산업용 수소, 철강·화학공정의 탈탄소를 이끄는 주역

🔷 ① 산업 부문의 탄소배출, 왜 수소가 아니면 해결할 수 없는가

전 세계 탄소배출량의 약 30% 이상은 산업 공정에서 발생하고 있다.
특히 철강·정유·석유화학 분야는 고온 열원, 환원제, 탄소 기반 공정이 복합적으로 작동하기 때문에 단순한 전기화(Electrification)만으로는 배출 제로를 실현할 수 없다.

• 철강: 고로(Blast Furnace)에서 철광석(Fe₂O₃)을 환원할 때 필수적으로 코크스(Coke) 가 사용된다. 이 과정에서 탄소 기반 환원이 이루어지기 때문에 CO₂ 배출이 필연적이다.
• 화학 산업: 암모니아·메탄올·에틸렌 등 기초 화학제품을 생산하는 데 대부분 천연가스나 나프타를 원료로 사용하는데, 이때 고도의 열·수소·탄소 화합공정이 반복된다.

결국 산업 부문의 탈탄소 전략은 단순한 “전력을 친환경으로 바꾸는 것”으로는 달성되지 않는다.
바로 탄소를 전혀 사용하지 않는 환원제이자 고온열원의 대체제, 즉 수소(H₂) 가 필요한 이유다.

🔷 ② 철강 산업: 수소환원제철(Hydrogen-DRI)의 기술적 구조

현재 전 세계 철강 생산량의 약 70%는 고로-전로(BF-BOF) 방식이다.
이 방식은 석탄 기반이기 때문에 톤당 약 1.8톤 CO₂가 배출된다.

이를 대체하는 기술이 바로 수소 기반 직접환원제철(Hydrogen-DRI) 이다.

✔ 수소환원제철 공정 흐름

1. 철광석 펠릿을 600~1000℃의 환원로에 투입
2. 기존의 CO와 CO₂ 대신 수소(H₂) 를 환원제로 사용
3. 환원 결과물로 물(H₂O) 만 배출
4. 생산된 DRI를 전기로(EAF)에서 용해하여 강재 생산

✔ 장점

• 이론적으로 95% 이상의 탄소배출 절감
• 수소만 환원제로 사용되기 때문에 부산물의 환경부하 최소화
• 고로 대비 설비 구조가 단순해 유지비·안전성 측면에서도 유리

✔ 글로벌 진행 사례

• SSAB(스웨덴): HYBRIT 프로젝트를 통해 세계 최초의 “무탄소 철강” 시제품 생산
• POSCO(한국): HyREX 기술 개발 중
• ArcelorMittal(유럽): 단계적 수소·전기로 전환 선언

수소환원제철은 철강 산업의 패러다임을 완전히 바꾸는 기술로 평가된다.

🔷 ③ 화학 산업: 암모니아·메탄올·정유 공정의 핵심 원료가 되는 수소

화학 산업은 단순히 연료가 아니라 “원료(Feedstock)” 자체가 문제가 된다.
현재 거의 모든 기초화학 산업은 탄소 기반 화합물을 분해하거나 재조합하는 과정에서 막대한 CO₂를 배출한다.

여기에서 수소가 원료로 작동하는 구조가 중요해진다.

✔ 1) 암모니아(NH₃)

• 기존 방식: 천연가스를 분해해 만든 그레이 수소 기반(Haber-Bosch)
• 탄소배출: 톤당 약 2.3톤 CO₂
• 대안: 그린수소 기반 무탄소 암모니아
• 활용: 비료, 연료전지, 선박 연료, 장거리 수소 캐리어

✔ 2) 메탄올(CH₃OH)

• 기존: 합성가스(Syngas) 기반
• 대안: CO₂ + 그린수소 → e-메탄올 생산
• 장점: 탄소순환(Carbon Circularity) 실현

✔ 3) 정유·정제 산업

• 수소는 원유 분해·탈황(HDS) 공정에서 필수
• 그린/블루 수소로 대체되면 정유 공정 전체의 탄소배출이 획기적으로 감소

✔ 4) 플라스틱 산업 전반

기초단량체(에틸렌·프로필렌) 생산 과정에서 발생하는 탄소를
“수소 기반 고온열원 + e-Feedstock” 으로 대체하는 기술 연구가 활발하다.

🔷 ④ 산업용 수소의 핵심 조건: 안전성, 순도, 공급 안정성

수소가 산업 현장에서 사용되기 위해서는 일반 연료와 다른 3가지 조건이 필요하다.

 1) 수소 순도(Purity)

• 철강·화학 공정은 99.97~99.999% 이상의 초고순도 수소 요구
• 불순물(수분·CO·H₂S)은 촉매 독성(Catalyst Poisoning)을 유발

 2) 안전 설계

• 고온·고압 환경, 대규모 설비가 포함되기 때문에
  국제 규격(ISO 19880, ISO 14687)에 따른 안전 설계 필수

 3) 공급 안정성(Price & Volume Stability)

• 산업용 수소는 “단위 가격”보다 “공급 안정성”이 더 중요
• 철강 1만 톤 생산 시 필요한 수소량은 약 6,000~10,000톤/년
• 따라서 “파이프라인·액화·암모니아 기반 공급망 구축”이 필요

🔷 ⑤ 산업용 수소 확대가 가져올 경제적·기술적 미래

산업 부문에서의 수소 전환은 단순히 탈탄소 정책을 넘어서
국가 제조업 경쟁력의 핵심 요소로 부상하고 있다.

기대되는 변화들

• 저탄소 철강(그린스틸) 시장 급성장
  → 자동차·조선·가전 산업 전반에 영향
• e-화학제품 시장의 탄생
  → 글로벌 탄소규제에 대응 가능한 새로운 공급망
• 수소 파이프라인·액화수소·암모니아 운송 시장 확대
• ESG 확산에 따른 산업용 수소 수요 폭증

2050년경 전 세계 수소 수요 중 65% 이상이 산업용 수요가 될 것이라는 IEA 전망은
결국 수소가 산업 구조를 다시 만드는 ‘키 에너지’라는 것을 의미한다.