1. 연구의 배경 및 목적

■ 연구의 배경

○ 2020년 우리나라는 2050년까지 국내 온실가스 순배출량을 “0(영)”으로 만드는 탄소중립 목표를 선언하며 국제적인 온실가스 감축 흐름에 동참하고자 함.

- 우리나라는 2009년 「저탄소·녹색성장 기본법」 수립, 2024년 ⸢기후위기 대응을 위한 탄소중립ㆍ녹색성장 기본법」 제정 등을 통해 감축 이행을 위한 기반을 마련함.

- 다만, 그간 국가적인 목표 제시와 이행계획이 지속적으로 수립되었음에도 불구하고, 실질적인 배출 감소라는 결과를 이끌어내지 못하였다는 한계를 지님.

○ 본 연구는 이에 대응해 온실가스 배출의 대부분이 에너지 사용에서 발생한다는 사실에 근거하여, 국가전략 및 기본계획에 부합하는 에너지 부문의 목표와 경로를 살펴보고자 함.

■ 연구의 목적

○ 본 연구는 온실가스 감축 수단이 최종소비 부문별 에너지 수요와 국가 에너지 수요에 미치는 영향을 계량화하고 이를 바탕으로 에너지 부문의 탄소중립 이행 경로와 정책적 시사점을 도출하는 것을 목적으로 함.

- 최종소비 부문에 따른 에너지 수요를 파악하기 위해, 총 3년에 걸친 부문별 연구를 통해 산업 부문(1년차), 건물·수송 부문(2년차), 발전 부문(3년차)의 탄소중립 이행 경로를 살펴봄.

- 감축 목표 이행을 위한 정책 시나리오를 설정하여 각 부문에서의 에너지 수요, 에너지원별 구성, 그리고 온실가스 배출량을 전망하고, 이를 바탕으로 감축 목표 달성을 위한 정책적 시사점을 도출하고자 함.

2. 산업 부문의 현황과 감축 기술

■ 산업 부문 에너지 및 온실가스 배출 현황

○ 본 연구의 산업 부문은 농림어업, 광업, 제조업, 건설업을 포함하며, 2022년 산업 부문은 139.5 백만toe의 에너지를 소비하고, 온실가스 199.6 백만톤CO2e을 직접 배출하였으며, 총산출액은 2,170.3조 원을 기록하였음.

- 이에 따라 산출액 기준 에너지원단위는 2022년 0.064 toe/백만원을 기록하며, 이는 2000년 0.087 toe/백만원에서 연평균 1.36% 개선된 것임.

- 그러나 최근 산업 부문의 에너지 소비와 총산출 증가는 둔화되고 에너지원단위 개선속도 역시 감소하였는데, 이는 에너지 소비와 총산출 사이의 탈동조화가 약해졌기 때문으로 분석됨.

○ 산업 부문의 에너지 소비 구조에서 석유류의 비중이 점진적으로 하락하고 전기, 도시가스 등의 비중은 확대되어, 2022년(원료용 포함) 석유류 48.1%, 석탄 21.8%, 가스 8.9%, 전기 17.8%, 신재생·기타 3.2%를 기록함.

- 3대 에너지 다소비 업종(철강, 화학, 비금속)은 2022년 산업 부문 에너지 소비의 약 70%, 에너지 관련 온실가스 직접 배출의 약 74%를 차지하였는데, 최근 들어 에너지와 온실가스원단위 개선 속도의 둔화가 관측됨.

- 우리나라 산업 전반에서 전기화 등을 통해 에너지 소비가 온실가스 배출이 낮은 에너지 상품으로 대체되면서 온실가스원단위가 크게 개선되었지만, 추가적인 개선 여력이 어려워지면서 산업 부문의 배출 감소를 위해 신규 감축기술의 개발과 도입이 필수적인 상황으로 진단됨.

■ 업종별 공정 특성과 감축 기술

○ 철강산업은 자동차, 건설, 조선, 기계 등 주요 산업의 소재로 사용되어 사회의 뼈대를 이루는 철(iron)과 강(steel)을 생산하는 산업으로, 2022년 한국은 총 67.9백만톤의 조강 생산을 기록해 세계 6위의 철강 생산국 위치를 차지함.

- 철강산업은 공정 특성으로 인해 에너지 집약적이고 온실가스 다배출 산업으로 분류되는데, 기초 철강 제품인 조강을 생산하는 단계에서 철강석이나 철스크랩을 녹이고 산소를 분리하는 과정에서 막대한 열 소비와 이산화탄소 배출이 이루어지기 때문임.

- 철강은 크게 두 가지 공정 방식으로 생산되는데 고로-전로 공정에서는 철광석과 유연탄을 용광로에 투입하는 방식을 활용하며 전기로 공정은 철스크랩을 전기로에서 녹이는 방식임.

- 고로 공정에서는 석탄 소비로 인한 사용 비중이 전체 에너지 상품의 81%이며 전기로는 81%의 구매 전력 기반의 에너지 소비가 발생하며, 온실가스 직접 배출은 공정에 따라 전체 배출량의 약 80~90% 수준으로 파악됨.

- 철강산업의 주요 핵심 온실가스 감축 기술은 수소환원제철로 고로 공정에서 환원제로 사용되는 코크스를 수소로 대체하여 탄소 대신 물을 발생시켜 배출 저감이 가능하며, 2030년까지 300만톤 규모의 상용 기술을 확보하고 2040~2050년 사이에 기존 고로를 수소환원제철로 교체하는 것을 계획 중임.

○ 석유화학산업은 원유에서 유래한 납사를 분류해 기초유분을 생산(상류)하고 이를 활용해 다양한 화학제품을 생산(하류)하는 산업으로, 2023년 기준 우리나라 에틸렌 생산량은 1,280만톤으로 세계 4위의 위치를 가짐.

- 석유화학 상류의 핵심 공정은 올레핀을 생산하는 NCC 공정과 방향족 탄화수소를 생산하는 BT`X 공정으로 구성되며, 화석연료인 석탄, 석유, 가스 등에서 탄화수소 결합물을 얻고 이를 기초물질로 쪼개기 위해 가열하는 과정에서 다량의 에너지 소비와 온실가스 배출이 발생함.

- 석유화학산업의 온실가스 배출 감축은 산업 특성 상 무엇보다 원료대체가 최우선적으로 고려되는데, 산업의 주원료인 탄화수소 납사를 바이오 기원 원료로 대체하고 장기적으로 부생가스를 활용하는 방안을 계획 중임.

○ 시멘트산업은 건설업에 필수적으로 사용되어야 하는 시멘트를 생산하는 산업으로, 2022년 국내 클링커 생산은 42.9백만톤으로 전 세계 13위에 해당하는 규모임.

- 시멘트산업은 공정 자체 특성으로 인해 온실가스 감축 여력이 매우 제한적이며, 에너지 연소에 의한 배출 외에도 공정 과정에서 발생하는 배출량이 상당하다는 특징을 지님.

- 시멘트의 대부분을 차지하는 포틀랜드시멘트는 이중소성방식으로 생산되는데, 킬른을 가열하는 과정에서 다량의 연료가 사용되며 온실가스가 배출됨.

- 시멘트산업은 석회석을 산화칼슘과 이산화탄소로 분해하는 공정과정에서 연료연소로 인한 배출이 아닌 공정 배출이 상당 발생하여, 이러한 공정 배출을 감축하기 위해 원료 전환 및 신규 기술 개발이 필수적임.

- 시멘트산업의 주원료인 석회석을 철강 부산물인 고로 슬래그, 플라이 애시등 비탄산염으로 대체하는 방안, 혼합재 비중 상향 등 원료 대체 기술의 개발 및 도입이 계획됨.

3. 탄소중립 달성 시나리오와 주요 분석 결과

■ 산업 부문 탄소중립 이행 시나리오

○ 감축기술 도입에 따른 감축 결과 정량화를 위해 기준 시나리오(REF)를 설정할 필요가 있으며, REF는 에너지경제연구원(2023a)의 「2023 장기 에너지 전망」의 REF를 준용함.

○ 넷제로 시나리오(NZE)는 효율 개선, 에너지 대체, 기술 개발 등 다양한 정책 수단을 통해 2030년 NDC 및 2050 탄소중립 달성을 전제로 하는 시나리오임.

- 2022년 이후 인구, 경제, 산업 구조 외에 기온과 에너지 가격 전제가 차등적으로 적용되며, REF 대비 감축 기술과 정책 적용 범위가 차별화됨.

- 철강산업은 REF에 반영되지 않는 전기로강의 비중 확대, 전로강·전기로강 생산의 효율 향상, 수소환원제철 도입을 고려함.

- 석유화학산업은 바이오 납사 확대에 기반한 원료 전환, 자원순환을 통한 폐플라스틱 원료 활용, 연료 전환(전기가열로 도입, 중유의 수소 대체) 방안 등을 반영함.

- 시멘트 업종의 감축 수단은 석회석 대체 원료 및 혼합재 사용을 통한 원료 전환과 유연탄을 수소, 폐합성수지 등으로 전환하는 연료 전환을 모두 반영함.

- 기타 산업에서는 에너지 효율 향상과 에너지원 대체를 주로 고려하여, 공정별 에너지 효율을 전망하여 에너지 수요를 도출함.

■ 에너지 및 온실가스 배출 전망

○ NZE에서 산업 부문 에너지 수요는 2026년 146.5 백만toe로 정점을 기록한 이후 하락하여 2050년 138 백만toe, 온실가스 배출은 2025년에 정점에 도달하고 이후 2050년 42 백만톤CO2e까지 감소함.

- REF에서 2022년 0.214 toe/백만원에서 완만하게 감소하여 2050년 0.204toe/백만원 수준까지 하락하는 반면, NZE는 에너지원단위는 2022년 0.214toe/백만원에서 2050년 0.184 toe/백만원까지 감소함.

- 이러한 결과는 배출 목표 달성을 위해 혁신적인 신기술의 개발과 기술의 효율 개선을 가정하지만, 생산의 증가와 더불어 열역학의 물리적 한계로 인해 배출 감소가 에너지 수요의 감소를 이끌지는 못한다는 점을 의미함.

- 감축 수단이 대부분 2030년 이후 확보되므로 일반 공정의 효율 향상과 전기화를 제외하면 2030년 이전에 적용할 수 있는 감축 수단이 매우 제한적임.

○ NZE에서 일반 공정의 탈석탄화가 가속화되고 동시에 철강산업의 전기로강 비중 확대, 전로강 효율 향상, 수소환원제철 도입 등으로 인해 2050년 시점에는 극히 일부 설비에서 사용하는 석탄의 수요만 발생함.

- NZE에서는 본격적인 탈탄소화에 따라 연료용 석유 수요와 석탄 수요가 일부 잔존 설비의 수요를 제외하고 대부분 타 연료로 대체되며, 난감축 업종을 중심으로 한 수소 수요 확대와 전체 산업의 전기화가 두드러지게 나타남.

○ 2050년 NZE에서 산업 부문 에너지 소비의 업종별 비중은 철강산업이 17.2%로 감소, 화학업이 51.6%로 증가, 비금속산업 2.4%로 감소, 이외 산업은 28.8% 전망됨.

- 철강산업은 REF에 비해 높은 에너지 수요 비중을 보이는데 이는 타 업종에서 발생하는 에너지 효율 향상이 더 크기 때문이며, 온실가스 배출 측면에서는 수소환원제철 전환에 힘입어 REF 대비 NZE에서 배출 비중이 크게 하락함.

- 석유화학산업은 효율 향상으로 인해 2050년 에너지 수요가 REF에서 81.6백만toe인데 반해 NZE에서는 71.2 백만toe를 기록할 것으로 예상되며, 원료용 에너지 수요로 인해 여전히 높은 석유 수요 비중을 보일 전망임.

- 비금속산업 역시 NZE에서 에너지 효율 증진에 힘입어 3.3 백만toe로 REF 대비 낮은 에너지 수요를 보일 전망이며, 석탄과 석유 수요가 2030년 이후 본격 감소세를 보이며 2050년 수요가 거의 사라져 직접 배출도 0에 근접할 전망임.

- 기타 산업은 2050년 에너지 수요는 REF에 비해 약 10% 이상 낮은 69.7백만toe 수준이 될 것으로 분석되지만, 2030년 이후 에너지 효율 개선의 정체와 기타 산업 성장세가 결합되며 뚜렷한 에너지 수요 증감세가 나타나지는 않음.

4. 정책 시사점

■ 정책 시사점

○ REF와 NZE 시나리오 하에서의 결과를 비교·분석한 결과 2030년의 산업 부문 감축목표를 달성하기 위해서는 에너지 효율의 빠른 향상이 핵심임.

- 산업 부문의 에너지원단위는 최근 정체되어 추가적인 개선이 어려운 상황에서, 2030년까지 시간적인 제약으로 에너지 효율 향상과 전기화 외에 별도의 감축 수단 도입은 어려운 상황임.

○ 2030년 이후부터는 온실가스 감축기술이 확보·보급되면서 감축이 가속화될 것으로 전망되지만, 이는 예정된 감축기술의 적기 확보 및 보급이 필수적임을 의미하기도 함.

- 더불어, 산업 부문의 에너지 소비나 온실가스 배출이 가열 과정에서 다량 발생한다는 점에 근거할 때, 직·간접 가열 공정에서 전기화를 통한 감축이 필수적이며 이를 위해 중·장기적인 기술개발 혁신이 요구됨.

- 2030년 이후부터 효율 향상에 기반한 에너지 수요 감소보다는 전기·수소화가 온실가스 감축을 주도하게 되는데, 이러한 기술이 보급되지 않는다면 NZE 수준의 감축이 불가능하다는 것을 의미하기도 함.

- 즉, 2030년 이후에는 탄소중립 혁신 기술의 상용화를 위해, 기술개발에 대한 장기 투자의 위험을 분담하는 정부의 선도적인 R&D 투자가 중요함.

요약 vii

제1장 서론 1

1. 연구 배경 1

2. 연구 목적 및 내용 3

제2장 산업 부문 에너지 및 온실가스 배출 현황 7

1. 산업 부문 전체 현황 7

1.1. 개요 7

1.2. 산업 부문 에너지 소비 현황 8

2. 업종별 현황 12

2.1. 철강 12

2.2. 석유화학 14

2.3. 비금속 17

2.4. 기타 산업 19

3. 소결 23

제3장 업종별 공정 특성과 감축 기술 25

1. 철강 25

1.1. 개요 25

1.2. 철강 생산 공정 개요 26

1.3. 공정 단계별 에너지 소비 및 온실가스 배출 29

1.4. 감축기술 34

2. 석유화학 38

2.1. 개요 38

2.2. 주요 공정 41

2.3. 공정 단계별 에너지 소비 및 온실가스 배출 특성 46

2.4. 감축기술 50

3. 시멘트 53

3.1. 개요 53

3.2. 대표 공정 54

3.3. 공정별 에너지 소비 및 온실가스 배출 특성 57

3.4. 감축기술 59

4. 소결 63

제4장 산업 부문 탄소중립 이행 시나리오 65

1. 시나리오 65

1.1. 기준 시나리오(REF) 65

1.2. 목표 시나리오(NZE) 67

2. 입력 전제 75

3. 소결 78

제5장 에너지 및 온실가스 배출 전망 79

1. 에너지 및 온실가스 배출 79

2. 에너지 상품별 소비 및 비중 83

2.1. 에너지 상품별 소비 83

2.2. 에너지 상품별 비중 85

3. 업종별 에너지 및 온실가스 배출 87

3.1. 철강 88

3.2. 석유화학 90

3.3. 비금속 91

3.4. 기타 92

4. 소결 94

제6장 결론 및 정책 시사점 95

참고문헌 99