산업 탈탄소화를 위한 5가지 경로

국제에너지기구(IEA)에 따르면, 산업 부문은 차지했습니다 2022년 전 세계 직접 에너지 시스템 배출량의 4분의 1을. 지구 온난화를 제한하고 넷제로 목표를 달성하기 위해서는 이러한 배출량을 줄이는 것이 시급합니다. 가장 중요한 것은 파리 협정에 따라 각국이 온실가스 배출량을 제한하여 장기 평균 기온 상승을 산업화 이전(1850~1900년) 평균 대비 1.5°C로 제한하기로 합의했다는 점입니다. IEA는 2050년 배출 목표를 달성하기 위해 산업 부문 배출량을 2030년까지 2019년 대비 43% 감축하고, 이후에도 계속 감소 시켜야 한다고 지적합니다.

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다음과 같은 탈탄소화 기술이 태양광 패널 그리고 배터리 기술이 성숙해짐에 따라 과학자들은 이제 산업 탈탄소화에 주목하고 있습니다. 산업 시설의 평균 수명은 20년이므로 2030년 이후 설치되는 시설은 반드시 무배출 시설이어야 하며, 이는 산업계에 지금 당장 기술적 솔루션이 필요함을 의미합니다. 당사는 CAS Content Collection^TM(인간이 엄선한 최대 규모의 과학 정보 저장소)을 분석한 결과, 2019년 이후 탈탄소화 관련 출판물이 급격히 증가했음을 확인했습니다(그림 1 참조).

학술지 출판물의 성장은 주목할 만하며, 이는 연구가 활발히 진행되고 있는 반면 상용화까지는 아직 몇 년이 더 걸릴 수 있음을 시사합니다. 철강 및 시멘트 생산과 같은 중공업의 탈탄소화는 이러한 공정이 화석 연료로 생성된 고열을 사용하여 다양한 생산 공정과 반응을 주도하기 때문에 어려운 것으로 입증되었습니다. 화석 연료 기반 공정을 대체하는 것은 기술적, 경제적으로 실현 불가능한 경우가 많았습니다.

그러나 세계가 계속해서 기온 기록을 경신하고(2024년 처음으로 1.5°C를 넘어선 것을 포함), 폭풍, 가뭄, 산불이 악화됨에 따라 지체할 시간이 없습니다. 지속 가능성 노력을 돕기 위해, 현재 더 나은 기술과 더 넓은 적용 범위의 혜택을 받고 있는 산업 탈탄소화를 위한 5가지 주요 경로를 살펴봅니다.

성공적인 산업 탈탄소화를 위한 5가지 경로

1. 전기화: 직접적인 연료 연소는 전 세계 산업 에너지 사용량의 73%를 차지 하며, 전기는 27%에 불과합니다. 운송 및 난방 분야의 전기화가 증가하는 것처럼 더 많은 산업 공정을 전기화할 수 있는 충분한 기회가 있습니다. 그러나 배출량 감축에서 의미 있는 진전을 이루려면 산업 공정에 사용되는 전력원은 풍력이나 태양광과 같은 재생 가능 에너지여야 합니다.

2. 에너지 효율성: 산업 에너지 효율성은 주로 더 효율적인 장비를 조달하는 데 초점을 맞추고 있지만, 통합 시스템을 설계하면 기반으로 에너지 효율성을 최대 90%까지 절감할 수 있습니다. 주요 고려 사항으로는 증기 시스템과 열 회수가 있는데, 이는 산업 에너지 사용량의 상당 부분을 차지하기 때문입니다. 예를 들어, 산소가 풍부한 공기를 연료와 반응시키면 완전 연소를 보장하고 더 높은 농도의 CO₂ 를 배기가스에서 생성할 수 있으며, 이를 대기로 배출하기 전에 포집할 수 있습니다.

3. 탄소 포집 및 저장: 시멘트 생산과 같은 산업 공정은 고온을 필요로 하며, 이는 화석 연료를 통해 쉽고 저렴하게 달성됩니다. 이러한 온도에 도달하고 현재의 방법을 탈탄소 에너지원으로 대체하는 것은 어려웠습니다. 화석 연료 사용이 유일한 실행 가능한 옵션인 상황에서 산업계는 탄소 포집 및 저장(CCS)을 사용할 수 있으며, 여기서 포집된 CO₂ 는 액화되어 지하 깊은 곳에 지질학적으로 격리됩니다. 특정 경우에는 포집된 CO₂ 를 화학 생산의 원료로 사용할 수 있습니다.  

전 세계 포집률은 예상 연간 2~12 GtCO₂에 이를 것으로 보이며, 이 양의 대부분은 산업계에서 포집될 것입니다. CCS에 대한 관심은 최근 증가하고 있으며 전 세계적으로 700개 이상의 프로젝트가 다양한 개발 단계에 있지만, 넷제로 목표를 달성하기 위해서는 이 전략을 가속화하고 규모를 확대해야 할 것입니다.

4. 그린 연료: 산업 탈탄소화를 위해서는 배출가스가 없는 연료로의 전환이 필수적입니다. 여기에는 화석 연료 대체재로 연소 시 배출가스를 발생시키지 않지만 지속 가능한 방식으로 생산하기 어려운 수소가 포함될 수 있습니다.  

현재 대부분의 수소 는 메탄 수증기 개질법으로 생산되지만, 이는 배출 집약적인 공정입니다. 이를 탈탄소화하기 위해 산업계는 탄소 포집 및 저장(CCS)을 사용하거나 그린 수소를 추구할 수 있습니다. 이는 재생 가능한 에너지원에서 생성된 전기를 사용하여 물 분자를 산소와 수소로 분해함으로써 달성됩니다. 생성된 수소는 연료나 그린 암모니아의 원료로 향후 사용하기 위해 저장될 수 있습니다.  

바이오 연료 또한 화석 연료를 대체하여, 예를 들어 항공 연료나 다양한 화학 물질의 원료로 사용될 수 있습니다. 이러한 연료는 주로 농업 폐기물, 목재 및 기타 유기 폐기물과 같은 바이오매스에서 추출됩니다.

5. 재활용: 재활용은 특히 철강, 알루미늄 및 플라스틱 산업에서 원자재에 대한 전 세계 수요를 줄이는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 금속 재활용률은 일반적으로 50%를 상회 하지만, 2022년 추산 에 따르면 전 세계 플라스틱의 9%만이 재활용되었습니다. 플라스틱 재활용 공정을 개선하고 재활용 소재의 수거 및 사용을 모두 확대하기 위한 기술 혁신이 시급합니다.

가장 높은 배출량을 기록하는 3대 산업의 탈탄소화

모든 산업이 동일한 양의 온실가스(GHG)를 배출하는 것은 아닙니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 가장 높은 배출량을 기록하는 3대 산업은 철강/철, 화학/플라스틱, 시멘트입니다. 이러한 각 산업은 다양한 탈탄소화 경로를 통해 혜택을 얻을 수 있으며, 기술이 상용화됨에 따라 경제적 타당성도 더욱 높아질 것입니다. 현재 알루미늄의 배출량은 낮지만, 에너지 효율을 개선하기 위한 경량 소재의 필요성으로 인해 그 사용량은 증가할 것으로 예상됩니다(참조문헌).

1. 철강: 전기화, CCS, 친환경 연료. 철강 산업은 전 세계 온실가스 배출량의 7%를 차지합니다. 가장 많이 사용되는 철강 생산 방식은 고로(BF) 또는 전로(BOF) 방식입니다. 철광석은 고로에서 코크스(정제된 석탄)와 함께 가열되어 환원됩니다. 이후 전로에서 탄소 함량을 조절하고 합금화 과정을 거칩니다. 원료 철광석의 필요량을 줄이기 위해 최대 30%의 재활용 고철(이차 철강)이 전로에 추가되기도 합니다. 고로/전로 공정에서 발생하는 평균 배출량은 철강 1톤당 1.8~2.8톤에 달합니다.  석탄 연소 고로/전로 공정에서 사용되는 석탄, 환원 및 침탄에 사용되는 코크스는 CO₂ 배출의 주요 원인입니다.

IEA는 추정합니다 2050년까지 탄소 중립을 달성하기 위해서는 철강 산업의 CO₂ 배출량을 철강 1톤당 600kg으로 줄여야 한다고 합니다. 이 목표를 달성하기 위한 전략으로는 현재 70%인 고로 사용 비중을 30%로 낮추고, 고철 재활용을 위한 전기로(EAF) 사용을 두 배로 늘리며, 탄소 포집 및 수소를 청정 연료로 사용하는 방안 등이 있습니다. 또한 전로 대신 전기로를 사용하거나 생산 공정에서 고배출 단계를 제거하는 HIsarna 공정과 같이 철강 산업의 배출량을 줄이기 위한 다른 공정들도 연구되고 있습니다. 바이오 연료나 수소(CCS 또는 그린 수소)를 사용하여 고로/전로에 동력을 공급하는 것 또한 실행 가능한 전략입니다.

2. 화학/플라스틱: 전기화, 에너지 효율화, CCS, 친환경 연료 및 재활용. 석유화학은 전 세계 온실가스 배출량의 5%, 산업 CO₂ 배출량의 18%를 차지합니다. 화학 생산에서 발생하는 배출량의 85% 이상은 배출 많은 생산 공정에 고온이 필요하기 때문에 열이나 증기를 공급하기 위해 연료를 연소할 때 발생합니다. 그 외 주요 배출원으로는 화학 합성을 위한 화석 연료로부터의 수소 생성, 화석 연료를 이용한 화학 원료 생산, 그리고 증류 및 여과 단계에 필요한 에너지가 있습니다.

넷제로 목표를 달성하기 위해 업계는 현재 수준에서 배출량을 30~45% 감축해야 합니다. 전체 감축 량 중 공정 최적화와 더 나은 분리 방법 및 열 관리와 같은 에너지 효율 개선이 25%를 기여할 것으로 예상됩니다. 석탄을 천연가스나 전기로 대체하는 것이 또 다른 25%를 기여할 수 있습니다. 플라스틱 재활용과 탄소 포집은 각각 15%와 35%의 배출량 감축에 기여할 것으로 기대됩니다.

3. 시멘트: 에너지 효율성, CCS 및 친환경 연료. 시멘트 산업 은 전 세계 온실가스 배출량의 8~9%를 차지하고, 전 세계 에너지 수요의 2~3%를 소비하며, 산업용 용수 취수량의 9%를 차지합니다. 일반 포틀랜드 시멘트 1kg을 생산할 때 약 0.86kg의 CO₂ 가 평균적으로 배출됩니다. 시멘트는 세계에서 가장 많이 사용되는 재료이므로, 시멘트 1kg 생산당 배출되는 CO₂ 양은 다른 재료보다 낮더라도, 생산량이 워낙 많기 때문에 탈탄소화가 필수적인 산업입니다.  

시멘트 생산에는 킬닝(kilning)이라는 공정이 포함되는데, 이는 물과 반응하여 콘크리트를 형성하는 "클링커(clinker)"라는 기초 재료를 생산하기 위해 고온(~1500°C)이 필요합니다. 시멘트 제조 과정에서 CO₂ 배출의 두 가지 주요 원인은 킬닝 공정에 필요한 고온에 도달하기 위해 연료를 연소할 때 발생하는 배출과, CO₂ 배출은 클링커의 핵심 성분인 CaCO₃ (석회석)이 CaO(석회)로 분해될 때 발생합니다. 공정에 필요한 가열량을 줄이는 것이 배출량 감축에 중요하므로, 에너지 효율성을 높이고 불가피한 CO를 포집하는 것이 중요합니다.₂ 배출량이며, 그린 연료로의 전환이 필요할 것입니다.  

새로운 특허는 탈탄소화 혁신을 주도할 수 있습니다

CAS Content Collection에서 학술지 출판물이 가장 큰 증가세를 보였지만, 주요 혁신을 상업적 용도로 가져올 수 있는 중요한 특허 기술 또한 다수 존재합니다. 당사는 최근 활동을 추가로 분석하기 위해 국제 특허 분류 코드(IPC)를 사용하여 특허 동향을 파악했습니다(그림 3 참조). 탈탄소화 관련 특허는 화학/금속공학 및 운영/운송이라는 두 가지 주요 섹션에 속합니다. 운영 섹션에는 주로 화학물질과 흡착제를 사용하는 탄소 포집 관련 공정이 포함되어 있습니다. 화학/금속공학 섹션에는 철강, 시멘트, 수소 및 대체 연료 제조와 관련된 특허가 포함되어 있습니다.

연구자들은 또한 산업 탈탄소화를 위한 타임라인이 어떤 모습일지 탐구했습니다(그림 4 참조). 여러 국가가 명시된 날짜보다 더 일찍 이러한 목표를 달성할 수도 있지만, 이 프레임워크는 정책 입안자, 산업 리더 및 과학자를 위한 일반적인 가이드가 될 수 있습니다.

중공업의 탈탄소화는 여러 가지 이유로 더디게 진행되어 왔으며, 가장 큰 이유는 적절한 기술이 존재하지 않았거나 경제성이 부족했기 때문입니다. 그러나 지난 몇 년간 연구가 증가하면서 이러한 상황이 변화하고 있습니다. 예를 들어 대규모 그린 수소 시설과 전기화에 동력을 공급하기 위한 재생 에너지원의 성장이 그 예입니다. 여전히 상당한 도전 과제가 남아 있지만 추진력은 커지고 있으며, 산업 공정은 배출량을 줄일 준비를 마쳤습니다.