전 세계의 관심이 기후 변화와 환경 문제에 쏠리면서 산업계도 이에 주목하고 있습니다. 화석 연료 사용 금지부터 배출세 인상까지, 인간 생활의 거의 모든 영역에서 기후 변화의 속도를 어떻게 억제할 수 있을지에 대한 대응 조치가 시행되고 있습니다. 금속 성형 산업도 예외는 아니며, 이미 친환경적인 방향으로의 조치가 취해지고 있지만, ‘친환경 산업’이 정착되기까지는 아직 갈 길이 멀다. 현실적으로 ‘친환경 산업’은 특정 부문의 범위를 훨씬 뛰어넘는 수많은 요인에 의존하며, 어느 한 부문이 쉽게 좌우할 수 있는 것이 아니다. 그렇지만 기초적인 부분에서 이루어지는 작은 변화라도 환경 전반의 상태에 막대한 변화를 일으킬 수 있다.
이 글은 빌렛 가열 과정에서 발생하는 환경적 영향의 주요 요인 몇 가지를 살펴보고, 이를 완화할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
환경
철강 및 비철금속 부문은 전 세계 온실가스 배출량의 8%를 차지하며, 이는 항공 부문의 배출량보다 4배 이상 많은 수치입니다[1]. 기후 변화를 일으키는 주된 요인은 온실가스의 배출입니다[2]. 온실가스는 이것이 유발하는 온실 효과 때문에 이러한 이름이 붙여졌습니다. 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄) 등과 같은 온실가스로 이루어진 단열층은 대기 중에 과도한 열이 축적되도록 하여, 해빙이 녹음으로써 해수면 상승을 초래합니다.
현재의 기온 상승 속도를 고려할 때, 2050년이 되면 지구의 기온은 산업화 이전 수준보다 3°C 더 높아질 것으로 예상된다. ‘2050 시나리오’에 따르면, 이러한 기온 상승으로 인해 2100년까지 해수면이 약 3미터 상승할 것이며, 이로 인해 네덜란드와 같은 국가들은 대부분 물에 잠기게 될 것이다[3]. 아마도 더 우려스러운 시나리오는 ‘온실 지구(Hothouse Earth)’ 시나리오일 것입니다. 이 시나리오는 기온이 산업화 이전 수준보다 2°C 상승할 경우 그 영향이 돌이킬 수 없게 된다는 가설을 제시합니다. 즉, 해수면 상승과 생태계에 가해지는 돌이킬 수 없는 피해를 막을 수 있는 조치는 없다는 것입니다. 따라서 이 2°C라는 수치는 파리 협정의 기준점으로 설정되었습니다[4].
빌렛 가열 방법
철 및 비철 빌렛의 가열은 에너지 집약적인 공정입니다. 일반적으로 빌렛은 가스로 또는 유도 가열 공정을 통해 가열됩니다. 두 방법 모두 수십 년에 걸친 압출 공정에서 그 효용성이 입증되었으며, 각각 실질적인 이점을 가지고 있습니다. 실질적인 비교를 위해, 명목상 유사한 온도와 처리량을 제공하는 가스식 가열기 1대와 유도 가열기 1대를 선정했습니다.
†1m³의 천연가스는연소 효율이 100%라고 가정할 때 약 10.28kW에 해당합니다.
가스 및 인덕션
역사적으로 볼 때, 산업 현장에서는 가스 난방기 사용이 일반적으로 더 보편적입니다. 가스 난방기는 초기 설비 비용이 다소 낮을 뿐만 아니라, 사용 국가에 따라 운영 비용도 더 저렴한 경향이 있습니다. 2020년 3분기 기준, 영국에서 가스의 kWh당 평균 비용은 0.180파운드였습니다. 같은 기준으로 전기 요금의 kWh당 평균 비용은 0.810파운드입니다[5]. 이러한 낮은 운영 비용은 단기적으로는 매력적으로 보입니다. 그러나 기후변화위원회(Climate Change Committee)는 2030년까지 이러한 가격이 급격히 변동할 것으로 추정하고 있습니다. 예측에 따르면, 2030년까지 대규모 제조업 부문에서 천연가스 kWh당 가격은 100% 상승할 것으로 예상되는 반면, 전기 kWh당 가격은 42% 상승할 것으로 보입니다[6]. 이러한 격차는 다른 유럽 국가들에서 더욱 두드러지게 나타납니다.
가스 용광로는 빌렛을 가열하기 전에 설정 온도에 도달하기 위한 예열 시간이 필요합니다. 이 시간은 전적으로 용광로의 크기와 적절한 단열 상태에 달려 있습니다. 이러한 이유로 가스 용광로는 빌렛을 가열하고 있는지 여부와 관계없이, 원하는 온도에서 장시간 동안 에너지를 소비하며 가동되는 경향이 있습니다. 반면, 유도 가열을 이용할 경우 빌렛을 적극적으로 가열할 때만 에너지가 소모되며, 빌렛이 가열 공정을 거치지 않을 때는 사실상 에너지가 사용되지 않습니다. 이는 가열된 빌렛의 공급량을 에너지 낭비 없이 프레스 처리 속도에 더 쉽게 맞출 수 있기 때문에, 프레스 라인 운영자에게는 더 유연한 방법으로 간주되기도 합니다.
가스 연소식 가열 방식의 장점 중 하나는 구조가 단순하다는 점입니다. 덕분에 공장 직원들이 설치 및 운영을 더 쉽게 수행할 수 있습니다. 이는 기업이 기술적으로 더 진보된 대안 대신 가스 연소식 가열기를 선택하는 주요 이유로 종종 꼽힙니다. 빌렛이 가열기를 통과하면 설정된 온도에서 전체적으로 균일한 온도를 유지하게 됩니다. 이 과정은 유도 가열보다 상당히 더 오랜 시간이 소요되며, 종종 빌렛 표면에 스케일이 발생하여 최종 압출 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.
유도 가열을 사용할 때의 가장 큰 장점은 테이퍼 가열이 가능하다는 점입니다. 테이퍼 가열은 빌렛의 길이 방향에 걸쳐 온도 구배를 형성하는 데 활용되며, 이는 프레스 금형의 마모를 줄이고 최대 프레스 속도에서 등온 압출을 가능하게 하는 핵심 요소입니다. 가스 용광로의 설계에는 주기적으로 교체해야 하는 가마 내벽이 포함되어 있어, 이로 인해 프레스 라인의 가동 중단 시간이 길어질 수 있습니다. 마찬가지로 유도 코일도 교체가 필요하지만, 이 작업은 30분 정도면 충분합니다. 최근 몇 년간 배연 가스 회수 및CO₂ 배연세정기와 관련된 시스템 기술이 발전했습니다. 이를 통해 각각 더 높은 효율과 더 낮은 배출량을 달성할 수 있게 되었습니다.
기타 방법
빌렛 가열 방법은 앞서 언급한 두 가지 공정에만 국한되지 않습니다. 자기 가열기와 초전도체의 활용이 이 분야에서 점차 효과를 발휘하기 시작하고 있습니다. 이 두 가지 방법 모두 화석 연료 대신 전기를 이용해 작동합니다.
환경적 영향
이 기사에서 다룬 두 가지 빌렛 가열 방식 모두 온실가스 배출로 인해 환경에 해로운 영향을 미칩니다. 가스 가열의 경우,CO2는제조 시설에서배출됩니다. 유도 가열은 전적으로 각국의 전력망, 즉 해당 지역의 에너지 믹스에 의존합니다.그림 1을통해 각 사례별 잠재적CO₂ 배출량을산출할수 있습니다.천연가스 연소 시 0.185 kg/kWh의CO₂가배출되는 반면,영국에서 전기를 생산할 때는 0.256 kg/kWh의 CO₂가 배출됩니다[7].
두 방식 간의 큰 차이는 각 시스템의 ‘가동’ 시간에 기인하는 바가 큽니다. 유도 가열 방식은 빌렛(billet) 단위로만 전력을 소비하기 때문입니다. 영국이 재생 가능 에너지원으로 초점을 옮겨감에 따라, 0.256 kg/kWh인CO₂ 배출량은2030년까지 0.100 kg/kWh로 감소할 것으로 예상됩니다[8].
그림3에서 볼 수 있듯이,영국의 ‘2050년까지 탄소 중립’ 기후 정책에 따라 예상이산화탄소배출량은감소할 것으로 전망된다.
그림 2와3에서 산출된 값을 활용하면 10년 동안의 예상이산화탄소 배출량을산출할 수 있다.
그림 4의데이터는 시간당 1000kg의 처리량, 하루 16시간, 주 5일, 연간 52주를 가정하고 있습니다. 이러한 수치만으로는 개인적인 관점에서 볼 때 특별히 실감 나지 않을 수 있습니다. 다음과 같이 표현하면 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 완전 적재된 보잉 747-400은 승객 1인당 비행1시간당약 90 kg/h의CO₂를배출합니다[9].그림 1에명시된 비교적 소규모의 가스 연소 빌렛 가열기에서 10년 동안 배출되는 양은, 보잉 747을 히스로 공항에서 JFK 공항까지34회왕복하는 것과 거의같습니다. 또는애스턴 마틴 DB9을 타고 달까지 왕복하는 것을27회 하는 것과도같습니다.
이러한 수준의 환경적 영향은 지속 가능하지 않습니다.
미래
철 및 비철 압출 시장이 확대되고 있다. 현재 통계에 따르면, 2021년부터 2027년까지 알루미늄 압출 시장의 연평균 복합 성장률(CAGR)은 3.8%로 추정된다[10]. 이 예측된 CAGR에 따르면, 2027년까지 시장 매출은 573억 달러에서 916억 7천만 달러로 증가할 것으로 전망된다. 이 부문이 확장됨에 따라 환경에 미치는 영향은 필연적으로 점점 더 커질 것이다.
영국 정부는 최근 대규모 산업계를 대상으로 에너지 효율을 높이고 탄소 발자국을 줄이는 데 도움이 될 보조금을 지원하는 정책을 시행했습니다. 1단계에서는 “산업 공정의 에너지 효율을 개선하는 기술을 도입하는 프로젝트” 및 “산업 공정의 에너지 효율 및 심층 탈탄소화 조치에 대한 타당성 조사 및 공학 연구”에 최대 4,000만 파운드를 지원합니다[11]. 노르웨이와 같은 다른 국가들은 최근CO₂ 배출량1톤당 부과되는 가격을 4배 인상했다[12]. 가스 연소 용광로를 위한 배연 가스 회수 및CO₂ 스크러버기술의 추가 개발은 효율성을 높이고CO₂ 배출량을줄이는 데 기여하고 있다.
사후 대응은 우리 사회가 그동안 의존해 온 방식이지만, 이는 그저 임시방편에 불과합니다. 우리는 사후 대응에서 선제적 대응으로 전환해야 합니다. 환경에 더 이로운 변화를 적극적으로 만들어 나가야 합니다. 개인 차원에서는 환경과 관련된 결정에서 스스로를 배제하기가 쉽습니다. 우리는 더 쉽고 저렴한 선택지를 택할 수 있습니다. 왜냐하면 그것이 바로 더 쉽고 저렴하기 때문입니다. 하지만 우리가 지구에 끼쳤고, 현재 끼치고 있으며, 앞으로도 끼치게 될 피해는 결코 쉽게 받아들일 수 없는 일입니다. 그러나 이러한 피해를 막기 위해 변화를 만들어낼 수 있습니다. 인류는 기후 위기에 직면해 있습니다. 이 위기는 막을 수 있습니다.
토마스 포스틴스, 공학사
배니어드 영업 관리자 – 인덕토텀 가열 및 용접
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