산업 탈탄소화를 위한 5가지 경로

국제에너지기구(IEA)에 따르면, 산업 부문은 2022년 전 세계 직접 에너지 시스템 배출량의 4분의 1을 차지했습니다. 이러한 배출량을 줄이는 것은 전 세계가 지구 온난화를 제한하고 넷제로 목표를 달성하기 위해 시급한 과제입니다. 무엇보다 파리 협정에 따라 각국은 장기적인 평균 기온 상승을 산업화 이전(1850~1900년) 평균 대비 1.5°C 이내로 제한하기 위해 온실가스 배출량을 줄이기로 합의했습니다. IEA는 2050년 배출 목표를 달성하기 위해 산업 부문 배출량을 2030년까지 2019년 대비 43% 감축하고 이후에도 지속적으로 감소시켜야 한다고 지적합니다.

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As decarbonization technologies such as solar panels and batteries have matured, scientists are now turning their attention to industrial decarbonization. Since industrial facilities have an average lifespan of 20 years, it’s critical that facilities installed from 2030 onward must be non-emitting, and that means industries need technological solutions now. We analyzed the CAS Content Collection^TM, the largest human-curated repository of scientific information, and found a sharp uptick in publications relating to decarbonization since 2019 (see Figure 1).

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 어려운 과제로 입증되었습니다. 이러한 공정은 다양한 생산 과정과 반응을 유도하기 위해 화석 연료로 생성된 고열을 사용하기 때문입니다. 화석 연료 기반 공정을 대체하는 것은 기술적, 경제적으로 실현 불가능한 경우가 많았습니다.

그러나 2024년 처음으로 1.5°C를 돌파하는 등 전 세계가 기온 기록을 경신하고 폭풍, 가뭄, 산불이 악화됨에 따라 지체할 시간이 없습니다. 지속가능성 노력을 돕기 위해, 우리는 더 나은 기술과 더 넓은 적용 범위의 혜택을 받고 있는 5가지 주요 산업 탈탄소화 경로를 살펴봅니다.

성공적인 산업 탈탄소화를 위한 5가지 경로

1. 전기화: 직접 연료 연소는 전 세계 산업 에너지 사용량의 73%를 차지하며, 전기는 27%에 불과합니다. 운송 및 난방 분야가 점점 더 전기화되는 것처럼, 더 많은 산업 공정을 전기화할 기회는 충분합니다. 그러나 배출량 감축에서 의미 있는 진전을 이루려면 산업 공정에 사용되는 전력원이 풍력이나 태양광과 같은 재생 에너지여야 합니다.

2. 에너지 효율: 산업 에너지 효율은 주로 더 효율적인 장비를 조달하는 데 초점을 맞추고 있지만, 에너지 효율을 기반으로 통합 시스템을 설계하면 최대 90%의 에너지 절감 효과를 거둘 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 배기가스 내 CO₂ 농도를 높일 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 기존 방식을 탈탄소 에너지원으로 대체하는 것은 어려웠습니다. 화석 연료 사용이 유일한 실행 가능한 옵션인 상황에서 산업계는 탄소 포집 및 저장(CCS)을 사용할 수 있으며, 포집된 CO₂는 액화되어 지하 깊은 곳에 지질학적으로 격리됩니다. 특정 경우에는 포집된 CO₂를 화학 생산의 원료로 사용할 수도 있습니다.

전 세계 탄소 포집량은 연간 2~12 GtCO2에 이를 것으로 높아지고 있으나, 넷제로 목표를 달성하기 위해서는 이러한 전략의 가속화와 규모 확대가 필요합니다.

4. 친환경 연료: 산업 탈탄소화를 위해서는 배출가스가 없는 연료로의 전환이 필수적입니다. 여기에는 수소가 포함될 수 있는데, 수소는 화석 연료 대체재로 연소 시 배출가스를 전혀 발생시키지 않지만 지속 가능한 방식으로 생산하는 데 어려움이 있을 수 있습니다.

현재 대부분의 수소는 메탄 증기 개질 방식으로 생산되지만, 이는 탄소 배출량이 많은 공정입니다. 이를 탈탄소화하기 위해 산업계는 CCS를 활용하거나 그린 수소를 추구할 수 있습니다. 그린 수소는 재생 에너지로 생성된 전기를 사용하여 물 분자를 산소와 수소로 분해하는 방식으로 생산됩니다. 이렇게 생산된 수소는 연료나 친환경 암모니아 생산을 위한 원료로 저장하여 향후 사용할 수 있습니다.

바이오 연료 또한 화석 연료를 대체하여 항공유나 각종 화학 제품의 원료로 사용될 수 있습니다. 이러한 연료는 주로 농업 폐기물, 목재 및 기타 유기 폐기물과 같은 바이오매스에서 추출됩니다.

5. Recycling: Recycling is expected to play a major role in decreasing the world’s demand for raw materials, particularly in the steel, aluminum, and plastics industries. Metal recycling rates generally reach over 50%, but it was estimated in 2022 that just 9% of global plastics were recycled. There is an urgent need for technological innovations to improve plastics recycling processes and expand both the collection and usage of recycled materials.

3대 고배출 산업의 탈탄소화

모든 산업이 동일한 양의 온실가스(GHG)를 배출하는 것은 아닙니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 가장 많은 온실가스를 배출하는 3대 산업은 철강/철, 화학/플라스틱, 시멘트입니다. 각 산업은 다양한 탈탄소화 경로를 통해 혜택을 얻을 수 있으며, 기술이 상용화됨에 따라 경제성 또한 확보될 것입니다. 현재 알루미늄의 배출량은 적은 편이지만, 에너지 효율을 높이기 위한 경량 소재 수요가 증가함에 따라 그 사용량은 더욱 늘어날 전망입니다(참고).

1. 철강/철: 전기화, CCS, 친환경 연료. 철강 산업은 전 세계 온실가스 배출량의 7%를 차지합니다. 가장 널리 사용되는 철강 생산 방식은 고로(BF) 또는 전로(BOF) 공정입니다. 철광석은 고로에서 코크스(정제된 석탄)와 함께 가열되어 환원됩니다. 이후 전로에서 탄소 함량을 조절하고 합금화 과정을 거칩니다. 원료 철광석에 대한 의존도를 낮추기 위해 전로에는 최대 30%의 재활용 고철(이차 철강)이 추가되기도 합니다. 고로/전로 공정의 평균 배출량은 철강 1톤당 1.8~2.8톤에 달합니다. 고로/전로에서 사용되는 석탄 연소, 환원용 코크스, 침탄 과정이 주요 CO₂ 배출원입니다.

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

2. 화학/플라스틱: 전기화, 에너지 효율화, CCS, 친환경 연료 및 재활용. 석유화학 산업은 전 세계 온실가스 배출량의 5%, 산업계 CO₂ 배출량의 18%를 차지합니다. 화학 생산 과정에서 발생하는 배출량의 85% 이상은 열이나 증기를 공급하기 위한 연료 연소 과정에서 발생하는데, 이는 많은 생산 공정이 고온을 필요로 하기 때문입니다. 그 외 주요 배출원으로는 화학 합성을 위한 화석 연료 기반의 수소 생산, 화석 연료를 이용한 화학 원료 생산, 증류 및 여과 단계에 필요한 에너지가 있습니다.

넷제로 목표를 달성하기 위해 화학 산업은 현재 수준에서 배출량을 30~45% 감축해야 합니다. 필요한 총 감축량 중 공정 최적화 및 분리 방법 개선, 열 관리와 같은 에너지 효율 개선이 25%를 기여할 것으로 예상됩니다. 석탄을 천연가스나 전기로 대체하는 것이 추가로 25%를 기여할 수 있습니다. 플라스틱 재활용과 탄소 포집은 각각 15%와 35%의 배출량 감축에 기여할 것으로 전망됩니다.

3. Cement: Energy efficiency, CCS, and green fuels. The cement industry releases 8-9% of global total of GHG emissions, consumes 2-3% of global energy demand, and accounts for 9% of industrial water withdrawals. The production of 1 kg of ordinary Portland cement releases about 0.86 kg of CO₂ on average. Cement is the most-used material in the world, so even though the CO₂ emitted per kg of cement production is lower than other materials, its high production volumes make cement a vital industry to decarbonize.  

시멘트 생산에는 소성 공정이 포함되는데, 이는 콘크리트를 만들기 위해 물과 반응하는 기본 재료인 '클링커'를 생산하기 위해 고온(약 1500°C)이 필요합니다. 시멘트 제조 과정에서 CO₂가 배출되는 두 가지 주요 원인은 소성 공정에 필요한 고온을 얻기 위해 연료를 연소할 때 발생하는 배출량과, 클링커의 핵심 성분인 CaO(생석회)를 만들기 위해 CaCO₃(석회석)가 분해될 때 발생하는 CO₂ 배출량입니다. 공정에 필요한 가열량을 줄이는 것이 배출량 감축에 중요하므로, 에너지 효율을 높이고 피할 수 없는 CO₂ 배출을 포집하며 친환경 연료로 전환하는 것이 필수적입니다.

새로운 특허가 탈탄소화 혁신을 견인할 수 있습니다

CAS Content Collection에서는 저널 출판물이 가장 큰 폭으로 증가했지만, 핵심 혁신을 상용화로 이끌 수 있는 중요한 특허 기술 또한 다수 등장했습니다. 최근 활동을 분석하기 위해 국제특허분류(IPC) 코드를 사용하여 특허 지형도를 개발했습니다(그림 3 참조). 탈탄소화 관련 특허는 화학/야금과 운영/운송이라는 두 가지 주요 섹션에 속합니다. 운영 섹션에는 주로 화학 물질과 흡착제를 사용하는 탄소 포집 관련 공정이 포함됩니다. 화학/야금 섹션에는 철강, 시멘트, 수소 및 대체 연료 제조와 관련된 특허가 포함되어 있습니다.

연구자들은 산업 탈탄소화를 위한 타임라인이 어떤 모습일지에 대해서도 탐구했습니다(그림 4 참조). 국가별로 명시된 날짜보다 더 일찍 목표를 달성할 수도 있겠지만, 이 프레임워크는 정책 입안자, 업계 리더 및 과학자들을 위한 일반적인 지침이 될 수 있습니다.

중공업의 탈탄소화가 더디게 진행된 데에는 여러 이유가 있지만, 가장 큰 이유는 적절한 기술이 존재하지 않았거나 경제성이 부족했기 때문입니다. 그러나 최근 몇 년간의 연구 증가로 상황이 바뀌고 있습니다. 예를 들어 대규모 그린 수소 시설과 전기화에 필요한 재생 에너지원의 성장이 이를 뒷받침합니다. 여전히 상당한 도전 과제가 남아 있지만, 추진력이 커지고 있으며 산업 공정은 이제 배출량을 줄여나갈 준비가 되어 있습니다.