술을 확립을 목표로 하는 프로젝트이다. 산화철의 환원을 위한 코크스(석탄) 사용의 일부를 대체하여 ① 수소를 활용하는 철광석 환원 기술(고로수소환원기술), ② 고로 가스로부터 다량 발생되는 이산화탄소를 분리시켜 제철소 내 미사용에너지를 활용한 이산화탄소 분리 포집기술을 개발 중이다. COURSE 프로젝트를 통해 고로수소환원기술로 이산화탄소 배출량의 10%를 절감, CO2 분리회수기술로 이산화탄소 배출량의 20%를 절감해 총 30%의 절감을 목표로 하고 있다.

일본 COURSE50 기술 공정도

자료: 경제산업성

COURSE50의 기술 개발 외에도 다양한 방식으로 이산화탄소 절감을 위한 기술 개발은 진행되고 있다. 고로에 직접 외부 수소를 활용한 기술이나 코크스 대신 바이오 가스를 원료로 하는 등 메타네이션 기술 도입이 이루어지는 등 다양한 기술 개발 노력이 이루어지고 있다. 이를 통해 2030년까지 중간 규모의 고로(500m3급 이상) 공정에서 발생하는 CO2의 배출량을 최대 50%까지 감소시키는 목표를 달성하기 위해 실증 실험이 진행되고 있다.

전기로 공정에서도 새로운 기술 개발이 이루어지고 있다. 전기로에서도 직접환원로 기술을 통해 수소를 통한 환원철을 제조하는 직접환원기술 개발이 진행되는데, 이를 통해 현재 고로법과 비교해 이산화탄소 배출량을 50%까지 감소하는 기술을 개발을 목표로 하고 있다. 2030년까지 소규모 시험로(실제 규모의 1/50~1/10 규모)에서의 실증실험에서 해당 배출량 목표를 달성하고자 검증이 진행되고 있다.

또한 전기로의 문제로 꼽히는 불순물 제거나 규모의 대형화 문제를 위해 전기로의 불순물 제거 기술이나 대형화 기술 등을 개발하고 있다. 이를 위해 대형화(300t 이상) 전기로, 제품의 불순물 농도를 고로 수준까지 제어하는 기술의 개발을 진척하고 있어 2030년까지 소규모 시험 전기로(처리량 10~20t 규모)에서 실험을 진행하고 있으며 대형 전기로의 설계를 진행하고 있다.

직접환원로 및 차세대 전기로를 위한 기술 공정도

자료: 경제산업성

경제산업성에서 2021년 6월에 발표한 <제철 프로세스와 관련한 수소활용>에서는 철강산업에서의 탄소배출 목표 및 향후 로드맵을 공개하고 있다. 이산화탄소 배출과 관련해서는 신기술 개발을 통해 2030년까지 국내 약 200만 톤/년의 감소를 진행하고 2050년까지는 전 세계 약 13억 톤/년의 절감을 목표로 진행하고 있다. 또한 이로 인한 경제 파급효과로 2030년까지 약 3200억 엔/년, 2050년까지는 40조 엔/년이 발생할 것으로 예상하고 있다.

    · 2030년 목표 산출 근거: 기술도입에 따라 1기 X 조강생산량 400만 톤 X 1톤당 이산화탄소 배출량 1.5~2톤 X COURSE50로 인한 이산화탄소 절감효과(약 30% 절감)을 통해 계산된 목표

    · 2050년 목표 산출 근거: 철강산업 전체 이산화탄소 배출량 26억 톤 X 기술 개발로 인한 절감효과 50%

그리고 이러한 목표 달성을 위해서 ① 수소 밸류체인의 구축, ② 탄소포집기술 CCUS의 확립을 통한 사회 인프라 확립이 중요한 과제이다. 이를 위해 수소 밸류체인이나 메타네이션 추진을 위한 관민협의회 등 콘소시엄과의 연계를 통해 기술 간 연계를 강화해나갈 방침이다. 그리고 이를 위해서 각 기업 간의 연계 및 해외 연계를 구성하면서 발전 속도를 높여나간다는 계획이다.

철강산업 탈탄소 로드맵

자료: 경제산업성

일본 주요 기업들의 탈탄소 노력

일본의 철강산업의 주요 기업들은 탈탄소 목표를 실현하기 위해 다양한 방안을 마련하고 있다. 대표적으로 일본제철은 2021년 3월 발표한 환경대책에서 2030년까지 철 스크랩을 원료로 하는 대형 전기로를 국내에 설치해 실용화할 방침을 표명했다. 고로 방식에 비해 전기로는 이산화탄소 배출량을 1/4 정도로 감소시킬 것으로 기대되고 있다. 또한 코크스 대신 수소를 활용하는 생산기술을 개발, 적용하는 등 생산체제를 탈탄소 시대에 맞춰나갈 것을 발표했다.

대형 전기로는 400만 톤에 육박하며 일본 제철이 보유한 고로에 필적하는 것으로 알려졌다. 현재 일본에서는 도쿄제철이 보유한 아이치현의 타하라 공장이 250만 톤으로 가장 큰 전기로로 알려져 있다. 이를 위해 유럽 아르셀로 미탈과 협력한 미국 아라바마주의 공장에 새롭게 전기로의 가동을 진행할 계획이다. 미국에 설치되는 전기로는 약 150만 톤으로 투자액은 800억 엔 규모이다. 일본 내에 대형 전기로를 설치할 경우 이를 상회하는 대규모일 것으로 예상된다.

고로에 비해 전기로는 불순물 제거가 어려운 한계를 가지고 있기 때문에 이를 극복하기 위해 기존의 고장력 강판인 하이텐강보다 더 강도가 높은 ‘슈퍼 하이텐강’이나 전기자동차(EV)의 모터에 활용되는 전기강판 등 고성능 강재를 전기로로 생산할 수 있는 기술을 확립하고자 노력하고 있다. 이와 관련해 일본제철의 스즈키 히데오 상무는 ‘해당 기술을 확보하면서 대형 전기로로 단계별 이동을 준비하는 중’이라고 말하고 있다.

환경에의 대응 및 기업 수익성 강화를 위해 일본 제철은 시설 통합을 단행하고 있다. 20년 히로시마현 구레시의 세토우치 제철소의 폐지 발표에 이어 2021년 3월 이바라키현 카시마시의 동일본제철소 카시마 지구의 고로 시설 1기를 25년 3월까지 휴지하는 것을 발표하는 등 시설 정비를 단행하고 있다. 동일본제철소의 휴지로 인해 협력회사 포함 전체 1만 명 규모의 인력도 정리 등의 영향을 받는 것으로 알려졌다. 일본 근대화의 주역이었던 일본제철은 시설의 노후화 및 현장과 경영진 간의 정보 공유의 어려움 등의 요인으로 생산성은 떨어지고 수리비용은 증가하는 상황에 직면하고 있다. 거기에 정부의 탈탄소 정책까지 영향을 미치며 생존 위기를 느끼고 있는 일본 제철은 기업 합리화를 단행하고 있다.

동일본 제철소 카시마 지구 제3 고로

자료: 닛케이

고베 제강의 경우 환원철 기술에 집중하며 탈탄소 제철을 실현하고자 노력하고 있다. 고베 제강은 환원철을 굳인 ‘핫 브리켓 아이언(HBI)’를 사용한다. HBI는 철광석에 천연가스를 사용해 산소를 제거해 고로 안에서 이산화탄소를 발생시키지 않는다. 이로 인해 철광석과 코크스 사용량을 감소시킬 수 있었다. 실증 실험에서는 용해된 철 1톤당 코크스 투입량을 518kg에서 415kg까지 감소시키는 데 성공했다. 또한 이산화탄소의 배출량을 20% 정도 절감하는데 성공했다.

고로법상 코크스를 줄일 경우 고로의 내부 상태가 불안정해지고 온도의 관리가 어려워지는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 고베 제강은 인공지능(AI)을 도입해 적은 코크스로도 적절한 용해를 유지하는 기술을 확립했다. 이를 통해 탄소배출량의 20% 정도를 감소한 것은 세계적으로 선진적인 기술이라고 해당 연구를 진행한 철강 알루미늄 사업부분 노자와 켄타로우 기술 개발 선터장은 자부하고 있었다.

고베제강의 HBI 이용 기술

자료: 닛케이

코크스와 관련해서 ‘페로 코크스’라고 불리는 용매의 제조시설도 눈에 띈다. 해당 시설은 JEF스틸과 일본제철, 고베 제강 등이 공동으로 연구를 진행하는 시설로 저품질의 철광석과 석탄을 원료로 분쇄, 건조, 성형 등의 공정을 통해 ‘페로 코크스’를 생산한다. 현재 해당시설에서 1일 300톤의 생산이 가능하며 코크스 대신 고로에 투입할 경우 이산화탄소 배출을 절감할 수 있다. 현재 10%의 이산화탄소 배출량 절감을 목표로 연구가 진행되고 있다.

페로 코크스가 철광석 층에 투입될 경우 촉매 반응 속도가 올라가며 기존보다 짧은 시간에 환원 반응을 끝낼 수 있다. 또한 코크스 사용량을 줄이며 전반적인 에너지 소비도 억제되는 것으로 알려졌다. JFE스틸은 2030년까지 페코 코크스를 하루 1500톤 생산할 수 있는 체제를 정비하고 상용화를 목표로 하고 있다.

<시사점>

철강산업에서의 탈탄소는 산업혁명 수준의 개혁이 될 것으로 보인다. 현재 주력으로 활용되는 고로 방식은 14~15세기 독일에서 원형이 탄생되어 간단한 구조로 철강을 대량으로 생산할 수 있기 때문에 현대의 주류방법으로 자리 잡을 수 있었다. 몇세기 동안 주요 기술로 자리잡았던 철강 제조기술을 변화시키는 것은 엄청난 변혁을 가져올 것이며, 수소 제철 등을 위한 수소 인프라 정비를 위해 막대한 투자가 소요될 것으로 예상된다. 아르셀로 미탈도 관련 인프라 정비 등을 포함해 전체 2000억 유로(25조 엔) 규모의 비용이 소요될 것으로 추산된다. 그러나 현재 고로 시설 자체도 정기적으로 수백억 엔의 보수 비용이 들고 있는 만큼 수소제철을 위한 투자 재원 확보는 쉬운 일은 아닐 것으로 예상된다.

일본 내에서도 새로운 기술에 대해 산업계 차원에서 대응해야한다는 목소리가 높다. 일본제철은 ‘수소 제철법 실현에 연구 개발에 5000억 엔, 시설의 구현에 4조~5조 엔이 소요될 것’으로 발표하며 산업 관계자들에게 큰 충격을 안겨주기도 했다. JFE스틸의 키타노 요시히사 사장은 ‘단일 회사에 진행하는 것은 한계가 오고 있다’고 밝히며 산업계, 국가 차원이 필요하다고 설명하고 있다.

철강산업에서의 탈탄소는 향후 탈탄소 목표 달성뿐만 아니라 제조업계 전반, 그리고 경제 전체에도 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 실제 일본제철의 동일본제철소 카시마 지구의 휴지로 인해 카시마 시의 5000명 정도의 인구가 감소할 것이라는 위기감과 실업문제가 발생하고 있는 것으로 알려졌다. 철강산업에서의 기술 변화는 구조의 변화로 경제 산업 전반에서의 영향을 미치며 나아가 향후 전기 자동차 등 첨단 산업에서의 공급만 재구축에도 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.

중국, 일본과의 경쟁을 지속하고 있는 한국 철강산업도 새로운 탈탄소 기술 개발을 위해 노력이 필요하며 이를 위한 다양한 지원 정책이 필요할 것으로 예상된다. 또한 새롭게 변화하는 공급망과 고급형 제품의 수요들을 면밀히 모니터링하며 변화하는 제조업 시장에 대응해나가야 할 것으로 보인다.

자료: 경제산업성, 닛케이, 한국 철강협회 등 KOTRA 오사카 무역관 자료 종합

의견 : 기술이 더 나은 방향으로 가기 위해서는 재정 투입이 불가피하다. 자본이 투여되는 만큼 이산화탄소의 배출이 줄어들었으면 하는 바램이다. 일본의 탄소감축목표가 다소 큰 것 같지만 목표 달성을 위해서 꾸준히 기술력이 개발되었으면 좋겠다. 연구. 기술은 우월한 나라이니까 그렇게 될 수 있을 거라 생각한다.