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【포커스】 실제 탄소중립 현장 활용을 위한 시나리오 제안

편집부 기자
입력 2022.12.22 00:00

실제 탄소중립 현장 활용을 위한 시나리오 제안

<탄소중립 기술혁신 전략 로드맵> 의결

과학기술정보통신부는 11월 21일 제5차 탄소중립기술특별위원회에서 수소 공급, 이산화탄소의 포집·저장·활용(CCUS), 무탄소 전력공급, 친환경 자동차 4개 분야의 <탄소중립 기술혁신 전략 로드맵>을 심의하고 의결했다고 밝혔다. <탄소중립 기술혁신 로드맵>은 2050 탄소중립녹색성장위원회에서 기술 개발 방향을 담은 탄소중립 녹색성장 기술혁신 전략의 후속조치이다. 단계별로 기술 획득에 성공할 경우 후속 개발을 지원해 현장의 활용까지 시나리오로 제시해 실제 탄소중립 기술의 현장 구현을 목표로 하고 있다.

정리 편집부

자료 산업통상자원부

실제 탄소중립 기술의 현장 구현을 목표…

시나리오 방식으로 설계

탄소중립 기술혁신 전략이행안은 논문과 특허 중심의 연구개발을 넘어 국가가 당면한 명확한 임무와 목표를 설정하고 단계별로 기술 개발이 성공할 경우, 후속 개발을 지원하여 현장까지 적용하여 활용하는 시나리오 방식으로 설계되어 실제 탄소중립 기술의 현장 구현을 목표로 하고 있다. 수소기술 미래 전략은 지난 11월 10일 수소경제위원회와 연계하여 수소와 연관성이 높은 ▲수소 공급, ▲무탄소 전력 공급, ▲친환경차 분야를 비롯하여 산업 에너지 분야의 탄소 감축 핵심수단이 되는 ▲이산화탄소 포집, 저장, 활용 기술(CCUS)을 포함하여 총 4개 분야에 대한 이행안을 수립하였으며 다음과 같다.

수소 공급 분야 기술혁신 전략 로드맵 산업 밸류 체인(2030년 기준)

1. 수소공급 분야

수소는 에너지 전환에서 산업에 이르기까지 탄소중립 달성을 위한 핵심수단으로 주목 받고 있다. 열과 전기를 생산하면서 온실가스와 미세먼지 등 유해물질 배출이 없는 친환경 에너지다. 수소 생산, 공급 목표는 연간 194만 톤, 2050년은 연간 2,790만 톤으로 확대되어 수소사회로 전환을 위해 빠른 시일 내 생태계 구축을 목표로 한다. 세계 1등 수소 산업 육성을 위해 생산, 유통 전주기 기술혁신을 통한 핵심기술을 확보해 나간다는 방침이다. 정부는 재생에너지와 연계한 국내 수소 생산역량을 단계적으로 확대한다. 장기적 수소 공급은 그린수소 생산역량을 확충하고 해외 도입을 병행한다.

수소 탄소중립달성을 위한 핵심수단으로 수소의 필요성이 확대되고 있으며, 수소산업 전(全) 주기 핵심기술의 조기 확보 필요하다. 대규모의 수소를 경제적으로 생산하여 안전하게 공급한다.

그린수소의 수전해 생산

그린수소 대량생산을 위한 국내 생산역량을 개발 확대한다. 원천기술을 연구 개발하고 상용화하여 국산화를 병행하며 추진한다. 2025년까지 다양한 방식에 대한 소규모 실증(1~2 MW급)을 통해 최적의 그린수소 생산모델을 선별 후 2028년까지 10 MW급 이상 상용급 실증을 추진한다. 적극적이고 도전적 연구를 바탕으로 혁신적이고 전력소비량 20 % 저감하는 세계 최고 수준의 고효율을 목표로 2배 향상된 고내구성을 실현하고, 핵심 소재와 부품을 국산화하여 개발한다. 현 수전해 기술 한계를 극복하기 위한 AEM, SOEC, 메탄 열분해, 광분해 등 차세대 수소를 생산하는 기술을 확보하기 위한 기초, 원천연구를 지속하도록 지원한다.

수소의 저장과 운송 기술 개발 실증

수소의 대량 보급을 위한 기체 운송 기술을 고도화하고 수소 전용 고강도 배관망 기술을 발전시키고, 극저온 수소액화기술을 개발한다. 2030년까지 기체 운송량을 2배 향상하고, 기체충전소 내구성을 1.5배 향상하고, 수소 전용 배관망 핵심기술을 개발하고 수소공급 허브시스템을 개발한다. 수소 액화기술은 국내 기술 수준이 낮아 단기적으로 해외기술을 도입하면서 대응이 불가피하나 2030년까지 하루 5톤 생산을 목표로 상용급 액화플랜트 기술을 확보한다.

해외 수소 저장 및 운송

해외에서 생산된 청정수소의 국내 도입에 필요한 대용량 저장, 장거리 운송, 국내 하역 및 공급 기술을 개발한다. 암모니아 기반의 수소 공급은 소규모(1,000 Nm3/h) 수소추출시스템 실증, 기존 인프라·기술을 활용한 해외협력 등을 통한 조기 상용화 추진한다. 액체수소 운송선-인수기지는 한국형 모델을 설계하고, 운송선 규모를 고려한 화물창, 저장탱크, 출하·하역의 공통 핵심기술 중심으로 지원한다.

- 차세대 해외수소 저장·운송기술(청정암모니아 합성, LOHC 등) 개발 지속 지원

CCUS 분야 기술혁신 전략 로드맵

CCUS는 배출된 CO₂를 포집·저장·활용하는 기술로서 탄소중립 실현의 핵심전략 수단으로 중요성이 증대되었다. 국제에너지기구(IEA)도 2070년 CCUS 기술이 전세계 총 CO₂ 감축량의 15 % 수준으로 연간 100억 톤 CO₂를 포집·처리 할 것으로 예상한다.

CCUS 분야는 2030년에는 1,030만 톤 감축 목표로 2050년에는 8,520만 톤 감축 목표를 상향한다. CCS 분야는 2030년에는 연 400만 톤을, CCU 분야는 연 630만 톤 감축을 목표로 한다. 2050년에는 CCS 분야는 최대 연 6,000만 톤, CCU 분야는 최대 연 2,520만 톤 감축을 목표로 한다[표 2].

탄소포집 : CO2 대량 포집을 위한 탄소포집 국내 역량 확대와 원천기술의 국산화를 병행하며 추진한다. 2025년까지 탄소 다배출 업종을 중심으로 소규모 실증(10~200톤급/일)을 통해 구축하고 운영 한 실적을 확보 한 후 2030년까지 준상용급 실증(1,000톤급/일)을 추진한다. 현재 탄소포집 상용화 기술의 한계를 극복하고, 중장기 활용 가능한 포집기술1)을 개발하고 지속적으로 투자하고 지원한다.

탄소저장: CCS 통합실증과 연계·적용 가능한 핵심 요소기술을 고도화하고 자립화한다. 또한 통합실증에 적용·검증하여 상용화를 추진한다. 2030년까지 저장용량 25 % 증가하고 해양 저장비용 40 % 이상 절감 가능한 고효율·저비용 CO2 지중 저장하는 핵심기술을 개발한다. 확보된 저장소와 연계하여 중규모로 CCS를 통합실증2)을 추진 후 상용화를 위한 대규모 실증을 단계적으로 추진한다.

탄소활용 : 산업체 의견 수렴 및 특화된 기술을 바탕으로 상용화 가능성이 높은 탄소활용 기술을 선별하여 조속한 성공사례 창출을 추진한다. 단기적으로 소규모 실증3) 중인 활용 기술을 대상으로 2030년까지 준상용급 시스템을 개발4)하고 CCU 통합실증과 연계한다. 중·장기적으로 한계돌파형 기술혁신을 위해 경쟁형 방식으로 상용화 가능성이 높은 대표기술을 발굴하고 소규모 실증연구를 2030년까지 추진한다.

CCUS 분야 기술혁신산업 밸류(2030년 기준)

2. 이산화탄소 포집·저장·활용(CCUS) 분야

이산화탄소 포집·저장·활용 분야는 이산화탄소 배출량이 높은 우리나라 산업구조 특성 상 탈탄소를 위한 핵심 전략수단이며, 2030년 온실가스 감축 목표는 연간 1,030만 톤, 2050년에는 연간 최대 8,520만 톤으로 확대되어 매우 도전적인 목표 달성이 필요하다. 또한 전 세계적으로 이산화탄소 포집·저장·활용 시장이 활성화되기 시작하는 단계로 혁신적인 기술 개발을 통한 핵심기술을 조기에 확보하여 세계 시장을 선점해 나갈 계획이다.

이에, 정부는 이산화탄소 국내 포집 역량을 세계 선도국 수준으로 단계적으로 확대5)하고, 세계 3번째로 이산화탄소를 해상 주입에 성공한 경험을 바탕으로 세계 최대 규모의 저장소를 운영6)하는 국가로 도약해 나갈 계획이다. 이외에, 선도국 조차도 제품화가 쉽지 않은 탄소 활용 분야에서 탄소 전환·활용 기술을 고도화7)하여 조속한 성공사례를 창출하고, 2040년까지 이산화탄소 전환·활용 제품에 대한 가격 경쟁력을 기존 시장가 대비 100% 달성 할 수 있도록 한계돌파형 기술혁신을 적극 추진해 나갈 계획이다. 이를 위해 2020년~2023년 4년간 약 3,637억 원 규모로 연구개발 예산을 투자하였으며, 앞으로도 탄소 포집, 저장, 활용 등 3가지 분야에 지속 투자해 나갈 예정이다.

3. 무탄소 전력공급 분야

화석연료에 수소나 암모니아 같은 무탄소 연료를 혼합(혹은 대체) 사용하여 발전함으로써 이산화탄소를 저감하는 기술

2030년 암모니아 혼소한 석탄발전 22.1 TWh(3.6 %) 현재는 2050년 무탄소 가스터빈 270 TWh(21.5 %), 연료전지 17.1 TWh(1.4 %)

암모니아 혼소 : 암모니아 20 % 혼소 개발을 우선적으로 실시한 이후, 이를 기반으로 암모니아 50 %까지 확대한 혼소 개발까지 연계하여 암모니아 혼소 버너, 운영기술 및 암모니아 관련 설비 안전관리 및 엔지니어링 기술개발 등 핵심기술 개발 이후, 실증 추진

수소 혼소 : 이미 운영 중 LNG 가스터빈과 독자개발 가스터빈(국산화)을 대상으로 수소 혼소 기술을 개발하여 적용한다. 기존 가스터빈과 동등 수준(효율, 내구성 등)으로 수소 혼소 연소기를 개발하고, 수소혼소가스터빈 시스템 엔니지어링을 통해 실증하여 연계한다.

수소 전소 : 중·소형급 가스터빈(5 MW → 90 MW)을 개발하여 운영기술 및 표준화 기술 확보하고, 대형개발은 전력수급계획과 연계하여 추진하고 검토한다. 수소 전소 연소기, 압축기·터빈 최적화 기술, 고온부품 수명평가 등 주요 핵심기술을 개발하고, 스케일업 가능성도 검증하여 추진한다.

수소연료전지 : 소규모 분산발전원인 수소 연료전지를 복합발전 혹은 열병합 시스템으로 활용하여 높은 효율의 발전 시스템을 구현한다.

복합 발전 : 가압운전용 SOFC용(고체산화물형)셀 및 복합사이클 설계, 스택모듈 및 핵심 BOP 개발하고, 200 kW급 SOFC 시스템을 실증한다.

열병합 : 2020년 후반까지 중·소규모의 PEMFC(고분자전해질용), 스팀병합 SOFC을 병행 개발·실증하여 향후 주력투자분야를 결정한다.

무탄소 전력공급은 에너지 분야에서 탄소중립 실현과 안정적인 기저 발전을 확보하는 수단으로 주목을 받고 있으며, 2030년까지는 암모니아 혼소 발전을 전체 발전의 3.6 % 수준으로 확대하고, 2050년에는 수소를 활용한 무탄소 가스터빈을 전체의 21.5 %까지 확대해 나갈 계획을 가지고 있다. 정부는 석탄발전에서 석탄 일부를 암모니아로 대체하는 비율을 단계적으로 확대8)하도록 기술을 고도화하고, 액화천연가스 발전에서 액화천연가스를 수소혼소, 수소전소인 수소로 대체하는 기술을 확보하여 2028년에는 실증까지 연계해 나갈 계획이다. 이외에, 수소연료전지에 대해서도 2028년까지 복합발전 혹은 열병합 발전 시스템으로 활용할 수 있는 기술을 개발하여 고효율 발전 시스템을 구현해나갈 예정이다.

4. 친환경 자동차 분야

내연기관차는 국내 온실가스 총 배출량의 14 %를 차지하며, 친환경차 시장은 각국의 탄소배출 감축 노력에 따라 급격히 성장 중이다. EU는 2035년 이후 내연기관차 출시를 금지하는 등 글로벌 정책이 변화하고 있다. 따라서 친환경자동차가 성능과 가격 경쟁력을 확보할 수 있도록 하는 기술 개발이 필요하다.

2018년 대비 2030년 탄소 배출은 38 %, 전기·수소차 450만 대를 보급하고, 2050년 탄소배출은 90% 이상 전기·수소차 85 %~100 % 보급이 목표다. 친환경자동차는 자동차 분야에 있어서도 탄소중립 구현을 위한 핵심 수단으로 2030년까지 총 450만대 보급을 해야 하는 목표를 가지고 있다.

특히 전기차의 경우 내연기관 차량에 견주어 불편함이 없는 주행거리, 배터리 안정성 등이 요구되는 만큼, 2030년 이전에 리튬-황, 리튬금속 전지 등 차세대 전지 차량 실증을 완료하고, 2026년까지 배터리 화재 억제 기술 개발을 병행해 나간다.

또한 충전 시간을 현재의 1/3 수준까지 줄일 수 있는 400 kW급 초급속 충전 핵심 기술(전력변환장치 등)을 2025년까지 국산화할 계획이다. 아울러, 수소차의 경우에는 2025년까지 내연기관 차량 수준의 수명을 가지는 내구성 높은 연료전지 기술을 확보해 나갈 예정이다.

1) 직접공기포집(DAC), BECCS, 심냉 CO2 포집 등

2) 2030년 까지 연간 40만 톤

3) 단기적 소규모 실증 : 1~20톤/일 내외

4) 100톤/일 내외

5) 이산화탄소 포집 역량 : 2025년 연 7만 톤 → 2030년 연 400만 톤→ 2030년 이후 연 1,000만 톤

6) 이산화탄소 저장소 운영 계획 : 2030년 연 400만 톤 → 2050년 연 1,500만 톤

7) 2025년 연 7천 톤 → 2030년 연 4만 톤

8) 암모니아 대체 비율 : 2027년 20% → 2030년 50%