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2021 기후변화 콜로키움 3회 (2021.3.24.)
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기후변화 콜로키움 3회 (2021.3.24.)

기후 중립성을 향한 에너지 전환의 길
(Energy transformation pathways towards climate neutrality)

거너 루더러 (Dr. Gunnar Luderer), 포츠담 기후영향연구소





포츠담 기후영향연구소와 함께한 세번째 기후변화 콜로키움에서는 기후 중립성, 기후변화 속도 완화를 위한 노력들, 특히  에너지 시스템의 전환을 주요 주제로 기후 중립성을 향한 에너지 전환의 길에 대해 거너 루더러 교수의 강연을 듣고 논의하는 자리를 가졌다. 루더러 교수는 파리 협약에 따라 지구 기온 상승을 1.5°C 이하로 제한하기 위해서는 금세기 중반에는 전세계의 기후 중립이 이루어져야 하며, 이는 글로벌 에너지 시스템의 근본적인 변화를 통해서만 달성할 수 있다고 했다. 에너지 별, 산업 별 다양한 관점의 분석과 글로벌 ‘에너지-경제-기후’의 통합적 분석과 에너지 전환을 성공적으로 이루어내기 위해 정책 및 혁신에 대한 현 시점의 세계적 흐름을 알아보았다.

빙하기 이후 기온 

루더러 교수가 지적한 흥미로운 것은 지난 빙하기 때의 기온과 산업화 이전의 기온을 비교해 보면 온도차이가 3도씨로 크지 않음을 알 수 있다. 본격적 산업화가 시작되면서 온도차가 커지게 되었고, 이는 온전히 인간의 활동이 영향을 미쳤다고 볼 수 있다. 즉 기온의 급격한 상승은 자연적인 현상이 아니라는 것이고, 인간의 다양한 활동과 이산화탄소의 배출로 인한 것으로 지구의 기후 시스템이 얼마나 취약한지 볼 수 있다. 몇십 년간의 기온상승과 몇만년 동안의 기온 변화를 비교해 보면 얼마나 빠르게 기온이 상승했는지 알 수 있다. 



〈거너 루더러 교수 강연 요약〉


탄소예산 320 GtCO2 (기가톤)

기후 물리학과 관련해서 우리가 주목해야 할 것은 지금까지 누적된 이산화탄소 배출량과 기온상승간의 비례관계가 있다는 것이다. 파리기후협약 목표 달성을 위한 탄소예산은 IPCC 보고서에 따르면 기온 상승을 1.5도씨 이하로 제한하려면 2018년 기준으로 320기가톤 (GtCO2) 정도 밖에 남아있지 않다. 현재 매년 40 Gt 배출하는 양으로 보았을 때, 8년 안에 1.5도씨에 대한 탄소 예산을 모두 사용하게 될 것이다. 인류가 배출할 수 있는 탄소의 양을 케익으로 비교했을 때, 산업화 시작부터 인류는 이미 3/4의 케익을 먹어버린 것이라고 볼 수 있다. 탄소 중립을 달성하지 않으면 2도씨 아래로 유지하기가 어려운 상황이며, 매우 심각한 상황이다. 강력한 기후 목표를 가지고 행동하지 않으면 안되는 시점이며, 정책입안가들도 기후 위기의 심각성을 인식하고 이에 대응 전략을 세우고 있는 상황이다. 


유럽의 탄소배출절감 목표

유럽은 2030년까지 최소한 55%의 탄소배출 절감을 목표로 하고 있으며, 내년 여름까지 이를 위한 관련 법안을 만들 계획이다. 독일의 경우에는 유럽위원회의 목표를 따르기 때문에, 유럽위원회를 통해서 탄소배출 절감을 달성할 것이다. 탄소배출 절감을 위해서는 적극적이고 집중적인 노력이 필요하다.


EU 그린 딜

EU 그린 딜은 2050년까지 기후 중립성 달성을 목표로 하고 있다. 각 섹터 별로 보면 에너지 부분이 큰 비중을 차지하고 있으며, 그 중에서도 전력 부분이 EU 그린 딜 시행 후 10-15년 안에 비중이 급감한다. EU에서는 가정용 냉난방을 위해서 화석연료를 많이 연소하고 있으며, 이 부분에서도 많이 감축해야 할 필요가 있다. 향후 기술발전을 통해서 대기 중에 있는 이산화탄소의 농도를 줄여야 하고, 이를 위해서 산림을 더 가꾸어야 한다. 현실적으로 이는 유럽에서는 국토 면적상 어려운 측면이 있다. 또 다른 방법은 바이오에너지의 사용으로 바이오에너지를 연소하고 이산화탄소를 포집하면, 탄소중립성을 이룰 수 있다고 보고 있다. 전세계 학자들도 기술 발전을 통해서 탄소중립을 달성할 수 있다는 데 동의하고 있다. 


Net Zero 와 재생에너지

미국 바이든 행정부도 넷제로를 선언하고, 중국도 탄소 중립을 2060년 달성하겠다고 했으며, 대한민국도 2050까지 탄소중립을 달성하겠다고 선언했다. 이는 전 세계적으로 힘을 합쳐야 가능한 일이다. 탄소 중립을 위해서 우리가 몇년 안에 어떤 조치를 취해야 하는지에 대한 계획을 하는 것이 중요하다. 기술발전 또한 매우 중요하다. 재생에너지 혁신으로 엄청난 비용 감축이 이루어졌다. 태양광 에너지의 생산 비용은 80프로 감소되었다. 10년이라는 기간 내에 생산 비용을 80프로 감축했다는 것은 매우 긍적적인 결과이다. 유럽은 태양광을 설치하는 비용이 매우 저렴하고, 대규모 시설구축은 비용 절감을 더 크게 이룰 수 있다. 


배터리

배터리 기술혁신을 통해서 수송 산업에 있어 화석연료 기반의 에너지 소모를 크게 줄일 수 있다. 배터리 기술 발전이 이루어질수록 에너지 비용이 크게 절감하게 될 것이다. 배터리 제조 기술, 배터리 기술의 가격 경쟁력이 중요하다.


원자력

원자력과 관련해서는 비용 상승 뿐 아니라, 후쿠시마 사고로 원자력 에너지의 미래는 불투명해 진 상황이며 원자력 에너지가 하나의 미래적 대안이 되는 것은 어려울 것으로 보인다. 전세계적으로 원자력 에너지에서 벗어나서 재생 에너지로 전환하는 기회이다. 


CCS(Carbon Capture & Storage) 사업


화석연료를 사용에 대해 대기에서 발생되는 탄소를 포집함으로써 탄소 발생량을 줄일 수 있는데, 기존의 CCS (Carbon Capture & Storage) 사업의 수가 줄어들었다. 지난 2-3년 반짝 성장 한 후, 기존 사업들이 취소, 중단, 통합이 되면서 전체 CCS 사업의 수 자체가 급감한 실정이다. 대규모 CCS 사업 이외에도 다양한 규모로 사업을 추진할 필요가 있으며, 특히 시멘트 및 철강 제조업 등 일부 부분에서 규모가 작더라도 진행을 해야 한다. 그러나 현실적으로 규모의 경제가 낮아서 비용 및 가격 경쟁력을 가질 수 없는 상황이다. 



바이오에너지

바이오에너지는 10년 전만 하더라도 국제 과학계 및 IPCC에서도 1.5도씨 억제에 있어 바이오에너지가 도움이 될 것이라고 예상했으나, 바이오에너지를 연소할 때 이산화탄소 이외에도 다른 영향이 발생할 수 있다는 우려가 있다. 바이오에너지를 생산하기 위해서 태양광이 필요로 하는 토지 면적보다 100배 정도의 면적이 필요하다. 바이오에너지가 가지고 있는 생태 독성 측면에서도 부정적 영향을 미칠 수 있으며, 여러 다양한 문제들을 발생시킬 수 있기 때문에 바이오에너지에 완전히 의존할 수 없다. 그런 이유로 아직 바이오에너지에 대한 분명한 정책적 지침이 나오지 않은 것으로 보인다. 



에너지 운반체의 가격

에너지 가격을 보면, 지금까지는 전기가 가장 가격이 비싼 에너지 운반체이고, 탄소를 기반으로 하는 것들로는 석탄 등 고체 에너지 운반체와, 천연가스 등 가스 형태의 에너지 운반체가 있고, 석유와 같은 액체의 에너지 운반체가 있다. 다양한 에너지 운반체의 가격을 비교해 보았을 때, 탄소에 가격을 매겨서 탄소 집약적인 에너지 운반체의 가격 매력도가 떨어지면, 전기의 가격 매력도가 상대적으로 올라가게 될 것이다. 결국 전기가 탄소 제로를 달성하는 요소가 될 수 있고, 전기의 가격이 안정적으로 유지가 되고, 탄소 가격제가 강력하게 진행된다면 다른 여러 가연성 연료에 비해서 전기가 매력도가 높아지게 될 것이다. 석탄, 석유보다 전기가 저렴해 지는 것이 가능하게 되면, 깨끗하고, 탄소집약도가 낮은, 저렴한 에너지 운반체로서 전기를 사용하게 될 것이다. 전기가 전체 에너지 수요의 20% 뿐이고, 나머지 80%는 천연가스, 석유 등 화석연료 기반의 에너지원이다. 연료로서 저렴하기 때문에 화석연료가 주로 사용되고 있지만 기후변화 적응이라는 측면에서는 적절하지 않기 때문에 화석연료는 가능한 줄이는 것이 필요하다. 지속가능성이 떨어지는 바이오에너지를 저탄소 에너지원으로 사용할 수 없는 현 상황에서 탄소 기반의 연료를 줄이기 위해서는 결국 전기가 중요한 역할을 할 것이다. 1.5도씨의 목표를 달성하기 위해서 우리는 적극적인 에너지 전환을 통해서 전기화로 나아가야 할 것이다. 이 과정에서 탄소를 기반으로 한 에너지 수요를 억제하는 것이 중요하다. 


수송 부문

산업 부문 별로 볼 때, 탄소기반 연료를 대체하기 어려운 부문이 있다. 첫번째가 수송 부문이다. 항공 및 해운, 특히 중장비 수송에 있어서는 탄소 기반의 연료가 에너지 효율이 높기 때문에 에너지 전환이 매우 더디게 진행될 것이다. 현재 수소 에너지로의 전환, 전기 에너지로의 전환이 진행되고 있으나, 항공과 해운업은 탄소를 계속 배출하고 있기 때문에 탄소집약적인 연료에서 다른 연료로 전환할 수 있도록 하는 인센티브가 필요하다. 큰 변화가 필요한 산업이다.


산업 부문

산업부문에서도 탄소 연료를 여전히 사용하고 있으며, 에너지 전환이 필요한 부문이다. 대부분 화학산업에서 탄화수소를 연료로 사용하고 있우며, 공정을 돌리기 위한 연료로 뿐 아니라, 제품 생산을 위한 원료로 탄화수소를 사용하고 있기 때문에, 탄소 배출이 크게 발생하고 있다. 화석연료를 기반으로 한 산업활동이 여전히 이어지고 있으며, 특히 액체형 화석연료의 수요가 높음을 볼 수 있다. 철강 공정에서도 전환이 필요하고, 전기 또는 바이오 연료로의 전환도 가능하다.


건물 부문

건물 부문은 수송,산업 부문 보다는 화석연료 사용이 높지 않고, 전기 에너지로의 전환이 이루어지고 있는 추세이다. 특히 주택의 냉난방에서 전기를 사용하고 있으며, 가정용 뿐만 아니라 큰 건물에서도 전기 수요가 계속 증가하고 있는 상황이다. 



수소의 역할

수소연료와 합성 전자연료 (Syntheric efuels) 는 현재 유럽과 독일에서 관심이 높고 일본도 관심이 많아 연구가 진행 중이다. 태양광, 풍력을 이용해서 전기를 생산하면 그 전기를 바로 사용할 수도 있겠지만, 전기 분해를 통해서 수소를 생산하고, 더 나아가 신재생 에너지인 수소와  메탄화 반응을 유도하여 천연가스를 대신하여 사용 가능하다. 합성연료를  액체화하여 기존의 수송에서 사용하던 화석연료 기반의 액체 연료를 대신할 수 있고, 산업용, 발전, 열생산 등에도 사용 할 수 있다. 풍력등 자원의 잠재성을 보아야 한다. 신재생 에너지의 잠재성이 높은 국가들, 북아프리카, 파타고니아, 남미, 호주 등은 지리적으로 거리가 멀지만 에너지 공급원의 역할을 할 수 있다. 이 지역의 대규모 풍력, 태양광 인프라가 가능하고, 실질적으로 신재생 에너지의 잠재성이 적도 이남에 위치하고 있다. 이 지역에서 생산된 전기와 에너지는 경제 규모가 크고 인구가 많은 북미 지역으로 이동 가능할 것이다. 


직접 전력화 vs. 간접 전력화

간접전기화는 전력을 수소로 전환하거나, 다른 합성연료로 전환해서 연소화 하는 과정이다. 연료에 포함되어 있는 화학 에너지가 가용에너지로 전환하는데 있어 20% 정도로 효율이 감소하게 된다. 직접 전기화는 재생에너지를 투입했을 때, 고효율 에너지로 에너지 유실이 최소화되어 간접 전기화에 비해 6배 정도 효율성의 차이가 난다. 수소나 합성연료를 통하여 간접 전기화로 가는 것 보다 직접전기화로 가는 것이 훨씬 효율적이다. 공간 냉난방에 적용해서 보면, 열펌프의 경우 환경적 열을 사용해서, 전기에너지 1개 단위에서 발생시키는 열을 보면 간접, 직접 전기화 차이에 따라 몇배 차이가 난다. 


재생에너지 기반 녹색 수소의 경제성

호주에서 수소 생산을 대규모로 하면 전기가 저렴해 질 수 있지만, 전해조, 액체화하고 수송 운반하는데 추가 비용이 발생한다. 호주에서 생산한 에너지를 독일이나 한국으로 수송하는데 많은 비용이 수반될 것이다. 기술 혁신으로 재생에너지 가격이 더 떨어질 것이고, 운반, 저장, 운송 분야의 혁신으로 가격이 떨어질 수 있지만, 2050년 기준으로 수소와 천연가스의 가격은 많은 차이가 있을 것이다. 그러나 이산화탄소 포집 등 기타 다른 기술로 가격 격차를 줄일 수 있으며, 사람들이 화석연료에서 벗어자고자 하는 의지가 받혀준다면 효과를 기대할 수 있다. 녹색 수소가 가격 경쟁력을 가질 수도 있겠지만, 현재로는 가격 경쟁력이 거의 없는 상황이다. EU의 그린딜을 달성하기 위해서는 CO2 가격제를 도입하더라도, 수소의 가격 경쟁력이 이에 맞먹기 위해서는 10-20년이 더 걸릴 수도 있다. 수소에 대한 보조금 제도와 함께 수소의 사용을 더 확대해야 한다. 직접 전기화가 나중에 수소보다 값이 저렴해 질 수 있다. 수소와 직접 전기화의 효율에 대해서는 아직 비용 산출이 정확히 할 수 없어 어느 부분이 더 유리할지 모르는 현실이다. 어떻게 하더라도 직접 전기화는 어려운 상황이다.

 

에너지 전환을 가능하게 하기 위해서는 시장의 신호가 명확해야 한다. 정책적인 차원에서 적극적인 탄소 가격제 도입과 기후변화로 비롯될 수 있는 비용 산출 및 이를 상쇄할 수 있는 탄소 가격을 도입해야 한다. 장기적인 관점을 가지고 세금 제도 및 관련 제도에 대한 조율이 필요하고, 탄소 가격제 실행에 대한 장기적인 의지를 가질 때, 클린에너지에 대한 투자에 대한 인센티브를 제공할 수 있다. 이러한 인센티브로 시장에서 클린에너지에 대한 투자가 증가할 때 이는 곧 혁신으로 이어질 수 있을 것이다.



























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