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.

요약 　 제1장 서론 　1. 연구 배경 및 필요성 　2. 주요 연구 내용 및 방법론 　 제2장 섹터커플링의 개념 및 현황 　1. 섹터커플링의 개념 정립 　　1.1 연구동향 　　1.2 섹터커플링의 개념 　2. 섹터커플링의 기술 및 산업동향 　　2.1. Power to Gas 　　2.2. Power to Heat/Cooling 　　2.3. Vehicle–to-Grid 　3. 해외 섹터커플링 기술 지원정책 　　3.1 독일 　　3.2 덴마크 　 제3장 국내 생산 P2G 잠재량 분석 　1. 전력계통의 출력제한 분석 　　1.1. 재생에너지 발전량 추정 　　1.2. 순부하(Net Load) 분석 　　1.3. 초과발전 분석을 통한 출력제한량 도출 　　1.4. P2G 설비규모 가정 　 제4장 산업부문 온실가스 배출 현황 및 감축목표 　1. 수소 활용 3대 산업 개요 　　1.1. 국내 산업에서의 비중 　　1.2. 에너지 소비 현황 　2. 산업부문 업종별 온실가스 배출 현황 　　2.1. 철강 산업의 온실가스 배출 구조와 배출 현황 　　2.2. 석유화학 산업의 온실가스 배출 현황 　　2.3. 시멘트 산업의 온실가스 배출 현황 　3. 산업부문 온실가스 감축 목표와 수소의 역할 　　3.1. 2030년 NDC의 산업부문 감축목표 　　3.2. 2050년 탄소중립 시나리오의 산업부문 감축목표 　 제5장 산업별 수소 기술 활용 방안 및 도입 로드맵 　1. 산업별 수소 활용 방안 개요 　2. 철강 산업 수소 활용 방안 　　2.1. 철강산업 탄소중립 전략 　　2.2. 수소환원제철 기술 도입 로드맵 　3. 석유화학 산업 수소 활용 방안 　　3.1. 수소활용 감축 방안 1 : 연료 전환 　　3.2. 수소활용 감축 방안 2 : 수소 원료 활용 그린화학제품 생산 　4. 시멘트 산업 수소 활용 방안 　 제6장 P2G 활용에 따른 산업별 온실가스 감축기여도 　1. 산업별 수소 활용에 따른 온실가스 감축량 추정 　　1.1. 철강 　　1.2. 석유화학 　　1.3. 시멘트 　2. 수소 활용 기술 도입에 따른 온실가스 감축량 추정 결과 종합 　　2.1. 온실가스 감축량 및 수소 수요 결과 종합 　　2.2. 수소 활용 방안별 수소의 감축 효율 비교 　3. P2G의 온실가스 감축 기여도 추정 　　3.1. P2G 생산 수소의 산업별 활용 시나리오 　　3.2. P2G 수소 업종별 활용 시나리오에 따른 온실가스 감축량 　　3.3. P2G의 탄소중립 기여도 추정 결과 　 제7장 결론 　 참고문헌 　 부록