‘탄소중립 기술혁신 전략 로드맵’ 발표 

[에너지신문] 과학기술정보통신부는 국가과학기술자문회의 산하 ‘탄소중립기술특별위원회 제8회 회의를 개최하고 탄소중립 핵심기술 분야별 본격적인 연구개발을 추진하기 위한 정책으로 탄소중립 기술혁신 전략 로드맵(안)으로 △탄소중립 선박, 제로에너지건물, 태양광 분야 △이산화탄소포집·활용(CCU) 기술고도화 전략(안) 등 총 2건의 안건을 상정·심의했다. 

그동안 정부는 ‘탄소중립 녹색성장 기술혁신 전략(’22.10)’ 발표 이후 탄소중립 분야 연구개발을 임무 중심형으로 추진하기 위해 ‘한국형 탄소중립 100대 핵심기술 선정안(’23.5)’, 분야별 ‘탄소중립 기술혁신 전략 로드맵(’22.11, ’23.5’, ‘디지털 기반 탄소발자국 모니터링 기술 육성 전략(’23.5)’ 등을 발표한 바 있다. 

◆탄소중립 선박, 제로에너지건물, 태양광 분야
탄소중립 기술혁신 전략 로드맵은 탄소중립 기술이 실제 현장에 적용되는 것을 목표로 하는 임무지향형 기술임을 고려해 구체적인 목표와 시한을 정하고 前단계 개발이 성공하면 후속 개발을 진행하는 임무 중심의 시나리오 방식으로 기획됐다. 

정부는 이번 로드맵을 탄소중립 분야 정부 R&D 투자를 위한 청사진으로 활용할 예정이며 기술 및 정책 변화를 반영해 주기적으로 개정·보완함으로써 필요한 지원이 적시에 이뤄질 수 있도록 할 계획이다.

이번에는 최근 탄소 감축을 위한 국내외 정책 변화에 대응하기 위해 기술개발이 시급한 탄소중립 선박, 제로에너지건물, 태양광의 3개 분야 기술혁신 로드맵을 제시했다 

▷ 탄소중립 선박 분야
탄소중립 선박은 무탄소 연료(암모니아, 수소 등)를 사용하거나 LNG 등 저탄소 연료 사용에 따른 CO₂를 처리해 순 탄소배출이 0인 선박을 말한다. 

국제해사기구(IMO)가 신조선 환경규제(’15~)에 더해 올해부터 현존선 환경규제를 본격 시행해 글로벌 해운시장 탄소중립 추세가 가속화되고 있는 상황에서 신속한 기술 개발이 요구되고 있다. 

이에 정부는 2030년 무탄소 선박을 상용화하고 친환경 선박 기자재 국산화율 90% 이상을 달성하는 것을 목표로 하는 기술 개발 전략을 수립했다. 

특히 조선업 전체의 경쟁력은 높지만 핵심 기자재 기술을 해외에 상당 부분 의존하고 있는 우리 여건을 고려해 탄소중립 선박의 핵심 기자재 기술 내재화와 함께 기술 개발 단계부터 해상 조건에서의 실증과 연계해 선박 탑재를 위한 실적(Track record)을 확보한다는 계획이다.

▷ 탄소중립 내연기관
기존 화석연료를 사용하던 선박용 내연기관을 대체해 LNG나 메탄올 등 저탄소 연료 또는 암모니아, 수소 등 무탄소 연료를 사용하는 내연기관 및 핵심 부품 기술을 내재화하기 위한 연구개발을 지원한다.

무탄소연료 내연기관 대체를위해 1단계로 2025년까지 선박용 암모니아 내연기관 추진 기술 개발, 2단계로 2027년까지 시험· 측정 기술 개발 및 성능 평가, 3단계로 2031년까지 암모니아 추진선 개발·실증을 실시한다. 

▷ 선박용 연료전지 및 배터리 시스템 
수소나 암모니아 등 무탄소 연료를 사용하는 연료전지 또는 배터리를 전기추진 선박의 발전원으로 사용하기 위한 기술로서 연료전지와 배터리를 선박에 적용해 충분한 운항 거리를 확보하고 안전하게 활용하기 위한 대용량화 설계 및 최적화 기술을 개발할 예정이다. 

연료전지의 경우 1단계로 2026년까지 선박용 연료전지 파워팩 기술 확보, 2단계는 2029년까지 연료전지 부품 내구성·성능개선, 3단계로 2035년까지 MW급 대용량 시스템 기술 확보·실증을 한다. 

▷ 선박 전기추진 시스템
무탄소 연료(암모니아, 수소 등)를 사용하는 발전기나 연료전지 또는 배터리로 생산한 전기 에너지를 통해 추진 전동기를 구동하는 기술로서 반도체 차단기, 전력변환장치, 추진 전동기 등 전기추진시스템 성능 확보를 위한 핵심부품 기술 내재화를 추진한다. 

전력변환장치 개발을 위해 1단계로 2027년 소형 선박용 개발, 2단계는 2030년까지 중대형 선박용 MW급 전력변환장치 개발, 3단계로 2030년부터 소·중대형 선박용 상용화에 나선다. 

▷ 연료 후처리 및 에너지 효율 향상 
연료를 운송·저장하는 과정에서 발생하는 증발가스, 엔진에서 연료를 연소시키는 과정에서 발생하는 연료 슬립 및 배기가스를 후처리해 탄소배출을 감축하는 연료 후처리 기술과 함께 선박의 최적 선형 설계 기술, 마찰 저감 기술 등 운항 시 필요한 에너지를 저감하기 위한 에너지 효율 향상 기술을 개발한다. 

효율 향상을 위해 1단계로 2026년까지 핵심기술 개발하며 2단계는 2030년까지 육·해상 실증 및 상용화 가능성 점검, 3단계로 2030년부터 대형화 및 고도화를 통한 연료 30% 저감을 이끌어 낼 계획이다.

▷ 제로에너지건물 분야
제로에너지건물 기술은 건물 에너지 요구량(단열 등)과 소요량(설비 등)을 최소화하고 에너지를 생산(신재생)해 건물의 최종 에너지소요량을 최소화하는 기술로서 건물 부문 탄소 배출량이 2018년 기준 국가 전체 배출량의 24.6%(직·간접 배출 기준 1억7920만톤)을 차지하고 있는 만큼 우리나라의 탄소중립 달성을 위해 중요한 기술이다.

이에 정부는 2030년까지 건물 부문의 온실가스 배출량을 2018년 대비 30% 이상 감축하는 것을 목표로 해 건물 탄소배출 감축을 위해 건물 외피 및 설비, 신재생에너지 융합, 건물 데이터 기반 건물 에너지 관리 등 전방위적인 기술혁신 계획을 수립했다.

특히 국내 건물 중 기축 건물이 95%를 차지하는 여건을 고려해 적정비용으로 건물의 효율적인 에너지 관리가 가능하게 할 수 있는 기술에 집중했다. 

▷ 고성능·다기능 건물 외피
건물 외피에 사용되는 자재 및 부품을 생산, 시공·관리·폐기하는 전주기의 탄소 배출을 줄이기 위한 기술로서 건물 외피에서 손실되는 에너지를 최소화하기 위한 조명·차양·단열 기술과 함께 기존 건물에 활용할 수 있는 리트로핏 기술을 개발한다.

리트로핏 기술이란 노후 건축물 부자재의 부분 또는 전체를 바꿔 에너지 성능과 효율을 향상시키는 것을 말한다. 

초단열 외피를 위해 1단계로 2028년까지 건축 자재 친환경화 및 저탄소 신소재 개발, 2단계로 2032년까지 통합 모듈화 및 패키지 엔지니어링 기술 상용화 기반 구축을 할 계획이다. 

▷ 건물 설비 전기화 및 고효율화
현재의 화석연료 기반 냉방·난방 및 급탕 설비를 히트펌프 기반으로 전기화하고 체계적인 관리를 통해 건물 내 열원 설비를 최적으로 운전하기 위한 제어 기술을 개발한다.

열에너지 네트워크 개발을 위해 1단계로 2027년까지 중앙-분산 히트펌프 및 열교환시스템 개발 및 소규모 공동주택·건물 실증, 2단계로 2028년부터 300세대 이상 중·대규모 단지에 대한 실증에 나설 예정이다. 

▷ 건물 신재생에너지 및 에너지 융합시스템
건물 연계형 신재생에너지를 활용해 건물의 전기·열에너지 자립률을 높이고 나아가 커뮤니티 단위에서 건물 간에 잉여 에너지를 공유할 수 있도록 해 최적 운영이 가능하게 하는 기술을 개발한다.

대표적으로 건물 일체형 신재생에너지는 1단계로 2028년까지 신재생에너지 융복합 에너지
자립형 시스템 개발을 하며 2단계로 2028년부터 30세대 이상 공동주택 단지 대상 실증을 실시한다. 

▷ 건물 에너지 관리·제어 및 데이터 활용
디지털 트윈 기반 건물 자율 운전 기술, 가상 센서 등 ICT 기술을 활용해 개별 건물에서 생산·운영·소비되는 에너지에 관한 데이터를 수집·분석·진단해 에너지를 효율적으로 운영할 수 있도록 하는 기술을 개발한다. 

나아가 이를 도시 전반의 에너지 거래 및 공유를 가능하게 하는 플랫폼으로 확장하기 위한 기술을 개발할 계획이다.

대표적인 예로 자율 운전은 1단계로 2030년까지 디지털 트윈 구축 요소기술 개발, 2단계로 2035년까지 디지털 트윈 기반 자율 운전 기술 개발, 3단계로 2035년부터는 xEMS Level 3 수준 실증을 실시한다. 

▷ 태양광 분야
태양광 발전은 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용해 태양의 빛 에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 기술로서 친환경 에너지 전환을 위해 태양광 보급이 크게 확대됐지만 앞으로는 발전 효율을 높여 경제성을 확보함으로써 차세대 시장을 선점하기 위한 선도적 기술 개발이 필요한 시점이다. 

이에 정부는 석탄, LNG 등 화력발전을 감축하고 태양광 등 재생에너지를 확대하는 기조하에 올해 초 재생에너지 보급 전망을 실현가능한 수준으로 재정립했다.

아울러 비용효율적이고 주민 수용성을 높이며 국내 산업발전과 함께하는 재생에너지 보급이 이뤄질 수 있도록 합리적인 재생에너지 정책 방향을 설정하고 이에 필요한 기술 개발을 추진한다는 계획이다.

▷ 초고효율 태양전지
현재 태양광은 실리콘 태양전지가 대부분을 차지하고 있으며 중국이 가격 경쟁력을 앞세워 세계 시장을 선점하고 있지만 실리콘 태양전지(효율 약 25% 내외)는 효율 개선 한계에 근접했기 때문에 그동안의 추격형 연구에서 벗어나 새로운 돌파구가 필요한 상황이다. 

이에 따라 차세대 소재인 페로브 스카이트를 실리콘 태양전지에 적층해 다양한 파장을 흡수함으로써 효율을 극대화하는 탠덤(tandem) 기술을 활용해 초고효율 태양전지(효율 약 36% 이상)를 개발하는 것을 목표로 한다. 

페로브스카이트(Perovskite)란 에너지 전환효율이 높고 단가가 저렴한 차세대 태양전지 소재를 말한다. 

대표적인 예로 페로브스카이트와 실리콘 탠덤 태양전지는 1단계로 2027년까지 요소기술 개발 및 대면적화, 2단계로 2030년까지 모듈 실증(모듈 효율 28%, 3단계로 2050년까지 기술 고도화 및 양산화(모듈 효율 36% 이상)할 예정이다. 

이와 함께 사용처를 다양화하기 위해 경량화 및 대면적화에 장점을 가진 박막 기반 태양전지의 탠덤화 등 고효율화를 통해 다양한 사용처에 적용 가능하면서도 효율을 높일 수 있는 태양전지의 개발도 병행한다. 

대표적인 예로 박막 기반 탠덤 태양전지는 1단계로 2026년까지 요소기술 개발, 2단계로 2030년까지 고도화·대면적 모듈화(셀 효율 30%, 크기 M6 이상), 3단계로 2050년까지 기술 고도화 및 양산화(모듈 효율 34% 이상)에 나설 예정이다. 

▷ 사용처 다변형 태양광
또한 태양광 설치공간에 제약이 큰 국내 여건을 고려해 건물, 영농, 수상, 수송 등으로 태양광 사용처를 다변화하기 위한 시스템 기술 개발과 함께 시스템 적용에 기초가 되는 경량형, 투광형 등 다기능 태양광 기술을 개발한다. 

건물형 태양광의 경우 1단계로 2025년까지 설비이용률 및 수용성 개선, 2단계인 2030년까지 설비이용률 극대화 및 100kW급 소규모 실증, 3단계로 2050년까지 MW급 대규모 실증 및 상용화(설비이용률 17% 이상)에 나선다. 

▷ 태양광 폐패널 재사용·재활용
태양광 보급 확대에 따라 기대수명이 도래한 태양광 폐모듈을 소각· 매립하지 않고 재사용·재활용하는 기술을 개발해 자원순환 체계 구축을 뒷받침한다. 

태양광 폐모듈 재활용을 위해 1단계로 2026년까지 폐모듈 전파쇄 공정·장비 개발, 2단계로 2030년까지 폐모듈 실리콘 분말화 기술, 3단계로 2050년까지 대용량 처리기술 및 순환이용률 고도화(순환이용률 95% 이상)에 나선다. 

▷ 이산화탄소 포집·활용(CCU) 기술고도화 전략(안)
이번 이산화탄소 포집·활용(CCU) 기술고도화 전략(안)에서는 CCU기술을 크게 4가지로 분류했다. 

주력기술에 대해서는 4대 권역별 CCU플래그십 프로젝트(예타)를 추진하고 산업전략기술을 육성하기 위해서는 민·관 공동투자를 지원하고 미래혁신기술에 대해서는 국책연구 및 출연(연) 간 연구역량을 결집하고 차세대 新산업에 대해서는 제도적 기반을 조성한다.

2030년 국가온실가스감축목표(NDC) 달성을 위해 우선 주력 기술을 대상으로 ‘4대 권역별 CCU 플래그십 프로젝트’를 추진한다. 

먼저 서부권에서는 화학, 생물, 광물화 등 다양한 산업과 CCU 기술을 육성하는 CCU 실증 플랫폼 구축한다. 

다음으로 남부권에서는 지역의 강점인 화학산업과 주로 연계하고 동남권에서는 기존 철강 산업과 연계해 제철 과정에서 배출되는 이산화탄소로 메탄올을 생산하거나 슬래그로 대체 건설
소재를 생산한다. 

마지막으로 중부권에서는 지역 특화산업인 시멘트 산업과 연계해 레미콘 배출 이산화탄소로 건설 2차 제품 생산을 지원할 계획이다.

향후 기대되는 시장가치나 기업 수요에 비해 현재는 미성숙한 기술은 기대수요를 산정해 빠르게 육성하며 민·관 공동투자를 적극 장려한다. 

또한 출연(연), 대학, 협회 등이 참여한 CCU 기술지원단을 운영해 기술정보 DB 제공, 기술 교류, 기술 매칭 등 기업지원을 강화할 계획이다.

미래혁신기술은 미래지향적이고 도전적인 차세대 CCU 기술을 지원하기 위해 신규 국책연구과제를 기획한다. 

신규 과제는 초기에 잠재력이 높은 기술 분야를 폭넓게 지원하되 기술개발 단계마다 상용화 가능성을 평가해 지원을 집중시키는 토너먼트형으로 운영한다. 

더불어 국가 CCU 중점연구실을 지정해 분야별 세계 최고 수준의 선도 기술 확보와 체계적인 
국제협력연구와 인력양성을 추진할 계획이다.

차세대 新산업 제도적 기반을 조성하기 위해 관계부처와 협의해 CCUS 통합법안을 마련하고 CCU 기술 국가표준을 수립하기 위해 기술 인증을 포함해 사업화 연계를 위한 기술 표준화 연구지원 및 관련 기관 간 협력을 촉진할 계획이다.

정부는 이번에 수립한 ‘이산화탄소 포집·활용(CCU) 기술고도화 전략(안)’에 따라 ‘4대 권역별 CCU 플래그십 프로젝트’의 예비타당성조사 대상 여부를 검토하고 후속 절차를 빠짐없이 추진해 탄소중립 달성을 위한 CCU 기술 개발을 지원할 예정이다.

주영창 과학기술혁신본부장은 “그간 국가적 목표 달성을 위한 명확한 목표와 시한을 제시하는 임무지향 탄소중립 R&D 체계를 통해 탄소중립 R&D의 기반을 마련해 왔다면 이제는 탄소중립 분야에서도 세계를 무대로 최고에 도전하는 차세대 혁신 기술을 확보할 수 있도록 정책적으로 지원해 나가겠다”고 말했다.