다가오는 위기 철강 제작: 철강의 한계, 대체하는 혁신 기술, 화석 연료 없는 강철, 분산형 제작

다가오는 위기 철강 제작: 철강의 한계, 대체하는 혁신 기술, 화석 연료 없는 강철, 분산ㅁ형 제작

 

 

건설 현장을 떠올릴 때 가장 먼저 생각나는 재료는 무엇인가요? 아마도 묵직한 콘크리트와 그 속을 촘촘히 메우는 차가운 강철일 것입니다.

그동안 기후 위기와 친환경 건축 논의에서 단골로 비판받아 온 것은 시멘트와 콘크리트였습니다. 실제로 에너지 집약적인 시멘트 생산은 전 세계 온실가스(CO₂) 배출량의 약 8%를 차지하며 대표적인 탄소 배출원으로 지적받아 왔습니다.

 

하지만 수많은 사람이 간과하고 있는 사실이 하나 있습니다. 철강(Steel) 역시 글로벌 탄소 배출량의 약 8%를 차지하며, 콘크리트에 못지않은 거대한 기후 위기의 주범이라는 점입니다.

다행스러운 소식은, 이 거대한 철강 산업이 지금 조용하지만 지각변동에 가까운 급진적 변화를 겪고 있다는 사실입니다. 웅장한 화염과 석탄 연기를 내뿜던 거대한 용광로(고로)의 시대가 저물고, 전기화(Electrification)와 수소(Hydrogen), 그리고 분산형 디지털 시스템을 기반으로 한 '친환경 철강의 시대'가 열리고 있습니다.

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1. 콘크리트 뒤에 숨은 탄소 공룡, 철강의 한계

전통적인 제강 공정은 원광석에서 산소를 제거해 순수한 철을 얻어내는 '환원 과정'을 거칩니다. 이 과정에서 유연탄(석탄)을 연료이자 환원제로 사용하기 때문에, 막대한 양의 이산화탄소가 부산물로 배출될 수밖에 없었습니다.

기존의 전통적인 제철 방식이 가진 구조적 한계는 명확합니다.

• 막대한 자본과 지속 가동의 강요: 전통 용광로는 한 번 불을 지피면 멈출 수 없어 24시간 내내 대량의 석탄을 태우며 연속 가동해야 합니다.
• 높은 경직성: 재생에너지처럼 전력 공급이 변동하는 현대 에너지 시스템과 유연하게 결합하기 어렵습니다.
• 압도적인 탄소 배출: 철강 1톤을 생산할 때 평균 1.8~2톤에 달하는 CO₂가 발생합니다.

그러나 최근 야금학(Metallurgy)과 스타트업 생태계에서는 이 오래된 산업의 패러다임을 뿌리째 흔드는 신기술들이 속속 등장하고 있습니다.

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2. 용광로를 대체하는 혁신 기술: 일렉트라, 보스턴 메탈, 헤르타 메탈스

최근 이코노미스트(The Economist) 보도 등에서 조명받는 일렉트라(Electra), 보스턴 메탈(Boston Metal), 헤르타 메탈스(Herta Metals) 같은 혁신 기업들은 기존보다 훨씬 적은 에너지로 원광석에서 철을 분리하는 전기도 기반 기술을 개발 중입니다.

[친환경 제강 혁신 기술 3가지 흐름]

1. 일렉트라 (Electra)
   - 전해 기법인 '전기승리(Electrowinning)' 변형 활용
   - 저온 환경에서 전기를 이용해 광석에서 철 추출

2. 보스턴 메탈 (Boston Metal)
   - 용융염 전해(Molten Oxide Electrolysis) 기술 활용
   - 탄소 환원제 없이 전격적인 전기화로 순수 철 분리

3. 헤르타 메탈스 (Herta Metals)
   - 단일 단계 전기 아크로(EAF) 중심의 화학 환원 공정
   - 원광석을 곧바로 용융강으로 전환하여 에너지 단계 단축

이들 신기술의 핵심은 탄소를 줄이는 것(Decarbonization)입니다. 여기서 중요한 점은 철강이라는 재료 내부의 탄소 성분을 없애는 것이 아니라, 제조 및 정제 과정에서 배출되는 탄소를 획기적으로 줄이거나 없앤다는 의미입니다.

이러한 신기술들은 기존 용광로에 비해 훨씬 모듈화되어 있고 소규모 배치가 가능합니다. 덕분에 태양광이나 풍력 같은 재생에너지의 간헐적 전력 생산 패턴에 맞춰 공정을 민첩하게 가동하거나 멈출 수 있어, 현대의 지능형 전력망(Smart Grid)과 유연하게 맞물립니다.

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3. 실전 투입되는 화석 연료 없는 강철: HYBRIT와 스테그라(Stegra)

연구실 안의 기술에 그치지 않고, 이미 기가(Giga) 규모의 산업 현장에 적용 중인 대표적 사례가 바로 스웨덴의 HYBRIT 이니셔티브입니다.

스웨덴 HYBRIT 프로젝트 핵심 요약

• 참여 기업: SSAB(철강), LKAB(광산), Vattenfall(에너지)의 합동 이니셔티브
• 핵심 원리: 석탄 대신 100% 재생에너지로 만든 친환경 수소(Green Hydrogen)를 환원제로 사용
• 부산물 차이: 기존 CO₂ 배출 대신 오직 '수증기(H₂O)'만 배출
• 환경적 파급력: 스웨덴 전체 철강 산업 CO₂의 1/3 제거, 국가 전체 배출량의 10% 감축 효과

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HYBRIT의 기술로 생산된 '화석 없는 강철(Fossil-free Steel)'은 이미 실제 건축 시공 파이프라인과 자동차 제조 파일럿 프로젝트에 공급되고 있습니다.

더불어 스웨덴 보덴(Boden)에 위치한 스테그라(Stegra, 구 H2 Green Steel)는 기가 스케일의 전해조를 갖춘 완전 통합형 친환경 제철소를 구축했습니다. 재생에너지 발전, 친환경 수소, 디지털 운영이 결합한 이 신설 공장은 기존 방식 대비 연간 700만 톤 이상의 CO₂ 배출을 절감하는 성과를 거두고 있습니다.

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4. 분산형 제작과 디지털 생태계: 건설 현장의 판도가 바뀐다

친환경 철강 기술의 발전은 제철소 울타리 안에서만 머물지 않고, 건축의 설계와 시공 생태계 전체를 재편하고 있습니다.

특히 고철(Scrap) 재활용에 강점을 지닌 전기 아크로(EAF, Electric Arc Furnace) 기술의 확산은 거대한 중앙집중식 거점 제철소에서 지역 분산형 생산 체제로의 전환을 의미합니다. EAF는 전통 용광로보다 훨씬 작고 민첩하여 건설 현장 근처나 지역 거점에 유연하게 배치할 수 있습니다.

💻 디지털 통합이 만들어내는 자재 절감 선순환

• Tekla PowerFab 등 디지털 제작 플랫폼: BIM(건축 정보 모델링) 데이터와 실제 제작 공정을 직접 연결하여 설계-디테일링-제작 간 오차를 극소화하고 재료 낭비를 줄입니다.
• DfMA(제조 및 조립 설계) 전략: 공장에서 미리 고밀도로 제작하여 현장에서는 조립만 수행하는 방식으로 자재 소모와 인력 비용을 최적화합니다.
• ETO(Engineering-to-Order) 시스템: DPR Construction과 같은 첨단 건설사들은 맞춤형 주문 시스템을 도입해 과잉 생산과 폐기물에 수반되는 엠보디드 탄소(Embodied Carbon)를 크게 줄이고 있습니다.

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5. 건축가에게 주어진 새로운 도전과 기회

이러한 급격한 변화는 건축가와 디자이너들에게 커다란 숙제이자 새로운 기회를 동시에 선사합니다.

| 도전 과제 (Complexity) | - 다양한 '친환경 강철' 인증과 제조 방식의 난립으로 재료 스펙 선정의 복잡성 증가 |

- 전력원, 공급망, 생산 방식에 따라 실제 탄소 발자국이 달라지므로 세밀한 검증 필요 |
| 새로운 기회 (Opportunity) | - 구조 시스템을 근본적으로 바꾸지 않고도 건물의 수명주기 평가(LCA) 성능을 극적으로 개선

- 수동적인 재료 소비자가 아닌, 탈탄소재 제조 생태계에 직접 개입하는 주체로 도약 |

과거의 건축가들은 제철소에서 만들어져 나오는 규격화된 강재를 가져다 쓰는 수동적 위치에 머물렀습니다. 하지만 모듈화, 전기화, 디지털 통합 기법이 발달한 지금, 건축가들은 재료의 생산 단계부터 탄소 발자국을 추적하고 최적화하는 적극적인 협력자로 거듭나고 있습니다.

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6. 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1. 친환경 강철(Green Steel)과 일반 강철은 강도나 품질에서 차이가 있나요?

A1. 아니요, 차이가 없습니다. 수소 환원이나 전해 기법으로 생산된 강철 역시 화학적으로 기존 강철과 동일한 성상과 강도를 가집니다. 차이점은 오직 생산 과정에서 나오는 부산물이 CO₂냐, 수증기냐의 차이뿐입니다.

Q2. 재생가능 수소 기반 철강 생산의 가장 큰 걸림돌은 무엇인가요?

A2. 막대한 양의 '친환경 전기(재생에너지)' 확보와 수소 전해조 설비 구축에 드는 초기 자본 비용입니다. 하지만 스테그라나 HYBRIT의 사례처럼 스케일업이 가속화되면서 경제성이 빠르게 확보되고 있습니다.

Q3. 건물의 탄소 발자국을 줄일 때 친환경 철강이 왜 핵심인가요?

A3. 건물 전체 생애주기 탄소 배출량 중 초기 자재 생산 및 시공 단계에서 발생하는 '내재 탄소(Embodied Carbon)'의 비중이 점점 커지고 있기 때문입니다. 친환경 강철을 적용하면 건물의 외형이나 구조 설계 변경 없이도 내재 탄소를 대폭 줄일 수 있습니다.

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7. 결론: 다시 쓰이는 철강, 다시 쓰이는 건축의 미래

철강과 콘크리트는 건축을 이루는 대표적인 재료로서 떼려야 뗄 수 없는 관계에 있지만, 돌이켜보면 내 주변에서는 늘 콘크리트의 탄소 배출과 환경 문제에 대한 이야기만 주로 다뤄졌던 것 같습니다. 그래서인지 건축물에 필수적인 철강 역시 막대한 탄소를 배출하고 있다는 사실을 그동안 크게 인지하지 못했던 것이 안타깝습니다. 특히 철강 제조 과정에서 사용되는 석탄과 화석연료가 기후변화에 미치는 영향을 생각하면, 철강 산업의 친환경 전환은 더 이상 미룰 수 없는 과제라고 느껴집니다.

 

포스코와 현대제철 같은 국내 대기업들도 이러한 변화의 흐름을 피할 수 없다는 것을 인식하고 RE100을 비롯한 탄소중립 목표에 대응하기 위해 다양한 기술과 생산 방식의 변화를 시도하고 있다고 알고 있습니다. 하지만 철강은 생산 과정 자체가 고온의 에너지를 필요로 하는 만큼 단순히 재생에너지를 사용하는 것만으로 해결하기 어려운 산업이고, 실제로 여러 친환경 전환 시도가 기술적·경제적 한계에 부딪혀 실패하거나 지연되기도 했다고 합니다. 오히려 그렇기 때문에 어떤 기술을 시도했고, 왜 실패했으며, 그 과정에서 무엇을 배웠는지가 궁금해지니 다음 주제글로 선정해서 알아보아야겠습니다.

 

수소환원제철, 전기로 전환, 재생에너지 기반 생산 등 다양한 도전이 이어지는 지금, 철강 산업의 변화는 단순히 하나의 제조 기술을 바꾸는 문제가 아니라 앞으로 우리가 어떤 방식으로 도시와 건축물을 만들어갈 것인지에 대한 문제라고 생각합니다. 콘크리트뿐만 아니라 그동안 상대적으로 가려져 있던 철강의 탄소 발자국까지 함께 바라볼 때, 비로소 진정한 녹색 건축과 지속가능한 도시의 미래를 고민할 수 있지 않을까요?

 

 

# 참고자료 및 출처 (References)

• The Economist: Green Steel and the Electrification of Metallurgy
• HYBRIT Initiative (SSAB, LKAB, Vattenfall): Fossil-Free Steel Project Status Report
• Stegra (formerly H2 Green Steel): Boden Plant Green Hydrogen & Steel Manufacturing Specifications
• IEA (International Energy Agency): Iron and Steel Technology Roadmap