온실가스 저감 기술의 개발 및 산업화 방향
▲ 김제하 교수 청주대학교
온실가스 감축의 목표 달성은 모든 분야의 기후기술 개발과 관련 산업의 성공적인 육성을 통해서만 가능할 것이다.
최대 온실가스 배출원으로 지목되는 빌딩에 적용하는 차세대 태양광 발전 기술은 벽면, 창호, 지붕재 등의 제품 융합(PIPV)에 의한 다양한 신제품의 등장과 함께 주요 산업화로 발전할 것이고 결과적으로 온실가스의 효과적인 감축으로 귀결될 것이다.
더욱이 전통적인 솔라팜(Solar Farm)에서의 발전 이외에 태양광 자동차, 태양광 융합 IoT, 태양광 에너지 저장 등 여러 파생 제품과 산업으로의 발전이 예상된다.
지구온난화로 인한 온실가스 감축이 글로벌 이슈로 떠오른 가운데 신기후체제가 시작되었다; COP2 01(2015.12).
전 세계 195개국이 동의한 합의문은 기후변화에 대응한 온실가스 감축을 통하여 지구 평균기온 상승을 산업화 이전 대비 2℃ 이내로 유지하고 장기적으로 1.5℃를 달성한다는 것이다.
우리나라에서는 UNFCCC에 제출한 자발적 국가 감축 목표(Intended Nationally Determined Contribution)에서 2030년 온실가스 배출전망치(BAU; 850.6백만 톤 CO2)의 37% 감축(11.3% 해외 감축 포함)을 제시하였다. 우리나라의 대담한 온실가스 감축 목표는 기술적으로나 산업적으로 큰 도전이 아닐 수 없다.
그 이유는 추가향상의 여지가 낮은 이미 높은 수준의 국내 산업공정에너지 효율, 추가 감축량 확보가 어려운 배출권 거래시장, 좁은 국토, 기후의 불규칙성, 낮은 전기 요금 등으로 신재생에너지 보급에 한계가 예상되기 때문이다.
우리나라로서는 이러한 여건에서 획기적인 감축을 달성하기 위하여 새로운 기후기술 개발과 기후 산업의 육성이 필요하다고 인식하고 있다. 다행인 것은 기후 기술의 핵심 요소인 NT, BT, ICT 등에 있어서 우리의 높은 과학기술 역량이다.
미래부에서는 기후기술을 성공적으로 확보하고 기후변화 대응 역량을 향상시키기 위하여 ‘기후변화대응 기술 확보 로드맵(CTR)’안을 작성하였다. 이 안에 의하면 기후기술을 탄소 저감, 탄소 자원화, 기후변화 적응의 3개 분야로 분류하고 10대 기후기술을 선정한 바 있다.
이 프로그램을 통하여 기후기술 전반의 세부기술군별 과제 현황, 과제 간 중복·연계, 정부 정책과의 부합성 등이 종합적으로 분석되고 필요한 R&D지원이 이루어진다.
그리하여 기술의 개발, 실증 및 사업화에 이르는 전 주기에 걸친 지원을 통하여 산업화가 성공적으로 완료될 수 있을 것으로 전망하고 있다. 이로써 2030년 총 44백만 톤의 온실가스 감축이 달성될 것으로 예상하고 있다.
탄소 저감 기후기술은 다시 6대 핵심 분야(태양전지, 연료전지, 바이오연료, 이차전지, 전력 IT, CCS)로 나누고, 각 기술 분야에서 총 12개 기후산업화 육성모델이 도출되었다.
(1) 태양전지 분야의 2개 모델은 도심형 빌딩 태양광 발전과 전기자동차 자가전원용 태양광 발전이다.
전자는 건물(벽면, 창호)에 적용하거나(BIPV, Building Integrated Photovoltaics) 또는 사물인터넷(IoT)용 IT소자에 융합하는(PIPV, Product Integrated Photovoltaics) 태양광 기술개발이다. 후자는 자동차에 적용한 자가전원공급용 태양전지 기술이다.
(2) 연료전지 분야의 2개 모델은 연료전지 기반의 전기와 온열을 제공하는 기존 열병합 방식(Cogen)에서 전기, 온열에 냉방까지 공급할 수 있는 삼중합열병합 연료전지(Tri-gen) 빌딩 발전 모델과 친환경 커뮤니티의 연료(수소), 전기 및 열 수요에 대응할 수 있는 수소 기반 플랫폼 기술이다.
(3) 바이오연료분야의 2개 모델은 국내 고유의 바이오매스에서 생산한 원유로부터 수송용 연료 및 화학 원료를 생산하는 리파이너리 기술과 신재생에너지와 생물공학 기술의 융합을 통해 CO2로부터 에너지 및 화학제품을 생산하는 바이오 유전 기술이다.
(4) 이차전지 분야는 3개 모델이 제시되었다. 첫째는 대용량 충전 시스템으로서 기존 전력망과 전기차 사이에 ESS(Energy Storage System)를 두고 동시에 다수 전기차를 충전하는 에너지 시스템의 개발을 말하며, 둘째는 쾌속 충전 EV용 이차전지 개발이며, 셋째는 친환경 커뮤니티용 에너지 저장시스템으로서 ESS와 신재생에너지를 이용하여 도서 등 독립계통지역에 전력을 공급하는 기술이다.
(5) 전력 IT 분야의 2개 모델은 에너지(전기·열·연료)의 생산과 소비가 쌍방향으로 자유롭게 교류하는 에너지 클라우드 EMS 기술과 개별 신재생에너지기술을 묶어 경제적인 시너지 효과를 창출하는 열원 복합이용 시스템 표준모델 개발이다.
(6) CCS 분야의 1개 모델은 시멘트산업 연계한 탄소 자원화 종합 시범사업이다. 시멘트 사업장에서 발생하는 CO2를 포집·전환·이용·수송하여 경제성을 확보하는 사업화 모델이다.
각 기술 분야별 산업화 모델들은 2016년부터 연차적으로 지원이 추진될 예정이다. 이상의 탄소저감 기후 기술들의 산업화를 통하여 2030년에는 약 10백만톤의 온실가스 감축이 달성될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
2016년 말 2개의 기후기술 산업 육성 모델의 기술개발이 시작되었다; 도심형 빌딩 태양광 발전, 고온삼중합열병합 연료전지 빌딩 발전.
도심형 ‘빌딩 태양광 발전(BIPV)’은 태양전지를 건축물 외장재(창호, 외벽 등)와 결합·융합시킴으로써 전기를 생산하는 친환경 발전 시스템을 말한다. 세부 기술은 도심 분산 전원용 고성능 플렉시블 무기박막 태양전지와 유기물 기반 태양전지 원천기술이다.
전통적으로 태양광 발전은 기간 에너지 산업으로서 자리매김을 해 가고 있다.
2016년 전 세계 태양광 발전 누적 설치량은 229GW에 도달하였으며02 이는 2005년 대비 약 45배 증가한 결과이다.
2050년에는 태양광 발전 보급이 약 4,670GW가 되어, 총 전력에너지의 16%에 이를 것으로 전망하고 있다.
한편 태양광 발전 산업의 패러다임도 진화하고 있다. 에너지 생산과 소비가 일치하는 프로슈머(Prosumer)의 도입, 타기술과 융합하는 건물 융합(BIPV), 제품 융합(PIPV) 등으로 태양광 발전의 활용영역이 확대되고 있다.
그러면 왜 빌딩(또는 건축물)인가? 지금 세계 경제가 도시화로 발전하면서 어느 나라나 빌딩이 기하급수적으로 늘어나는 추세이다.
UNEP-SBCI 연례보고서 2013/2014에 의하면 빌딩 섹터(Building Sector)는 글로벌 에너지의 40%를 소비하고, 온실가스도 전체의 약 1/3을 생산하는 최다 배출원인 것으로 알려져 있다.03
이 사실은 빌딩 섹터가 선진국이나 개발도상국에 관계없이 온실가스 감축에 대한 막대한 잠재력을 갖고 있다는 것을 의미한다.
이 빌딩 섹터에 차세대 태양전지 기술을 활용할 경우 보다 많은 온실가스 감축의 달성이 가능하며, 친환경 신산업 발전도 가속화 할 수 있을 것이다.
빌딩 태양광 발전은 대도시 건물 지붕·외벽 등에 적용 가능한 차세대 태양전지 개발 및 친환경 에너지건물의 보급 확대를 기대하고 있다.
IEA PVPS Task 1504 및 EU PV Technology Platform 등 유럽은 태양전지를 건축물의 파사드(Facade), 커튼월(Curtain wall)에 적용하는 다양한 비즈니스 모델 발굴 및 실증을 추진 중이다. 우리나라도 일찍부터 BIPV 비즈니스 모델의 산업화를 추진해 오고 있다.
c-Si, CIGS, DSSC, OPV 등 다양한 태양전지를 이용하여 공공 및 상용 빌딩의 지붕과 벽면, 창호에 태양전지를 집적함으로써 건축물의 아름다움을 유지하면서 전력을 생산할 수 있는 설계 및 시공기술이 꾸준히 개발하고 있다.
최근 Tesla(미국)05는 태양광 지붕재(기와)를 주택용 또는 충전소와 같은 상업용 건축물 자재로 보급하겠다는 계획을 발표한 바 있다.
또한 Hanergy(중국)는 주 동력원으로서 오로지 플렉시블 고효율 박막태양전지만을 사용하는 ‘Hanergy Solar’ 태양광 전기자동차를 발표하였으며(2016.07)06 그림 1 (b), Toyota(일본)는 프리우스 PHV(Plug-in Hybrid Vehicle)를 출시하고(2016.06) 태양전지 충전 배터리 저장 장치로 주행거리를 더욱 확장할 수 있다고 밝혔다.
이와 같이 차세대 태양전지의 활용은 태양광 기와, 솔라 커튼, 태양광 선루프/창문용 반투과 창호 및 태양광 자동차 등의 BIPV 또는 PIPV 제품으로 확대될 것으로 전망되며, 더욱이 태양전지와 ICT(Information Communication Technologies) 융합 기술은 급속히 성장하고 있는 사물인터넷(IoT)에서도 새롭고 다양한 사업 모델들이 발굴될 것이다.
온실가스 감축의 목표 달성은 전술한 모든 분야의 기후기술 개발과 관련 산업의 성공적인 육성을 통해서만 가능할 것이다.
그 지원은 장기간이며, 지속적이고 체계적으로 이루어져야만 한다.
최대 온실가스 배출원으로 지목되는 빌딩에 적용하는 차세대 태양광 발전 기술은 벽면, 창호, 지붕재 등의 제품 융합(PIPV)에 의한 다양한 신제품의 등장과 함께 주요 산업화로 발전할 것이고 결과적으로 온실가스의 효과적인 감축으로 귀결될 것이다.
더욱이 전통적인 솔라팜(Solar Farm)에서의 발전 이외에 태양광 자동차, 태양광 융합 IoT, 태양광 에너지 저장 등 여러 파생 제품과 산업으로의 발전이 예상된다.
신기후체제 이후 온실가스 감축에 성공한 우리나라 기후기술 산업화 모델은 기술역량이 부족한 개도국에 지원을 하게 될 것이며 수혜 개도국으로부터 탄소배출권 확보라는 결과도 만들어 낼 수 있을 것이다.
01 https://en.wikipedia.org/wiki/2015_United_Nations_Climate_Change_Conference
02 REN21 Renewables 2016 Global Status Report
03 http://www.unep.org/sbci/AboutSBCI/Background.asp
04 https://www.photovoltaic-conference.com/images/2016/2_Programme/parallel_events/AccelerationBIPV/Michiel_RITZEN.pdf
05 http://news.energysage.com/tesla-solar-panel-roof-the-next-solarshingles/
06 http://www.forbes.com/sites/tychodefeijter/2016/07/04/hanergy-launchessolar-powered-cars- in-china/#3509f3d7126f