탄소중립이 세계의 주요 관심사로 떠오르기 전까지는 인류는 문명의 기반인 철을 생산하면서 고로를 없앤다는 생각을 해본 적이 없다. 친환경 에너지로 불리는 수소를 이용한 전기차, 발전소 등이 등장하자 철의 생산에도 수소를 이용하자는 이론이 나왔지만 철강업계는 불가능한 기술로 치부했다.

하지만 국내 최대 철강사인 포스코는 불가능한 미래기술에 도전했다. 포스코의 수소환원제철 기술인 ‘하이렉스(HYREX)’가 그것이다.

수소환원제철이라 불리는 기술은 철광석으로부터 철을 생산할 때, 석탄 대신 수소를 활용하는 혁신적 기술이다. 화석연료인 석탄을 사용하지 않으니, 이산화탄소(CO₂) 발생도 제로에 가깝다.

지난해 골드만삭스는 2050년이 되면 수소환원제철을 포함한 산업용 수소가 전 세계 수소 수요의 18%를 차지하리라 전망했다. 발전용 수소의 예상 수요가 42% 수준인 것과 비교하면 비중이 생각보다 높은 편이다.

수소환원제철이 상용화되기 위해서는 관련 기술에 대한 연구개발과 실증, 산업용 수소 단가 현실화, 수소 공급망 구축 등 선행되어야 할 과제가 많다. 이 기술 중 상용화에 가장 가깝게 접근했다고 평가받는 것이 바로 하이렉스다. 

수소제철이 아니라 수소‘환원’제철이라고 하는 이유는 수소(H₂)가 철광석(Fe₂O₃)에서 산소를 분리하는 환원제의 역할을 하기 때문이다. 이 과정을 통해 물(H₂O)과 함께 철(Fe)이 생성되는데, 이를 환원철, 전문적인 용어로는 DRI(Direct Reduced Iron)라고 한다.

지금까지는 석탄에서 발생하는 가스, 즉 일산화탄소(CO)를 환원제로 사용해왔다. ‘고로(용광로)’라고 불리는 큰 용광로에 철광석과 석탄을 넣어 1500도 이상의 고온에서 녹이면, 일산화탄소가 발생해 철광석(Fe₂O₃)에서 산소를 분리하는 환원반응(Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO2)이 일어나는데 이때 CO₂가 발생하게 되는 것이다.

환원제로 석탄 대신 수소를 쓴다는 것은 겉으로 보기에는 아주 간단한 변화처럼 보이지만, 사실 매우 커다란 변혁의 시작이다. 더 이상 제철소에서 온실가스인 CO₂가 발생하지 않는다는 의미면서 철을 생산하는 방식이 완전히 바뀐다는 것이다.

수소환원제철의 특징을 보면 첫째 제철소에 고로가 사라진다. 고로에서 석탄과 철광석을 한데 녹이는 공정이 없어지니, 고로와 함께 부속설비(소결공장, 코크스공장)가 사라지기 때문이다. 용광로가 사라지는 대신 유동환원로라는 설비에서 수소와 철광석의 환원반응이 일어난다.

철광석을 환원해 DRI를 만드는 설비인 유동환원로는 이미 포스코에 존재한다. 바로 포스코 고유 기술인 파이넥스(FINEX, Fine Iron ore Reduction) 공정이다. 파이넥스는 가루 형태의 철광석과 석탄을 고로에 넣지 않고, 유동환원로와 용융로라는 설비를 통해 쇳물을 생산한다.

이는 수소환원제철 구현에 가장 근접한 핵심 기술이라고 할 수 있는데, 다만 수소환원제철 기술인 하이렉스와의 차이점이라면 파이넥스는 공정 중에 발생하는 수소 25%와 일산화탄소 75%를 환원제로 사용한다는 것이다. 하이렉스는 수소를 100%를 사용한다.

수소환원제철로 인해 사라지는 설비는 고로만이 아니다. 기존에 고로에서 생산된 쇳물(용선)은 ‘전로’라는 설비를 통해 정제된 쇳물(용강)로 변환된다. 수소환원제철은 유동환원로에서 생산된 DRI를 전로가 아닌 전기로에 넣어 녹이고 불순물을 정제한다. 따라서 전로도 사라지게 된다. 즉 하이렉스 기술은 기존의 고로와 전로 자리에 수소유동환원로와 전기로가 들어오는 것이라고 할 수 있다.

하이렉스가 기존 고로 조업이나 파이넥스와 다른 또 하나의 차이점은 외부로부터 대규모의 전력을 끌어와야 한다는 점이다. 고로는 쇳물 제조뿐만 아니라, 후공정에 필요한 열원과 전력 생산을 위한 부생가스를 공급하는 역할도 담당하고 있다.

고로 조업 시 부생가스가 발생하는 이유는 탄소가 100% 환원에 이용되지 않기 때문인데, 실제 포스코의 경우 부생가스 발전을 통해 제철소 필요 전력의 60% 이상을 자체 조달하고 있다. 그러나 하이렉스는 수소가 100% 환원에 쓰이기 때문에 부생가스가 발생하지 않는다. 이는 곧 제철소의 모든 전력이 필수적으로 외부에서 공급되어야 한다는 뜻이다. 포스코는 이 전기를 신재생에너지를 통해 조달한다는 방침이다.

하이렉스의 기본 개념은 ‘그린 수소’를 전제하고 있다. 유동환원로에 투입되는 수소도, 설비를 구동하는 전기의 생산도, 모두 탄소배출이 없어야 한다는 것이다. 포스코는 한국 대비 그린수소 생산 효율이 높고, 비용 절감 효과가 높은 호주, 인도 등의 수소생산 거점으로 정하고 여기서 수소를 공급받을 계획이다.
 
따라서 하이렉스 단순히 포스코의 수소환원제철 기술을 의미하는 브랜드를 넘어, 포스코가 친환경 에너지를 이용해 철을 생산하는 전 과정을 의미하기도 한다.

다만 이 기술은 즉시 적용이 불가능하다. 포스코가 하이렉스 상용화 목표를 2050년으로 잡은 이유기도 하다.

내용적이 5500㎥ 이상인 초대형 고로는 현재 전 세계에 총 15기 존재한다. 이 중 포스코는 세계 최대 규모인 광양 1고로(6000㎥)를 포함해 총 6기를 보유하고 있다. 

고로는 그 특성상 한 번 화입(火入)을 시작하면 불이 꺼질 때까지 쇳물을 생산하게 된다. 1973년 첫 쇳물을 생산하기 시작한 포스코 포항제철소 1고로는 지금도 가동 중이다. 이러한 사실을 고려하면, 수소환원제철로의 전환은 어느 날 갑자기 한꺼번에 진행하는 것보다 국가별, 제철소별 상황에 맞게 단계적으로 추진하면서, 동시에 기존 고로에 대한 CO₂ 저감 활동도 병행하는 것이 현실적인 방안이라 할 수 있다.

현재 포스코는 2017년 12월부터 정부 주도로 진행 중인 ‘고로기반 CO₂ 저감형 하이브리드(Hybrid) 제철기술’ 개발에 참여, 석탄을 수소함유자원이나 바이오매스와 같은 탄소중립적인 환원제로 일부 대체하는 방안과 철광석을 고로에 투입 전 일부 환원해 사용하는 방안 등 다양한 방식의 CO₂ 저감 방안을 모색하고 있다. 이 기술을 고로에 적용하면 CO₂ 배출을 기존 고로 대비 약 10% 절감할 수 있다.

지난해 ‘2050 탄소중립’을 선언한 포스코는 단기적으로 CO₂ 발생 저감기술을 개발하고 저탄소 제품 포트폴리오를 확대하는 한편, 장기적으로는 수소환원제철을 실현해 탄소중립을 달성할 계획이다.

수소환원제철 기술에는 오랜 시간과 막대한 비용이 소요되므로, 포스코는 국내외 철강사들과 함께 수소환원제철 기술의 공동 연구개발 추진을 모색하고 있다. 지난해 10월 최정우 포스코그룹 회장은 WSD(World Steel Dynamics) 온라인 컨퍼런스 기조연설을 통해 ‘그린 스틸 이니셔티브’ 추진과 저탄소 혁신 기술 및 정보 교류 강화 등 글로벌 철강업계의 공동 대응을 제안한 바 있다.

이는 지난 6월 개최된 세계 최초 수소환원제철 포럼 ‘하이스(HyIS) 2021’의 개최로 이어졌다. 포럼에는 전 세계 주요 철강사, 원료공급사, 엔지니어링사, 수소공급사 등 유관 업계와 에너지 분야 국제기구, 각국 철강협회 등 29곳을 포함 48개국에서 1200여명이 참석했다. 전 세계 철강 전문가들이 함께 모여 철강산업의 탄소중립 방안을 논의하고, 협업을 약속하는 시간을 가졌다.

최대 탄소배출 산업 중 하나인 철강산업에 있어 탄소중립은 반드시 가야 할 길이며, 현재까지는 수소환원제철 공법이 유일한 대안으로 떠올랐다. 포스코는 세계 최고 수준의 수소환원제철 기술인 하이렉스는 탄소배출 없는 제철소를 선도하는 기술로 평가받는다.