강윤배 포스텍 교수가 좌장을 맡은 COOLIT 2025 DAY2의 첫 번째 순서인 세션4에서 얀 프리데만 플라우(Jan Friedemann Plaul) 프라이메탈스 철강 및 에코솔루션 총괄은 ‘제철 전환 : 전력 기반 철강 생산 전환 경로’라는 주제로 강연을 진행했다.

플라우 총괄은 “탈탄소화 기술 비중은 현재 26%에서 2050년까지 60% 이상으로 증가할 것”이라며 “이는 저탄소 철강 생산량이 8억5000만 톤 이상 늘어난다는 의미”라고 발표를 시작했다.

이어 “기존의 석탄 기반 고로 방식에서 벗어나 CCUS 및 수소 기반 기술 등으로 변화할 것”이라고 강조했다.

플라우 총괄은 “넷제로(Net Zero) 전환을 위한 공정 경로는 크게 4가지로 나뉜다”며 “여기에는 ▲탄소 기반 기술 ▲수소/천연가스 기반의 탈탄소화 기술 ▲스크랩 기반 기술이 포함된다“고 설명했다.

먼저 탄소 기반 기술은 저·중품위 철광석을 사용한다. 고로 방식에서 사용되는 기존 공정을 그대로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

두 번째 수소/천연가스 기반 기술은 고품위 철광석을 활용한다. 펠릿화 한 후 DRI 과정을 거쳐 EAF나 전기용융로에서 제강하는 방식이다.

세 번째 스크랩 기반 기술은 스크랩을 재활용해 EAF로 재용해한다. 여기에 업사이클링 및 선별 기술로 불순물을 제거하면 고품질 강재 생산이 가능해진다.

플라우 총괄은 스크랩은 탄소발자국을 줄일 수 있는 방법이지만 가용성과 품질 측면에서 한계가 병존한다고 지적했다.

그는 “철강 제품이 스크랩으로 다시 제철소에 돌아오기까지 보통 20~30년이 소요되기 때문”이라며 “향후 스크랩 가용량은 증가할 것으로 예측되지만 대부분 중국에서 발생할 것”이라고 봤다.

더 많은 비중의 스크랩 사용이 가능해질 것으로 보이지만 스크랩 가격은 높은 수준에서 유지된다는 설명이다. 또한 고품질 철강을 생산할 때 불순물이 함유돼 100% 스크랩만을 활용하기에는 무리가 있다.

이어서  녹색 철강 전환 경로를 위한 두 가지 EAF 설비를 소개했다.

첫 번째는 얼티메이트 전기로(EAF Ultimate)다. 이는 원료 사용의 유연성이 높다는 점이 큰 강점으로 꼽힌다. 이는 유럽 주요 철강사들이 해당 기술을 도입하려는 가장 큰 이유이기도 하다.

구체적으로는 스크랩은 바스켓 단위로, DRI는 바스켓 단위 또는 연속투입이 가능하다. 제한적인 조건 아래 HBI도 투입할 수 있다.

이와 관련해 유럽 내 주요 철강사들은 고급강과 자동차 강판 생산을 위해 해당 설비를 도입 중이다. 이들은 기존 BOF 옆에 EAF를 병행설치해 점진적으로 전환하는 방식을 채택했다.

독일 잘즈기터(Salzgitter)는 ‘SALCOS®’로 명명한 대규모 그린 철강 전환 프로젝트를 통해 자동차 강판을 생산하기 위한 연산 190만 톤 규모의 전기로 설비를 갖추고 있다. 해당 프로젝트는 2033년까지 3단계로 나눠 진행한다. 최종적으로 210만 톤의 DRI 플랜트와 190만 톤 EAF를 갖추는 것이 목표다.

오스트리아 뵈스트알피네 린츠(Lin) 공장에도 연산 165만 톤 규모의 EAF가 들어선다. 2030년까지 기존 일관제철소를 그린 철강 생산 체계로 전환할 계획이다. 소음 이슈를 해결하기 위해 콘크리트 건물, 가스 덕트 단열 처리 등 소음 완화 대책을 적용한 점이 이목을 끈다.

독일 딜링거 휘테(Dillinger Hütte)도  연산 190만 톤 규모의 EAF 설비를 도입하고 있다. 이는 집진 및 폐열 회수 시스템도 포함된다.

증기를 자체 생산해 외부 전력 의존도가 거의 없는 기존 일관제철소와 달리 막대한 전력을 외부에서 조달 해야하는 전기로의 경우 제철소 내부에서 발생하는 에너지를 최대한 활용하는 것이 중요하다. 따라서 유럽에서는 폐열 회수 설비가 의무화 되는 추세이기도 하다.

두 번째는 퀸텀 전기로(EAF Quantum)로 스크랩 예열에 최적화된 샤프트형 전기로다. 100% 스크랩을 활용할 수 있고, 매우 빠른 용해 속도와 낮은 전력 소비로 탁월한 성능을 자랑한다.

전력소비 수치를 살펴보면 전통적인 전기로의 벤치마크는 톤당 350kWh 정도인 반면 QUANTUM 전기로의 경우 300kWh 미만 까지 낮출 수 있다.

완전 자동화 공정을 통해 현장에 작업인력을 두지 않는 것도 매우 혁신적이다. 아울러 최저 에너지 소비량으로 탁월한 성장성과 생산성을 갖췄다. 얼티메이트 전기로와 마찬가지로 해당 설비에서도 집진 시스템과 폐열 회수 시스템이 포함된다.

이는 멕시코, 방글라데시, 중국 등 전세계에 총 15기가 설치돼 있다.중국에서는 퀸텀 전기로를 EPS 플랜트와 연속주조 및 압연 설비와 결합한 사례도 있다.

최근에는 중국 허베이 쥰러(Hubei Shunle) 제철소에서 일일 50회 조업 기록을 달성해 세계 신기록을 달성한 바 있다.

다음으로는 전기용융로(Smelter)에 대해 설명을 이어갔다. 이는 전세계에 분포한 수많은 저품위 철광석을 활용하기 위한 방안 중 하나로 지목된다.

이는 기존 제강·압연 등 하류 설비와 표준화된 품질 체계를 유지하면서 상류 공정만 바꾸면 된다는 장점이 있다. 특히 자동차 강판이나 표준화 및 품질 관리가 엄격한 제품을 생산하는데 유리하다.

전기용융로(Smelter)는 ▲철광석 완전 용해 ▲슬래그 내 산화철 환원 ▲일정 수준 탄소 주입 등 세 가지의 핵심과제가 있다.

아크 가열, 저항 가열 등 다양한 운전모드를 바탕으로 한 테스트를 통해 고수율, 일정한 탄소수준 등 안정적인 결과를 확보했다. 대형화될수록 열역학적 안정성이 높아지므로 상업 규모에서도 충분히 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

초미분 철광석, 소결광 등을 활용하기 위한 유동층 환원테스트도 진행 중이다. 이와 관련해 포스코와 HyREX 기술을 공동 설계하고 있다. 또 MIDREX, HYFOR 등 펠릿·소결광·미분광 등의 원료와 천연가스·수소 등 환원제 조합에 따른 다양한 포트폴리오를 보유하고 있다.

플라우 총괄은 “결국 핵심은 모두 전력문제로 귀결된다”며 “DR-Smleter-EAF 결합의 경우 약 4820kWH가 요구된다”고 강조했다.

이어 “따라서 안정적이고 강력한 전력망 확보가 최대 과제로 전망되는 가운데, 간헐성이 큰 재생에너지를 보완할 수 있는 에너지원이 필요하다”고 문제를 제기했다.

결론적으로 “철강산업의 녹색전환은 전기로, 전기용융로 두가지 축을 중심으로 추진될 전망”이라며 “EAF는 다양한 원료 투입과 효율성 확보, Smelter는 저품위 광석 활용과 순환경제적 부가가치 창출 등 각자의 장점을 지닌다”고 말했다.

이어 “특히 용융로는 저품위 철광석을 활용할 수 있어 아시아 지역의 필수적인 해법이 될 것”이라며 “두 기술 모두 탄소중립을 위한 핵심 경로로 자리매김 할 것”이라고 덧붙였다.