▶ 추진 배경 및 특징
‘한국형 탄소중립 100대 핵심기술’은 범부처 차원의 탄소중립 기술개발 방향성을 제시하기 위한 것으로, ▲좁은 국토면적, 저풍량 환경, 국내 자원 부족 등 지리적 여건과, ▲고탄소 제조업 중심의 국내 산업 구조, ▲국내외 기술 수준 등을 종합적으로 고려하여 우리나라의 탄소중립 실현을 위해 반드시 필요한 기술을 선별한 것이다.
기술 수준별로 ▲초격차, ▲신격차, ▲감격차 기술, 기간별로 ▲단기형(‘30년까지 상용화 목표), ▲중장기형(’30년 이후 상용화 목표) 기술로 구분하는 등 다각적인 분산 투자 전략(포트폴리오)을 마련하여 범부처 차원의 전략적 기술개발 투자 방향을 설계하였다는데 의미가 있다.
■ 초격차 기술(9개) : 세계 최고 수준 기술력을 보유하여, 선두를 유지하고 격차를 확대해 나갈 기술
| 단기형 (~‘30년 상용화) (9개) | 중장기형 (‘30년 이후 상용화) (3개) |
| • (수소) 기체수소 저장·운송 • (전력저장) 단주기 에너지 저장 시스템 • (원자력) 소형모듈원자로(SMR) • (친환경차) 이차전지 셀 고도화 • (친환경차) 이차전지 시스템 고도화 • (친환경차) 연료전지 시스템 고도화 |
• (철강) 수소환원제철 • (석유화학) 연료유·부산물 기초화학 원료 전환 • (산업일반) 친환경 냉매 |
■ 신격차 기술(39개) : 세계적으로 기술 개발 초기 단계로, 신시장 창출 · 선점이 가능한 기술
| 단기형 (~‘30년 상용화) (17개) | 중장기형 (‘30년 이후 상용화) (22개) |
| • (태양광) 초고효율 태양전지 • (태양광) 사용처 다변형 태양광시스템 • (태양광) 폐태양광 재활용 재사용 • (수소) 해외 암모니아·수소 대용량 저장·운송 • (무탄소전력) 고효율 연료전지 열병합 • (전력저장) 사용후 배터리 ESS 시스템 • (전력망) 분산자원 및 유연자원 통합운영 • (철강) 고로 연·원료 대체 • (철강) 전로 연·원료 대체 • (철강) 철강산업 하공정 무탄소 연료 전소 • (석유화학) 바이오 PEF • (석유화학) 바이오폴리올 • (석유화학) 폐플라스틱 자동 선별 • (친환경차) 전기구동시스템 성능 향상 • (친환경차) 전력변환장치 고도화 • (친환경차) 유선충전 고속화 • (환경) 바이오 생분해성 플라스틱 |
• (풍력) 수직축 부유식 풍력발전 • (수소) 차세대 수전해 • (수소) 액체수소 운송선 • (전력저장) 장주기 에너지 저장 시스템 • (석유화학) 부생가스 고부가 전환 • (석유화학) 바이오나프타·올레핀 • (석유화학) 폐플라스틱 용매 추출 • (석유화학) 폐플라스틱 해중합 • (석유화학) 폐플라스틱 열분해 • (석유화학) 폐플라스틱 가스화 • (석유화학) 저에너지 반응 공정 • (석유화학) 저에너지 분리·소재 공정 • (CCUS) 습식 포집 • (CCUS) 건식 포집 • (CCUS) 차세대 포집 • (산업일반) 공정가스 대체 • (산업일반) 공정가스 처리 • (선박) 연료 후처리 및 에너지 효율향상 • (건축) 건물에너지 관리·제어·데이터 활용 • (환경) 리뉴어블 플라스틱 • (환경) 금속자원 회수 • (환경) 국토공간 유형별 탄소 흡수 증진·관리 |
■ 감격차 기술(52개) : 선도국과 다소 기술 수준 격차가 있어, 격차를 해소해나가야 할 기술
| 단기형 (~‘30년 상용화) (14개) | 중장기형 (‘30년 이후 상용화) (38개) |
| • (풍력) 해상풍력 부유체 시스템 • (풍력) 해상풍력 설치·시공 • (수소) 알칼라인 수전해 • (수소) PEM 수전해 • (무탄소 전력) 수소혼소 가스터빈 • (시멘트) 혼합재 함량 증대 • (CCUS) 분리막 포집 • (CCUS) 화학적 전환 • (CCUS) 광물 탄산화 • (친환경차) 수소차용 수소저장시스템 • (친환경차) 수소충전소 • (선박) 탄소중립 내연기관 • (선박) 선박용 연료전지·배터리 시스템 • (건축) 고성능·다기능 외피 |
• (풍력) 초대형 풍력 터빈 • (풍력) 해상풍력발전 운영·관리 • (수소) 액체수소 저장·운송 • (수소) 수소 전용 배관망 • (수소) 차세대 해외수소 저장·운송 • (수소) 액체수소 인수기지 • (무탄소전력) 수소전소 가스터빈 • (무탄소전력) 석탄 보일러 암모니아 혼소 • (무탄소전력) 초고효율 연료전지 복합발전 • (전력망) 지능형 송배전 시스템 • (전력망) 실시간 전력거래 플랫폼 • (에너지통합) 산업용 고온·초저온 히트펌프 • (에너지통합) 복합에너지시스템 • (에너지통합) 열에너지 저장시스템 • (원자력) 선진 원자력 시스템 • (원자력) 원자력 폐기물 관리 • (철강) 탄소 저감형 전기로 • (철강) 철강 부산물 재자원화 • (석유화학) 전기 가열로 NCC 시스템 • (석유화학) 무탄소 연료 NCC 공정 • (석유화학) 스마트 플랜트 전환 • (시멘트) 비탄산염 원료 대체 • (시멘트) 신규 혼합재 제조 • (시멘트) 순환자원 연료 대체 • (시멘트) 저탄소 신열원 활용 • (CCUS) 저장소 탐사·평가·선정 • (CCUS) 저장 시설·설비 설계·구축 • (CCUS) 저장소 CO2 주입·운영 • (CCUS) CO2 저장 모니터링 • (CCUS) 생물학적 전환 • (산업일반) 산업공정용 수소·암모니아 활용 • (산업일반) 전동기·전력변환기 효율화 • (산업일반) 그린데이터센터 • (산업일반) 탄소배출 저감 효과 모니터링 • (친환경차) 무선충전 대용량화 • (선박) 선박 전기추진 시스템 • (건축) 건물·설비 전기화·고효율화 • (건축) 건물 신재생 에너지 및 에너지융합시스템 |
▶ 핵심기술 선정안 주요 내용
에너지 전환, 산업, 수송·교통, 건물·환경 부문과 관련된 17개 중점 분야를대상으로 ‘100대 핵심기술’을 선정하였으며, 주요 내용은 다음과 같다.
■ 에너지 전환 부문
지리적 여건(좁은 국토면적 등), 주민 수용성등을 고려하여 고효율화, 대형화 관련 8개 분야 35개 기술을 선정하였다. 태양광·전력저장 등 기존 국내 경쟁력이 높은 분야들은 초격차·신격차 기술 중심으로 전략적으로 배치하였다. 이외에도, 에너지 안보 등을 고려하여 반드시 기술 내재화가 필요한 감격차 기술도 선정.
- (태양광) 초고효율 태양전지 등 초고효율화 관련 3개 기술
- (풍력) 초대형 풍력터빈 등 초대형화 · 해상풍력 관련 5개 기술
- (수소공급) 수전해 기술, 해외수소 저장·운송 등 수소 공급 전주기 관련 10개 기술
- (무탄소 전력공급) 수소 전소 가스터빈 등 분산·유연 발전원 관련 5개 기술
- (전력저장) 단주기·장주기 저장시스템, 사용후 배터리 에너지저장장치(ESS) 시스템 등 3개 기술
- (전력망) 지능형 송배전 시스템 등 지능형 전력망 관련 3개 기술
- (에너지통합시스템) 산업 및 건물에서 활용 가능한 히트펌프 등 3개 기술
- (원자력) 선진 원자력 시스템 등 고효율 시스템, 폐기물 관리 등 3개 기술
■ 산업 부문
주로 공정과 관련된 분야로서 주력산업의 경쟁력을 유지 하면서 탈탄소화하는 데 주안점을 두었으며, 이를 위해 원료 전환·연료 전환 등 전반적인 공정 혁신 기술을 중심으로 5개 분야 44개 기술을 선정 하였다. 철강, 석유화학 등 대부분의 기존 공정에서 대대적 혁신이 요구 되는 만큼, 수준별로는 신격차 기술, 기간별로는 중장기형 기술이 주로 선정되었다. 다만, 탄소 포집·활용·저장 기술(CCUS) 분야는 국가 탄소배출 감축에 매우 중요하나, 국내 기술이 뒤쳐진 분야로서 기술 내재화를 위한 감격차 기술로 선정하여 빠른 기술 추격을 지원해 나갈 계획.
- (철강) 무탄소 연·원료 적용, 수소환원제철 등 관련 6개 기술
- (석유화학) 연·원료 대체, 자원 순환, 신공정 관련 15개 기술
- (시멘트) 비탄산염 원료 등 연·원료 대체 관련 5개 기술
- (탄소 포집·활용·저장 기술(CCUS)) 탄소 포집·저장·활용 전주기 기술 확보 관련 11개 기술
- (산업 일반) 설비 전환·에너지 효율화 등 범용 활용 기술 7개
■ 수송·교통 부문
우리나라가 경쟁력을 확보하고 있는 분야로서 핵심 기술 확보를 통해 빠르게 고성능의 친환경 제품으로 전환하는데 주안점을 두고 2개 분야 13개 기술을 선정하였다. 친환경 자동차 분야는 초격차 경쟁력을 확보하기 위해 주로 초격차·신격차 기술을 중심으로 선정하였다. 다만, 탄소중립 선박 분야는 탄소중립 분야의 기자재 경쟁력이 다소 낮은 점을 고려하여 감격차 기술에 집중하여 신속하게 보완해 나갈 예정.
- (친환경 자동차) 이차전지 시스템, 전기구동 시스템 등 핵심 부품 관련 9개 기술
- (탄소중립 선박) 탄소중립 내연기관 등 탄소중립 핵심 기자재 관련 4개 기술
■ 건물·환경 부문
우리 주거형태 및 도시 환경 적합성, 효율적인 국토 이용 등을 고려하여 2개 분야 8개 기술을 선정하였다. 제로에너지건물 분야는 우리 여건에 맞는 기술 내재화를 위해 감격차 기술 중심으로 선정하였으며, 환경 분야는 기술 개발이 시작되는 단계로 신격차 기술을 중심으로 선정하여 중장기적으로 육성해 나갈 예정.
- (제로에너지건물) 건물신재생에너지시스템 등 에너지저감·신재생에너지 관련 4개 기술
- (환경) 바이오·생분해성 플라스틱 등 자원순환, 탄소흡수 관련 4개 기술
▶ 핵심기술 연구개발 추진 방향
탄소중립 기술혁신 전략로드맵은 탄소중립 기술이 실제 현장에 적용되는 것을 목표로 하는 임무지향형 기술임을 고려하여 구체적인 목표와 시한을 정하고, 전(前)단계 개발이 성공할 경우에 후속 개발로 진행하는 임무 중심의 각본(시나리오) 방식으로 기획되었으며, 정부는 상기 단계별 이행안(로드맵)을 탄소중립 분야의 정부 연구개발(R&D) 투자의 기본 청사진으로 활용할 예정이다. 이번 단계별 이행안(로드맵)은 산업계의 자발적인 탄소중립 참여를 높이기 위해 산업별 대표 협회 및 기업 등이 로드맵 작업에 직접 포함되는 등 민간 주도형 기획으로 진행되었으며 주요 내용은 다음과 같다.
■ 석유화학 분야
석유화학은 플라스틱, 섬유, 고무, 접착제 등 각종 화학제품을 생산하는 산업 분야로서 우리나라가 세계 4위 수준의 에틸렌 생산능력을 보유하고 있는 대표 주력산업인 반면, 탄소 배출에 있어서는 우리나라 산업 중에서 2위(‘18년 기준 4,690만톤)로 탄소 배출 감축을 위한 과감한 공정 혁신이 필요한 상황이다.
이에, 정부는 석유화학 전(全)주기(❶연료 대체, ❷원료대체, ❸자원순환, ❹신(新) 공정)에 걸쳐 친환경 공정혁신기술이 ‘30년 전후를 기점으로 상용기술로 안착 되는 것을 목표로 기술 개발 전략을 수립하였다.
먼저, ❶연료 대체 분야에 있어서 기존의 고탄소 연료를 전기 혹은 무탄소 연료(수소혼소, 수소전소 등)로 전환하는 기술을 단계적으로 확대하여 전기 가열로의 수율을 기존 석유기반의 공정 이상(‘30년 기준 에틸렌 생산 수율 30%이상)을 달성 하고, 무탄소 연료도 기존 공정에 실제 적용(‘30년 기준 NCC 2기)하여 확대하는 것을 목표로 개발해 나간다.
| ▲ [대표예] 전기 가열로 : (1단계 : ~ ’28년) 원천기술(직접가열, 플라즈마) 확보 → (2단계 : ~’30년) 단일 튜브 규모 실증 → (3단계 : ’30년 이후) 엔씨씨(NCC) 1기 이상 상용규모로 확대 |
❷원료 대체 분야에 있어서는 친환경 바이오매스를 활용한 기초 및 고부가 화학원료 생산기술(바이오나프타・올레핀, 바이오 피이에프(PEF), 바이오 폴리올)을 개발하고 향후 대규모 생산시스템으로 연계하여 생산 수율을 획기적으로 높여 나갈 계획이다.
| ▲ [대표예] 바이오 나프타・올레핀 : (1단계 : ~ ’27년) 원천기술 확보 → (2단계 : ~’30년) 중규모 바이오 매스 전환 설비 실증(1만톤/년) → (3단계 : ’30년 이후) 수십만톤급 설비 구축 |
또한, ❸자원 순환 분야에 있어서는 폐플라스틱 재활용을 높이기 위해 폐플라스틱 공정 유형별(해중합, 열분해, 가스화)로 연속식 생산 공정 기술을 적용하여 고부가 화학원료 생산 수율을 높이는 개발을 추진하고,
| ▲ [대표예] 폐플라스틱 해중합 : (1단계 : ~ ’26년) 원천기술 확보 → (2단계 : ~’30년) 중규모 실증(300~3,000톤/년) → (3단계 : ’30년 이후) 수십만톤급 설비 구축 |
❹신(新)공정 분야에서는 저급 연료유 및 부산물을 기초 화학원료로 전환 하고, 나프타 분해 공정 및 정제 과정에서 발생되는 에너지를 획기적으로 절감할 수 있는 신공정 기술도 개발하는 등 기존의 석유화학 공정에 사용 되는 에너지를 낮추는 기술을 개발하여 확산해 나갈 계획이다.
| ▲ [대표예] 저급 연료유・부산물 전환 : (1단계 : ~ ’26년) 원천기술 확보 → (2단계 : ~’28년) 중소규모 실증(100톤/년) → (3단계 : ’28년 이후) 1만톤급 실증 추진 ▲ [대표예] 저에너지 반응 공정: (1단계 : ~ ’25년) 유동층 촉매 반응기술 확보 → (2단계 : ~’30년) 중소규모 실증(100톤/년) → (3단계 : ’30년 이후) 100만톤급 상용공정으로 확대 |
■ 철강 분야
우리나라 철강 산업은 산업 분야 중 가장 많은 탄소를 배출(‘18년 기준 10,120만톤)하고 있으며, 유럽연합에서 철강 등 고탄소 수입품에 추가 세금을부과하는 탄소국경조정제도를 도입할 예정임에 따라 철강 산업의 경쟁력을 지속적으로 확보하기 위해서도 탄소 배출량 감축이 시급하게 요구되고 있다. 이에 ‘30년을 전후로 철강을 생산하는 기존 공정에서 탄소 배출을 줄일 수 있는 상용기술을 확보하고, 장기적으로 탄소를 배출하지 않는 혁신적인 철강 생산 기술을 개발하는 것을 목표로 전략을 수립하였다.
먼저, ❶고로-전로 공정에서 사용하는 코크스, 철광석 등의 연‧원료를 수소가 함유된 가스, 대체철원 등 저탄소 연‧원료로 대체하는 기술을 개발하여 적용하고,(‘30년 기준 대체철원 사용률 12% 이상) ❷전기로 공정의 경우, 에너지 효율 제고(‘30년 기준 전기 사용량 40% 감축) 및 저탄소 연료(바이오매스, 폐합성수지 등) 대체 기술을 확보하여 확산해 나갈 계획이다.
| ▲ [대표예] 고로 연‧원료 대체 : (1단계 : ~ ’25년) 테스트베드를 활용한 소규모 실증 → (2단계: ~’28년) 상용급 고로 실증(2,500㎥급 이상) → (3단계 : ’29년 이후) 단계적 확대 적용 ▲ [대표예] 전기로 고효율화 : (1단계 : ~ ’25년) 소규모 실증(30~60톤급) → (2단계 : ~’28년) 상용급전기로(중형 1기, 대형 1기) 실증 → (3단계 : ’29년 이후) 단계적 확대 적용 |
더불어, 장기적으로 탄소를 다량 배출(철강 생산 시 발생하는 탄소의 약 85%) 하는 기존 고로-전로를 수소 및 신재생에너지 전력을 사용함으로써 탄소를 배출하지 않는 혁신적인 공정인 ❸수소환원제철로 전환하기 위하여 공정 및 설비 설계 등의 핵심기술을 개발하고자 한다.
| ▲ [대표예] 수소환원제철 전환 : (1단계 : ~ ’25년) 신공정 설계 → (2단계 : ~’29년) 준상용급 실증(100만톤급) → (3단계 : ~’40년) 상용급 실증(300만톤급) → (4단계 : ‘40년 이후) 단계적 전환 |
또한, 철강 최종제품을 생산하는 ❹하공정에서 사용하는 석탄계 연료를 수소, 암모니아로 전환하는 기술을 개발하여 적용해 나가고, 철강생산 과정에서 발생하는 ❺부산물을 철강 원료, 저탄소 건설자재 등으로 재활용하는 유망기술도 확보해나갈 계획이다.
| ▲ [대표예] 하공정 연료전환 : (1단계 : ~ ’25년) 소규모 실증(10톤급) → (2단계 : ~’30년) 상용급 연소기 실증(100~250톤급) → (3단계 : ’30년 이후) 단계적 확대 적용 |
■ 시멘트 분야
우리나라 시멘트 산업은 철강, 석유화학 다음으로 많은 탄소를 배출 (‘18년 기준 3,410만톤)하고 있으나, 순환연료를 적극 사용하고 있는 유럽연합 등 주요국에 비해 탄소 배출을 줄이기 위한 기술 수준은 뒤쳐져 있어 적극적인 기술 개발이 필요한 상황이다. 이에 따라, 시멘트 생산에 사용되는 연료‧원료를 저탄소 연료‧원료로 전환 하기 위하여 필요한 핵심기술을 ‘30년 전후로 상용화가 가능한 수준까지 신속하게 확보하는 것을 목표로 기술 개발 전략을 수립하였다. 먼저, ❶원료 대체의 경우, 시멘트 반제품인 클링커 제조 시 탄소를 다량 배출하는 석회석을 저탄소 원료(비탄산염 원료)로 대체하는 기술을 개발하여 공정에 적용해 나가고(‘30년 기준 석회석 대체율 2% 이상), 클링커 사용을 줄이기 위해 시멘트에 혼합재 함량을 증대시키는 기술과 기존 3종의 혼합재 외에 새로운 혼합재(석회석 미분말, 소성점토 등)를 제조하는 기술도 확보하여 확산해 나갈 계획이다.
※ 국내 시멘트 규격 : 포틀랜드 시멘트(클링커 + 석고 및 분쇄조제) / 혼합시멘트(클링커 + 혼합재(고로슬래그, 플라이애시, 포졸란 총 3종) + 석고)
| ▲ [대표예] 비탄산염 원료 대체 : (1단계 : ~ ’25년) 원천기술 개발 및 소규모 실증 → (2단계 : ~’29년) 상용급 킬른 실증 → (3단계 : ’30년 이후) 단계적 확대 적용 ▲ [대표예] 혼합재 함량 증대 : (1단계 : ~ ’25년) 고성능 클링커 시험생산, 품질평가 → (2단계 : ~’30년) 상용급 킬른 실증 → (3단계 : ’30년 이후) 단계적 확대 적용 |
또한, ❷유연탄 등의 연료를 순환연료(폐합성수지 등) 및 무탄소 연료(바이오매스, 수소 등)로 대체할 수 있도록 전처리, 오염물질 제어 등 순환연료 사용을 위한 주요기술을 확보하여 실증하고,(‘30년 기준 순환연료 대체율 80% 이상 실증) 바이오 매스‧수소 연소에 필요한 균일열원 공급 등의 기술도 개발해나갈 계획이다.
| ▲ [대표예] 순환연료 : (1단계 : ~ ’27년) 폐합성수지 사용량 증대 핵심기술 개발 → (2단계 : ~’30년) 상용급 킬른 실증 → (3단계 : ’30년 이후) 단계적 확대 적용 |
▶ 핵심기술 사례
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