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저탄소 연료의 미래 – 왜 넷제로(Net-Zero)가 아닌가?

2022/03/03

운송업은 기후 및 지속가능성 목표에 따라 변화해야 하며, 전기차 만으로는 그 문제를 해결하기에 역부족이다. 과연 저탄소 연료가 해답이 될 수 있을까?

전기에너지화는 운송 부문의 변혁을 주도하면서, 휘발유를 잡아먹는 자동차와 경트럭을 A에서 B지점까지 이동하는 청정수단으로 변화시키고 있다. 하지만 전기자동차 사용은 2050년까지 운송 부문의 넷제로(net-zero) 배출 달성을 위해 필요한 노력의 일부일 뿐이다. 특히 항공 및 해운과 같이 전기화가 현실적인 선택지가 될 수 없는 부분은 ‘저탄소 연료’가 필수일 것이다.

탈탄소 압력을 해소하고 규제 인센티브의 혜택을 받기 위해 기꺼이 프리미엄을 지불하려는 얼리어답터들에 의해, 바이오 연료, 녹색 수소에 의존하는 Power-to-X연료, 천연가스로 만들어진 청색 수소에 의존하는 연료 등 2030년까지 400억에서 500억 달러 규모의 저탄소 연료 글로벌 시장이 형성될 것으로 예상된다. 이 시장에 참여하기 위해 기업들은 자원 접근성을 확보하고, 새로운 비즈니스 기회를 포착 및 개발하며, 가치사슬에서 유리한 위치를 차지하기 위해 지금 당장 행동해야 할 것이다.

해결책을 모색 중인 부문

운송부문은 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 16%를 차지해, 산업 및 전력생산 다음으로 큰 오염부문이다. 배출감소는 매우 큰 도전과제이다. 유럽연합의 경우1990년 이후 다른 경제 부문의 실적은 개선됐음에도 운송부문 배출은 악화됐다. 규제당국의 홍보노력 증가에도 불구하고, 화석연료 대체제가 현재 전세계 운송연료소비에서 차지하는 비중은 4%에서 5%에 불과하다.

운송 부문의 배출량 성적악화에는 몇 가지 요인이 있다. 항공기와 선박은 에너지밀도가 높은 연료를 필요로 하는데, 이 연료는 대부분의 경우 전력사용을 배제하고 화석연료의 사용을 선호해 왔다. 또한, 중장비 운송의 경우, 새로운 충전 인프라 비용, 차량 범위의 제한, 지나친 충전시간 등의 요인이 전기화 추진에 걸림돌이었다.

바이오 연료와 청색 및 녹색수소기반 연료와 같은 저탄소 연료는 이 문제를 해결할 잠재력 있는 다양한 해결책을 제공한다. (‘연료에 대한 몇 가지 사실’ 참조) 수소는 그 자체로도 연료로 사용될 수 있지만 수소를 다른 분자와 결합해 만들어지는 연료는 에너지 밀집도가 더 높고 더 쉽게 운반되고 저장될 수 있다. 또한, 이 변형연료 중 일부는 화석연료와 호환이 가능하다. 결과적으로 기존 내연기관, 차량연료 시스템, 혹은 연료 유통망에 큰 비용을 들여 변화시킬 필요없이 화석연료와 혼합해 전체 배출량을 줄이거나 화석연료를 완전히 대체할 수도 있다.

연료에 대한 몇 가지 사실

저탄소 연료에는 다양한 형태가 있다. 바이오 연료 외에도, 몇 가지 선진기술이 수소를 이용한다. 다음은 그 주요 사례들이다.

Power-to-X 연료

Power-to-X연료, 혹은 e-연료의 주된 구성요소는 녹색수소이며 녹색수소는 재생에너지를 사용하는 전해조가 물을 수소와 산소로 분해해 생산된다. 녹색 수소는 e- 암모니아, e-메탄올, e-등유의 60%에서 90%를 차지한다. 또한, 수소는 또한 그 자체로도 철강생산이나 몇 가지 화학 공정 등 산업용 응용기술에서 중요한 역할을 한다. 결과적으로, 수소는 에너지 전환에서 필수적인 역할을 하며 넷제로 환경에서 전체 글로벌 에너지 공급의 15%에서 20%를 차지할 것으로 전망된다.

Power-to-X 연료의 종류

e-암모니아. 고온 화학 합성 프로세스를 이용해 녹색 수소를 질소와 결합해 만든다. 수소보다 에너지 밀집도가 높아, 해외 운송 및 거래에 더 용이하다. 하지만 e-암모니아는 드롭인(drop-in) 기능이 제한적이기 때문에 현재 설치된 운송 엔진 기반에서 유용성이 떨어진다.
e-메탄올. 화학 합성 프로세스를 통해 녹색수소를 지속가능한 이산화탄소와 결합해 만든다. 드롭인 기능이 강력해 연료혼합에 특히 적합하다. 하지만 비용 경쟁력은 지속가능한 이산화탄소를 저렴하게 조달하는 능력에 달려있다.
e-탄화수소. e-휘발유, e-경유 등이 해당되며 모든 기존 화석연료에 대한 완전한 드롭인 기능 덕분에 상당한 이점이 있다. 여러 프로세스를 이용해 제조가 가능하다. e-등유의 경우, 가장 많이 사용되는 방법은 피셔-트로프슈(Fischer–Tropsch) 프로세스로, 일산화탄소와 수소 혼합물을 액체 탄화수소로 전환하는 다양한 화학 반응을 말한다. e-휘발유는 액체연료와 소량의 액화석유가스로 전환되는 저탄소 메탄올을 사용해 제조가 가능하다. e-탄화수소를 상업적으로 현실화하기 위해서는, 비용이 화석연료나 무탄소 대안과 비슷한 수준으로 떨어져야 한다.
청색수소기반 연료. 청색수소는 천연가스로 만들어지며 생산 도중 생성되는 이산화탄소 배출을 분리하기 위해 CCUS(탄소포집, 활용, 저장)기술을 이용한다. 이 기술의 발전은 부분적으로는 정부가 이산화탄소를 지하에 매장하려는 의지에 달려있으며, 이는 청색수소와 이를 이용해 만들어지는 저탄소 연료의 성장에 결정적인 역할을 할 것이다.
바이오 연료. 바이오 연료는 항공처럼 저감이 어려운 분야에서 중요한 탈탄소화의 역할을 할 것이다. 비식품 바이오매스(biomass)로 생산되는 2세대 바이오 연료의 수요는 규제강화에 의해 주도될 것이다. 하지만, 공급원료가 부족하게 되면, 늘어나는 수요를 감당할 만큼 경제성 있는 충분한 물량을 조달하는 것은 어려워질 것이다. 석유 및 가스 기업들은 이미 녹색 항공연료 및 이와 유사한 제품 생산을 위한 공급원료를 위해 경쟁 중이다.

이런 장점에는 몇 가지 한계점이 동반된다. 현재 저탄소 연료는 화석연료보다 더 비싸고 직접적인 배터리 기반 전기화보다 에너지 효율이 훨씬 낮은데, 이 요인들은 앞으로 몇 년간 이 연료의 사용방법을 결정할 것이다. (‘향후 운송 부문의 다양한 응용’ 참조) 효율 개선, 규모, 우호적인 정책 및 인센티브에 의한 생산비용 하락은 저탄소 옵션이 기존의 화석연료와 경쟁하기 위한 필수 전제조건이다. 하지만, 재생가능에너지 붐이 규제 인센티브와 합쳐지면 수소생산의 비용이 하락해 이 연료가 2030년대 초에는 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 생각된다.

향후 운송 부문의 다양한 응용

물론 전기화는 향후 승용차와 경차의 경우 가장 유력한 탈탄소 기술이겠지만, 저탄소 연료 역시 다른 운송영역에서 매우 중요한 부분을 차지할 것으로 예상된다. (아래 표 참조)

중장비 운송. 중장비 부문에서는, 배터리와 수소전력의 경쟁은 경쟁이라고 부르기 어렵다. 배터리 전기 트럭의 도입은 광범위한 지역의 충전 인프라 구축 비용을 충족하는 정부 보조금과 상업차량을 한 번의 충전으로 더 멀리 이동할 수 있도록 해 주는 배터리 기술 발전의 향방에 달려있다. 배터리 부문의 이 어려움을 고려하면, 바이오 연료인 녹색 및 청색 수소가 2030년까지 상당한 시장 점유율을 차지할 것으로 예상된다.

항공. 바이오 연료와 e-등유는 상업용 비행기에 필요한 에너지 밀집도를 가진, 전통적인 연료의 유일한 대안이다. (전기배터리는 일반적으로 단거리용인 경량 비행기에 사용될 수 있음) 우리는 바이오 연료가 중요한 단기 해결책이며 앞으로 수십년 간 지배적인 기술 중 하나가 되리라 전망한다. 하지만, e-등유도 지속가능한 이산화탄소의 비용이 하락하고 바이오 연료가 공급원료 가용성의 한계에 직면하기 시작하면서 가능성 있는 대안으로 부상할 것이다. 바이오 연료와 e-등유 모두 기존 화석연료 인프라를 사용할 수 있다.

해운. 비행기와 마찬가지로 선박 역시 연료의 에너지 밀집도가 높아야 하므로 바이오 연료와 저탄소 암모니아 및 에탄올이 단기 및 장기 해결책으로서 확실히 선호된다. 다른 화석연료보다 이산화탄소 배출이 적은 천연가스와 액화 천연가스 역시 단기 해결책이 될 수 있다. e-메탄올로 움직이는 해양선박이 향후 몇 년 내로 운행을 시작할 것이다. 이 연료는 ‘드롭인’ 능력과 기존 유통망과의 호환성으로 인해 화석연료의 매력적인 대안이 된다. 하지만, 장기적으로는 생산과정에서 풍부하고 값비싼 지속가능한 이산화탄소가 필요하지 않은 저탄소 암모니아가 지배적인 연료 중 하나가 될 가능성이 높다. 저탄소 암모니아 물량의 성장은 새로운 엔진 기술이 다양한 상용 차량에서 구현되는 속도에 의해 결정될 것이다.

저탄소 미래 구축 방법

저탄소 연료에 대한 관심이 커지면서, 호주, 칠레, 중동처럼 태양 및 풍력 에너지가 풍부한 국가와 중동 및 러시아처럼 저렴한 천연가스에의 접근이 가능한 지역에서 글로벌 생산 허브가 부상할 것이다. 이미 이 중 몇몇 지역에서 10 기가와트 이상의 발전용량을 가진 Power-to-X 프로젝트가 진행 중이다.
메탄올과 탄화수소처럼 복잡한 연료의 경우에, 비용경쟁력은 생물기원 출처를 통하거나(바이오매스 연소공장에 탄소포집기술을 이용하는 등) 혹은 최근 부상하는 직접 공기포집(DAC, direct-air capture)기술을 통해 공기에서 직접 지속가능한 이산화탄소를 조달하는 생산업체의 능력에 의해 결정될 것이다. 충분한 생물기원 공급원료가 단기적으로는 가용하곘지만 수요가 증가하면 부족사태가 발생할 것이다. 결과적으로 장기적으로는 지속가능 이산화탄소는 주로 DAC를 통해 조달되어야 한다. 하지만, 우선 이 기술의 비용이 하락해야 한다.

현재, 청색 수소와 이를 통해 만들어지는 연료는 천연가스의 비용이 낮아지고 새로운 탄소가격체제가 등장한 덕분에 화석 대안에 비해 점점 더 비용경쟁력이 커지고 있다. 하지만 수소의 운송비용이 상당하기 때문에 저비용 생산업체들은 수소를 저탄소 암모니아로 전환하고 있으며, 이는 단기적으로 전세계 응용기술과 수요의 15%에서 25%를 차지하고 있다. (표 참조)

2030년까지 중요한 글로벌 저탄소 연료시장의 창출에 핵심인 다른 두 가지 요인은 바로 고객 선택과 규제이다. 이 요소들의 현재 진행 상황을 살펴본다.

고객 선택. 일부 연료사용자들은 이미 저탄소 연료의 얼리어답터이다. 일례로, 덴마크의 선박그룹인 머스크(Maersk)는 8척의 메탄올 연료 선박을 2024년 1분기부터 운영할 계획이다. 이는 자체 연료소비의 탈탄소화를 위한 여러 다양한 경로를 시험함으로써 가치사슬에서 초기 위치를 점하려는 전략적 움직임으로 해석될 수 있다. 또한 이런 움직임은 고객과 직원 관계 측면에서 기업의 포지셔닝에 도움이 될 수 있다는 점에서 마케팅적인 관점에서도 가치가 있다.
규제. 전 세계 정책 입안가들은 온실가스 배출 감소를 위한 대책에 박차를 가하고 있다. 유럽연합에서, 재생에너지지침III(Renewable Energy Directive III)은 2030년까지 운송연료의 배출집약도 13% 감소를 목표로 하고 있으며 바이오 연료와 power-to-X 연료사용에 대해 구체적인 목표를 설정했다. 이로 인해 유럽 기업들이 화석연료에서 청정 대체에너지로 전환해야 하는 압력은 더욱 거세질 것이다. 미국에서, 정책 입안가들은 확장위험을 줄이기 위해 신용시스템을 구현하고 파일럿 프로젝트의 자금 지원을 확대하고 있다. 40개국 이상이 수소 로드맵을 개발해 특정 규제 및 보조금에 대한 기반을 마련하고 있다.

시장참여자들은 이제 무엇을 해야 하는가?

저탄소 연료시장에서 활동하기 위해, 기업들은 우선 그들 앞에 놓인 위험과 혜택을 평가해야 한다. 향후 수 십년간 새로운 상황이 어떤 식으로 펼쳐질지 의견을 정리하고 새로운 연료가 그들의 핵심 비즈니스에 어떤 영향을 미칠 것인지 판단해야 할 것이다. 일부 업체들은 대규모 재생에너지의 보급률이 상승하거나 더욱 효율적인 전력생산이나 전해조 기술이 등장해 연료생산 비용을 낮추기를 기다리는 전략을 택할 수도 있다.

반면, 현재 가용한 기회를 활용하는 쪽을 선택한 기업들은 가치사슬과 목표시장에서 그들의 위치에 따라 다른 대책을 취해야 한다.

전력 생산업체

점점 더 많은 수의 유틸리티와 독립 전력생산업체들이 Power-to-X 연료개발의 리스크를 공유하기 위해 기술 제공업체 및 고객들과 파트너십을 형성하고 있다. 언제 어떻게 움직일 것인지 선택하기에 앞서, 다음 사항을 먼저 실행해야 한다.

자체 전력생산자산의 탈탄소화 및 관련 저탄소 기술 투자의 속도 결정
저렴한 재생에너지에 대한 경쟁력 있는 접근성을 확보해 다른 참여자의 가치사슬압박(value chain squeeze) 방지
중동과 호주 등 저비용 재생에너지가 있는 지역에서 전력생산을 극대화하기 위해 지리적 진출기반 평가
저탄소 연료를 이용해 자체 자산 및 제품에 대한 더 큰 전기가격 변동성 리스크를 헷지하는 방법 고려

석유 및 가스 생산업체

전력 생산업체와 마찬가지로, 석유 및 가스 생산업체들은 저탄소 연료 시장에서 그들의 위치를 평가하고 공급망 개발을 지원하는 생태계를 구성 중이다. 언제, 어떻게 활동할지에 영향을 미치는 몇 가지 고려사항들이 있다. 석유 및 가스 생산업체들은 다음을 실행해야 한다.

자체 생산자산의 탈탄소화 및 저탄소 기술 투자 배치의 속도 결정
천연가스 및 재생가능 자원(태양열 및 풍력 여건이 유리한 토양 등), 지속가능 이산화탄소, 이산화탄소 저장능력에 대해 경쟁력 있는 접근성 확보 고려. 이는 시장이 발전함에 따라 중요한 이점이 될 것임
기존 고개기반을 활용해 저탄소 초기 생산분 확보

정유공장

저탄소 연료소비가 증가하면서, 정유공장은 화석연료의 수요감소에 직면할 것이다. 이로 인해 정유공장은 합리적인 가격에 안정적인 물량을 확보할 수 있다는 전제하에 석유화학 등 다른 분야에 더 큰 투자를 하거나, 동물성 지방, 식물성 기름, 폐식용유와 같은 재생가능 원료를 정제된 저탄소 연료로 이용하는 방향으로 전환하게 될 가능성이 높다. 따라서 정유공장들은 다음을 실행해야 한다.

자산좌초 방지를 위해 각 현장의 최적사용방안 결정
기존 고객기반을 활용해 저탄소 초기 생산분 확보
열 회수 및 증기메탄개질 용량 증가의 자산기반과 유통망을 통해 시너지 효과를 창출하는 동시에 저탄소 액체 연료에 있어 다른 참여자에 비해 상대적으로 강력한 가치사슬 지위를 활용

연료생산 OEM

생산기술 제공업체들의 경우, 강력한 디지털 및 자산규모 최적화 스킬을 이용해 시스템 통합자의 역할을 하는 능력이 핵심 경쟁우위가 될 것이다. 이 역량으로 인해 주요 전해조 및 연료 시너지 프로젝트에 참여할 수 있을 것이다. 따라서 다음을 실행해야 한다.

중앙집중식 및 분산형 저탄소 연료생산에 대한 시장 예측을 수행하고 연구개발 및 시장진출계획을 이 예측에 적합하게 조정
기술 프로젝트의 기술 리스크를 경쟁적으로 감수하는 등의 방식으로 동급최고 기술 플랫폼에 대한 접근성 구축
유틸리티와 같은 미래의 저탄소 공장 소유자는 복잡한 합성기반 프로세스와 수익률 최적화 기술이 부족하기 때문에 운영 및 유지관리에 집중

엔진 및 연료전지 OEM

저탄소 연료를 이용하는 연료전지와 배터리를 개발하는 기업들은 전기배터리 기술의 궤적을 면밀히 모니터링해야 할 것이다. 이것이 그들의 성패를 크게 좌우할 것이기 때문이다. 이 OEM들은 다음을 실행해야 한다.

배터리 및 이중연료엔진기술에 대한 현재의 전망을 기반으로 저탄소 연료 응용프로그램에 투자하는 동시에 다양한 옵션을 추진함으로써 연구개발 및 생산계획 헷지를 준비
연료 혼합과 같은 분야의 규제변화에 대해 확실한 견해를 수립하고 그에 따라 계획을 적절히 수정
개조 차량 및 신차 플릿(fleet) 보유업체의 엔진 및 연료전지 리스크를 줄여주는 비즈니스 모델 개발

플릿(fleet) 보유업체와 운영업체

플릿 보유업체와 운영업체는 장기구매(off-take)계약 및 파트너십을 통해 저탄소 연료 공급의 성숙과 확대로 발생하는 위험 감소에 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 다음을 실행해야 한다.

화석연료, 저탄소 연료, 전기 옵션의 가용성 및 비용 경쟁력에 영향을 미치는 기술 및 규제 변화를 고려해 플릿 전환 계획의 속도 결정
가격경쟁력 있는 저탄소 연료 물량 확보를 위해, 후방통합을 통해 가치사슬에서 지위 확대 고려
연료 가격 및 보조금의 향후 변동 가능성을 기반으로 단기 및 장기 구매계약의 균형 결정

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저탄소 연료기술은 여전히 대부분 걸음마 단계이지만, 대다수 전문가들의 예상보다 빠르게 10년 내로 상당한 규모의 운송연료 시장이 부상할 것으로 전망된다. 시간이 흐르면서, 운송부문에 따라 어떤 연료는 단기적으로 중요한 역할을 하고 또 어떤 연료는 장기적으로 유력한 대체 선택지가 되는 등 판도는 변화할 것이다. 하지만 저탄소 연료가치사슬에서 매력적이고 경쟁력 있는 지위를 확보하고자 하는 참여자라면 기다리기만 해서는 안 된다. 지금 당장 미래를 예측하고 언제 어떻게 참여해야 할지에 대한 전략적 결정을 내려야 한다.

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