원자재
전기화된 철: 녹색 제강의 미래
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철의 중요성
철은 투자자들에게 종종 지루한 금속으로 인식됩니다. 주로 전 세계 경제 사이클을 따라가며 특별한 이야기가 연결되기 어렵습니다. 배터리 수요, 태양광 패널 생산, 우주 경쟁 속 항공우주 붐, 혹은 전 세계 갈등 위험 증가 때문에 향후 10년 내에 철 수요가 세 배가 될 것이라는 기대는 없습니다.
하지만 이것이 오히려 장점이 될 수도 있습니다. 현재 정제되는 모든 금속의 약 90%가 철입니다.
철과 강(97% 철로 구성)은 현대 생활에서 사용하는 모든 것에 절대적으로 존재합니다:
- 인프라: 다리, 철도, 항구.
- 건설: 철근 콘크리트, 빔, 지붕, 못 및 나사 등.
- 운송: 자동차, 기차, 선박.
- 산업용: 파이프 및 파이프라인, 저장 탱크, 중장비,
- 방위: 군함, 전차, 포탄, 총, 탄환 등.
- 에너지: 용광로, 터빈, 풍력 터빈 기둥, 태양광 패널 프레임 등.
- 보건: 병상, 외과 기구 등.
- 소비재: 주방 가전, 가전제품, 벽난로 등.
하지만 철을 생산하는 과정은 매우 탄소 집약적이며, 주로 코크스탄이라는 특수 석탄에 의존합니다.
코크스탄을 녹색 수소로 대체하려는 시도가 있었지만, 수소와 반응할 수 있는 고품질 철광석만 사용이 가능합니다. 수소 비용이 석탄보다 높기 때문에, 저품질 철 함량이 낮은 광석을 사용해야 합니다.
우리는 이전에 전통적인 고로 공정을 플래시 제철이라는 새로운 공정으로 대체할 수 있다, 이는 광석을 천천히 녹이는 것이 아니라 폭발에 가깝다는 내용을 논의했습니다.
오리건 대학교 연구진은 더 흥미로운 가능성을 조사하고 있습니다: 고온을 없애고 전기만으로 철광석을 정제하는 방법입니다. 이는 전기를 직접 사용함으로써 수소로 전환하는 비용이 들지 않아 전 세계 탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 획기적인 진전이 될 것입니다.
그들은 이 연구를 ACS Energy Letters1에 “Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3”라는 제목으로 발표했습니다.
철광석에서 철 금속으로
철은 자연에서 산화된 형태, 특히 적철석(Fe2O3)으로 존재합니다. 산업용 금속으로 활용하려면 산소 원자를 제거해야 합니다.
보통은 석탄을 첨가해 탄소가 CO2로 전환되면서 산소를 제거합니다. 대안으로는 수소를 사용해 물(H2O)로 전환하는 녹색 철 방법이 있습니다.
또 다른 방법은 철산화물에 충분한 에너지를 공급해 산소 원자를 분리시켜 기체 산소(O2)로 만드는 것입니다. 이것이 전기화학적 제철의 아이디어이며, 알칼리성 조건(산성의 반대)에서 가장 잘 작동합니다.
Source: ACS Energy Letters
이 과정은 연간 전 세계 철 생산량이 수백만 톤 규모이므로 매우 확장 가능해야 함을 유념해야 합니다.
철 전기환원
이 반응을 더 효율적으로 만들기 위해 연구진은 배터리와 약간 비슷하게 작동하고 온도 82°C(180°F)에서 작동하는 맞춤형 시스템을 설계했습니다.
Source: ACS Energy Letters
이 설정에서는 철 입자를 수산화나트륨(NaOH) 용액에 현탁시키지만, 용융염(NaCl)도 가능하며 이 경우 염소(Cl2)가 부산물로 생성될 수 있습니다.
조밀한 철산화물은 전류 밀도 50 mA/cm²에서 가장 선택적으로 원소 철로 환원되었으며, 이는 리튬이온 배터리를 빠르게 충전하는 것과 유사합니다.
연구진은 천연 광석의 불규칙한 크기와 불순물을 가진 시험용 철 입자에서는 과정이 잘 작동했지만, 선택성과 효율성이 충분히 높지 않다고 판단했습니다.
적절한 조건 찾기
초기 테스트 중 이상 현상이 나타났는데, 입자 크기와 상관없이 일부 입자는 다른 입자보다 금속 철로 전환이 더 잘 되었습니다. 따라서 연구진은 입자의 나노구조가 더 중요한 요인일 수 있다고 가정하고 실험을 시작했습니다.
탄소와 바륨 불순물을 함유한 마이크로미터 크기의 철산화물 입자는 충분히 환원되지 않았습니다.
반대로, 다공성이 높아 표면적이 큰 느슨한 입자는 자연 적철석과 달리 전기화학적 철 생산 효율을 크게 향상시켰습니다.
Source: ACS Energy Letters
이는 특정 형태의 철만이 이 공정에 적합할 수 있음을 시사합니다.
“저온에서 철 금속으로 전환될 수 있는 산화물을 식별하는 것은 전적으로 전기화된 제강 공정을 개발하는 데 중요한 단계입니다.”
철 전기환원을 경쟁력 있게 만들기
이 제한에도 불구하고, 철 전기환원은 경제적 관점에서 여전히 가능할 수 있습니다. 이는 전력 소비와 온도가 크게 낮아 전체 철 생산 비용을 감소시키기 때문입니다.
이 방법을 사용하면 철 생산 비용이 톤당 약 600 달러가 됩니다. 이는 비교적 경제적이지만, 최근 추정된 고로/산소 전로 공정의 평균 제강 비용인 톤당 약 400 달러보다는 다소 높습니다.
수익성을 더욱 높이기 위한 추가 단계로는 철 환원과 화학 물질 생산을 결합하는 방안이 있습니다. 전기 철 생산 셀을 염소 생산 셀과 결합해 염소-철 생산 유닛을 만들 수 있으며, 이를 연속 배치하여 전체 생산 플랜트를 구성할 수 있습니다.
Source: ACS Energy Letters
염소(Cl2)는 화학 산업에서 대량으로 사용되는 매우 유용한 물질이므로, 이를 함께 생산하면 경제성이 크게 개선되어 고로 비용에 근접할 가능성이 높아집니다.
추가 개선
적절한 나노구조를 가진 광석에만 의존한다는 문제는 기술의 광범위한 채택을 심각히 제한할 수 있습니다. 설령 경제성이 좋더라도, 저다공성 적철석을 대량 생산하는 현재의 철 채굴 산업을 전면 재설계하는 것은 현실적이지 않을 수 있습니다.
대안으로는 전기나 열충격을 이용해 철산화물 원료를 더 다공성으로 만드는 새로운 기술이 있을 수 있습니다.
철 채굴 기업
VALE 가격 차트
제강 비용과 탄소 배출이 감소하면 강철은 오늘날보다 더욱 인기 있는 소재가 될 것입니다. 채굴 분야에서는 규모와 좋은 지질 조건이 모든 것을 좌우하며, 낮은 생산 비용은 경기 침체 시에도 높은 수익성과 안전성을 보장합니다.
브라질 기업 Vale은 세계 최대의 철과 니켈 생산업체이며, 2024년에 총 3억 2300만~3억 3000만 톤을 생산했습니다.
이 회사는 또한 구리와 같이 에너지 전환에 중요한 금속도 생산합니다. 이러한 금속의 중요성이 앞으로 커질 수 있지만, 현재로서는 철이 회사의 핵심입니다.
과거에는 보다 다양하게 사업을 영위했지만, 최근 몇 년간 철에 집중하기 위해 20억 달러 규모의 기타 금속 광산 및 팜유와 같은 상품을 매각했습니다.
Source: Vale
대규모 자산 기반
Vale은 자체 철도, 열차, 항구, 선박을 운영해 광석을 채굴 현장에서 고객에게 전달하는 중간 운송을 직접 담당하는 중형 유틸리티 기업에 해당합니다.
또한 원격 지역에서 운영되기 때문에 자체 에너지를 많이 생산합니다. 이는 브라질 정부에 의존하지 않고 대규모 전력 수요를 충족시키기 위함입니다.
주로 수력발전을 이용해 왔으며, 채굴 사업은 대규모 토목 공사(폭파, 대량 콘크리트, 중장비, 대형 건설 프로젝트, 강우 관리 등)와 크게 다르지 않습니다.
이러한 인프라는 회사의 연구개발 센터, 실험실, 수백 명의 지질학자, 교육 센터 등과 함께 운영됩니다.
과거 부채 극복
대규모 채굴 기업인 Vale에게 가장 큰 위험은 대형 사고로 인한 막대한 피해입니다.
2015년에 Vale이 건설한 댐이 붕괴되면서 대규모 재해가 발생했으며, 2019년에도 유사한 사고가 있었습니다.
이 홍수는 브라질 역사상 최악의 환경 재해로 기록되었으며, 19명이 사망하고 두 주에 걸쳐 39개 지방자치단체가 광산 폐기물에 매몰되는 피해를 초래했습니다.
그 이후로 많은 댐이 복구·개선되어 우기 동안 또 다른 재앙을 방지하고 있습니다.
또한 회사는 25억 달러를 투자해 4개의 여과 플랜트를 건설, 습식 tailing(댐이 필요) 대신 건조 tailing(압축 암석, 먼지, 진흙) 형태로 전환했습니다. 따라서 앞으로는 철 채굴 활동이 댐을 필요로 하는 폐기물을 생성하지 않게 됩니다.
회사는 또한 이미지 회복에 힘쓰고 있으며, 채굴 활동을 통해 회사가 자금을 지원한 대규모 자연보호구역을 조성해 브라질 열대우림 보전에 크게 기여했다고 강조하고 있습니다. 이 지역은 과거 수십 년간 목초지로 전환되었습니다.
Source: Vale
전반적으로 Vale은 과거의 환경 재해 문제를 극복하고 현재는 브라질에서 가장 가치 있는 자산 중 하나이자 전 세계, 특히 중국에 철을 공급하는 핵심 공급업체로 자리매김하고 있습니다. 이는 브라질이 BRICS 상업 네트워크를 통해 미국과의 관세·긴장 관계 속에서 중국과의 관계를 심화시키는 맥락과도 맞물려 있습니다.
Vale 최신 소식
참조 연구:
1. Anastasiia Konovalovaet al. (2025). Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3. ACS Energy LettersVol 10/Issue 4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c00166
