탄소중립, 기후위기 극복을 넘어 성장의 기회로

기후위기가 인류의 생존을 위협하면서 ‘탄소중립’이 전 지구적 과제로 떠올랐다. 어느 국가도 피할 수 없는 새로운 국제질서이자 국제적 흐름, 또 생존과 직결되는 시급한 현안인 ‘탄소중립’. 어렵고 힘들지만 우리에게도 가야할 길이 된 것이다. 기후위기 문제가 얼마나 심각한지, ‘탄소중립’이 왜 필요한지, 어떻게 준비해야 하는지. 2050 탄소중립위원회 분과별 위원장의 기고를 통해 의미와 필요성, 국내상황까지 살펴본다.(편집자 주)

김종남 한국에너지기술연구원장·2050 탄소중립위원회 과학기술위원장

산업혁명 이래 인류 문명의 발전은 화석연료 사용 확대에 따라 이루어졌으며 이로 인한 온실가스 배출로 우리의 지속적인 삶이 위협 받는 ‘기후위기’의 시대에 들어섰다. 날로 심각해지는 기후위기를 막기 위해서는 지구 평균기온 상승을 산업화 이전 대비 1.5℃ 이내로 억제해야 하며 이를 위해서는 2050년까지는 탄소중립을 달성해야 한다.

탄소중립은 인류의 지속가능한 성장을 위한 정치·경제·사회의 핵심 아젠다로 확실하게 자리매김하였으나 이의 실현을 위한 구체적인 수단은 아직 부족하다. 우리는 지난 200여년 동안 누려온 화석연료 문명을 앞으로 30년 이내에 탄소를 배출하지 않는 새로운 에너지 문명으로 전환해야 하는 에너지기술 혁명을 이룩해야 한다.

2018년 우리나라의 온실가스 배출량은 7.3억 t-CO2이며, 이중 87%에 달하는 6.5억 t-CO2가 에너지분야에서 배출되었다. 석탄·석유·천연가스와 같은 화석연료를 발전·산업·수송·건물부문에서 에너지로 사용하면서 배출되는 온실가스가 대부분이다. 그러나 지속적인 경제발전은 물론 삶의 질 향상을 위해서는 많은 에너지가 필요하므로 에너지를 충분히 사용하면서도 온실가스 배출을 줄여서 탄소중립을 이룰 수 있는 방법을 찾아야 한다.

2020년 기준 최종에너지는 산업(61.8%), 수송(18.6%), 가정·상업(17.3%), 공공(2.3%)에서 소비되었다. 산업용 원료 소비를 제외하면 최종에너지의 25.2%는 전기, 나머지 74.8%는 열에너지로 소비되고 있다. 전기는 재생에너지 발전·원자력·화력발전+CCS(이산화탄소 포집과 저장)로 이산화탄소가 배출되지 않게 생산할 수 있지만 열에너지는 대부분 화석연료로만 생산되어 왔다. 따라서 탄소중립을 이루기 위해서는 74.8% 사용하는 열에너지를 무탄소 전기로 대체하는 전기화가 반드시 이루어져야 하고 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 산업·수송·건물 등에 사용되는 에너지를 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 2050년에도 가동이 예상되는 가스발전, 시멘트공장, 정유공장, 철강공장(수소환원제철이 어려울 시) 등에서 발생되는 온실가스는 포집하여 저장한다.

이러한 탄소중립을 위한 에너지의 대전환은 기술을 통해서만 가능하다. 혁신적인 에너지기술이 필요하며 몇 가지 중요한 탄소중립 기술의 현황을 살펴본다.
 
우리나라는 2020년에 552TWh의 전기를 생산하였다. 에너지시스템의 전기화가 진행되면 2050년에는 1200~1250TWh의 전기가 필요할 것으로 예상된다. 탄소를 배출하지 않는 전기를 많이 생산하기 위해서는 태양광과 풍력발전을 확대하여야 하고 수소와 암모니아 발전이 차세대 기술로 부각되고 있다. 그리고 화력발전에 이산화탄소 포집설비가 설치되어야 하고 원자력도 일정 부분 유지되어야 한다.

우리나라 태양광발전 기술은 세계 최고 수준에 있다. 세계적으로 사용되는 실리콘 태양전지의 모듈 효율은 20~22% 정도이다. 정부는 실리콘 태양전지에 페로브스카이트 태양전지를 접목하여 효율을 34% 이상으로 높인 탠덤 태양전지를 2035년까지 개발하려고 한다. 고효율 텐덤 태양전지를 건물의 70%, 국토면적의 1.8%에 적용하면 400GW 설비에서 523TWh의 전기 생산이 가능하고 이는 2050년 전력수요의 43%에 해당한다.

풍력발전은 대형화가 될수록 발전단가가 낮아진다. 국내기술로는 5MW급이, 해외는 8MW급이 상용화 되었고 국내외에서 곧 10MW 이상의 풍력발전기가 개발될 것이다. 육상풍력과 고정식 및 부유식 해상풍력의 시장 잠재량은 80GW 설비에서 250TWh의 전기 생산이 가능하고 이는 2050년 전력수요의 21%에 해당한다. 태양광과 풍력기술의 발전으로 앞으로 우리가 필요한 전기의 60% 이상을 국내에서 생산이 가능할 것으로 예측된다.

하지만 태양광, 풍력과 같은 간헐성이 있는 전기가 증가하면 전기 품질이 떨어지고 기존 전력망으로는 감당이 어려워진다. 단계적으로 재생에너지 수용 한계 증대, 계통 신뢰성 강화 및 자율운전 전력망 등에 대한 핵심 기술을 미리 개발하고 보급하여야 할 것이다. 재생전기가 수요보다 많이 발생할 때에는 대규모 전력저장 배터리, 전기를 수소나 열로 전환하는 기술, 그리고 앞으로 많이 보급될 전기차의 배터리를 활용한 전력저장 등이 적용될 것이다. 이 분야는 우리나라가 세계적 수준에 올라와 있다.

석탄화력발전을 중단하면 일자리가 없어지고 발전소가 좌초자산이 되므로 석탄화력발전의 공정전환을 위하여 석탄과 암모니아를 혼합 연소하여 이산화탄소 발생을 줄이고 일자리도 유지하는 정책이 수립되었다. 우리나라는 지금 93.5%의 에너지를 해외에서 수입하고 있다. 재생발전량이 많아질수록 에너지 수입비용이 줄어들고 외부의 에너지 가격변동에 영향을 덜 받는다.

무탄소 전력 생산이 많이 되면 수송·산업·건물 부문의 에너지시스템을 전기화하여야 한다. 정부는 2030년까지 전기차 362만대, 수소연료전지차 88만대를 보급할 계획이다. 전기차 배터리와 수소연료전지차는 우리나라가 세계 최고 기술을 보유하고 있어서 수출을 많이 하고 있다. 산업분야 에너지시스템의 전기화를 위하여 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 건물분야는 냉난방 온수공급 등에 전기구동식 히트펌프 보급이 증가하여야 하며 전기화율은 현재 33%에서 두 배로 증가되어야 한다.      
 
전기화가 어려운 분야에는 수소·암모니아·바이오연료와 같은 탄소중립 연료를 사용한다. 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 기여할 수 있다.

‘BP 에너지 전망 2020’에서는 2050년 세계 최종에너지의 15~16%를 수소가 차지할 것으로 예상하고 있다. 국제에너지기구(IEA)에서는 미래에 화석연료 기반 에너지 무역 대신 재생에너지 무역의 시대를 준비해야 하며, 재생에너지 전달체로 수소 또는 암모니아를 지목하고 있다. 맥킨지에서는 2050년 세계 수소시장이 약 3000조원에 달할 것으로 전망하고 있다. 2050년 세계 수소 필요량은 연간 4억~8억톤, 우리나라의 수요는 2000~3000만톤이 예상된다.

이를 위하여 햇볕과 바람이 풍부한 지역인 중동·호주·칠레·몽골·아프리카 북부 등에서 생산된 재생전기를 이용하여 수전해 설비로 그린수소를 생산하거나 천연가스가 풍부한 곳에서 블루수소를 만들어서 이를 액체수소·암모니아·액상유기수소운반체 형태로 이송하는 기술들이 개발되고 있다.

우리나라는 국내 잉여 재생전기를 활용한 그린수소, LNG를 활용한 블루수소, 원자력 수소 등 국내 생산과 해외로부터 수소 도입을 모두 계획하고 있다. 수소가격이 낮아지면 수소환원제철도 가능할 것이다. 국제해사기구(IMO)의 선박 온실가스 규제에 대응하기 위하여 국내 조선 3사는 2025년 상업화 목표로 암모니아 추진 선박을 개발 중이다.
 
생산된 무탄소 전기와 탄소중립 연료를 효율적으로 사용하고 적극적인 자원순환을 통하여 에너지 수요 자체를 줄이는 노력 또한 필요하다. 우리나라의 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. 우리나라의 발달된 전기, 전자, 통신기술을 활용하여 산업공정과 건물의 디지털화를 조속히 이루어서 온실가스를 감축하여야 한다. 건물에 단열을 보강하고 태양광 설치(BIPV), 지열 활용 등을 하면 탄소중립 건물로 개조할 수 있다.
 
2050년이 되어도 가동이 예상되는 LNG발전과 전기화가 진행되더라도 공정 특성상 어쩔 수 없이 CO₂를 발생하는 시멘트, 석유화학산업에서 상당한 양의 이산화탄소가 배출될 것으로 전망된다. 이렇게 배출되는 이산화탄소는 포집하여 저장하여야 한다. CO₂를 포집하는 기술로서 국내에서는 10MW 규모의 습식 흡수공정과 건식공정이 개발되었고, 미국은 240MW 석탄화력발전소 배가스에서 CO₂를 포집, 압축, 이송해서 땅 속에 묻는 실증플랜트를 가동하고 있다.

문제는 비용이다. 현재의 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 비용은 CO2 톤당 100달러 이상으로 비싸지만 저비용 기술이 개발될 것이다. 정부는 조만간 10억톤 규모의 이산화탄소 묻을 장소를 탐사하여 확보하려고 한다. 그리고 해외와 연계하여 저장소를 확보하는 국제협력도 진행되고 있다. CO₂를 다른 제품으로 활용하는 방안은 전환에 필요한 수소나 무탄소 에너지 확보, 활용 가능한 제품의 시장 규모나 경쟁력 측면에서 적지 않은 어려움이 있지만 혁신적인 연구가 진행되고 있다.

국제에너지기구(IEA)는 지난 10월에 발표한 세계 에너지 전망에서 세계적인 탄소중립 노력이 가속화함에 따라 2026~2030년 동안 연평균 세계 청정에너지 투자는 2016~2020년 동안의 연평균 1200조원에 비해 4배 증가한 약 4800조원에 달할 것으로 전망하였다.

일자리 측면에서는 석탄부분은 감소하지만, 재생에너지 발전, 전력 계통, 바이오에너지, 자동차(전기차, 연료전지) 등의 청정에너지 관련 부분의 고용 증가로 전체적으로 2300만개의 일자리가 순수하게 증가할 것으로 예측하였다. 아울러 탄소중립으로 대기오염으로 인한 조기 사망자가 2030년까지 현재보다 40%(220만명/년) 감소한다고 전망하였다.

즉, 단기적으로 에너지전환과 같은 탄소중립의 과정에서 여러 산업과 생활부문에 어려움이 따르겠지만 장기적으로는 새로운 청정에너지에 대한 투자가 활성화되고 일자리가 창출이 늘어날 것이다. 세계는 지금 탄소중립 기술의 경쟁력 확보를 위해 치열하게 경쟁 중이다. 혁신 기술을 먼저 확보한 국가나 기업이 세계 경제를 주도할 것이기 때문이다. 우리나라가 먼저 성공적인 에너지전환을 이루어낸다면, 세계 경제를 주도하고 풍부한 일자리를 확보하는 기회가 될 것이다. 우리가 노력하면, 탄소중립은 물론 경제발전과 일자리라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있다.
 
탄소중립은 매우 어렵고 힘든 길이다. 하지만 우리의 지속가능한 미래 발전을 위해서는 피할 수 없는 길이다. 우리 모두가 세계 최고 경쟁력을 갖는 친환경·저탄소 혁신기술 개발에 보다 큰 관심을 갖고 에너지 절약, 대중교통 이용, 걷기, 물건 아껴 쓰기 등 자그마한 노력부터 같이 할 필요가 있다. 우리나라가 주도하는 탄소중립이 성공적으로 실현되어 지구를 보다 더 맑게 하고 경제도 크게 성장하는 그 날이 더 빨리 다가오기를 기대해 본다.