전기로 vs 고로: CO2 배출량, 비용, 그리고 철강 제조의 미래

전기로(EAF)와 고로(BF)의 정의
고로(BF)는 철광석과 원료탄(coking coal)을 사용하여 용선을 생산하며, 이를 전로(BOF)에서 철강으로 전환합니다. 전기로(EAF)는 고전압 전기 아크를 사용하여 철 스크랩을 녹여 액체 상태의 강철로 만듭니다. 고로 방식은 철강 1톤당 약 2.33톤의 CO2를 배출하며, 전기로 방식은 약 0.77톤을 배출합니다. 전 세계 철강 생산은 대략 70%가 BF-BOF, 30%가 EAF 방식으로 나뉘어 있으나, 탈탄소화 압력이 커짐에 따라 이러한 균형은 변화하고 있습니다.

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목차

1. 고로 방식: 철광석에서 철강까지
2. 전기로 방식: 스크랩에서 철강까지
3. CO2 배출량 비교
4. 비용 비교: 자본 및 운영 비용
5. EAF의 한계: 생산 가능한 강종의 제약
6. 글로벌 점유율: 70/30 비율의 이유
7. 그린 수소 DRI: 제3의 경로
8. 원자재 무역에 미치는 영향
9. 자주 묻는 질문(FAQ)
10. 핵심 요약

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고로 방식: 철광석에서 철강까지

고로는 150년 넘게 지배적인 철강 제조 기술로 자리 잡고 있습니다. 이는 하루 24시간 내내 가동되는 거대한 연속 공정으로, 대규모 보수 작업 사이에는 최대 20년까지 연속 가동되기도 합니다.

철광석(철 함유량 62-65%인 철광석 펠릿 또는 소결광)은 코크스(원료탄을 산소 없이 가열하여 만든 다공성 탄소 물질) 및 석회석(불순물을 제거하는 용제)과 함께 고로 상부로 장입됩니다.

하단부 노즐인 송풍구(tuyeres)를 통해 뜨거운 바람(때로는 산소가 보강됨)이 주입됩니다. 코크스가 연소하며 1,500°C 이상의 온도를 발생시킵니다. 연소된 코크스에서 나온 일산화탄소는 광석 속의 산화철을 환원시켜 용선(molten iron)으로 만듭니다. 석회석은 불순물(실리카, 알루미나)과 반응하여 슬래그를 형성하는데, 이는 철 위에 떠올라 별도로 배출됩니다.

선철(pig iron) 또는 용선(hot metal)이라고 불리는 이 액체 철은 고로 하단에서 토피도 카(torpedo cars)로 옮겨져 전로(BOF)로 운반됩니다. BOF에서는 고속으로 순수 산소를 불어넣어 과도한 탄소와 기타 불순물을 신속하게(약 20분 내) 제거하여 선철을 용강(액체 강철)으로 전환합니다.

그 후 강철은 후속 압연 및 가공을 위해 슬래브, 빌릿, 블룸 형태로 주조됩니다.

대형 고로 하나는 하루에 10,000~12,000톤의 용선을 생산할 수 있습니다. 주요 일관제철소(고로+BOF)로는 벨기에와 독일의 ArcelorMittal 공장, 영국 Tata Steel의 Port Talbot 공장, 그리고 한국과 일본의 대규모 POSCO 및 NSSMC 시설이 있습니다.

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전기로 방식: 스크랩에서 철강까지

전기로(EAF)는 고로보다 근본적으로 단순합니다. 내화 벽돌로 안감을 댄 거대한 용기에 세 개의 큰 흑연 전극을 장착한 형태입니다. 고전압 전기가 전극을 통과하면 전극과 금속 장입물 사이에 전기 아크가 발생하며, 아크 근처 온도는 3,500°C를 초과합니다.

주요 장입 재료는 유형별로 절단, 파쇄, 분류된 철 스크랩입니다.

• 중량 스크랩(HMS 1&2): 대형 구조용 강철, 철거된 산업 설비
• 파쇄 스크랩(Shredded scrap): 파쇄된 자동차 및 가전제품
• 생철 스크랩(Prompt industrial scrap): 프레스 공정, 건설 절단재 등에서 발생하는 신규 스크랩
• 직접환원철(DRI) / 열간성형철(HBI): 트램프 원소(아래 한계 섹션 참조)를 희석하는 데 사용

스크랩이 노에 장입되면 전극이 내려와 40~60분 동안 아크열로 재료를 녹입니다. 탄소와 불순물을 제거하기 위해 산소를 주입하고, 슬래그 형성을 위해 석회를 첨가합니다. 목표로 하는 강철 화학 성분을 맞추기 위해 합금철(망간, 실리콘, 크롬)을 추가합니다.

최종적으로 용강은 래들(ladle)로 배출되며, 연속 주조 전에 온도와 화학 성분 조정을 위해 래들로(ladle furnace)에서 추가 처리됩니다.

전기로는 고로보다 작고 유연합니다. 일반적인 전기로는 히트(용해 주기)당 200~400톤의 강철을 생산하며, 하루에 여러 번 반복합니다. 전기로 공장은 전기 요금이 비쌀 때 가동을 중단했다가 재개할 수 있는데, 이는 쉼 없이 돌아가는 고로에서는 불가능한 일입니다.

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CO2 배출량 비교

이 지점에서 두 방식은 가장 극명하게 갈립니다.

방식	CO2 집약도	배출원
BF-BOF (일관제철)	철강 1톤당 ~2.33톤 CO2	원료탄 연소, 철광석 환원, 에너지 사용
EAF (스크랩 기반)	철강 1톤당 ~0.77톤 CO2	발전(그리드), 전극 소비, 용제
DRI-EAF (가스 기반)	철강 1톤당 ~1.0-1.4톤 CO2	DRI 환원용 천연가스, 전기
H2-DRI-EAF (그린 수소)	철강 1톤당 <0.1톤 CO2	재생 에너지 전력만 사용

세계철강협회 데이터에 따르면 BF-BOF 방식은 조강 1톤당 약 2.33톤의 CO2를 배출합니다. 이러한 배출의 대부분은 원료탄에서 발생하며, 고로 공정에서 탄소는 연료이자 환원제로서 화학적으로 필수적입니다. 고로에서 석탄을 제거하고 철을 생산하는 것은 불가능합니다.

전기로(EAF) 방식은 주로 아크 가동에 사용되는 전기 때문에 철강 1톤당 약 0.77톤의 CO2를 배출합니다. 이 수치는 전력망의 탄소 집약도에 따라 크게 달라집니다. 100% 재생 에너지 전력으로 가동되는 EAF는 직접적인 CO2 배출이 거의 0에 가깝습니다. 석탄 화력 전기를 사용하는 EAF는 더 많은 양을 배출합니다.

EU 상황을 보면, EU ETS 탄소 가격(현재 톤당 €50~70)으로 인해 일관제철 BF-BOF 철강 생산은 철강 1톤당 약 €115~165의 내재 탄소 비용을 부담하게 됩니다. 이는 EAF 생산자나 탄소 가격이 없는 국가의 수입품 대비 상당한 경쟁적 불이익이며, 바로 이것이 EU 탄소국경조정제도(CBAM)가 설계된 이유입니다.

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비용 비교: 자본 및 운영 비용

두 방식은 상반된 비용 구조를 가지고 있습니다.

자본 비용(플랜트 건설):

방식	일반적인 자본 비용	참고
일관 BF-BOF (신규 건설, 3-4 Mtpa)	$20억~40억	고로, 코크스 오븐, BOF, 압연기 포함
EAF 미니밀 (신규 건설, 1-2 Mtpa)	$3억~6억	톤당 생산 용량 대비 훨씬 저렴

고로는 제철소 전체 설비(코크스 공장, 소결 공장, 고로, 열연 공장 등)를 필요로 합니다. 연간 생산 능력 톤당 자본 비용은 $600~$1,000 수준입니다.

EAF 미니밀은 연간 생산 능력 톤당 $300~400으로 건설할 수 있습니다. 이것이 바로 Nucor, Steel Dynamics, Commercial Metals와 같은 기업들이 일관제철소보다 훨씬 저렴한 비용으로 지역 철강 공장을 구축할 수 있었던 이유입니다.

운영 비용:

BF-BOF 공장은 원자재(철광석+원료탄) 비용이 높지만, 일단 가동되면 단위 경제성이 비교적 예측 가능합니다. 원료탄은 일반적으로 BF-BOF 운영 비용의 30~40%를 차지합니다. 고로는 가동 중단 후 재가동 비용이 커서 멈춤 없이 연속 가동해야 합니다.

EAF 공장은 원자재 비용(스크랩은 순수 철 단위당 비용이 철광석보다 저렴)은 낮지만 전기 가격에 매우 민감합니다. 전기는 EAF 운영 비용의 25~35%를 차지할 수 있습니다. 2022년 유럽처럼 전기 가격이 급등할 때 EAF 공장은 비용을 감수하거나 생산을 줄여야 합니다. 유럽의 여러 전기로 제강사들은 전기 가격 급등으로 인해 생산이 경제성이 없다는 판단하에 생산량을 줄였습니다.

EAF는 운영 유연성도 제공합니다. 전기 가격이 높을 때 공장을 멈췄다가 재가동할 수 있습니다. 이는 가격 변동성이 큰 전력 시장에서 상당한 이점입니다.

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EAF의 한계: 생산 가능한 강종의 제약

전기로(EAF) 방식은 스크랩에서 유입되는 트램프 원소(tramp element) 오염이라는 근본적인 야금학적 한계를 가지고 있습니다.

철 스크랩은 순수 철이 아닙니다. 원래 강철 구성에 포함되었던 구리, 주석, 니켈, 몰리브덴, 크롬과 같은 잔류 합금 원소가 포함되어 있습니다. 이들은 용해 과정에서도 살아남으며 산화(탄소, 규소, 황처럼 태워서 제거 가능)를 통해 제거할 수 없습니다. 따라서 용강 속에 축적됩니다.

주요 원인은 구리입니다. 특정 임계치(일반적으로 0.1~0.2%) 이상의 구리는 열간 가공성을 저하시켜, 열간 압연 중 강철 표면에 균열을 발생시킵니다. 이를 열간 취성(hot shortness)이라고 합니다. 철근, 형강, 선재 등 일반 강종의 경우 구리 허용치가 관대하여 EAF 방식이 잘 작동합니다. 그러나 자동차 외판, 전기강판, 깡통용 주석 도금 강판 같은 판재류는 구리 함량이 매우 낮아야 하며(종종 0.04% 미만), 이러한 등급의 강철 생산에는 제약이 있습니다.

용강에 포함된 구리를 제거하는 경제적인 방법은 없습니다. 유일한 해결책은 구리가 없는 순수 철 원료(선철, DRI, HBI)를 첨가하여 희석하는 것입니다. 고품질 판재를 생산하는 전기로 공장들은 구매한 선철이나 DRI를 스크랩과 섞어서 이러한 문제를 해결합니다.

결과적으로 자동차용 강판, 전기강판, 고품질 판재류 시장은 여전히 통합 BF-BOF 생산자가 주로 공급합니다. 이들은 트램프 원소 오염이 없는 처녀 광석을 사용하기 때문입니다. EAF는 장재류(철근, 형강, 선재) 및 저급 판재류 생산에 강점을 가집니다.

이러한 한계는 스크랩 재활용률이 높아지고 시간이 지나며 누적된 트램프 원소로 인해 스크랩 품질이 더욱 저하됨에 따라 더욱 중요해질 것입니다.

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글로벌 점유율: 70/30 비율의 이유

연간 전 세계 조강 생산량은 약 19억 톤(2023년 데이터)입니다. 비율은 다음과 같습니다.

• BF-BOF: 약 70% (약 13.3억 톤)
• EAF: 약 29% (약 5.5억 톤)
• 기타(평로, 유도 전기로): 약 1%

BF-BOF가 지배적인 이유는 중국 때문입니다. 중국은 전 세계 철강의 50% 이상(연간 약 10억 톤)을 생산하며, 중국 생산량의 약 90%가 BF-BOF 방식을 사용합니다. 중국은 지난 30년간 거대한 일관제철소 기반을 구축했으며, 스크랩 공급은 비교적 젊은 산업 재고(인프라와 건물이 최근에 지어져 폐기 단계에 이르지 않음)로 인해 제한적이었습니다.

중국을 제외하면 EAF 점유율은 훨씬 높습니다:
– 미국: 약 70% EAF, 30% BF-BOF. Nucor, Steel Dynamics 등이 주요 EAF 생산자입니다.
– EU: 약 40% EAF (국가별 차이 큼. 이탈리아는 EAF 약 70%, 독일은 자동차 수요로 BF 비중 높음)
– 터키: 약 70% EAF (지중해 스크랩 흐름을 사용하는 대규모 스크랩 수입국)

중국의 산업 기반이 노후화되고 스크랩 가용성이 증가함에 따라, 중국의 EAF 점유율은 2035년까지 약 10%에서 20~25%로 상승할 것으로 예상되며, 이는 글로벌 시장 역학의 큰 변화를 의미합니다.

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그린 수소 DRI: 제3의 경로

향후 10년 철강 제조 기술에서 가장 중요한 발전은 수소 기반 직접환원철(H2-DRI)과 전기로(EAF) 제강의 결합입니다.

직접환원철(DRI)은 철광석 펠릿을 융점 이하(약 800~1,100°C)에서 환원 가스(기존에는 주로 천연가스인 메탄)로 환원하여 만든 철입니다. 광석은 고체 상태를 유지하지만 화학적으로 산화철에서 금속 철로 환원됩니다. 결과물은 스크랩 대체재로 EAF에 직접 투입할 수 있는 스펀지 형태의 금속 물질입니다.

기존 DRI 공정(천연가스 사용)은 DRI 1톤당 약 1.0~1.4톤의 CO2를 배출하는데, 이는 고로보다는 낫지만 탄소 제로는 아닙니다.

획기적인 변화는 천연가스를 재생 에너지 전기로 물을 전기분해하여 얻은 그린 수소로 대체하는 것입니다. 수소가 철광석을 환원하면 부산물은 CO2가 아니라 물(H₂O)뿐입니다. 재생 에너지 전기로 가동되는 EAF 제강과 결합하면, 전체 H2-DRI-EAF 방식은 BF-BOF 대비 약 95% 감소한, 철강 1톤당 0.1톤 미만의 CO2로 철강을 생산할 수 있습니다.

이 기술을 주도하는 두 가지 주요 프로젝트는 다음과 같습니다.

HYBRIT(수소 혁신 철강 제조 기술): SSAB(스웨덴), LKAB(스웨덴 최대 철광석 생산자), Vattenfall(스웨덴 에너지 기업)의 합작 투자입니다. HYBRIT는 2021년 고객사(Volvo AB)에 세계 최초의 수소 환원 철강을 공급했습니다. 상업적 규모의 생산은 2026~2030년까지 SSAB Luleå 공장을 목표로 하고 있습니다.

H2 Green Steel(현재 Stegra): 스웨덴 Boden에 건설 중인 새로운 시설입니다. 스웨덴 수력 및 풍력 에너지로 구동되며 H2-DRI-EAF 기술을 사용하여 2030년까지 연간 500만 톤의 그린 철강 생산을 목표로 합니다.

비슷한 경로를 추구하는 다른 기업으로는 ArcelorMittal(수소 전환을 포함한 MIDREX 기반 DRI 공장), thyssenkrupp(Duisburg의 tkH2Steel 프로젝트), Salzgitter(SALCOS 프로그램) 등이 있습니다.

상업적 도전 과제는 비용입니다. 현재 그린 수소는 kg당 $4~8로, 에너지 등가 기준 천연가스($1~2)보다 비쌉니다. H2-DRI를 통해 생산된 그린 철강은 기존 BF-BOF 철강 대비 톤당 $100~300의 비용 프리미엄이 발생합니다. 이 프리미엄을 “그린 프리미엄”을 통해 구매자에게 전가할지, 아니면 탄소 가격을 통해 흡수할지가 철강 산업 탈탄소화의 핵심 상업적 질문입니다.

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원자재 무역에 미치는 영향

EAF/BF-BOF 분할은 각 방식을 지원하는 원자재 무역 흐름에 직접적인 영향을 미칩니다.

BF-BOF 수요: 철광석(호주, 브라질발 선적) 및 원료탄(호주, 미국, 캐나다, 러시아발 선적). 이는 세계 최대 규모의 해상 건화물 무역 중 두 가지입니다. BF-BOF에서 멀어지는 전환은 원료탄과 고품질 철광석 펠릿에 대한 수요를 직접적으로 줄이며, 이는 장기적으로 해당 원자재 시장에 하방 압력으로 작용합니다.

EAF 수요: 전기 및 철강 스크랩. 글로벌 스크랩 무역은 상당한 규모입니다. 터키는 세계 최대 스크랩 수입국으로 미국, EU, 영국에서 조달합니다. 전 세계적인 EAF 생산 증가는 스크랩 수요 증가를 의미하며, 이는 스크랩 가격을 상승시키고 스크랩 조달 경쟁을 심화시킵니다.

H2-DRI 수요: 고품질 철광석 펠릿(DRI는 표준 BF-BOF 철광석보다 높은 67% 이상의 철 함유량이 필요함). 이는 LKAB(스웨덴), CVRD/Vale(브라질), Bahrain Steel의 고품질 철광석 펠릿에 대한 프리미엄 시장을 형성합니다. H2-DRI 전환은 고품질 철광석에는 호재, 중급 고로용 철광석에는 악재입니다.

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자주 묻는 질문(FAQ)

고로와 전기로 중 운영 비용이 더 저렴한 것은 무엇인가요?

각 지역의 원자재 비용에 따라 다릅니다. 스크랩이 저렴하고 전기가 저렴한 곳에서는 EAF가 운영 비용이 더 낮습니다. 스크랩이 부족하고 전기가 비싼 곳에서는 BF-BOF가 유리합니다. 미국 EAF 미니밀은 미국 내 스크랩이 풍부하고 상대적으로 저렴하기 때문에 통합 BF-BOF 생산자보다 지속적으로 낮은 비용을 보입니다. 유럽 전기로 제강사들은 가스 위기로 전기 가격이 급등했던 2022년에 압박을 받았습니다.

전기로(EAF)로 자동차용 강판을 만들 수 있나요?

중요한 단서와 함께 가능합니다. 자동차용 고품질 판재류는 압연 중 열간 취성을 피하기 위해 구리 수준을 매우 낮게(0.04% 미만) 유지해야 합니다. 자동차 강판을 생산하는 전기로 공장은 스크랩을 구리가 없는 순수 철 원료(선철, DRI, HBI)로 희석해야 합니다. Nucor의 Gallatin 및 Crawfordsville 공장이 정확히 이렇게 하고 있습니다. 그러나 중요한 DRI 첨가 없이는 EAF 판재의 품질 상한선이 일관 BF-BOF 공장보다 낮습니다.

그린 철강이란 무엇이며 얼마나 더 비싼가요?

그린 철강은 기존 철강 제조보다 상당히 낮은 CO2 배출량으로 생산된 철강으로, 일반적으로 철강 1톤당 CO2 0.5톤 미만으로 정의됩니다. 선도적인 경로는 재생 에너지를 사용하는 그린 수소를 활용한 H2-DRI-EAF입니다. 현재 그린 철강은 그린 수소 비용에 따라 기존 철강 대비 톤당 $100~300의 비용 프리미엄이 발생합니다. 재생 에너지 비용이 하락함에 따라 이 프리미엄은 좁혀질 것으로 예상됩니다.

왜 중국은 BF-BOF 방식을 지배하나요?

중국은 생산을 신속하게 확장하는 가장 저렴한 방법이었고, 원료탄을 확보할 수 있었으며, 빠르게 산업화되는 경제 속에서 스크랩이 부족했기 때문에 지난 30년간 BF-BOF 기술로 대부분의 철강 생산 능력을 구축했습니다. 중국은 연간 10억 톤 이상의 철강을 생산하며 약 90%가 BF-BOF 방식입니다. 중국의 산업 기반이 노후화되고 스크랩 가용성이 높아짐에 따라 EAF 점유율이 점진적으로 증가하고 있습니다.

HYBRIT는 무엇이며 왜 중요한가요?

HYBRIT는 SSAB, LKAB, Vattenfall의 합작 투자로 수소 직접환원을 사용하여 화석 연료 없는 철강을 생산하는 것을 목표로 합니다. 2021년 원료탄이나 천연가스 없이 생산된 세계 최초의 화석 연료 없는 철강을 Volvo AB에 인도했습니다. HYBRIT는 H2-DRI-EAF 경로가 상업적으로 작동할 수 있음을 증명하기 때문에 중요합니다. 규모가 확대되면 BF-BOF 산업 전체에서 철강 1톤당 약 2.33톤의 CO2를 제거할 수 있습니다.

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핵심 요약

• 고로-전로(BF-BOF) 경로는 철광석과 원료탄을 사용하고, 전기로(EAF)는 철 스크랩과 전기를 사용합니다. 이는 근본적으로 다른 원자재 공급망입니다.
• BF-BOF는 철강 1톤당 약 2.33톤의 CO2를 배출하는 반면, EAF는 약 0.77톤을 배출하여 67% 절감 효과가 있습니다.
• EAF는 BF-BOF보다 자본 비용이 훨씬 낮고(~용량 톤당 $300~400 대 $600~1,000) 운영 유연성이 뛰어나지만 전기 가격에 민감합니다.
• EAF는 스크랩에서 축적되는 트램프 원소(특히 구리)를 희석하기 위해 순수 철 원료를 첨가하지 않으면 자동차용 고순도 판재 강종을 생산하기 어렵습니다.
• 전 세계 철강 생산은 약 70%가 BF-BOF, 30%가 EAF이며, 스크랩 가용성 증가와 탈탄소화 압력으로 EAF 점유율은 상승하고 있습니다.
• EU ETS 탄소 가격(~톤당 €50~70)은 BF-BOF 철강에 톤당 €115~165의 내재 탄소 비용을 추가하여, 탄소 가격이 없는 수입품이나 EAF와 비교해 경쟁적 압박을 가하고 있습니다.
• 그린 수소 DRI(H2-DRI-EAF)는 가장 탄소 배출이 적은 철강 생산 경로로 BF-BOF 대비 최대 95%의 CO2를 저감하며, 스웨덴의 HYBRIT와 Stegra가 선도적인 상업 규모 프로젝트입니다.
• BF-BOF에서 EAF/DRI-EAF로의 전환은 원료탄과 일반 철광석 시장에는 장기적으로 악재이며, 고품질 철광석 펠릿과 철 스크랩 시장에는 호재입니다.

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