1. 연구의 필요성 및 목적
■한국 정부는 2020년 10월 탄소중립을 선언했으며, 2021년 COP26(The 26th United Nations Climate Change Conference of the Parties)에서 상향된 국가 온실가스 감축목표(NDC)를 발표함.
○ 2017년 수준 대비 2030년까지 온실가스 24.4% 감축이라는 기존 NDC에서 2018년 수준 대비 40% 감축이라는 목표로 상향 조정함.
○ 성공적인 탄소중립 달성을 위해 사회 전반에 걸친 온실가스 감축 노력이 필요하며, 이를 위해 화석연료 사용을 축소하고 클린 에너지로 대체하는 것이 더욱 중요해짐.
■효과적인 에너지 전환에 있어 화석연료의 사용비중 축소 및 재생에너지 비중 확대를 위해 부문 간 결합이 가능한 에너지시스템 구축 필요
○ 섹터커플링은 독일에서 발전한 개념으로 가변성 있는 재생에너지 전력을 다른 형태의 에너지로 변환하여 사용 및 저장하고 부문 간 결합을 통해 장기적으로 화석연료의 비중을 줄여나가는 데 핵심이 되는 개념임.
○ 섹터커플링을 통해 장기적으로 화석연료를 재생에너지 기반 전력으로 대체할 경우 산업 전반에 걸쳐 온실가스 감축을 기대할 수 있음.
■특히, 우리나라의 탈탄소화 전략의 핵심 요소인 수소 이용의 활성화를 위해서는 섹터커플링 기술 중 재생에너지 잉여 전력을 수소로 변환하는 Power-to-Gas (P2G) 기술에 주목 필요
○ P2G를 통한 전기와 가스의 섹터커플링은 가변적이고 분산적인 재생에너지 기반 전기화(electrification)의 안정적 달성과 미래 수소경제의 이행을 위한 핵심 수단으로 관심 증대
○ 산업계의 수소 수요 증가 고려 시, P2G 기반 수소가 생산되어 공급된다면 산업계 탈탄소화에 기여하는 바가 클 것으로 사료
■본 연구는 P2G 기술을 활용해 생산된 수소의 탄소중립 기여도를 분석하는 것을 목적으로 하여, 다음에 대한 분석을 수행함.
○ 첫째, 수소 기반 온실가스 감축 기술을 적용하여 탄소중립을 달성하고자 하는 철강, 석유화학, 시멘트 산업의 수소 기반 감축 기술 도입 로드맵과 그에 따른 수소 수요를 분석함.
○ 둘째, 산업별 수소 기술로의 전환 로드맵에 따라 기존 화석연료 기반 기술을 수소가 대체함에 따라 저감하게 되는 배출량을 분석함.
○ 셋째, 산업별 중장기 수소 수요 중 국내 P2G 생산 수소로 공급 가능한 양과 그 비중을 파악하여, P2G 기술의 산업부문 온실가스 감축 잠재량을 추정함.
○ 마지막으로, P2G 수소의 산업부문 활용에 따른 탄소중립 기여도를 추정함.요약

2. 섹터커플링의 개념 및 현황
■섹터커플링에 대한 관심과 중요성이 증가함에도 불구하고, 아직까지 섹터커플링의 정의, 범위 및 유사 개념(예: 통합에너지시스템, integrate energy system)과의 차이점 등을 명확히 정립하기 위한 노력은 아직 미비한 상황
■본 연구에서 정리하는 섹터커플링의 개념은 크게 두 가지 부문 간 통합을 의미하는데, 첫 번째는 에너지 부문(energy sector)의 통합이고, 두 번째는 경제 부문(economic sector)의 통합을 의미함.
○ 석유, 가스 등 전통적 에너지원을 포함하는 에너지 부문에서는 각 에너지원의 수요와 공급에 따라 생산과 소비가 결정되며, 1차 에너지원을 활용하여 에너지 부문의 최종재로 전환되어 수요단에 직접 공급되는 전력과 열도 포함
○ 경제 부문은 1·2차 에너지원을 공급하는 주체를 포함하는 에너지 공급 부문과 수송, 가정, 산업 등 에너지를 소비하는 주체를 포함하는 수요 부문을 포함하며, 에너지원 사이에서는 화석연료가 공급, 전력과 열이 수요부문으로 구분될 수 있음.
○ 본 연구에서는 우리나라에서 논의가 진행되고 있는 “그린에너지 통합 시스템”이 섹터커플링 기술을 활용한 부문 간 통합을 의미한다고 보고, 단방향 시스템으로 이루어진 에너지 부문과 경제 부문의 에너지 흐름을 양방향 통합 시스템으로 구성하는 것으로 논의를 진행
■섹터커플링의 핵심은 P2X 기술로 이는 전력을 다른 형태의 에너지로 변환하여 사용하거나 저장하는 기술들을 의미
○ P2X 핵심 요소 기술에는 전기를 활용하여 수전해를 통해 수소, 메탄 및 액화연료를 제조·저장·전환하는 기술인 P2G(Power-to-Gas), P2L(Power-toLiquid)기술, 전력을 히트펌프 등을 통해 열로 변환하여 사용하는 기술로 냉난방 부문을 전력화하는 P2H(Power-to-Heat) 기술, 전력을 전기차 배터리 등 ESS에 저장하여 운송부문을 전력화하는 V2G(Vehicle-to-Grid) 기술이 포함

3. 국내 생산 P2G 잠재량 분석
■P2G의 핵심 기술을 활용하기 위해 전력계통에서 나타나는 초과발전량을 분석하고 이를 흡수할 수 있는 P2G설비의 규모를 파악하여 이를 통해 국내에서 공급가능한 수소생산 잠재량을 분석
○ 첫 번째로, 전력계통의 초과발전량을 도출함. 전력계통의 출력제한 분석을 위해 우선 재생에너지 발전량을 추정했으며, 2030년과 2050년의 재생에너지 발전량 전망은 2019년 8,760시간의 실제 재생에너지 발전량1)을 확장하여 도출
○ 본 분석의 설비규모 및 발전믹스는 최근 정부에서 논의된 NDC 상향안과 2050년 탄소중립 A 안을 기준 시나리오로 설정하고, 이를 토대로 재생에너지 설비규모를 도출
○ 제9차 전력수급 기본계획과 제3차 에너지 기본계획을 기준으로 전망한 수요에 재생에너지를 반영하여 순수요를 도출
○ 초과발전량 산정을 위한 마지막 단계는 기저발전의 최소발전용량이 필요하며, 앞서 도출한 순부하와 함께 기저발전량(원자력+수도권 열병합+운영예비력 확보+최소 석탄발전량 기준), 전력계통의 안정적 운영을 위해 확보해야 하는 운영예비력까지 고려하여 재생에너지 출력제한을 분석

4. 산업부문 온실가스 배출 현황 및 감축 목표
■수소 활용 3대 업종인 철강, 석유화학, 시멘트 산업은 화석에너지에 대한 의존성이 높아, 국가 및 산업부문에서의 에너지 사용량 및 온실가스 배출 비중이 높음.
○ 철강 산업의 온실가스 배출량은 총 1억 1,662만 8,000tCO2eq.로 추정(2019년 기준, 직접 및 공정배출과 간접배출 모두 포함), 국가 총 배출량의 16.6%, 산업부문 총 배출량의 약 30%를 차지
○ 석유화학 산업의 2019년 총 배출량은 약 5,502만 tCO2eq.(간접배출 포함)
○ 시멘트 산업의 총 배출량은 약 4,206만 tCO2eq.로(2019년 기준, 간접배출 포함), 국가 총 배출량의 약 6%, 산업부문 총 배출량의 약 11%를 차지함.
■2030 NDC 상향안과 2050 탄소중립 시나리오에 따르면, 산업부문은 2018년 배출량(2억 6,050만 톤CO2eq.) 대비 2030년까지 14.5% 감축, 2050년까지 80.4% 감축하는 것을 목표로 함.
○ 산업부문에서 가장 높은 배출 비중을 차지하는 철강은 기준연도 배출량 1억 120만 톤으로부터 2030년까지 2.3%, 2050년까지 95.5% 감축 필요
○ 배출 2위 업종인 석유화학의 경우, 기준연도 배출량 4,590만 톤으로부터 2030년까지 20.2% 감축을 목표로 하여, 3대 다배출 업종 중 감축률이 가장 높음. 또한, 2050년까지 석유화학과 석유화학의 후방산업인 정유산업이 함께 기준연도 배출량(6,280만 톤) 대비 73.1% 감축 필요
○ 시멘트 업종은 기준연도 배출량 3,410만 톤으로부터 2030년까지 12%, 2050년까지 52.8% 감축하는 것으로 목표로 함.
○ 2050 탄소중립 시나리오에서는 철강 산업의 수소환원제철 기술, 석유화학·정유 산업의 수소 기반 연료·원료 전환, 시멘트 산업 수소열원 등 산업부문 감축 수단으로서 수소의 활용 가능성이 다양하게 논의됨.

5. 산업별 수소 기술 활용 방안 및 도입 로드맵
■산업부문 탈탄소화를 위한 수소의 활용 가능성은 크게 둘로 구분
○ 1) 화석에너지 기반 공급원료를 수소로 대체하여 탈탄소화, 2) 고온 가열처리를 위한 공정 연료를 대표적 그린에너지인 수소로 대체하는 방안으로 구분
○ 정부는 『제1차 수소경제 이행 기본계획』(관계부처합동, 2021b) 등을 통해 산업부문의 수소 활용 방안을 구체적으로 제시
○ 수소가 에너지 다소비 산업에 중요한 탄소저감 수단을 제공하여, 산업부문의 탄소중립 달성에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대
○ IEA(2020)는 2070년 수소의 전 세계 총 온실가스 감축 잠재량이 연간 3GtCO2/년까지 늘어날 것으로 전망하였으며, 수소의 감축 기여도는 약 8%에 달함. 산업부문에서 수소를 통한 온실가스 저감량이 가장 클 것으로 전망
■연료 및 원료 전환을 통해 높은 화석연료 의존도를 줄여나갈 필요성이 가장 큰 철강, 석유화학, 시멘트 산업은 수소 기반 감축기술 도입을 적극 추진 중
■철강 산업의 수소 활용 방안 - 수소환원제철
○ 철강 산업의 탄소 배출 저감 및 탄소중립 달성을 위해서는 혁신적 탄소중립 기술 개발과 산업 적용이 필수적이며, 기존 고로 기반 공정을 대체할 수 있는 새로운 무탄소 기술로서 가장 많은 관심을 받고 있는 기술은 수소환원제철법
○ 2050 탄소중립 시나리오에서도 철강 산업의 2018년 대비 약 95%의 온실가스 감축을 위한 가장 핵심적인 감축 수단으로 수소환원제철 공정의 도입을 제시
○ 수소환원제철(H2 DRI-EAF) 공정에서는 기존 석탄 기반 고로를 대신하여 수소환원 유동로에서 직접환원철(DRI)을 생산하고 이를 전기로(EAF)에서 용융하는 방식으로, 탄소중립에 가장 근접한 기술임.
■석유화학 산업의 수소 활용 방안 – 연료 및 원료 대체
○ 석유화학 산업에서 탄소중립 수준으로 온실가스 감축을 유도하기 위해서는, 화석연료 기반 원료와 연료의 전환을 동반한 생산구조의 변화가 필수적
○ 2050 탄소중립 시나리오 및 『제1차 수소경제 이행 기본계획』(2021)은 석유화학의 연료 및 원료를 수소로 대체하는 방안을 핵심 마일스톤으로 포함
○ (석유화학 수소 연료 활용 감축 방안 1) 석유화학산업 NCC의 열분해 공정에서 납사를 800℃ 이상 고온에서 탄화수소 화합물로 열분해하기 위해 가열로의 열원으로 사용하는 석유계 연료를 수소 등 친환경 에너지로 전환
○ (석유화학 수소 연료 활용 감축 방안 2) 석유화학 산업 전반에서 사용되는 화석연료인 석탄·원유·도시가스 연료를 수소나 녹색전력 등으로 전환
■시멘트 산업의 수소 활용 방안 – 연료 대체
○ 시멘트 제조 과정에서 투입되는 원료 및 연료 모두 온실가스의 주요 배출 요인으로, 탄소중립을 위해서는 원료 및 연료 기인 배출량의 저감 노력이 필수적
○ 2050 탄소중립 시나리오 및 『제1차 수소경제 이행 기본계획』(2021)에서는 시멘트 산업의 수소 연료 활용 가능성에 주목함.

6. P2G 활용에 따른 산업별 온실가스 감축기여도
■산업별 수소 기술 도입에 따른 감축 효과 정량화 및 수소 수요 분석
○ 각 산업에서 수소 활용 기술이 기존 화석연료 기반 생산기술을 대체함에 따라 유도할 수 있는 온실가스 감축량을 추정
○ 수소 활용 기술이 3대 산업에서 기존 화석연료 기반 생산기술을 대체함에 따라 유도할 수 있는 온실가스 감축량은 2050년 기준 총 1억 1,000만 tCO2eq.로 분석됨.
○ 2050년 철강·석유화학·시멘트 산업의 총 수소 수요는 총 682만 톤으로 추정
■P2G 수소의 산업부문 감축 잠재량
○ 수소 1톤이 투입되어 가져올 수 있는 온실가스 감축 효과는 산업 및 기술에 따라 큰 편차를 보임.
○ P2G 생산 수소의 산업별 투입량이 각 산업의 수소 수요의 비중에 비례할 것이라는 중립적인 시나리오를 설정하여 감축잠재량 분석
■P2G의 탄소중립 기여도 추정
○ P2G의 탄소중립 기여도는, 탄소중립을 위해 저감해야 할 총 온실가스의 규모 (즉, 감축 필요량) 중 P2G 수소로 감축 가능한 비중을 구하여 추정
○ 분석(1)과 분석(2)는 기준연도 배출량 대비 P2G 감축 잠재량의 비중을 분석
○ 분석(3)은 산업부문의 2050년 WOM(Without Measure) 배출전망치를 기준으로, P2G 수소 활용에 따른 감축 잠재량의 산업부문 탄소중립 기여도 분석
○ 본 연구는 P2G 기술로 생산된 수소가 산업부문에서 활용됨에 따라 국가 전체와 산업부문의 탄소중립 달성을 위해 어느 정도로 기여할 수 있는지를 평가함.
○ 분석 결과, 3대 업종의 수소 활용은 주요 다배출 산업의 탈탄소화를 가능케 함으로써, 2050년 탄소중립에 크게 기여할 수 있을 것으로 평가됨
○ 본 분석에서는 탄소중립이라는 목적 달성을 위해 ‘온실가스 감축’ 측면에서 P2G 수소 활용이 어느 정도로 효과적인가에 주목함.