기술수요자 중심의 탄소중립 기술 시나리오 분석

Abstract

Ⅰ. 연구의 배경 및 목적 ？ 전 세계적인 극단적 기후위기에 대응하기 위해 각국은 탄소중립 목표를 설정, 발표함 ㅇ 2022년 발표된 IPCC 제6차 평가보고서는 인간의 경제활동으로 인한 기후변화가 극단적인 기후 현상을 가지고 왔으며 2014년에 발표된 제5차 평가보고서에서 지적된 경향성이 더 강화되었음을 의미함 ㅇ 이에 EU 회원국을 비롯한 70여 개 국가에서는 탄소중립 목표를 선언하였으며 감축계획 발표 및 법제화를 시행 중임 - 우리나라 정부도 2020년 10월에 2050년 탄소중립을 선언하였고, 2021년 9월에는 2050년 탄소중립 시나리오를 확정함 ？ 탄소중립 기술 도입은 탄소중립을 달성하고 미래 산업의 경쟁력 확보하는 데 필수적임 ㅇ 우리나라의 미래기술 경쟁력 및 산업경쟁력 확보를 위해 기술 자체에 대한 개발과 더불어 도입 여건에 대한 분석 및 도입 방안에 대한 연구가 필요함 ？ 본 연구는 다년도 연구의 첫 번째 연구이며 다음과 같은 목표 달성을 위해 추진함 ㅇ 부문별로 핵심적인 기술의 비용 데이터베이스를 구축하여 다양한 연구를 위한 기초자료를 구축하고자 본 연도에서는 전환과 수송 부문에 집중함 ㅇ 비용효율적이고 효과적인 탄소중립 기술 시나리오를 도출, 제안하고자 함 ㅇ 탄소중립 정책을 이행하는 데 소요되는 비용과 그 효과를 산출하기 위한 경로 분석 방법론을 검토 Ⅱ. 국내외 전환·수송 부문 온실가스 배출 및 관련 정책 현황 1. 국내외 온실가스 배출 및 감축 현황 ？ 우리나라는 2017년 기준 OECD 국가 중 5번째로 온실가스 배출량이 많은 나라이며 2018년에 배출량 정점을 달성한 후 2020년까지 감소세임 ？ 전 세계 온실가스 배출량 역시 지속적으로 증가해 왔으나 최근에는 증가율이 둔화되는 추세임 ㅇ 현재까지 달성된 각국의 NDC 감축 노력으로는 21세기 내에 1.5℃ 목표를 달성하기는 어려울 것으로 전망됨(IPCC, 2022) ㅇ 1.5℃ 목표 달성을 위해서는 2025년 이전에 탄소배출량의 정점을 달성하고 감소세로 전환되어야 함(IPCC, 2022) 2. 국내 부문별 에너지 소비 및 공급 현황 및 추세 ？ 전환 부문에서는 발전을 통해 전력을 공급하는 과정에서 에너지를 활용하여 온실가스를 배출함 ㅇ 연간 전력소비량으로 확인해볼 때 전환 부문의 에너지 소비는 2010년 이후 2018년까지 지속적으로 상승 이후 하락하였음 ㅇ 2022년에 발표된 ？？제10차 전력수급기본계획？？에서는 최대 전력수요가 2022년부터 2036년까지 연평균 1.4%씩 증가할 것으로 전망하였음 ？ 수송 부문은 최종에너지 소비량 중 22%를 차지하여 산업 부문 다음으로 두 번째로 큰 부문임(산업통상자원부, 2020) ㅇ 수송용 에너지원 중 휘발유와 경유가 전체의 75% 이상을 차지하며 전력은 0.7%를 차지하고 있음 ㅇ 장기적으로 친환경 자동차 보급이 확대되면 전력 및 신재생에너지 비율이 높아지고 화석연료의 비율이 낮아질 것으로 예상됨 3. 온실가스 배출 감축 정책에서 기술의 역할 ？ 기후변화의 주요 원인인 온실가스 감축을 위해서는 감축 및 흡수 제거 기술이 필수적임 ㅇ 기술은 서비스 단위당 온실가스 배출량을 감축하며 탄소집약적인 자원을 덜 집약적인 자원으로 교체하고, 통제가 어려운 배출량을 CCUS를 통해 저감하는 등의 방법으로 온실가스를 감축함 ㅇ 적절한 정책적 지원과 도입 전략을 활용하여 기술을 활용하는 것은 탄소중립 목표 달성에 필수적이나 관련 전략은 주로 목표의 실현 가능성과 예산 위주의 논의가 진행됨 ㅇ 그러나 기술을 직접적으로 활용하는 측면에서 기술 도입 비용 분석을 통한 기술 도입 활성화 방안의 모색이 필요함 Ⅲ. 국내외 탄소중립 정책과 기술 시나리오 1. 국내 관련 정책 현황 ？ 정부는 ？？재생에너지 3020 이행계획？？, ？？장기저탄소발전전략？？ 등을 통해 재생에너지를 보급하고 1.5℃ 목표 달성을 위한 정책을 마련한 바 있음 ？ 2021년에 발표된 탄소중립 시나리오는 2050년 탄소중립이 실현되었을 때의 미래상과 부문별 전환의 내용을 전망함 ㅇ A안은 온실가스 배출을 최소화하는 안이며, B안은 2050년 온실가스 배출량이 A안보다는 많고 CCUS 등 흡수 및 제거 기술을 더 활용하여 최종 순배출량을 0으로 하는 안임 ㅇ 전환 부문의 주요 감축수단은 석탄발전 축소, 신재생에너지 발전 확대, 추가 무탄소 전원의 도입이 있고, 수송 부문의 주요 감축수단은 수요관리 강화 및 행태 개선, 친환경차 보급확대, 철도 수요관리 강화, LNG/하이브리드 선박 도입 및 선박운항 효율 개선, 항공기 운영 효율 개선 등이 있음 2. 기술 시나리오 사례 검토 ？ 선행 연구의 연구방법론은 크게 두 가지로 구분됨 ㅇ 우선, 연구자가 설정한 미래 시나리오를 바탕으로 사회상을 가정해서 시나리오에 맞는 기술과 정책을 도입하는 방법이 있음 ㅇ 두 번째, 탄소배출량 저감과 관련된 개별 정책 및 기술의 비용과 편익을 분석하고 이를 투입자료로 활용해 미래 특정 시점의 탄소배출량 목표를 달성하는 최적경로를 구축하는 방법이 있음 ？ 전환과 수송 부문의 특성에 따라 연구방식에 차이가 발생함 ㅇ 전환 부문은 미래 에너지 수요를 예측하고 변화된 수요를 비용 효율적으로 제공하는 최적화 모형을 통해 시나리오를 구축함 ㅇ 수송 부문은 정형화된 모형 구분이 되지 않았음 Ⅳ. 기술 도입 시나리오 1. 기술수요자와 기술 시나리오 ？ 기술 시나리오는 기술의 개발과 활용을 포함하는 일련의 과정을 나타내는 수단이며, 기술수요자는 기술의 개발공급자와 더불어 기술 시나리오의 주체임 ㅇ 탄소중립 기술에 대한 도입 시나리오를 전제로 기술수요자 측면에서 중요한 기술 도입 비용을 산출함 ㅇ 다만, 전환 부문은 국가 차원에서 발전방식 전환에 따른 에너지 생산시스템 부담 비용으로 접근하고 수송 부문은 친환경 차량을 구매자를 기술을 도입하는 주체로 소비자 관점에서 기존 내연차와의 비교를 통해 분석함 2. 전환수송 부문의 생태계 특성과 여건 ？ 국내 신재생에너지 생산량은 지속적으로 증가하고 있어 이에 따른 일자리와 부가가치 창출의 역할이 기대됨 ㅇ 신재생에너지 산업은 발전사업이며 국가 단위 전력소비가 증가함에 따라 관련 설비투자, 서비스업, 건설업, 설비제조업이 가치사슬에 따라 영향을 받게 됨 ？ 국내 친환경 자동차 산업의 내수 및 수출은 지속적으로 성장하고 있으며, 내연기관차에서 친환경차로 전환되면서 산업생태계의 큰 변화가 발생할 것으로 예상됨 ㅇ 전기차 배터리의 원자재인 광물은 모두 국외 수입에 의존하고 있어 광물 확보 및 핵심소재 산업 육성이 중요함 3. 기술 시나리오 분석: 기술 도입 비용의 산출 ？ 전환 ㅇ 전환 부문 기술 도입 비용은 식(1)을 활용하여 계산함 ㅇ Low Emissions Analysis Platform(LEAP) 모형을 활용하여 각 시나리오별 발전믹스에 따른 기술의 설비용량을 도출함 ㅇ 시기별 온실가스 감축 목표 및 재생에너지 공급 목표를 주요 제약식으로 삼고 탄소중립 달성을 위한 재생에너지, 수소터빈기술, ESS 기술 도입에 관련하여 각 기술별 용량을 도출함 ㅇ 주요 기술비용과 전제조건을 가정한 결과, 전환 부문 BAU 대비 평균 톤당 온실가스 감축비용은 탄소중립 시나리오 A안에서 67,265.1원/톤CO2eq, B안에서 70,990.5원/톤CO2eq로 추정됨 ？ 수송 ㅇ 불확실성이 크고 감축수단 계획이 확정되지 않은 항공과 선박 부문을 제외하고 수송 부문의 온실가스 배출의 90% 이상을 차지하는 도로이동 부문을 기준으로 비용을 산정함 ㅇ 수송 부문 온실가스 감축비용은 완성차를 구매하는 투자비용과 완성차를 운행하는 연료비용으로 구분됨 ㅇ 차량가격, 차종별 등록대수, 연료가격, 주행거리, 내구연한 등에 대한 가정을 바탕으로 단위감축비용을 산출함 ㅇ 탄소중립 시나리오 A안을 기준으로 도로수송 부문 평균 톤당 감축비용은 25,319원/톤CO2인 것으로 산정되었으며, 전기승용차는 2032년부터 내연기관 승용차보다 가격이 저렴해지는 크로스 현상이 일어날 것으로 전망됨 Ⅴ. 결론 및 시사점 ？ 본 연구에서는 하향식으로 설정된 탄소중립위원회의 탄소중립 시나리오를 활용하였으나, 향후 연구에서는 다양한 시나리오를 만들고 비교하는 작업이 필요함 ㅇ 탄소중립 기술의 변화가 빠르고 예측가능성이 낮기 때문에 다양한 시나리오 분석과 업데이트가 중요함 ㅇ 전제조건과 기술 변화에 따라서 산정된 비용 소요가 크게 달라질 수 있음 ？ 연구의 한계와 향후 연구 방향 ㅇ 상용화되지 않은 기술 등에 대한 산업 여건 분석과 기술비용 데이터를 수집하는 데 국외 자료와 전문가 의견에 의존하여 실제 기술 발전과 상용화와 오차가 있을 수 있으므로 지속적인 비용 산정 업데이트 및 개선이 필요함 ㅇ 정부 정책 또는 국제사회 기준 변화 등 미래 불확실성에 대한 반영이 부족하여 다양한 시나리오 작성과 분석, 비교가 중요함

Ⅰ. Background and Aims of Research ？ Many countries announced their carbon neutrality targets to respond to the global climate crisis. ㅇ The IPCC Sixth Assessment Report released in 2022 addressed that climate change caused by human economic activities has brought about extreme climate risks and this implies that the trend pointed out in the Fifth Assessment Report in 2014 has been strengthened. ㅇ Accordingly, more than 70 countries, including EU members, have declared carbon neutrality targets and are announcing and enacting their reduction plans. - The Korean government also declared carbon neutrality by 2050 in October 2020 and finalized the carbon neutrality scenarios in September 2021. ？Introducing carbon neutral technology is essential to achieving carbon neutrality and securing the competitiveness of future industries. ㅇ In order to secure Korea’s future technology and industrial competitiveness, it is necessary to develop innovative technology and analyze conditions for its uses. ？ This study is the first-year research of the three-year research project which aims to achieve the following goals. ㅇWe focused on the energy and transportation sectors and established a technology cost database that could be widely utilized. ㅇ We focused on devising and proposing a cost-efficient and effective carbon neutral technology scenario. ㅇ We focused on reviewing previous studies on path analysis methodologies to calculate the cost and effectiveness of implementing the carbon neutrality policy. Ⅱ. Current Status of Greenhouse Gas Emissions and Related Policies 1. Domestic and global greenhouse gas emissions and reduction ？ As of 2017, Korea is the fifth largest greenhouse gas emitter among OECD countries and the emission amount was on the decline until 2020 after reaching its peak in 2018. ？ Global greenhouse gas emissions have also continued to increase, but the growth rate has been recently slowing down. ㅇ With current NDCs, it is forecast that achieving the 1.5℃ target in the 21st century is unlikely (IPCC, 2022). ㅇ In order to achieve the target, the carbon emissions peak must be reached before 2025 and the emissions must start to decline (IPCC, 2022). 2. Current status and trend of energy consumption and supply by sector in Korea ？ In the energy sector, greenhouse gases are emitted due to energy use in the process of supplying electricity through power generation. ㅇ Energy consumption in the energy sector continued to rise from 2010 to 2018 and then declined according to annual electricity consumption. ㅇ In the Tenth Basic Plan for Long-term Electricity announced in 2022, the maximum electricity demand is expected to increase by 1.4% annually from 2022 to 2036. ？ The transportation sector accounts for 22% of final energy consumption, making it the second largest sector following the industry sector (Ministry of Trade, Industry, and Energy 2020). ㅇ Gasoline and diesel account for more than 75% of the total energy sources for transportation, and electricity accounts for 0.7%. ㅇIf the supply of eco-friendly cars is expanded in the long run, the proportions of electricity and renewable energy will increase and that of fossil fuels will decrease. 3. Role of technology in greenhouse gas emission reduction policies ？Reduction and removal technologies are essential for reducing net greenhouse gas emissions which are the main cause of climate change. ㅇTechnology reduces greenhouse gas emissions per service unit, replaces carbon-intensive resources with less intensive resources, and reduces difficult-to-control emissions through CCUS. ㅇIt is essential to utilize technologies with appropriate policy supports and introductory strategies to achieve carbon neutrality goals and to promote economic growth. ㅇ Therefore, analyzing technology adoption costs considering technology consumers who directly utilize these technologies is necessary. Ⅲ. Net Zero Policies and Technology Scenarios 1. Current status of domestic policies ？The Korean government announced the Renewable Energy 3020 Implementation Plan and the Long-term Low Carbon Power Strategy to disseminate renewable energy and achieve the 1.5℃ target. ？ The Net Zero Scenario, presented in 2021, predicts the future of each sector when carbon neutrality is achieved in 2050. ㅇ Plan A is to minimize greenhouse emissions, and Plan B is to make the final net emissions zero in 2050 by utilizing more removal technologies such as CCUS. ㅇ Critical mitigation measures in the energy sector include reducing coal power generation, expanding renewable energy generation, and introducing additional carbon-free power sources. 2. Review of technical scenarios ？ Research methodology of previous studies is largely divided into two. ㅇ First, there is a method of introducing technologies and policies that fit the scenario assuming a certain social situation based on the future scenario set by the researchers. ㅇ Second, there is a method of analyzing the costs and benefits of individual policies and technologies related to carbon emission reduction and using them as input data to establish an optimal path to achieve carbon emission targets at a specific point in the future. ？ Research methodologies differ depending on the characteristics of the energy and transportation sectors. ㅇ In the transition sector, scenarios are constructed with optimization models that predict future energy demand and provide cost-effective delivery of changing demand. ㅇ In the transportation sector, there is no standardized model. Ⅳ. Technology Scenario 1. Technology consumers and technology scenarios ？ Technology scenario is a means of representing a set of processes involving the development and utilization of technology and the technology consumer is the subject of the technology scenarios along with the technology providers. ㅇ In this research, we defined technology consumer-centered scenarios as scenarios introducing net zero technology and calculated the costs of implementing those scenarios. ㅇ For the transition sector, technology consumers and technology scenarios can be understood at the national energy system level. ㅇ For the transportation sector, technology consumers and technology scenarios can be understood at the individual consumer level since they are the ones who use eco-friendly cars. 2. Ecosystem structures and conditions of transition and transportation sectors ？Domestic renewable energy production continues to increase and it is expected that it will create more jobs and more added values to the industry. ㅇ Renewable energy industry is a power generation business and as national electricity consumption increases, related facility investment, service, construction, and facility manufacturing industries are affected by the value chain. ？ Domestic demand and exports of Korea’s eco-friendly automobile industry are continuously growing and the transition from internal combustion engine cars to eco-friendly vehicles is expected to cause a major change in the industrial ecosystem. ㅇ Minerals, raw materials of electronic vehicle batteries, depend on overseas imports thoroughly, so it is important to secure the minerals supply and foster the industry for core materials. 3. Technology scenario analysis: calculation of costs of introducing technology ？ Transition sector ㅇWe utilized the Low Emissions Analysis Platform (LEAP) to derive the installation capacity of different generation mix by each scenario. ㅇ The main constraints are greenhouse gas reduction targets and renewable energy supply targets, and the capacity of each technology is derived in relation to the introduction of renewable energy, hydrogen turbine, and ESS technology to achieve carbon neutrality. ㅇAssuming major technology costs and conditions, the average cost of reducing greenhouse gas per tonne compared to BAU in the transition sector is estimated to be KRW 67,265.1/tonCO2eq in scenario A and KRW 70,990.5/tonCO2eq in scenario B. ？ Transportation sector ㅇ Here the cost is calculated based on road transportation, excluding aviation and shipping which are difficult to forecast the cost due to their high uncertainty and low predictability. ㅇ Mitigation costs in transportation sector are divided into investment costs for purchasing cars and fuel costs. ㅇ We estimated the mitigation costs based on the predictions of future vehicle prices, the number of registered vehicles by vehicle type, fuel price, mileage, and durability. ㅇ The average mitigation cost per tonne of the toad transport sector is 25,319 won/tonCO2eq based on scenario A compared to the BAU scenario. ㅇ Electronic vehicles are expected to be cheaper than traditional internal combustion engine cars from 2032. Ⅴ. Conclusion and Suggestions ？ This study analyzed the costs of technology scenarios based on the Net Zero Scenario by the Korean Carbon Neutrality Committee which was constructed in a top-down manner. ㅇ Further studies should provide more diverse scenarios and compare them. ㅇ It is important to analyze different scenarios based on diverse assumptions and conditions because carbon neutrality technology changes and develops fast and are difficult to forecast. ㅇ Costs calculated in this study can be altered depending different conditions and technology changes. ？ Limitations and direction for future studies ㅇ We depended on international reports and expert opinions for analyzing industrial ecosystems and collecting cost data on technologies that are in the stages before commercialization. - There is the possibility of errors between the findings of this study and technology development/commercialization in reality, so continuous updates of costs are required. ㅇ It is important to prepare, analyze, and compare various scenarios due to the lack of reflection on future uncertainties such as changes in government policies or international standards.