기후위기 심각화, 세계는 지금 ‘Net-zero’를 향한 발걸음
산업혁명 이후 인류 문명의 발전은 화석연료 사용 확대에 따라 이루어졌다. 지난 200년 동안 세계 인구는 8배, GDP는 120배 증가하였고 에너지는 30배 더 사용하였다. 에너지의 84%는 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료이다. 화석연료 사용으로 인해 배출된 온실가스로 대기 중 이산화탄소 농도는 산업혁명 이전 280ppm에서 413ppm으로 증가하였고 지구평균온도는 1.2℃ 상승하였다. 그 결과 해수면의 상승, 대형 태풍과 홍수, 가뭄, 폭염, 감염병 증가, 식량부족, 2020년 한국에서 54일간 지속된 장마와 같은 기후위기가 발생하고 있다.
<기후위기와 에너지 혁명, 출처: 한국에너지기술연구원>
기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)는 2018년 특별보고서에서 기후변화를 막기 위해 2100년까지 지구 평균기온 상승을 산업화 이전 대비 1.5℃ 이내로 억제해야 한다고 권고하였다. 이는 전 지구 차원에서 2050년까지 탄소중립(carbon neutrality), 즉 인간 활동으로 발생된 온실가스를 최대한 줄이고 남은 온실가스는 흡수(삼림 등) 또는 제거(CCUS, Carbon Capture Utilization and Storage)하여 대기 중으로 순배출이 ‘0(zero)’이 되는 Net-zero를 이루어야 달성할 수 있다. 지난 200년 동안 구축된 화석연료 문명을 향후 30년 내에 무탄소 에너지로 전환해야 하는 매우 어려운 일을 하여야 한다. 현재까지 독일, 영국, 프랑스, 일본, 미국, 중국을 비롯한 130여개국이 2030년에서 2060년 사이에 탄소중립을 이루겠다고 선언하였으며, 한국도 지난해 10월 2050년 탄소중립을 선언하였다. 올해 4월에는 미국, EU, 중국, 한국 등 주요 40개국 정상이 참석한 세계기후정상회의가 개최되었다. 이 자리에서 미국이 2030년까지 온실가스 배출을 2005년 대비 50~52%(기존 26~28%), EU는 1900년 대비 55% (기존 40%), 일본 2013년 대비 46%(기존 26%) 등 보다 강화된 감축목표를 발표하였으며, 우리나라도 2017년 대비 24.4%인 기존 감축목표 보다 상향된 감축목표를 올해 안에 발표하기로 하는 등 세계적으로 탄소중립을 위한 노력이 더욱 강화되고 있다. 기후 위기 대처는 향후 30년 동안 정치, 경제, 사회의 핵심이 될 것이다.
탄소중립은 국가 경제와 기업에게도 성장과 생존이 걸린 문제가 되고 있다. 많은 나라들이 2040년 이전에 석탄화력발전 퇴출 목표를 발표하고 있고 2035년 이전에 20개국 이상이 내연기관차 판매 금지를 추진하고 있다. EU와 미국 등은 2020년대 중반부터 ‘탄소국경세’를 도입을 위한 논의를 진행하고 있는데, 만약 현실화될 경우 온실가스 배출이 많은 국가나 기업에서 생산된 제품은 수출이 어려워질 수도 있다. 290개 이상의 세계적인 기업들이 2050년까지 기업 소비전력의 100%를 재생에너지 전력으로 전환하는 RE100 캠페인에 참여하고 있으며, 이들 기업에 부품을 납품하는 협력업체에게 재생에너지 100%로 물건을 생산할 것을 요구하고 있다.
한국이 사용한 1차에너지는 2019년 303백만*toe이며, 이중 83.5%를 화석연료(석유 38.7%, 석탄 27.1%, 천연가스 17.7%)가 차지하고 있다. 온실가스 배출량은 2018년을 기준으로 7.3억t-CO₂이며, 이 중 87%인 6.3억t-CO₂이 에너지분야에서 배출되었다. 최종에너지는 산업(61.8%), 수송(18.6%), 가정·상업(17.3%), 공공(2.3%)에서 소비되었다.
*toe(ton of oil equivalent): 모든 에너지에 공통적으로 적용될 수 있는 에너지 단위로 1TOE = 1,000만Kcal로 정의한다.
<온실가스 배출과 최종에너지소비 형태, 출처: 한국에너지기술연구원>
전체 최종에너지 소비의 25.2%는 전기, 나머지 74.8%는 열에너지로 소비되고 있다. 전기는 재생에너지, 원자력, 화석발전+CCS(Carbon dioxide Capture and Storage)로 이산화탄소가 배출되지 않게 생산할 수 있지만 열에너지는 대부분 화석연료로만 생산이 가능하다. 따라서 탄소중립을 이루기 위해서는 74.8% 사용하는 열에너지를 무탄소 전기로 대체하는 전기화가 반드시 이루어져야 한다.
탄소중립을 이루기 위해서는 다음과 같은 에너지 대전환이 이루어져야 한다.
① 이산화탄소가 발생되지 않는 무탄소 전기를 많이 생산한다.
② 간헐성이 있는 재생전기를 많이 받아들이기 위한 차세대 전력망 구축, 에너지저장시스템, 수소공급이 가능한 가스망, 열 그리드 등 에너지 통합 인프라를 구축한다.
③ 에너지시스템을 전기화한다.
④ 전기화가 어려운 분야는 탄소 중립 연료인 수소(H₂), 암모니아(NH₃), 바이오연료를 사용하거나 이를 활용하는 산업공정을 도입한다.
⑤ 에너지를 가능한 적게 효율적으로 사용하고 폐자원을 순환하여 에너지 수요를 줄인다.
⑥ 2050년도에도 가동이 예상되는 가스발전, 시멘트공장, 정유공장, 철강공장(수소환원제철이 어려울 시) 등에서 발생되는 온실가스는 포집하여 저장한다.
<탄소중립을 위한 대전환, 출처: 한국에너지기술연구원>
재생에너지 전환 가속화, ‘태양광·풍력’에 기대
BP Energy Outlook 2020에서는 탄소중립(Net-Zero)을 위해 2050년 최종에너지 중 전기 비율이 58.9%(이 중 83%가 재생전기), 수소가 15.7%, 바이오에너지 8.3% 등을 제안하고 있다. 한국은 2020년에 552TWh의 전기를 생산하였다. 전기화가 진행되면 2050년에는 1,200~1,300TWh의 전기가 필요할 것으로 예상된다.
오늘날 전 세계에서 화석에너지를 탈피하는 에너지전환이 활발히 이루어지고 있다. IEA 통계에 따르면 2020년에 독일은 전체 발전량의 46.7%, 영국 45.2%, 스페인 45.0%, 이탈리아는 42.9%를 재생에너지로 생산하였다. 한국은 아직 7% 수준이나, 에너지전환 정책에 따라 2030년까지 20% 이상으로 확대할 계획이다.
무탄소 전기 생산의 핵심은 태양광과 풍력이다. 한국은 산지가 70%를 차지하고 태양광에 대한 주민 수용성이 낮아서 설치 면적이 충분치 않으므로 태양광 발전 효율을 높이고, 다양한 장소에 설치 가능한 박막 태양전지를 개발하여야 한다. 현재 시장의 중심인 실리콘 태양전지의 이론 효율은 29.4%인데, 보급되고 있는 태양광 모듈의 효율은 20~22% 정도이다. 정부는 실리콘 태양전지에 페로브스카이트 태양전지를 접목하여 효율을 35% 이상으로 높인 *탠덤 태양전지를 2040년까지 개발하려고 한다. 그리고 기존 태양전지의 응용성 및 심미성의 한계를 극복하고 건물은 물론 차량과 이동전원에 적용이 가능한 가볍고 유연하면서 30% 이상의 효율을 낼 수 있는 박막 태양전지 기술도 개발되어야 한다. 효율 35%의 태양전지를 국토면적의 3%에 설치하면 303GW에 연간 405TWh의 전력생산이 가능하다. 탄소중립이 가능하도록 태양광 설치 면적을 최대한 높여야 한다.
*탠덤 태양전지: 2세대 태양전지기술로 분류되며, 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 중첩시켜 각각 서로 다른 파장대의 태양빛을 흡수하여 전기를 생산하게 하는 방식. 페로브스카이트는 150℃ 이하에서도 고효율 태양전지 제작이 가능하며, 셀 및 모듈 생산에 필요한 공간의 크기를 획기적으로 줄일 가능성도 있어서 유망하게 개발되고 있는 기술로 손꼽힌다.
<태양광 발전 기술개발 로드맵, 출처: 한국에너지기술연구원>
풍력발전은 발전단가를 낮추기 위하여 초대형, 장수명 발전기를 개발하고 있다. 한국은 4.3~5.5MW급을 상용화하였고 8~10MW를 개발하고 있다. 유럽, 미국 등은 8MW급을 상용화하였고, 12MW급을 실증하고 있다. 한국의 경우 바람이 좋은 평지가 적고 주민 수용성이 낮아서 해상풍력 발전기를 많이 설치할 수밖에 없다. 육상과 해상을 합친 풍력발전 시장 잠재량은 연간 129TWh로 예측된다. 아쉽게도 2019년 국내에서 건설된 5개 풍력단지에 들어간 55기의 발전기는 모두 외국산이었다. 한국은 전남 신안 8.2GW, 전북 서남권 2.4GW 등 대규모 해상 풍력단지를 구축하려고 한다. 이들 풍력단지에 국산 제품 설치 활성화를 위해서는 국내 기술개발 및 산업 육성이 적극적으로 이루어져야 하고, 점차 부가가치가 높아지는 유지보수 기술의 국산화도 병행하여 추진할 필요가 있다.
하지만 태양광, 풍력과 같은 간헐성, 변동성이 있는 전기가 증가하면 전기 품질이 떨어지고 기존 전력망으로는 감당이 어려워진다. 현재의 전력망으로는 재생에너지의 비중이 20%를 넘는 2030년부터 버려지는 재생전기가 증가한다. 앞으로 단계적으로 재생에너지 수용 한계 증대, 계통 신뢰성 강화 및 자율운전 전력망 등에 대한 핵심 기술을 미리 개발하고 보급하여야 할 것이다. 재생 자원의 공급량 증대에 대응하기 위한 수요와 공급 최적화 기술, 그리드 스케일 전력저장기술, *P2X(열, 수소 등) 기술, AI 기반 수요자원 최적관리 기술, 분산자원 네트워크 운영 기술 등의 기술이 중요하다.
*P2X: 재생에너지 등 전력을 수소, 열, 기타 합성연료 형태로 저장하는 방식
<에너지 통합 인프라 로드맵, 출처: 한국에너지기술연구원>
모든 에너지 시스템을 무탄소 전기로 ‘전기화’
무탄소 전력생산이 많이 되면 수송, 산업, 건물 부분을 전기화하여야 한다. 내연기관차를 전기차로 전환하기 위하여 정부는 2025년까지 113만대, 2030년까지 300만대의 전기차 보급 계획을 수립하였다. BloombergNEF는 2040년 글로벌 자동차 판매의 54%가 전기차일 것으로 전망하였다. 산업분야에는 전기보일러, 전기 구동 히트펌프, 전기화학공정 등이 도입되어야 한다. 건물의 냉난방 급탕설비도 대부분 전기화하여야 한다.
무탄소 에너지 실현, 미래 에너지 판도 바꿀 ‘수소’
전기화가 어려운 트럭, 항공, 선박에는 수소, 암모니아, 바이오연료 같은 탄소중립 연료를 사용할 수 있을 것이다. 최근 세계 주요국들은 탄소중립은 물론 코로나19로 인한 경제 불황을 극복할 수 있는 대안으로 수소경제를 주목하고 있다. 수소는 수송, 발전, 산업분야의 온실가스 감축에 직접적으로 기여할 수 있다. 또한 재생에너지의 간헐성을 보완할 수 있으며, 재생에너지로부터 생산된 잉여전력의 저장재로서 탄소중립에 기여할 수 있다. BP Energy Outlook 2020은 2050년 세계 최종에너지의 15~16%를 수소가 차지할 것으로 전망하고 있으며, IEA에서는 미래에 화석연료 기반 에너지 무역 대신 재생에너지 무역의 시대를 준비해야 하며, 재생에너지 캐리어(Carrier)로 수소 또는 암모니아를 지목하고 있다. 맥킨지에서는 2050년 세계 수소시장이 약 3,000조원에 달할 것으로 전망하고 있다. 2050년 세계 수소 필요량은 연간 4억~8억톤, 한국의 수요는 2,000~3,000만톤이 예상된다. 이를 위하여 햇볕과 바람이 풍부한 지역인 중동, 호주, 칠레, 몽골, 아프리카 북부 등에서 생산된 재생전기를 이용하여 수전해 설비로 그린수소를 생산해서 이를 액체수소, 암모니아, LOHC(Liquid organic hydrogen carriers, 액상유기수소운반체) 형태로 이송하여 사용하거나 천연가스 또는 석탄이 풍부한 곳에서 *블루수소를 생산하여 이송하여 활용하는 방안이 검토되고 있다.
*그린/블루/그레이 수소: 재생전기로 수전해하여 얻은 수소는 그린수소, 천연가스를 개질한 가스에서 이산화탄소는 포집하여 지중에 저장하고 생산한 수소는 블루수소, 천연가스 개질시 이산화탄소를 포집하지 않고 생산한 수소는 그레이 수소이다.
<글로벌 수소 자원 및 수요 분포도, 출처: Hydrogen Insight Report 2021>
2019~2021년에 유럽, 호주, 일본, 그리고 한국 등 30개국이 국가차원의 수소 기술개발 및 보급 전략을 발표하고 투자를 확대하고 있다. EU는 2030년까지 40 GW, 독일은 2035년까지 10GW의 *수전해 설비를 설치하고, 미국은 2030년까지 수소차 530만대, 충전소 5,600개를 보급하는 목표를 제시하고 있다. 한국도 2040년까지 620만대의 수소차를 생산하여 290만대를 내수시장에 보급하고, 1,200개소의 충전소를 구축한다는 목표를 설정하고 있다. 이러한 목표 달성을 위해서는 온실가스를 배출하지 않는 그린수소를 값싸게 생산하는 것이 가장 중요하다. 현재 사용되는 수소는 석유화학공장에서 나오는 부생수소와 도시가스를 개질한 추출수소로서 CO₂가 발생하는 그레이수소이고 단가는 kg당 8,000원 수준이다. 2030년 이후 재생에너지 발전 비중이 높아지고 발전단가가 낮아지면 물을 전기분해한 그린수소를 kg당 4,000원 이하로 보급할 수 있을 것이며, 기술개발을 통해 2050년까지는 kg당 2,000원 이하로 낮추어야 할 것이다. **알칼라인(Alkaline), ***양성자 교환막전해법(PEM, Polymer Electrolyte Membrane), ****고체산화물 전기분해(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell) 등 수전해 설비 가격이 US$ 300/kW 정도로 낮아 졌을 때 수전해 설비 시장 규모는 US$ 3,000억 이상이 형성될 것으로 예상된다.
국제해사기구(IMO)는 2050년 선박의 온실가스 배출량을 2008년에 비해 50% 이상 감축하는 규제를 제정하였다. 이에 대응하기 위하여 국내 조선 3사에서는 이미 2025년 상업화 목표로 암모니아 추진 선박을 개발 중이다. 유럽에서는 선박용 암모니아 연료전지를 매우 중요하게 보고 개발이 진행 중이다.
*수전해 설비: 전기분해를 통해 물을 수소와 산소로 분리하는 설비
**알카라인: 수산화이온(OH-)을 통과시키는 고분자전해질을 사용
***양성자 교환막전해법(PEM): 양성자(H+)를 통과시키는 불소계 고분자전해질에 백금, 루비듐, 이리듐 계열의 귀금속을 전극으로 사용
****고체산화물 전기분해(SOEC): 양성자를 통과시키는 고체 세라믹을 전해질을 사용
<CO₂-free 수소 생산 로드맵, 출처: 한국에너지기술연구원>
에너지 수요를 줄이는 ‘효율 향상 및 자원순환기술’
생산된 무탄소 전기와 탄소중립 연료를 효율적으로 사용하고 적극적인 자원순환을 통하여 에너지 수요 자체를 줄이는 노력 또한 필요하다. 한국의 경우 최종에너지의 61.8%가 산업부문, 그리고 19.6%가 건물부문(가정, 상업, 공공)에서 소비되고 있다. 이들 부문에서 사용되고 있는 수많은 에너지설비 및 기기들의 효율을 향상시켜 에너지수요 자체를 줄이는 것은 가장 실현가능성이 높고 비용 대비 효과적인 탄소중립기술이다. IEA의 에너지기술전망에 따르면, 2050년까지 지구기온 상승을 1.5℃이내로 억제하는데 에너지효율향상의 기여도를 37%로 가장 높게 평가하고 있다. 산업공정 효율화, 산업용 기기의 초고율화, 탄소중립 건물, 미활용에너지 활용 확대, 친환경 고효율 냉난방과 같은 최종 소비부문의 공정 및 기기의 고효율화가 필요하고 이를 뒷받침하기 위한 기술들이 개발 및 보급되어야 한다. 아울러 향후의 에너지효율향상은 D.N.A.(Data, Network, AI) 기술과 융합한 공장에너지관리시스템(FEMS), 건물에너지관리시스템(BEMS)가 많이 적용되어야 한다. 폐플라스틱을 회수하고 처리하여 플라스틱 원료로 순환하거나 수소를 생산하는 기술은 앞으로 도입될 수도 있는 플라스틱세에 대응하는 중요한 기술이다. 앞으로는 탄소중립을 위하여 우리가 사용한 모든 제품을 재활용하는 시대가 열릴 것이다.
탄소중립 마무리할 ‘탄소포집·저장기술’
2050년이 되어도 가동이 예상되는 LNG발전과 전기화가 진행되더라도 공정 특성상 어쩔 수 없이 CO₂를 발생하는 철강, 시멘트, 석유화학산업에서 상당한 양의 이산화탄소가 배출될 것으로 전망된다. 탄소중립을 실현하기 위해서는 이렇게 배출되는 이산화탄소는 포집하여 저장하여야 한다. 화력발전과 산업분야에서 발생된 CO₂를 포집하는 기술로서 국내에서는 10MW 규모의 습식 흡수공정과 건식공정이 개발되었고, 미국은 240MW 석탄화력발전소 배가스에서 CO₂를 포집, 압축하여 130km를 배관으로 이송해서 EOR(Enhanced Oil Recovery)에 이용하는 실증플랜트를 가동하고 있다. 문제는 비용이다. 현재의 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 비용은 100달러/톤-CO₂ 수준으로 아직 비싸다. 또 하나의 문제는 이산화탄소를 묻을 장소가 국내에는 아직 확보되지 않았다. 연간 1억톤, 누적 50억톤 이상의 이산화탄소를 저장할 수 있는 장소가 필요하며, 국내는 물론 해외와 연계하여 저장소를 확보하는 전략적인 노력이 필요하다. CO₂ 활용기술의 경우, 실제적인 온실가스 감축 기여도에 다소 불확실성이 존재하고, CO₂를 제품으로 전환하기 위해 필요한 수소나 무탄소 에너지 확보, 활용 가능한 제품의 시장 규모나 경쟁력 측면에서 적지 않은 어려운 점이 있다. 하지만, 탄소중립 기술 중의 하나로서 모든 기술적 방안을 동원하여 온실가스를 감축하고 이익 창출이 가능한 기술을 확보할 수 있도록 노력할 필요가 있다.
탄소중립은 매우 힘들고 어려운 길이다. 하지만 지속가능한 인류의 미래를 위해서는 피할 수 없는 길이다. 탄소중립은 기술 개발로만 달성할 수 있다. 우리가 개발한 탄소중립 혁신기술로 경제도 활성화하고 지구도 더 맑게 하는 날이 다가오기를 기대해 본다.
