2019. 2. 21. 기후변화의주범이산화탄소 (CO 2 ), 미래자원으로가능성은? 진윤정수석연구원, 경영연구센터 (chin@posri.re.kr) 김성제책임연구원, 경영연구센터 (sungjekim@posri.re.kr) 목차 1. 탄소자원화기술의대두배경 2. 탄소를자원화하는방법 3. 주요국및산업계추진동향 4. 미래자원으로가능성 동보고서는탄소자원화국가전략프로젝트사업단과협업을통해작성
Executive Summary 최근기후변화문제를일으키는주범인이산화탄소 (CO 2 ) 감축을위한대안으로서탄소를자원화하는기술이주목받고있음 - 탄소자원화란? CO 2 를포집하여화학, 생물학적변환과정을거쳐 1화학제품의원료, 2광물탄산화, 3바이오연료등으로전환하는기술을의미 - 탄소자원화는혁신적 CO 2 감축수단일뿐아니라폐기물과같이처리대상으로여겨지던 CO 2 를경제적가치를가진자원으로재활용한다는점에서크게주목 미국, EU, 중국등주요국들은중장기온실가스감축목표달성을위한가교기술로서탄소자원화기술개발을꾸준히추진중임 - 특히미국은탄소자원화기술을국가전략기술로채택, 자국 CO 2 감축뿐아니라기술선점을통한신시장확보를위해가장적극적인움직임 - 우리나라도국가온실가스감축목표달성수단이자 10대기후기술의하나로탄소자원화를포함, 현재실증사업추진중 (~ 22년) 그러나탄소자원화기술은현재까지기초연구및실증단계수준으로시장경쟁력을갖추기위한많은도전과제에직면하고있어, 이에대한정책적 / 제도적지원이기술개발의 Key로작용할것임 - 향후탄소규제의강화 / 확대 ( 탄소배출권가격상승등 ) 등을통해현재경제성이확보되지않는관련기술들도상용화될유인이존재 철강업계의경우, 중장기적으로요구되는저탄소 / 친환경혁신측면에서탄소자원화기술의도입 적용가능성을모색할필요성이있음 - 탄소자원화기술적용을통해 CO 2 감축과함께새로운생산공정기술개발의계기이자수익창출기회로활용할수있다는기대가존재 - 티센크룹등은제철소부생가스내포함된 CO 2 를이용해화학제품을생산하는장기프로젝트를추진중 (Carbon2Chem, 15~) - 단, 사업모델의불확실성이존재하며, 정책의존도가높은탄소자원화기술특성상미래활용가치를고려하여장기적차원에서접근할필요 1
1. 탄소자원화기술의대두배경 최근기후변화문제를일으키는주범인이산화탄소 (CO 2 ) 감축을위한대안으로서탄소를자원화하는기술이주목받고있음 그동안주요국들의 CO 2 감축노력에도불구하고화석연료중심의에너지믹스, 개도국경제성장등의영향으로전세계 CO 2 배출량은지속적으로증가하는추세임 [ 그림 1. 화석연료사용 /CO 2 배출량추이및전망 ] 출처 : IEA, World Energy Outlook (2017) * 현정책기반시나리오기준 CO 2 배출량자체를감축하는노력과더불어배출된 CO 2 를포집하여저장 또는활용하는탄소포집 저장 활용 (CCUS) 기술등새로운감축수단의 병행이필수적이라는인식이확대되고있음 - IPCC, IEA 등은 UN 기후변화협약상공동목표인지구평균온도상승을 1.5 C 이하로제한하는데있어 CCUS * 기술도입없이는사실상불가능하다고 지적함 1 < 첨부 > *CCUS: Carbon Capture, Utilization and Storage - 특히 CO 2 를포집하여폐기물과같이저장하는것이아니라이를경제적 가치를가진자원으로재활용하는탄소자원화에대한논의가활발함 1 2100 년까지온도상승을 1.5 로제한하기위해서는 2010 년대비탄소배출량을 2030 년까지 최소 45% 감축하고 2050 년까지순제로 (net-zero) 배출이필요함 (IPCC 48 차총회, 2018.10) 2
탄소자원화기술은 탄소포집 저장 활용 (CCUS) 이라는상위기술의범주에포함되며, CCUS 기술은포집한 CO 2 의최종처리방식에따라두가지기술로구분됨 1 탄소포집저장 (CCS, Carbon Capture Storage): CO 2 가대기중으로방출되기전에포집하고수송하여지중, 해저지층에영구적으로저장 2 탄소자원화 (CCU, Carbon Capture Utilization): 포집된 CO 2 를화학, 생물학적변환과정을거쳐화학 / 플라스틱제품의원료, 바이오연료등으로전환 [ 그림 2. CCS/CCU 기술개요 ] 공정가스 CO 2 공정가스 CO 2 출처 : POSRI 재작성, 한전경영경제연구소자료기반 탄소자원화 (CCU) 는혁신적 CO 2 감축수단일뿐아니라 CCS와달리 CO 2 를경제적가치를가진자원으로재활용 (Recycling) 한다는점에서차별화됨 탄소자원화는 CO 2 와산업부산물을원료 (Feedstock) 로이용하여기존제품의대체제품을생산하는등자원절감효과가존재 - 예 ) 재폐기물 (Waste ashes) 과슬래그를 CO 2 와결합하여건축자재를생산 특히 CO 2 배출량이많은정유 석유화학, 철강, 시멘트등산업부문에서는산업성장과 CO 2 감축을동시에추구할수있는수단으로탄소자원화기술의가능성에주목하고있음 3
2. 탄소를자원화하는방법 CO 2 를자원화하는방법은이론적으로다양하지만, 글로벌기술발전 ( 성숙도 ) 동향및실현가능성, 잠재성등요인에따라크게세가지유망분야로분류됨 CO 2 를활용해 1화학제품의원료생산, 2광물탄산화제품생산, 3바이오연료생산분야등이대표적임 [ 표 1. 탄소자원화의주요분야 ] 구분기술개념최종제품 (Application) 화학제품생산 (Chemical production) CO 2 를화학적변환을통해 화학제품의원료로전환 메탄올, 우레아 (Urea), CO, 메탄등 광물탄산화 (Mineralization) CO 2 를광물질 ( 칼슘염등 ) 과 반응시켜건축자재등을생산 탄산염 (Carbonates) 등 바이오연료생산 (CO 2 to fuels) CO 2 흡수가빠른미세조류 ( 플랑크톤등 ) 를연료로전환 바이오디젤등 출처 : 미국에너지부, LG 경제연구원등 세가지분야 ( 기술 ) 모두시장경쟁력을갖춘단계는아님. 기술이성숙되기까지시간이더필요하고, 시장이충분히성장하기위해서는경제성을증명하고고객 ( 수요처 ) 을확보하는과정이필요함 기술개발단계 (TRLs) 에서현재의프로젝트들은기초연구 (Research) 와실증 (Demonstration) 단계가대부분임. * TRLs: Technology Readiness Levels 4
[ 표 2. CCU 기술개발단계 ] 구분기초연구실증상용화 화학제품생산 광물탄산화 바이오연료생산 출처 : 베를린공과대학교 * 다수 (Majority) 프로젝트기준으로표기 CCU 기술은생산비용저감, 전환공정의효율성개선, 설비 Scale-up, 시장형성 (Market developing) 등도전과제에직면하고있는상황임 - CO 2 를자원화 ( 예, 화학적전환 ) 하는과정에서대량의에너지가필요함에따라 에너지공급을위한비용이추가로발생하고, 해당과정에서별도의 CO 2 를 발생시키지않는방안도모색해야함 - 기존석유화학제품의원료 (Feedstock) 는비용효율성측면에서상대적인 경쟁력이뛰어나기때문에현재수준의 CCU 기술로는대체하기어려움 - 진행중인대부분의프로젝트들은기술성의증명단계 (Lab 또는 Pilot) 로 일정규모 (Scale-up) 의설비구축을통해경제성을입증하고시장을형성 ( 고객설득 ) 하는과정이필요함 일부상용화프로젝트도존재하나오일회수증진 (EOR) 등유전 / 가스전을 보유한특정국가 ( 주로미국 ) 에서만가용한수준임 5
3. 주요국및산업계추진동향 [ 국가별추진동향 ] 주요국들은중장기온실가스감축목표달성을위한가교기술 (Bridge technology) 로서탄소포집 저장 활용 (CCUS) 기술개발을꾸준히추진해옴 친환경재생에너지로완전히전환하는데는상당수준의시간과재원이소요되므로현실적인온실가스감축대안으로대부분의국가에서관련 R&D를추진중임 초기에는 CCS 기술에관심이집중되었으나, 저장장소확보및안정성문제로많은프로젝트들이지연또는취소된바있음 이에 CCS의대체또는보완기술로서, 저장장소가필요하지않으며제품생산을통해부가적인이익을창출하는탄소자원화기술로관심이전환되고있음 1) 미국 미국정부는탄소자원화기술을산업부문온실가스감축의핵심수단으로판단하고, 정부차원에서 R&D 자금지원, 세제관련인센티브제도시행등을통해기술개발및투자활성화를추진함 - 에너지부 (DOE) 는탄소자원화기술을국가전략기술로채택, 탄소자원화기술을통한온실가스감축, 제품판매를통한부가이익창출뿐아니라잠재적일자리창출에도기여할것으로기대한다고밝힘 - 현재까지 100여개이상의탄소자원화프로젝트를추진중이며, 이중상용화단계인오일회수증진 (EOR) 기술은미국이선도하는중점분야임 - 이밖에도석유화학, 시멘트및발전부문의대규모파일럿프로젝트를추진중임 ( 예 : Skyonic 社시멘트공장의 CO 2 포집및중조 (Sodium bicarbonate) 생산프로젝트등 ) 2) 유럽 유럽은 1990년대이후글로벌기후변화대응기술의일환으로 CCUS 기술개발에서선도적역할을해왔으며, 최근독일을중심으로산업부문의탄소자원화기술개발을본격추진하고있음 6
- EU 차원기후변화대응기금및기술지원프로그램등을통해유럽각지역에서 CCUS 프로젝트를추진하고있으며, 2020년까지 CCUS 기술을적용해화력발전소의 CO 2 無배출을목표로하는 EU ZEP(Zero Emission Power Plant Platform) 등이대표적프로그램임 - 특히독일정부는탈원전을목표로한자국의에너지전환정책 (Energiewende) 및중장기온실가스감축목표달성을위해재생에너지와함께탄소자원화기술에대한지원을대폭확대함 2010년부터 2016년까지 150개이상의프로젝트에약 100백만유로를투자하였으며, 민관협력을통해산업계에서도 50백만유로를투자함 ( 예 : Bayer 社 CO 2 를원료로폴리우레탄폼생산 Dream Production 프로젝트, ThyssenKrupp 등 Carbon2Chem 프로젝트등 ) 3) 중국 중국정부는 2050년까지중국에너지믹스의절반이상을석탄발전이차지할것으로전망되는바, 국가온실가스감축을위해서는 CCUS 기술이절대적으로필요하다고인식하고있음 - 국가발전개혁위원회 (NDRC) 는 CCUS 기술로드맵을발표 ( 11), 2030년까지단계별기술개발을위한세부실행계획을제시하고, 14년부터광동성등을중심으로대표프로젝트를추진함 - 신규석탄발전소의경우 CCUS 기술적용을의무화하는방안을추진중이며, 산업부문은업종별특성을고려하여기술적용이가능한영역및감축잠재량분석을우선추진하고있음 [ 그림 3. 중국 2030년 CCUS 기술로드맵 ] 출처 : Global CCS Institute, Guangzhou Institute of Energy Conversion (2013) 7
4) 대한민국 정부는 CCUS 기술을 2030년국가온실가스감축목표달성을위한주요감축수단및 10대기후기술에포함하고, 적극적인기술개발및상용화를추진하겠다고밝힘 - 기후변화대응기술확보로드맵 ( 17) 에서 10대기후기술로 CCUS를명시, 국가온실가스감축로드맵 ( 18) 에서는 CCUS 기술개발및상용화를통한감축량 ( 30년까지 10.3백만톤 ) 을할당함 19년, 국가 CCUS 종합추진계획발표예정 - 탄소자원화기술을국가전략프로젝트로추진 ( 16.12~), 파일럿실증단계까지를목표로 17~ 22년간총 475억원을투자할계획임 ( 정부 340억원, 민간 135억원 ) - 특히철강업종등을대상으로산업부생가스의탄소 (CO, CH 4 ) 를분리 활용하여유용한화학원료를생산하는기술을적용하는실증사업을검토중임 [ 그림 4. 우리나라탄소자원화실증프로젝트 ] 탄소전환프로젝트 : 산업부생가스의탄소 (CO, CH 4 ) 를분리 활용해화학원료 연료 ( 메탄올, 경유, 플라스틱등 ) 를생산하는기술을산업단지와연계하여실증 공정 시뮬레이션 ( 17) Mini Pilot 실증 CO분리 정제 (9톤/ 연 ) 화학원료생산 (3톤/ 연 ) ( 18~ 19) Pilot 실증 CO분리 정제 (9천톤/ 연 ) 화학원료생산 (3천톤/ 연 ) ( 19~ 22) Demo 실증 및상용화 ( 기업주도, 23~) 탄소광물프로젝트 : 발전소에서배출된저농도 CO 2 를직접활용하여폐광산채움재 를생산하는기술을강원 충청지역의현장과연계하여실증 공정 시뮬레이션 ( 16) Mini Pilot 실증 CO 2 처리 (6톤/ 연 ) 채움재생산 (30톤/ 연 ) ( 17~ 18) Pilot 실증 CO 2 처리 (6천톤/ 연 ) 채움재생산 (3만톤/ 연 ) ( 18~ 22) Demo 실증및 상용화 ( 기업주도, 23~) 출처 : 탄소자원화국가전략프로젝트사업단 8
[ 산업계추진동향 ] 산업부문의경우탄소자원화기술적용은온실가스감축과함께새로운생산공정기술의개발을촉진하는계기이자, 혁신의원동력이될수있다는점에주목하고있음 탄소를연 원료로사용하는석유화학산업과시멘트, 철강등고순도 CO 2 를배출하는산업등에서적용방안이활발하게모색되고있는상황임 철강산업은대량의 CO 2 배출원, 회수여력이있는미활용폐열및탄소등환원제가존재하는산업으로탄소자원화에매우적합한업종으로분류됨 철강업계의경우, 온실가스다배출공정특성상획기적인온실가스감축을위해서는공정혁신뿐아니라 CCUS 기술도입을병행할필요가있다는논의가진행되고있음 단기적온실가스감축수단으로는공정설비의에너지효율향상, 폐열회수기술적용등이있으나감축여력이크지않으며, 장기적으로는 CCUS 기술적용을통해획기적인감축을모색할수있음 철강부문의 CCUS 기술연구는그동안공정부생가스의탄소포집중심이었으나, 최근포집된탄소를연 원료형태로재사용하는탄소자원화방안이본격적으로제기되고있음 - 티센크룹, BASF 등이추진중인 Carbon2Chem 프로젝트가대표적임 [ 그림 5. Carbon2Chem 프로젝트주요내용 ] 프로젝트개요 : 철강부생가스를이용해연료, 플라스틱, 비료등의화학제품을생산하는프로젝트 참여기업 : 티센크룹, BASF, Linde, AkzoNovel 등 8개사 감축목표 : 완공후 10년내연간 2천만톤 CO 2 감축 ( 독일산업부문배출량의약 10% 에해당 ) 자금조달 : 정부지원금 60백만유로, 민간부문 100백만유로투자 (~ 25년) CO 2 공급처 : 티센크룹뒤스부르크제철소부생가스 최종제품 : 메탄올, 폴리머, 에테르등 출처 : Carbon2Chem 9
4. 미래자원으로가능성 탄소자원화기술은 CO 2 배출량을줄이는것이아니라이를자원화하여제품을만드는혁신적인접근으로기후변화대응과에너지문제를동시에극복할수있는방식으로평가되고있음 우리나라와같이에너지다소비산업구조로인해에너지절약및재생에너지활용만으로는 CO 2 감축에한계가있는국가의경우, 이를극복할수있는가장현실적인감축수단중하나임 이와함께석탄발전뿐아니라석유화학, 철강, 시멘트등연관산업의원료 / 제품다변화 / 다원화, 부가가치창출, 다양한융합기술파급효과, 일자리창출까지경제적효과에대한기대가존재함 그러나현단계는전세계에서상용화수준의검증된기술및사업모델이없는상태로, 적극적인정책 / 제도적뒷받침을통해야만기술개발및사업활성화가가능한상태임 정책의존도가높은기술특성상독일등의사례와같이국가적지원을통해초기 R&D 및실증사업추진뿐아니라자생력있는산업생태계조성까지뒷받침이필요함 - IEA(2017), Mckinsey(2014) 등은일정수준이상의탄소가격이존재해야만탄소자원화기술의경제성이확보될수있음을지적함 또한공통기술, 혁신기술성격의탄소자원화기술개발을위해서는민관협력이필수적이므로, 정부차원에서민간참여 / 투자촉진을유도할수있는다양한정책 / 제도적체계조성노력과병행이필요함 - 우리나라의경우 2015년배출권거래제도입을통해탄소규제가존재하므로, 탄소자원화실증사업참여에대한탄소크레딧인정을통해인센티브를제공하는방안을검토해볼필요가있음 ( 예 : 탄소자원화사업투자에대한탄소크레딧사전인정방안등 ) 10
[ 그림 6. CCUS 기술의발전단계별정책지원 ] 출처 : POSRI 재작성, IEA(2017) 자료기반 철강업계는중장기적온실가스의획기적감축 / 탈탄소화를위한핵심수단으로 CCUS 기술을도입할필요가있으나, 기술성숙단계를감안하여중장기적도입 / 적용가능성을모색해야함 티센크룹사례와같이저탄소 / 친환경시대철강산업의미래도전과제대응측면에서장기적인관점의 R&D를추진할필요가있음 제철소내부생가스를화학물질로전환하여활용하는기술은초기단계부터제품의수요처인화학업계의기업들과연계하여상호 Win-Win 할수있는사업모델을수립하는것이바람직함 탄소자원화기술은순환경제 (Circular Economy) 로의전환, 저탄소 / 친환경성장패러다임변화속에서그중요성이더욱커질수있으므로, 관련동향에대한지속적인모니터링이필요함 향후탄소규제강화 / 확대 ( 배출권가격상승등 ) 등을통해현재경제성이확보되지않는관련기술들도상용화될가능성이있음 선제적으로기술우위확보시향후탄소자원화기술시장의선점및상용화과정에서주도적역할을수행할수있으므로미래활용가치를고려하여장기적차원에서전략적접근을모색할시점임 11
[ 첨부 ] IPCC IEA 보고서주요내용 IPCC( 기후변화에관한정부간협의체 ) 5차보고서 ( 14) 현재전세계온실가스배출량증가추이상전지구적온도상승 1.5~2 C 이하억제목표를달성하기위해서는 2027년이후에는화석연료사용을전면중지할필요 이에 CO 2 감축옵션으로서 CCUS의역할이필수적이며, 특히 2050년까지발전부문의화력발전소 +CCS, 원자력및재생에너지발전을통한탈탄소화가필요 국제에너지기구 (IEA) WEO 2017 보고서 ( 17) 지속가능발전시나리오가실현되기위해서는에너지효율향상과재생에너지 / 원자력사용확대가전체감축의약 80% 이상기여해야하며, CCUS 기술이약 9% 수준에서기여 이자료에나타난내용은포스코경영연구원의공식견해와는다를수있습니다. 12
[ 참고자료 ] [ 보고서 ] Arno W. Zimmermann, Technische Universitat Berlin, Assessing Early-Stage CO 2 Utilization Technologies- Comparing Apples and Oragnes?, 2017 Global CCS Institute, Guangzhou Institute of Energy Conversion, CCUS development roadmap study for Guangdong Province, Guangdong Carbon Capture and Storage Readiness (GDCCSR) Project, March 2013 Global CCS Institute, The Global Status of CCS, 2017Hans-Jorn Weddige, ThyssenKrupp, CO 2 : from Waste to Raw Material, Tackling the Climate Challenge across Industry Sectors, November 2016 International Energy Agency(IEA), 20 Years of Carbon Capture and Storage, Accelerating Future Deployment, 2016 IEA, Five Keys to Unlock CCS Investment, 2017 Markus Oles, ThyssenKrupp, Carbon2Chem, October 2017 World Economic Forum(WEF), Towards the Circular Economy: Accelerating the Scaleup across Global Supply Chains, January 2014 관계부처합동, 2030 국가온실가스감축로드맵수정안, 2018.9 미래창조과학부, 발상의전환, 온실가스를에너지로바꾸는탄소자원화, R&D KIOSK 국가연구개발사업정보길잡이제 33 호, 2017.2 포스코경영연구원, 온실가스감축을위한탄소자원화사업활용방안및활성화정책제안, 2018.4.27 LG 경제연구원, 이산화탄소재활용하는 CCU 기술의개발빨라지고있다, 2011.10 [ 웹사이트 ] https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability-and-resourceproductivity/our-insights/why-commercial-use-could-be-the-future-of-carbon-capture http://s3platform.jrc.ec.europa.eu/carbon-capture-and-utilization 13