친환경 철강

전 세계 제강의 정확한 연간 배출량 수치는 기준 연도와 적용한 시스템 경계에 따라 자료마다 다릅니다. [1] 는 2023년 IEA 세계 에너지 전망 보고서를 인용하며, 제강이 그 전해 CO₂ 배출의 8%와 온실가스 배출의 6%를 차지했다고 말합니다. [4] 는 2019년 철강 부문의 직접 배출량을 2.6 GtCO₂로 추정하며, 이는 전 세계 에너지 시스템 CO₂ 배출의 7%에 해당합니다. [3] 은 더 넓은 산업 경계를 적용해 이 산업이 인위적 온실가스 배출의 약 7-8%를 차지한다고 봅니다. 대본의 8% 수치는 주로 [1] 에서 가져왔지만, 서로 겹치는 이 추정치들을 둥글게 정리한 수치이기도 합니다.

전 세계 운송 부문에서 2024년에 발생한 이산화탄소 배출량은 총 추정치 41.6 GtCO2 중 약 9 GtCO₂에 이르렀다 (즉, 화석연료 사용과 LULUCF [토지-이용, 토지-이용 변화 및 임업]에서 나온 전체 인위적 CO₂ 배출량에 인간-유래 시멘트 탄산화 흡수원을 반영한 수치) ^[5,6]. 항공(국제선과 국내선 포함)은 운송 부문 배출량의 9.9%를 차지한 것으로 보고됐으며, 이는 전 세계 탄소 배출량의 2.14%(10억 미터톤에 약간 못 미침)에 해당했다. 해운(국제, 국내 및 어업 포함)은 운송 부문 배출량의 10.67%를 차지한 것으로 보고됐으며, 이는 전 세계 탄소 배출량의 2.31%에 해당했다 ^[5,6].

팬데믹-이전의 비교에서는, 같은 전 세계 CO₂ 배출량 총계에 대해 항공과 해운 전용 연구를 사용해 이 2024년 추정치를 유용하게 교차-검증할 수 있으며, 대체로 비슷한 결과가 나온다. 2018년 전 세계 항공 부문은 약 1.034 GtCO₂를 배출했고 ^[7], 해운 부문은 약 1.056 GtCO₂를 배출했다 ^[8]. 따라서 합산 배출량은 약 2.090 GtCO₂였다. 같은 해 Global Carbon Budget의 총량 42.5 GtCO₂와 비교하면 ^[6], 항공과 해운은 합쳐서 약 4.92%를 차지했다. 따라서 제강 부문 배출량이 8%라면 약 3.08퍼센트포인트 더 높거나, 항공-해운 합산 배출량의 1.63배가 된다. 이는 연간 CO₂만 비교한 것이며 항공의 추가적인 비-CO₂ 온난화 효과는 포함하지 않는다.

작성 시점 기준으로, 이는 가능한 한 최근의 신뢰도 높은 자료(예: 국제해사기구가 제공한 해운 배출량)를 바탕으로 부문을 직접 비교할 수 있는 가장 좋은 수치다. 하지만 이런 비교는 주의가 필요하다, 공개된 추정치가 온실가스, 활동, 배출원 가운데 미묘하게 다른 종류나 범주를 다룰 수 있기 때문이다.

첫째, 연구마다 CO₂만, 모든 온실가스, 또는 CO₂와 비교한 지구온난화지수에 따라 메탄과 아산화질소 같은 가스를 가중치로 반영한 이산화탄소-등가(CO₂eq) 값을 보고할 수 있다. 이런 지표는 일관된 표준화 없이는 서로 바꿔 쓸 수도, 직접 비교할 수도 없으며, 하나를 다른 하나와 비교해 제시하면 부문 배출량의 겉보기 비율이 크게 달라질 수 있다. 출처, 연구, 기관 보고서는 어떤 구체적 지표(/배출량 측정 유형)를 썼는지 바로 분명히 밝히지 않는 경우가 많고, 실제로는 다른 것을 뜻하면서 하나를 적는 일도 흔하다 (예: ‘CO₂eq’를 뜻하면서 ‘CO₂’라고 표기).

둘째, 전 세계 기준선의 선택도 중요하다: 어떤 비교는 에너지-관련 CO₂만을 기준으로 하는 반면, 다른 비교는 토지-이용, 토지-이용 변화 및 임업(LULUCF) 같은 모든 인위적 배출원을 포함하며, 이는 분모와 그에 따른 부문의 계산된 비율을 결정한다.

특히 국제 해운 배출량은 대부분 국제 수역에서 발생하기 때문에 추적하기 어렵다. 과거에는 자료가 선박 활동의 직접 모니터링보다는 벙커 연료 판매에서 나오는 경우가 많아, 불확실성이 더해졌다. IMO는 이제 연료-판매, 선박-활동(AIS 모델링), 항해 배분 방식을 함께 쓰며, 어떤 방식을 쓰는지에 따라 추정치가 달라질 수 있다. 항공 자료에서도 비슷한 상황을 볼 수 있다. 앞서 언급한 수치 공개 문제까지 겹치면, 같은 부문/활동을 바탕으로 해도 이용 가능한 전 세계 배출량 추정치는 상당히 넓은 범위를 보일 수 있다.

매년 철강 1.892 Gt이 생산되며, 이 중 52%가 건설에 쓰인다(철강 983.84 Mt).

[14] 에 따르면 1985년부터 2015년까지 전 세계 도시 면적은 매년 9,687 km²씩 늘어났다. 이는 (9687/365 =) 하루 26.539 km²에 해당한다.

맨해튼의 면적은 59.1 km^2 A.: 59.1/26.539 = 2.2일

하지만 현재 성장 속도는 더 빠를 수도 있다는 점은 알아둘 만하다. 세계은행 ^B은 (2023년 4월 기준) 2030년까지 전 세계에 120만 km²의 새로운 도시 건축 면적이 추가될 것으로 추정한다. 이는 2020년대 10년 전체의 평균 도시 확장 속도로 보면 연간 약 120,000 km², 하루 328.77 km², 시간당 13.698 km²에 해당하며, 맨해튼 면적이 4시간마다 새로 지어지는 것과 같다.

추가로 이렇게도 비교할 수 있다: 매년 철강 983.84 Mt이 건설에 쓰인다면(위 참고), 하루 2.7 Mt에 해당한다. 비교하면, 미국 샌프란시스코의 골든게이트 브리지에는 철강 약 75,000미터톤이 들어가므로 ^C, 하루 건설용 철강으로 골든게이트 브리지 약 36개를 지을 수 있다. 또는 엠파이어 스테이트 빌딩에는 철강 약 51,700미터톤이 들어가므로 ^D,E, 하루 건설용 철강으로 엠파이어 스테이트 빌딩 약 52.2개를 지을 수 있다.

^A 뉴욕시 개요 | NYMTC

^B 도시 개발 개요 | 세계은행 그룹

^C 설계 및 건설 통계 | 통계 및 데이터 | 골든게이트

^D ASCE 메트로폴리탄 섹션 | 엠파이어 스테이트 빌딩

^E 엠파이어 스테이트 빌딩 | 세계 최고층 타워

채굴되는 광석의 94%는 철광석이고, 철광석의 98%는 철강 생산에 쓰입니다. 따라서 94%의 98%는 92%입니다. 이는 질량 기준으로 계산한 추정치이며, 직접 측정한 통계는 아닙니다.

[39] 는 최대 85%의 잠재적 배출 감축을 제시하지만, 모든 곳에 적용할 수 있는 것은 아니며 출처도 추정치의 완전한 시스템 경계를 명확히 밝히지 않는다. 실제로 배출 절감량은 전기로에서 고철이 차지하는 비중, 전력 구성, 그리고 고려한 더 넓은 시스템 경계의 범위에 크게 좌우될 수 있다. 그럼에도 WorldSteel ^F은 광석 기반과 고철 재활용 기반 제강 방식 사이에도 비슷하게 큰 차이가 난다고 보고한다: 전통적인 고로/전로 방식은 조강 1t당 전 세계 평균 2.34 tCO₂, 고철/전기로 방식은 0.69 tCO₂로, 평균 약 70.5% 감축에 해당한다.

^F 지속가능성 지표 보고서 2025 | 세계철강협회

누출은 CO₂가 계획된 저장 공간에서 빠져나가는 것을 뜻합니다 - 유정, 단층, 균열 또는 덮개암을 통해 - 그리고 다른 지질층, 지하수, 해저 또는 대기에 도달할 가능성도 있습니다. 저장 실패에는 누출이 포함될 수 있지만, CO₂가 꼭 대기로 방출되지 않더라도 현장이 계획대로 운영되지 못하게 하는 과도한 압력, 예상 밖의 이동 또는 주입성 상실을 뜻할 수도 있습니다. 어느 쪽도 제대로 선정하고 관리한 현장에서 예상되는 결과는 아닙니다. EU 규정은 제안된 현장이 심각한 누출 위험이 없음을 입증하고, 모니터링 및 시정-조치 계획을 유지하도록 요구합니다.

‘고로 속 석탄’을 대체한다는 말은 기존의 석탄 기반 고로 환원 단계 자체를 보통 별도의 샤프트/직접환원로에서 이뤄지는 가스 기반 직접환원으로 바꾼다는 뜻이지, 같은 고로 안에서 화석가스를 일대일로 바꿔 넣는다는 뜻은 아니다.

다른 DRI 방식들은 배출량이 크게 다르다. [60] 에 따르면 석탄 기반 DRI는 전통적인 고로/전로 방식보다 배출량을 38% 줄일 수 있다. 하지만 보통 CH₄, H₂, CO가 섞인 화석가스는 배출량을 61% 줄인다. 화석가스를 H₂로 완전히 바꾸면 배출량을 97% 줄일 수 있다. 하지만 이는 어디에나 적용되는 추정치는 아니며, 정확한 배출 절감량은 공정에 쓰는 핵심 환원제뿐 아니라 나머지 DRI 구성, 에너지 구성, 시스템 경계에도 달려 있다. 특히 제철에 쓰기 전 H₂를 생산하는 과정에서 나오는 배출량은 수소-DRI 추정치에 포함되지 않았다. 그린수소는 저탄소 전기를 쓰지만, 운송과 인프라에도 배출량이 숨어 있을 수 있다(아래 참조). DRI에서 화석가스를 쓰면 석탄보다 배출량은 적지만, 여전히 화석연료가 들어가므로 배출은 피할 수 없다.

그린 수소는 재생 전기로 물을 전기분해해 수소와 산소로 나눠 만듭니다. 이렇게 하면 화석연료로 수소를 만들 때 나오는 배출을 없앨 수 있습니다. 철광석에서 철을 분리하는 제철 공정의 철 환원 단계에 수소를 넣으면, 광석 속 산화철과 반응해 산소와 결합하고 CO₂ 대신 수증기를 만듭니다.

하지만 더 넓은 공정에서는 여전히 일부 배출이 생길 수 있습니다. 이런 간접 배출은 그린 수소의 생산, 운송, 저장에 쓰이는 기반시설에서 나오거나, 아직 에너지 구성이 완전히 무탄소가 아닌 전력망에서 끌어온 전기 때문에 생길 수 있습니다. 그래서 실제로 ‘그린’ 수소라고 불리는 수소도 전체 공정 내내 재생 전기만으로 만들어지는 것은 아닐 수 있습니다.

따라서 그린 수소 철강은 절대적인 탄소 배출 제로까지는 아니더라도, 배출량을 거의 0에 가깝게 만들 수 있습니다. 실제로 재생 수소로 만든 철강은 철강 1kg당 약 0.08kg CO₂를 배출합니다 ^[67].

블루 수소와 그레이 수소는 관련 배출량이 더 분명합니다. 그레이 수소는 보통 화석가스 혼합물 속 메탄에서 수소를 분리하는 수증기 메탄 개질(SMR) 공정으로 만들어지며, 이 과정에서 CO₂가 배출됩니다. 이것은 현재 가장 흔하고 가장 저렴한 수소 생산 방식입니다. 블루 수소는 기본적으로 같은 공정으로 만들지만, 생산 배출의 대부분이 대기로 새어 나가지 않도록 탄소 포집·저장(CCS) 기술을 함께 씁니다. 포집 공정이 모든 것을 잡아내지는 못하는 경우가 많아서, 블루 수소도 여전히 일부 대기 배출을 만듭니다.

어느 형태의 수소를 쓰든 철광석에서 철을 분리할 때 환원 반응 자체는 여전히 CO₂가 아니라 물만 만듭니다. 가장 큰 차이는 수소를 처음 만들 때 앞단에서 생긴 배출에 있습니다. 전기로와 그 안에 쓰이는 전기 및 탄소를 포함해, 제철 공정의 다른 곳에서도 더 적은 배출이 남을 수 있습니다.

[67], 에 따르면, 수소 생산 배출의 85%가 포집된다고 가정할 때 블루 수소로 만든 철강은 철강 1kg당 약 0.22kg CO₂를 배출합니다. 이는 일반 석탄 기반 철강의 1.87kgCO₂, 그리고 별도로 80%의 포집률을 가정한 탄소 포집 장착 석탄 기반 철강의 0.38kgCO₂와 비교됩니다 ^[67].

전 세계에서 쓰이는 수소의 95% 이상은 대부분 어떤 형태의 탄소 포집도 없이 화석가스로 만들어집니다. 이런 일반적인 그레이 수소를 수소 기반 DRI 제철에 쓰면, [67] 은 철강 1kg당 약 0.7kg CO₂가 배출된다고 추정합니다 ^[67]. 이는 일반 석탄 기반 철강 생산보다 훨씬 낮지만, 그린 수소로 만든 철강보다는 상당히 높습니다.

이 계산에서 남아 있는 배출의 대부분은 CCS를 피해 빠져나간 배출입니다. 기존 제철이나 블루 수소 생산 중 만들어지는 CO₂를 모두 포집하지는 못하기 때문입니다.

따라서 95% 이상의 잠재적 배출 절감은 모든 형태의 수소 기반 철강에 적용되는 보편적 결과라기보다, 가장 이상적인 그린 수소 DRI 경로를 뜻합니다 ^[60,67]. [67] 은 재생 수소 사례에서 철강 1kg당 약 0.08kg CO₂를 추정하며; 일반 석탄 기반 철강의 1.87kgCO₂/kg와 비교하면 95.7% 감축에 해당합니다 ^[67]. 결국 결과는 수소 생산 방식, 전력의 탄소 집약도, 원료와 고철 투입량, 그리고 관련된 더 넓은 배출/시스템 경계에 달려 있습니다.

강철은 순수한 철이 아니다: 보통 필요한 성질을 갖게 해 주는, 작지만 정밀하게 조절된 양의 탄소가 들어간 합금이다. 그래서 첫 번째 철-환원 단계에서 수소가 탄소를 대신하더라도, 철을 강철로 만들 때는 여전히 어느 정도의 탄소가 필요하다.

제철업체들은 대본에서 자세히 다루지 않은 전기로(Electric Arc Furnace) 안의 여러 기술적 작업에도 탄소를 쓴다. 여기에는 최종 탄소 함량 조절(침탄 포함), 남은 산소 제거(탈산), 슬래그 형성이 포함된다(강철이 녹으면 불순물이 위로 떠올라 슬래그라는 액체 폐기물 층을 만든다. 혼합물에 탄소를 주입하면 철광석과 반응해 일산화탄소 기포가 생기고, 이 기포가 슬래그를 거품으로 부풀린다. 이 거품 슬래그 층은 강한 열로부터 용광로를 보호하고, 녹은 금속 안에 열을 가둬 필요한 에너지 투입을 줄이며 용광로 성능도 높인다).

고철은 주로 의도적으로 넣는 탄소를 대신하는 물질이라기보다 재활용 철과 미리-만든 강철(금속 원료)의 공급원으로 쓰이지만, 고철 구성에 이미 들어 있는 탄소도 용광로의 최종 탄소 균형에 보탬이 된다. 따라서 전기로 제강에는 추가 탄소를 넣어야 할 수도 있다.

생물 유래 폐기물 잔재는 추가 탄소원이 될 가능성이 있지만, 먼저 적합한 형태의 바이오카본이나 바이오차로 가공해야 한다. 알맞게 처리한 폐플라스틱과 수명-종료 타이어도 탄소질 환원제나 슬래그-발포제로 작용하거나 에너지를 공급해, 원래 쓰였을 일부 일반 코크스나 석탄을 대신하는 데 도움이 될 수 있다.

하지만 대부분의 플라스틱과 타이어에 든 탄소 상당량은 원래 화석연료에서 왔기 때문에, 이를 사용해도 화석 CO₂가 배출될 수 있다. 따라서 환경적 이점은 쓰는 폐기물 종류(원료 구성), 처리 방식(전처리), 새로-채굴한 (버진) 화석 탄소를 얼마나 대체하는지, 용광로 성능, 생애주기 중 어느 부분을 고려하는지에 따라 달라진다. 폐기물을 쓰면 일반 화석 탄소 수요는 줄일 수 있지만, 그렇다고 과정이 자동으로 제로-탄소가 되는 것은 아니다.

수소 방식으로 생산한 철강은 여러 나라에서 시험 중입니다:

[76] 독일, [77] 오스트리아, [78] 네덜란드, [79,80] 영국, [81] 한국