[과학] 2030 국가온실가스 감축 기여 10대 미래 미래유망기술

KISTEP 이동기 기술예측센터 부연구위원 이슈페이퍼 발간
이산화탄소 포집·전환 기술 등 10대 미래유망기술 선정
"조속한 실현과 발전 위해 법·제도 개선, 인력양성 필요"

기후위기가 인류를 위협하는 오늘날, 탄소중립 시대를 위해 인류에게 필요한 과학기술은 무엇일까?

한국과학기술기획평가원(이하 KISTEP) 이동기 기술예측센터 부연구위원은 KISTEP 이슈페이퍼 '2030 국가온실가스감축목표에 기여할 10대 미래유망기술' 편을 통해 이산화탄소 포집·전환기술 등 10가지 미래유망기술을 선정했다.

2030 국가온실가스감축목표에 기여할 10대 미래유망기술은 ▲이산화탄소 포집·전환 기술 ▲바이오 기반 원료·제품 생산 기술 ▲탄소저감형 고로-전로 공정기술 ▲고용량·장수명 이차전지 기술 ▲청정수소 생산 기술 ▲암모니아 발전기술 ▲전력망 계통연계 시스템 ▲고효율 태양전지 기술 ▲초대형 해상풍력시스템 ▲유용자원(희토류) 회수 기술이다.

2021년 8월 국가과학기술자문회의가 발표한 '탄소중립 중점기술안'을 바탕으로 전문가 의견과 평가를 반영해 선정한 이 10대 유망기술은 앞으로 5~10년 후 한국 사회에 변혁을 가져올 수 있는 이슈를 대상으로 2030년 목표 달성에 기여할 수 있는 기술에 무게를 뒀다.

이동기 부연구위원은 "각 미래유망기술은 타 기술과 상호보완적 관계를 나타내고 있어 2030 국가온실가스감축목표에 기여하기 위한 긍정적 시너지 효과가 기대된다"며 "미래 유망기술의 조속한 실현과 발전을 위해서는 법·제도 개선, 인력양성, 인프라 확보 등이 필요하다"고 밝혔다.



◇10대 미래유망기술

▲이산화탄소 포집·전환기술=에너지·산업공정 등에서 배출되는 이산화탄소(이하 CO10)를 포집하고 포집된 CO10를 유용한 물질로 전환해 활용하는 기술

화석연료 기반 에너지에서 저탄소 재생에너지로의 안전한 전환까지 상당한 수준의 시간과 재원이 소요되는 가운데 탄소중립을 위해선 발생한 CO10를 포집, 저장·활용해 탄소배출을 억제하는 기술 개발이 필요하다.

국내 기술은 개발과 동시에 1~10㎿ 실증 연구를 수행 중이며 전환기술은 대부분 학계 중심의 기초·원천 연구단계다. 친환경 인프라 투자와 일자리 창출이 동반된 이산화탄소 포집·전환기술 도입과 완성도 향상을 통해 기존 산업에 미치는 영향을 최소화하는 감축 효과를 기대할 수 있다.



▲바이오 기반 원료·제품 생산 기술=화석원료(나프타)를 대체하는 지속가능 식물 또는 목질계 바이오매스로부터 유래된 바이오리파이너리 플랫폼 기반의 기초 화학연료 생산, 실증 소재기술과 이를 활용한 석유계 플라스틱 대체를 위한 바이오화학, 바이오플라스틱 합성·중합·제조의 제품 생산 기술

탄소배출 저감을 위해 석유화학 분야 기초원료인 나프타, 올레핀 등을 저탄소·친환경 바이오 원료로 전환이 필요한 가운데 업스트림(열분해)과 다운스트림(기초유분 생산)을 연계한 노력이 필요하다.

국내에선 대기업을 중심으로 기술력을 확보 중이며 다국적 화학기업들은 바이오화학으로 사업 전환을 적극 추진하고 있는 것으로 파악된다.



▲탄소저감형 고로-전로 공정기술=고로에서 환원에 필요한 탄소 사용량을 저감하는 기술과 전로에서 스크랩 사용 확대를 통한 원료(쇳물) 사용을 줄임으로써 이산화탄소 배출을 줄이는 기술

철강재를 생산하는 방식 중 쇳물 1ｔ을 생산할 때 철광석과 연료탄을 이용하는 고로-전로 방식은 이산화탄소를 상당량 배출한다. 국내 고로-전로 공정 효율은 세계 최고 수준으로 공정 탄소 사용량이 철 생산을 위한 이론적 최소 사용량이 거의 근접했다. 기존 고로-전로 공정에서 탄소계 원·연료를 대체하고 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS) 기술 연계를 위해 순산소 고로 기술 개발을 통한 탄소 배출량 감축 기술 개발이 필수적이다.

▲고용량·장수명 이차전지 기술=외부의 전기에너지를 화학에너지 형태로 바꿔 저장했다가 필요할 때 다시 전기에너지로 변환해 사용할 수 있으며 이러한 변환을 반복적으로 수행할 수 있는 장치

전기자동차 보급 확대와 신재생에너지 저장 등 이차전지 응용 분야 확대로 용도별 수요가 늘어나고 있지만 리튬이온 이차전지는 이론적 성능 한계에 다다르고 있어 차세대 이차전지 개발 필요성이 제기되는 상태다.

국내에선 LG에너지솔루션 등 대기업을 중심으로 고성장세를 이어가고 있으며 2030년 신재생에너지와 ESS, 친환경 자동차 보급 확대가 이뤄지면 이차전지가 핵심적 역할을 수행할 것으로 기대를 모은다.



▲청정수소 생산 기술=수소 제조과정에서 이산화탄소를 배출하지 않거나 현저히 적게 배출하는 방법으로 수소를 생산하는 기술

철강·석유화학·시멘트·알루미늄 등 에너지를 대량 소비하는 산업에 새로운 탄소저감 수단으로 주목받는 수소는 에너지 생산·이송·소비의 전주기에 활용 가능해 신산업 창출과 기존산업의 재도약 기회를 제공할 것으로 보인다.

2030년 전망은 탄소중립과 에너지 전환에 따른 과도기로 인프라 신규 투자와 전환 비용이 확대될 것으로 보이며 이에 대한 사회 수용성 문제가 제기될 가능성이 존재한다.



▲암모니아 발전기술=화력발전 가스터빈·보일러의 기존 연료인 LNG·석탄을 무탄소배출이 가능한 암모니아 연료로 전환하면서 기존 가스터빈·보일러와 동등 수준의 성능을 내며 이산화탄소·미세먼지 배출을 저감하는 기술

수소가 포함된 암모니아는 상온에서 저가로 저장·운송이 가능해 재생에너지로의 전환 과정 중 석탄 화력발전소의 설비 투자·변경을 최소화하면서 이산화탄소 배출 저감 효과를 극대화할 수 있어 중단기적 국산화 기술개발이 시급한 상태다.

국내 동향은 기초연구 수행 단계로 암모니아 혼소율 20% 이상 혼소 기술 개발을 목표로 추진 중이다.



▲전력망 계통연계 시스템=신재생에너지를 비롯한 에너지저장시스템과 전기차 충전인프라 등 전력계통 안정화와 전력품질 확보에 필수적인 계통연계 시스템 기술

재생에너지의 발전원의 지역적 편차에 따른 전력수급의 불균형 문제를 해소하고 전원 구성의 변화에 따른 전력시스템 특성 변화, 인프라·운영체계 전환을 위해 필수적인 이 기술은 현재 국내에선 계통안정화 설비 도입을 통한 안정성 확보에 주력하는 단계다.

2030년 기술 전망은 대용량 장거리 송전 중심의 전력공급 체계를 지역에서 생산된 전력을 동일지역에서 소비하고 최대한의 전력을 인근지역과 융통하는 형태의 전력 공급 체계로 전환될 것으로 예측된다.

▲고효율 태양전지 기술=한계효율 극복을 위한 초고효율 태양전지 기술

고효율 태양전지 기술은 페로브스카이트 애양전지와 초고효율 탠덤 태양전지, 고효율 결정질 실리콘 기술 등으로 구성된다. 매년 전 세계 설치량이 지속적으로 증가하고 있다.

국내 차세대 태양전지인 페로브스카이트는 세계 최고효율 기록을 경신 중이다.

▲초대형 해상풍력 시스템=해상풍력 시스템을 초대형화해 설치·운영하는 기술

신재생에너지 보급의 주된 에너지원 중 하나인 해상풍력은 해외 수입이 아니라 국내 생산이 가능한 에너지원으로 급속히 성장 중인 기술 집약형 국가 기반 사업이다.

2030년 전망은 유지보수가 어려운 초대형 해상풍력 특성상 가성비 제품보다 신뢰성 높은 제품의 균등화발전비용(LCOE)이 더 향상될 것으로 보인다. 국내에선 수명 30년, 15㎿급 초대형 풍력발전기 개발을 목표로 한다.



▲유용자원(희토류) 회수 기술=폐자원으로부터 희소금속 중 국가 전략성과 산업적 중요도가 가장 높은 물질인 희토류를 회수·자원화하는 기술

전 세계적 친환경 정책에 따라 신재생 에너지 수요의 증가로 풍력발전, 전기차 등에 활용되는 영구자석에 필요한 네오디뮴 등 희토류 수요가 커지고 있다. 국내에선 희토류 자체 생산량과 생산 기술, 소재화 기술이 전무한 실정이다. 임효인 기자