[동향분석] 에너지기술개발 동향 및 우리나라 전략(I)

에너지기술개발 동향 및 우리나라 전략(I) 한국에너지 기술연구원 신성철 박사 I. 21세기 지속가능발전과 에너지기술 1. 기후변화의 전망 및 도전 21세기 인류의 화두는 단연 ‘지속가능발전’이라 할 수 있다. ‘인간 생활에 필수 불가결한 에너지를 안정 확보하여 경제성장을 유지하면서, 오염되지 않는 환경을 가꿀 수 있는 방안이 무엇인가?’라는 화두는 전 인류가 향후 공동으로 해결하여야 할 중대한 도전이자 지상 과제가 되고 있다. 인류의 20% 이상이 아직도 전기의 혜택을 보지 못하고 있는 반면, 화석연료 사용의 지속적인 증가로 말미암아 지구환경이 급속히 변화하여 인류가 경험하지 못한 큰 재앙을 경고하고 있다. UN산하 기후변화 관련 전문가 그룹은 2100년 기준으로 온실가스 농도를 최소한 550ppm 이하로 안정화 시킬 것을 권장하고 있다. 온실가스 농도에 따른 지구 온난화 및 해수면의 상승, 사막화 현상 등 제반 기후변화의 영향에 대해서는 모델에 따라 상이한 분석 결과와 변동 폭이 큰 것이 사실이나, 전 지구적 기후변화의 재앙을 방지하기 위해서 획기적인 온실가스 감축이 요구된다는 점에 대해서는 대부분 전문가들의 견해가 일치하고 있다 하겠다. <그림1>은 온실가스 농도안정(2100년 기준)을 위하여 향후 감축하여야 할 온실가스 배출량 궤적과의 관계를 나타낸 것이다. 현재의 농도수준(약 375ppm)에서 2100년 기준 450ppm 수준으로 안정하기 위해서는 향후 10년 후부터 총 배출량을 지속적으로 대폭 감축해야 함을 나타내고 있다. 온실가스 농도를 400~550ppm 수준으로 안정화하기 위해서는 1인당 년간 0.2~0.7 탄소톤 미만의 배출량을 유지하여야 되며, 이는 미국의 경우 현재 1인당 배출량의 무려 1/10 수준으로 감축해야 함을 의미한다(1999년 기준 1인당 배출량 규모 ; 미국 5.5톤, 일본 2.5톤, 중국 0.6톤, 인도 0.3톤 등). 한마디로 UN산하 기후변화 전문가 그룹이 권유하는 온실가스 농도 안정화 수준을 달성하는 것은 기존 에너지시스템으로는 불가능하다. 전혀 다른 새로운 파라다임이 요구되고 있는 것이다. 이에 대해 많은 연구가 진행 중이다. 그 방향은 우선적으로 수요측면에서 에너지효율의 획기적 향상과 자원순환형 사회를 구축하고 아울러 생활습관 및 소비행태를 바꿈으로서 에너지수요를 최대한 감축하는 것과, 공급측면에서 에너지 신기술을 바탕으로 기존의 ‘탄소경제’에서 ‘수소경제’로의 시스템 전환을 촉진하는 것으로 요약된다. 즉, 에너지 사용량을 가능한 수준까지 최대한 줄이고, 필요한 에너지는 환경친화적인 수소를 이용하는 세상으로 바꾸는 것이다. 2004년도 스위스에서 연구개발 백서로 발표한 ‘2kW 사회구축 목표달성을 위한 단계별 조처’ 내용은 수요측면의 대표적 사례라 할 수 있다. 비용 효과적으로 감축할 수 있는 수준은 각국의 구조 및 역량에 따라 크게 상이할 수 있지만, <그림 2>에서 보듯이 50년 후 에너지 서비스 수요는 65%가 늘어날 전망이나, 각 분야의 효율향상 투자 및 생활 습관의 전환으로서 오히려 1차 에너지사용은 2000년 대비 35% 수준으로 대폭적인 축소가 가능함을 보여주고 있다. 유럽의 현 평균 사용량의 약 1/3 수준에 해당되는 2kW 목표의 실현이 일상 문명생활의 불편함을 초래하지 않으면서 충분히 경제적, 기술적으로 가능하다는 결론을 본 계획은 제시하고 있다. 산업, 수송, 가정, 상업 등 각 부문별로 구체적인 단계별 수단과 향후 필요한 기술개발 방향도 함께 제시하고 있다. 공급측면으로는 현 ‘탄소경제’에서 ‘수소경제’로의 파라다임 전환이 핵심이라 할 수 있다. 수소는 연소 시 높은 에너지를 제공하고 공해물질을 전혀 배출하지 않으면서 물(H2O) 로 변하기 때문에 실로 선순환의 꿈의 에너지 시스템이라 할 수 있다. 그러나 그만큼 극복해야 할 어려운 난관들이 도사리고 있다. 수소의 생산, 저장, 수송 및 이용 등 전 과정에서 획기적인 신기술 개발로 경제성과 안정성을 확보하고 아울러 인프라 구축에 막대한 투자가 선행되어야 하기 때문이다. 이러한 난관에도 불구하고, 이제 21세기를 맞이하여 세계 에너지 시스템은 수소경제를 향하여 그 파라다임이 재편될 것임을 많은 전문가들은 예고하고 있다. 문제의 핵심은 ‘과연 수소의 비용효과적인 대량 생산방식이 어떠한 기술에 의존하게 될 것이며 언제 가능할 것인가?’에 모아진다. 세계적 석유회사인 Royal Dutch Shell 사의 보고서 (Energy Needs, Choices and Possibilities, 2001년도)에서는 수소와 천연가스를 중심으로 한 가스시대로의 급진전을 전망하고 있으며, 최근 미국 PNNL 연구소에서 발표한 내용(Climate Change Technology Scenarios: Energy, Emissions and Economic Implications, 2004. 8) 에 의하면 21세기 에너지 시스템은 수소 생산을 중심으로 한 경쟁 기술들의 성공여부에 의하여 그 양상이 크게 달라질 것임을 전망하고 있다. 즉, 신재생에너지(풍력, 태양광, 미생물 등) 기술 vs 차세대 원자력 기술 발달에 의한 수소생산 기술 vs 화석에너지를 이용한 수소생산 기술 및 그에 따른 CO₂가스의 포집 및 저장기술 등의 상호 발전 속도 및 성공여부에 따라 미래 에너지의 모습이 좌우될 것임을 전제하고 3가지 기술별 시나리오에 따른 장기 수급전망을 제시하고 있다. <그림 3>의 시나리오 1의 경우, 중단기적으로 원자력 및 신재생 에너지의 기술발전이 희망하는 수준으로 달성되지 못하는 상황에서 수소생산을 석탄, 천연가스 등 기존 화석연료에 크게 의존하게 되며, 이 경우 발생되는 대량의 CO₂가스를 CCS(CO₂ Capture & Storage) 기술로 처리하게 되는 것으로서, 이 경우 CCS 기술이 절대적으로 중요시된다고 하겠다. 시나리오 2의 경우, 신재생에너지 및 차세대 원자력기술의 순조로운 발전이 이루어지는 상황으로서, 화석에너지의 급속한 축소가 특징적이다. (시나리오 3의 경우는 핵융합기술의 성공을 전제로 한 장기적 전망을 제시한 것으로 본 고에서는 생략). 그동안 세계 에너지 시스템의 변천사를 보면, 산업혁명이후 주도했던 석탄의 시대가 석유개발의 성공으로 인해 1950년대 이후 석유시대로 대체되고, 1970년대 들어 원자력발전산업이 새로운 에너지원으로서 등장하였으나 체르노빌 및 쓰리마일 원전사고로 인해 답보상태를 유지하여 오고 있다. Biomass→석탄→석유→가스 및 원자력으로 이어지는 변화가 있었고, 이제 21세기에는 더욱더 큰 도전과 변화를 예고하고 있다. 마치 석기시대의 종말이 돌이 고갈되었기 때문이 아니듯, 21세기에는 화석시대의 종말과 수소경제의 도래를 예고하고 있는 것이다. 2. 선진국들의 에너지기술개발 동향 앞서 언급한 바와 같이 혁신적인 에너지 신기술의 성공적인 개발이 미래 에너지 시스템을 결정하게 될 가장 중요한 모티브이나, 한편 현재로서는 그 어느 기술도 불확실하지 않은 것이 없으며, 기술적 요인 이외에도 막대한 투자가 요구되는 등 경제적, 정치적 요인이 극복되어야 한다. 특히, 에너지 기술의 공공성과 시스템 기술의 특성상 장기간의 지속적 연구개발이 필요하기 때문에 대부분 실용화 단계에 도달할 때까지 정부주도로 기술개발이 이루어진다. 이러한 이유로 미국, 일본, 유럽 등 선진국들은 대부분 국가 에너지기술개발 계획을 수립하여 추진하고 있다. 한마디로 에너지기술력이 미래 국가경쟁력의 핵심요소라는 판단 하에 집중 투자하고 있으며, 미국, 일본, 유럽 등 G7국가들이 세계 에너지기술 투자의 95%를 차지하는 실정으로 미래에 전개될 에너지 신기술 및 시장을 좌우할 것으로 전망된다. 특히, 기후변화협약과 교토 의정서를 계기로 온실가스저감 및 처리를 위한 에너지기술개발과 함께 대체에너지 개발 및 보급, 연료전지 등 수소경제를 향한 기술개발분야에 정책적 노력이 집중되는 추세이며, 아울러 획기적인 효율향상을 위하여 에너지 신소재 등 IT, BT, NT 첨단기술과 에너지·환경 (ET) 기술의 접목이 중요한 이슈로 대두되고 있다. 미국의 경우, 부시 행정부는 National Energy Policy를 발표하고 에너지성(DOE)을 중심으로 에너지기술의 전 분야에 걸쳐 선두적 역할을 담당하고 있으며, 특히 기후변화협약 관련 ‘Hydrogen Fuel Initiative’를 비롯하여 다양한 분야의 기술개발 프로그램을 추진 중에 있다. 현재 미국의 기후변화관련 주요 기술개발 프로그램은 <표 1>과 같다. 2003년 1월, 부시행정부는 수소경제의 조기 실현을 위하여 향후 5년 동안 17억 달러를 수소관련 기술개발에 집중 투입하는 ‘Hydrogen Fuel Initiative’ 계획을 발표한 바 있으며, 동년 11월에는 한국, 중국 등 17개국이 참여하는 다자간 국제협력사업 (IPHE)을 주도적으로 결성한 바 있다. 또한 석탄청정이용기술(Clean Coal Technologies)분야를 집중 개발하고 있는 것이 특징이다. 자국의 풍부한 석탄자원을 바탕으로 발전량의 50%를 이상을 석탄에 의존하고 있는 실정에서 석탄발전의 Zero-Emission 복합공정개발(전기생산과 수소생산 및 CO₂가스의 포집/저장)을 목적으로 하는 FutureGen 프로그램을 집중 투자하여 에너지안보 및 환경문제를 동시 해결하고자 하고 있다. CO₂온실가스를 대량으로 포집, 처리할 수 있는 기술개발을 위하여 ‘Carbon Sequestration Leadership Forum’을 결성, 추진 중이며 또한 그동안 쓰리마일 원전사고 이후 부정적이었던 원자력발전산업에 대한 재평가를 통하여 차세대 원자력 신기술의 개발 및 핵융합발전기술의 국제협력 사업에도 적극적인 참여와 투자를 하고 있다. 일본의 경우, 우리나라와 같이 에너지·자원이 빈곤한 실정에서 오래전부터 정부주도로 에너지이용기술개발에 장기적 투자를 집중하고 있다. 장기적 집중투자의 결과, 에너지 다소비업종의 절약·효율 수준은 현재 세계 최고의 기술수준에 있다. 그럼에도 불구하고 온실가스 저감의무를 달성하기 위하여 경단련을 중심으로 자주행동계획을 수립, 10% 이상의 효율향상 프로그램을 추진 중이며, 획기적인 기술혁신을 위하여 NT, BT, IT 등 첨단기술과 에너지기술의 접목을 강조하고 있다. 아울러 미래 수소경제를 대비하여 연간 3~4천억 원 규모의 수소·연료전지 분야의 기술개발을 추진하고 있다. 특히, 자동차용 연료전지 분야에서는 현재 세계적인 선두의 위치를 차지하고 있다. 일본 정부의 계획에 의하면 2010년 기준 연료전지 자동차를 5만대 시범 보급할 계획이다. 아울러 일본은 2025년 총 에너지의 10%를 수소로 공급하는 목표로 ‘We-Net Program’ 국제협력사업을 주도하고 있다. 태양광발전(PV)의 경우, 향후 막대한 세계시장 선점을 위하여 기술개발뿐 아니라 시범보급사업을 집중 추진하고 있다. 즉 기존 계통선에 연결하는 시범사업의 재정지원 및 시장창출을 통해 태양전지산업을 육성하고 가격경쟁력을 제고하고자 하는 목적이다. 그로 인하여 그동안 세계 PV시장의 선두이던 미국을 제치고 2000년도에는 일본이 선두자리에 서게 되었으며, 장차 세계 PV시장의 주도권을 선점하게 될 전략적 기반을 구축하고 있다. 또한 IGCC 및 IGFC 등 친환경적인 석탄활용 신기술에 대해서도 지속적인 투자를 진행 중이다(2005년, 약 142억 엔 지원: 석탄청정기술개발 58억 엔, 석탄가스화발전 실증 Plant 84억 엔 등). 이는 온실가스 발생측면에서 비록 열악한 위치에 있으나 경제성 및 에너지 안보측면에서 중단기적으로 석탄의 지속적인 사용이 불가피한 상황에서 친환경적 사용을 위한 노력의 일환이라 생각된다. 다자간 국제협력이 매우 활발한 분야 중 하나가 에너지 기술이라 할 수 있다. 국제에너지기구(IEA, International Energy Agency)에서는 국제공동연구 형식의 40여개 이상의 에너지기술개발사업을 추진 중이다. 1973년 1차 석유파동 당시 석유수출국기구(OPEC)에 대항하여 석유소비국인 OECD 국가들이 석유비축 등 비상시 공동대처를 위하여 설립된 기구이나 지금은 에너지기술개발의 국제협력이 매우 중요한 임무로 발전되었다. 에너지기술개발은 대부분 장기적이며 많은 투자가 소요되는 반면, 공공성·기반성·범용성인 특성으로 민간투자가 어려운 점을 감안하여 주요 회원국들간 공동연구를 통하여 재정 및 인력의 효율성을 높히고자 하는 프로그램으로 중요한 에너지기술을 대부분 포괄하고 있다. 우리나라도 2002년 정식으로 회원에 가입하였고 현재 12개 사업 (Implementing Agreement)에 참여 중이다. <다음호에 계속됩니다.>