[기고] 에너지 전환 가속화는 ‘속도의 문제’
[기고] 에너지 전환 가속화는 ‘속도의 문제’
  • 한원희 한국가스공사 경제경영연구소 책임연구원
  • 승인 2021.09.13 13:37
  • 댓글 0
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화석연료 퇴장…청정에너지 전환 의미
탄소중립, 현실적으로 단기간 달성 어려워
경제 전반 전기화와 에너지 공급 시스템 전환해야
천연가스 발전 상당 기간 지속…CCUS 기술 필수적

[에너지신문] 전 세계를 휩쓴 코로나19 대유행 극복 과정에서 보건 및 환경에 관한 전 지구적 관심이 증대한 가운데 최근 빈발하는 기상 이변에 대한 전 지구적 공조에 관한 관심이 그 어느 때보다 고조되고 있다.

지난해 말부터 중국, 일본, 한국, 미국 등의 탄소중립 선언이 이어지면서 친환경 에너지전환이 가속화되는 양상이다. 

이에 따라 최근 IEA를 비롯한 다양한 기관들에서 기후 위기를 파국을 막기 위한 넷제로 또는 탄소중립 시나리오들을 쏟아내고 있다.

이러한 시나리오들은 탄소중립을 달성해 기후 위기를 막고자하는 것이지만, 궁극적으로는 화석연료의 퇴장과 청정에너지로의 에너지전환을 의미한다.

비록 다양한 불확실성 하의 전제 조건들이 충족돼야 할지라도 탄소중립 에너지전환은 이제 그 속도가 문제일 뿐이다.  

이하에서는 탄소중립과 관련한 다양한 시나리오들 중에서 현실적으로 가능한 경로를 가늠해 보면서 에너지의 미래를 조망해 본다. 이와 함께 이러한 탄소중립 달성의 시기와 경로를 좌우하게 될 주요 핵심기술을 살펴본다.

▶ 2050 탄소중립 시나리오

기후변화에 따른 전 지구적 파국을 막기 위해 2018년 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)는 금세기 중반 이전까지 산업화 이전 대비 지구 기온 상승을 1.5℃ 이하로 억제하도록 넷제로 온실가스 배출의 중요성을 역설한 바 있다.

최근 기상이변이 빈발하면서 기후변화 위협이 가시화되고 있는 가운데 코로나19 대유행에서 보듯이 전 지구적인 노력이 필요한 넷제로 또는 탄소중립을 위한 관심이 그 어느 때보다 고조되고 있다.

지난해 세계 최대 온실가스 배출국인 중국이 2060년 넷제로를 선언한데 이어 세계 2위인 미국도 바이든 대통령 당선 이후 파리협정 재가입과 2050년 넷제로를 추진하는  등 2021년 4월 기준 우리나라를 포함해 전 세계 44개국이 금세기 중반까지 넷제로를 공약했다.

이들 국가들은 2020년 기준 전 세계 온실가스 배출량의 약 70%를 차지하고 있다. 그러나 이러한 공약들은 감축 범위나 부문이 상이할 뿐만 아니라 세부 정책 및 이행방안들이 구체화되지 않아 성공적으로 이뤄진다고 해도 IPCC나 파리협정에서 요구하는 탄소중립 경로에 도달하기에는 상당히 부족한 수준으로 평가된다.

따라서 금세기 중반까지 탄소중립을 달성하기 위해서는 기존 사회경제적 구조의 변화는 물론 에너지 시스템의 일대 변혁이 요구되는데 최근 가속화되고 있는 에너지전환 흐름은 이러한 전 지구적 노력을 반영하고 있다.

전 세계 온실가스 배출량의 75%는 화석연료를 사용하는 에너지 부문(연료 및 산업 공정용 포함)에서 발생하기 때문에 탄소중립 달성은 청정에너지로의 에너지전환에 크게 의존할 수밖에 없다.

그동안 세계 1차 에너지 믹스에서 이산화탄소 배출의 주범인 화석연료 비중이 80% 이상을 차지해왔는데 이러한 에너지 공급 시스템의 대전환 없이는 탄소중립을 달성할 수 없기 때문이다.

2021년 국제에너지기구(IEA)에서는 기후변화 위기의 심각성을 감안해 2050년 에너지 부문 탄소중립을 달성하기 위한 넷제로 시나리오를 발표했다.

비록 2020년 코로나19 대유행으로 인해 에너지 부문에서의 세계 CO₂ 배출량이 전년 대비 5.8% 전례 없이 감소하였지만, 34 GtCO₂에 달했다. 이중 40% 이상은 발전 부문에서 발생했고, 산업 부문에서 25%, 수송 부문에서 21% 정도가 발생했다.

따라서 개도국 및 이들 부문들을 중심으로 한 CO₂ 배출 저감을  위해서는 화석연료의 감축이 불가피하다.

IEA의 2050 넷제로 시나리오에 따르면, 2050년 탄소중립을 달성하기 위해서 2030년까지 세계 경제가 40% 정도 성장하고 전 지구적인 지속가능한 에너지 보급이 가능해지더라도 단기적으로 현재보다 40% 정도의 CO₂를 저감해야 하며 1차 에너지 공급을 7% 정도 감축해야 한다.

2050년까지의 탄소중립을 위해서는 현재보다 석탄 수요가 90%, 석유는 75%, 천연가스는 55% 정도 각각 감축돼야 한다.

이러한 급격한 화석연료 수요 감소는 이미 승인된  유가스전 및 탄광 이외의 신규 개발을 필요 없게 한다. 반면 태양광 및 풍력은 2030년 최대 발전원으로 성장해 2050년에는 세계 발전량의 70%를 담당해야 한다. 물론 2050년까지라는 단기간에 탄소중립 시나리오를 달성하기 위해 전체 에너지 공급 시스템을 대전환하는 데에는 전제 조건이 필요하다.

각국의 발 빠른 규제나 정책 수립과 함께 시민들의 인식 변화와 자발적 참여뿐만 아니라 4차 산업혁명 기술을 활용한 에너지 시스템 효율화, 청정에너지 기술(재생에너지, 고효율 배터리, 탄소포집활용저장, 수소 등)의 대대적인 상용화 투자 확대, 미성숙 기술(수전해, 이산화탄소 직접공기포집 등)에 대한 연구개발 및 지원 등이 절대적으로 필요하다.

청정에너지 기술들의 확산과 에너지전환을 유인하기 위해서는 다양한 형태의 적절한 탄소가격제가 도입될 필요가 있는데, 넷제로 시나리오에서는 선진국의 경우 평균적인 탄소가격이 2030년과 2050년 각각 $130/tCO₂과 $250/tCO₂로 급상승하는 것을 가정했다.

다만, 비록 불확실성은 상당히 높지만 이론적으로는 화석연료 수요가 급감함에 따라 가격이 크게 하락할 것으로 예상되기 때문에 높은 탄소가격의 일부를 상쇄할 수 있을 것으로 보여진다. 

그럼에도 불구하고 다양한 불확실성이 내재된 탄소중립을 달성하기 위한 과정은 에너지 또는 비에너지 부문의 배출 감축 기술의 발전 이외에도 기술적 타당성, 비용효과성, 사회적 수용성, 안정적인 에너지 공급, 지속적인 경제 성장 등의 다양한 목표들이 함께 고려돼야 한다는 점에서 현실적으로 단기간에 달성하기는 어려울 것으로 보여 진다.

▶ 현실적인 탄소중립 시나리오

최근 코로나19 위기를 통해 보건 및 환경에 관한 관심이 높아지면서 전 지구적 공조가 필요한 탄소중립을 위한 에너지전환에 관한 다양한 시나리오들이 발표되고 있다. 탄소중립 및 에너지전환과 관련된 이러한 시나리오들은 전망 기관마다 다양한 기술적, 경제적, 사회적 가정들에 기반하기 때문에 탄소중립을 달성하는 시점과 경로, 기술, 정책 등이 상이할 수밖에 없다.

무엇보다도 탄소중립을 달성하는 시점을 IEEJ CCE(Circular Carbon Economy) 시나리오는 2150년, BP RT(Rapid Transition) 시나리오는 2100년, DNV·GL과 Equinor Rebalance 시나리오는 2070년, Shell Sky 1.5 시나리오는 2050년대말, IEA NZE(Net Zero Emission)와 BP NZ(Net Zero) 시나리오는 2050년 등으로 상정하고 있기 때문에 2040년 절대적인 에너지 수요 수준 뿐만 아니라 청정에너지 기술 진보 속도와 비용 하락에 따른 에너지전환 경로도 상이하다.

그럼에도 불구하고 탄소중립 달성을 위해 분명한 점은 에너지효율 향상을 통해 에너지 수요를 억제하면서 화석연료 대신 무탄소 에너지 사용을 획기적으로 늘리는 에너지전환을 가속화해야 한다는 점이다. 

현실적인 탄소중립 시나리오를 통해 에너지의 미래를 조망하기 위해서 다양한 탄소중립 시나리오들 중에서 Shell의 장기 탄소중립 시나리오인 Sky 1.5 시나리오를 살펴보는 것이 유용하다.  

우선 인구 증가나 경제 성장을 고려할 때 에너지 수요 증가는 불가피하다. 비록 선진국을 중심으로 4차 산업혁명과 서비스 부문으로의 산업 구조 변화로 인해 에너지 효율이 향상돼 에너지 집약도가 낮아지겠지만, 개도국의 삶의 질 개선을 위해서는 여전히 상당한 에너지가 요구된다.

이러한 에너지 수요 증가는 다양한 한계가 있는 에너지 효율 향상을 통한 수요 억제 효과를 넘어설 수 있으며, 특정 산업에서는 탄소중립 추진이 오히려 에너지 효율을 악화시킬 수 있다.

이러한 에너지 수요 증가를 충당하면서 동시에 탄소중립을 달성하기 위해서는 재생에너지에 기반한 경제 전반의 전기화와 에너지 공급 시스템의 전환이 필요하다.

▲ 온실가스 저감 공약 현황.
▲ 온실가스 저감 공약 현황.

그러나 전기화가 어려운 특정 부문에서는 저탄소 또는 무탄소 기술이 성숙될 때까지 상당 기간 화석연료에 의존할 수밖에 없다. 특히 기술 진보와 비용 하락 속도에 의존하게 될 풍력과 태양광을 중심으로 한 재생에너지 발전의 대폭적인 증대에 따른 간헐성을 보완하기 위한 천연가스 발전의 역할이 상당 기간 지속될 수 있다.

또한 정유, 제철, 시멘트 등의 산업 부문과 장거리 수송(항공, 해운, 육상 화물) 부문에서도 탄소중립을 위한 탄소포집·활용·저장 및 연료 전환 기술의 대규모 상용화에도 상당 기간이 소요될 전망이다.

한편 탄소중립을 위한 에너지전환은 상당한 사회적 비용을 유발할 수 있지만, 재생에너지, 탄소포집, 수소 등 기술의 빠른 비용 하락과 새로운 에너지 공급 시스템 구축을 위한 신성장 산업의 발전에 따른 편익이 상쇄되면서 감내할 수 있는 수준일 것으로 예상된다.

코로나19 위기가 기후 변화 위기에 대응하는 전 지구적 공조 움직임을 강화하는 계기가 되고 있는 가운데 비록 탄소중립 달성을 위한 에너지전환은 여전히 어려운 과제이기는 하지만 결국 속도의 문제일 뿐이다.

▶ 탄소중립을 위한 핵심 기술

탄소중립 달성을 위해서 가장 중요한 재생에너지 발전 설비는 전 세계적으로 태양광(127 GW) 및 풍력(111 GW)을 중심으로 2020년 전년 대비 50% 정도 증가한 260 GW가 증설돼 전체 발전 설비 증설의 80% 정도를 차지했다.

과거 10년간 기술 향상, 규모의 경제, 공급망 확대 등으로 상용(utility-scale) 재생에너지 발전단가가 큰 폭으로 하락했기 때문이다.

2010~19년 동안 발전단가는 태양광이 82%, 육상풍력이 39%, 해상풍력이 29% 하락했다. 특히 2019년 가동된 태양광의 40%와 육상풍력의 75%가 가장 저렴한 화석연료 발전단가 보다 낮게 추정됐다.

2020~23년 입찰 자료에서 보듯이 향후 학습효과에 따라 재생에너지 발전 단가는 지속적으로 하락할 것으로 예상된다.

이와 함께 코로나19 경기부양 대책의 일환으로 재생에너지 발전 투자가 급증할 전망이지만, 시의적절한 계통설비와 에너지저장장치(ESS) 등의 구축은 뒤따라야할 과제이다.

수송 부문은 2019년 최종에너지 소비와 에너지 부문 CO₂ 배출량의 20% 이상을 차지하고 있으며, 대부분은 석유 연료에 의존하고 있다.

특히 육상 운송 부문은 전체 수송 부문의 70% 이상을 차지하고, 이중 절반 이상은 승용차 부문이 차지하고 있다.

비록 항공 및 해운 수송 부문에서는 전기 동력을 통해 기존의 화석연료를 대체하는 것이 아직까지 기술적으로 어렵지만, 유럽을 중심으로 내연엔진 자동차의 판매가 점진적으로 금지되면서 승용차 부문을 중심으로 전기차 기술의 발전 및 보급이 확대될 전망이다. 또한 4차 산업혁명에 따른 자율주행, 차량 공유 등으로 추가적인 CO₂ 배출 저감도 가능하다.

이미 전기차의 핵심 기술인 차량용 배터리 가격은 10년 전과 비교할 때 50% 이상 하락했고, 향후 10년 동안 50% 이상 추가적으로 하락할 것으로 예상된다.

또한 향후 10년 내로 배터리 용량 및 주행거리 역시 2배 이상 증가할 것으로 예상된다. 각국 정부의 한시적 보조금 지급과 함께 이러한 기술 향상에 따라 내연엔진 승용차 대비 전기차의 총소유비용이 급락하면서 2030년대 초반부터는 승용차 판매의 절반 이상을 전기차가 차지하게 될 전망이다.

향후 전기차 보급 속도는 충전소 확대, 충전 속도 개선 등에 의존하게 될 전망이다. 다만, 전기차에 공급되는 전기의 원천이 화석연료에 의존할 경우에는 CO₂ 배출 저감 효과가 반감될 수 있다.

최근 CO₂ 배출 저감이 어려운 산업, 건물, 수송 부문을 중심으로 직접연소나 연료전지를 활용할 때 CO₂를 배출하지 않는 수소에 관한 관심이 고조되고 있다.

특히 에너지 부문 CO₂ 배출량의 25%를 차지하고 있는 산업 부문은 정유, 석유화학, 철강, 시멘트 산업에서 대부분의 CO₂를 배출하고 있다. 정유 및 석유화학 산업에서는 탈황공정 및 암모니아나 메탄올 제조를 위해 수소를 활용하고 있는데, 이러한 수소는 통상 천연가스와 석탄가스를 개질해 생산되기 때문이다.

이에 따라 수소 제조, 수송, 저장에 관한 연구들뿐만 아니라 연료전지를 통한 발전과 차량 활용, 수소 혼소 가스발전, 수소 혼합 가스배관 활용, 수소환원제철 등에 관한 상용화 연구들이 활발하게 진행 중에 있다.   

수소의 광범위한 이용을 위해서는 CCS (Carbon Capture, Storage)를 통한 블루 수소나 수전해를 통한 그린 수소 제조 비용 하락이 관건인데, 현재는 그레이 수소 대비 블루 수소와 그린 수소 제조 비용이 각각 1.5배, 3~5배 이상 높은 실정이기 때문에 추가적인 기술 진보가 필요한 상황이다. 

에너지 부문에서 재생에너지를 중심으로 한 현재 가용한 모든 기술을 활용하더라도 산업 공정, 항공, 계절 난방 등에서의 화석연료 수요로 인해 전체 온실가스 배출의 25% 정도는 저감할 수 없는 것으로 추정된다.

더욱이 특정 부문에서는 CO₂ 배출을 저감하는데 고비용이 소요된다. 따라서 비용효과적으로  CO₂를 저감할 수 있는 탄소포집·활용·저장(CCUS; Carbon Capture, Utilization, Storage) 기술에 관한 상용화 연구가 활발하게 진행되고 있다. 

조림이나 토지개량 등을 통한 자연 흡수원(Natural Sinks)을 활용하는 방안을 제외한 CCUS 기술은 온실가스 저감 잠재력은 크지만 일부 지리적 여건을 갖춘 지역을 제외하고는 여전히 고비용을 수반한다.

▲ 2050 Net-Zero CO₂ 시나리오.
▲ 2050 Net-Zero CO₂ 시나리오.

비료, 저탄소 건축자재, 석유회수증진 등과 같은 CO₂ 활용 분야를 결합할 경우 전체 비용이 낮아질 수 있지만, 산업 및 발전 부문에서 CCS 비용은 현재 $50~150/tCO₂ 수준으로 여전히 높은 수준이다. 또한 온실가스 저감 잠재력이 큰 직접공기포집(DAC) 기술은 아직 초기 단계에 머무르고 있다.

그럼에도 불구하고 화석연료 사용을 중단기적으로 급격하게 줄이기 어렵다는 점에서 CCUS 기술은 탄소중립을 달성하기 위해 필수적인 기술로 간주될 수 있다.

▶ 탄소가격

비록 초기 단계에서는 보조금이나 규제(재생에너지의무사용, 석탄화력 폐지, 내연기관 자동차 생산 금지 등)이 탄소중립 달성에 효율적일 수 있지만, 궁극적으로는 에너지 사용자들이나 소비자들의 에너지효율 향상, 저탄소 기술 개발, 최종적으로 에너지전환을 촉진하기 위해서는 탄소가격제를 활용할 필요가 있다.

현재 EU 배출권거래제(ETS; Emissions Trading System) 참여국 31개국을 포함해 45개국에서 64개 탄소가격제(세계 온실가스 배출량의 21.5%)를 시행하고 있지만, 전문가들이 파리협정 달성(2℃ 이하 목표)을 위해 필요하다고 언급하는 $40~80/tCO₂에는 못미치는 상황이다.

탄소가격제를 선도하고 있는 EU는 철강, 시멘트, 전력, 비료 등의 제품에 탄소국경세를 도입하는 법안을 공표한다. 중국은 지난 2월부터 단계적으로 전국 배출권거래제를 시행했고, 미국의 바이든 대통령도 탄소국경세 시행을 공약한 바 있다. 

그럼에도 불구하고 현재 기술로 탄소저감이 어려운 산업들까지도 탄소중립을 달성하기 위해서는 탄소가격이 $200/tCO₂까지 점진적으로 상승해야 할 것으로 예상된다. 따라서 화석연료인 LNG 사용자의 경우 자연 흡수원을 활용한 낮은 탄소저감 비용은 감내할 수 있는 수준이지만, CCS나 블루 수소 제조 시에는 상당한 부담이 될 수 있다.

화석연료를 단기간에 줄일 수 없다면 재생에너지와 같은 CCUS 및 수소 기술 향상과 비용 하락이 절실하게 요구되는 이유이다.

▲ 부문별 Net-Zero CO₂ 시나리오.
▲ 부문별 Net-Zero CO₂ 시나리오.

▶ 에너지전환, ‘결국 속도 문제’

최근 기상이변이 빈발하면서 기후변화 위협이 가시화되고 있는 가운데 코로나19 대유행에서 보듯이 전 지구적인 노력이 필요한 넷제로 또는 탄소중립을 위한 관심이 그 어느 때보다 고조되고 있다.

이에 따라 최근 IEA를 비롯한 다양한 기관들에서 넷제로 또는 탄소중립 시나리오들을 발표하고 있다.

개도국을 중심으로 한 인구 증가나 경제 성장을 고려할 때 에너지 수요 증가는 불가피하다. 또한 다양한 불확실성이 내재된 탄소중립을 달성하기 위한 과정은 에너지 또는 비에너지 부문의 배출 감축 기술의 발전 이외에도 비용 효과성, 사회적 수용성, 안정적인 에너지 공급, 지속적인 경제 성장 등의 다양한 목표들이 함께 고려돼야 한다는 점에서 현실적으로 단기간에 달성하기는 어려울 것으로 보인다.

탄소중립 달성을 위해 에너지효율 향상을 통해 에너지 수요를 억제하면서 화석연료 대신 청정에너지 사용을 획기적으로 늘리는 에너지전환을 가속화하는 것은 여전히 어려운 과제이기는 하지만 결국 속도의 문제일 뿐이다.

그리고 화석연료를 단기간에 줄일 수 없다는 점을 감안할 때 에너지전환을 달성하는 시기와 경로는 핵심 기술인 재생에너지, 배터리와 전기차, 수소, 탄소포집·활용·저장 등의 기술 향상과 비용 하락에 의존할 수밖에 없다. 


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