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대한조선학회 웹진 February, 2020
[깊이 보는 뉴스 읽기] IMO 2050 (2/2)

<글 : 아이덴하우스 권효재 대표 jay.kwon@idenhouse.com> 
 

지난 번 글에서는 황산화물을 규제하는 IMO 2020의 뒤를 이어, 향후 해운과 선박 분야에서 핵심 규제가 될 소위 IMO 2050이 무엇인지 살펴보았습니다. IMO 2050의 핵심은 2008년 대비 2050년까지 국제해운 온실가스 총 배출량을 적어도 50%까지 감축하고, 목표 달성을 위해서는 온실가스를 전혀 배출하지 않는, ‘Zero Carbon 선박’이 필요할 것으로 보입니다.

Zero Carbon 선박은 이론적으로는 화석연료를 사용하면서, 발생하는 온실가스를 포집-저장하여 별로의 공급망을 통해 처리하는 화석연료 연소 + CCS (Carbon Capture & Storage) 방식으로도 가능합니다. CCS란 연소 과정에서 발생하는 온실가스 (주로 이산화탄소)를 별도의 기기를 통해 따로 모아서 처리하는 기술을 의미합니다. CCS 기술은 가스 처리 설비의 규모가 크고 에너지 소모가 많기 때문에 현재까지 상업화된 기술은 제한적으로 대형 에너지 플랜트와 발전소에서 사용되고 있습니다. CCS 기술에서 가장 보편적으로 확립된 방식은 아민 접촉 반응기를 통과시키는 방식이며, 이 기술을 사용하면 99% 이상의 이산화탄소를 회수할 수 있습니다. 하지만, 대형 반응탑과 아민 재생기가 필요하고, 아민 재생을 위해 대량의 에너지 투입이 필요해서 선박에 설치하기는 현실적으로 어려움이 많습니다.

아민 접촉 반응기 방식을 대체할 수 있는 CCS 기술들도 꽤 오랫동안 연구되어 왔습니다. 화석연료를 연소하는 연소기의 압력을 높여서 처리하는 방식이나, 대량의 산소를 연소기에 보조 투입하는 방식 등이 상업화 직전까지 개발되었습니다. 이들 차세대 CCS 기술은 아민 접촉 반응기 방식에 비해 기구가 작고, 이산화탄소 회수 효율이 높다는 장점이 있지만, 연소 과정의 에너지 효율을 낮추고 운영 조건이 까다롭다는 문제점이 있습니다. 하지만, CCS 기술의 근본적인 어려움은 이산화탄소의 포집 보다는, 그렇게 애써 모은 이산화탄소의 저장과 운송입니다. 현재 실험적으로 운영 중인 대부분의 CCS 플랜트들은 포집한 이산화탄소를 석유가스 생산 플랜트로 보냅니다. 보내진 이산화탄소는 높은 압력으로 지하에 주입되어 석유와 천연가스의 생산량을 증대시키는 목적으로 활용됩니다. 이를 이산화탄소 EOR (Enhanced Oil Recovery)이라고 하며, 산유국에서 적용되고 있습니다.

이산화탄소 EOR은 CCS가 일어나는 장소와 EOR이 필요한 장소가 파이프라인으로 연결되어야 하며, CCS를 통해 포집되는 이산화탄소의 양과 EOR을 통해 땅으로 재주입되는 이산화탄소의 양이 비슷해야 합니다. 또한 CCS에 필요한 비용보다 EOR로 인한 수익이 더 커야 하고, EOR이 실시되는 유전은 지진의 위험이 없는 안정적인 지층에 위치해야 합니다. 이렇듯 서로 맞춰야 하는 조건이 많기 때문에 CCS가 실제 적용되기까지 프로젝트 개발에 긴 세월이 요구되는 경우가 많습니다. 플랜트 산업에서 조차 CCS가 여러 기술적, 상업적 어려움으로 인해 보급이 지지부진한 상황임을 감안하면, 선박에 CCS 기술을 적용하기 까지는 오랜 시일이 걸릴 것입니다.

이러한 이유로 많은 전문가들은 2050년까지의 온실가스 감축량 목표는 화석연료를 사용해서는 달성하기 어렵다고 봅니다. 해운 산업에서의 온실가스 저감을 위해서는 장기적으로 탄소 중립 연료 (연료 생산 및 소비 과정에서 탄소의 총 배출량이 0인 연료)가 필요하며, 이는 선박 엔진 개발, 연료 공급망 확충, 관련 규제 정비, 운영 노하우 확립 등을 포괄합니다. 화석연료에서 탄소 중립 연료로의 전환은 광범위한 기술 개발과 실험, 시범 운항과 점진적인 개선을 통해 다양한 탄소 중립 연료들 중 소수가 주류 연료로 정착되는 과정이 될 것으로 예상됩니다.

선박용 탄소중립 연료로는 바이오 디젤, 바이오 가스(메탄), 수소, 메탄올 및 암모니아가 대표적입니다. 바이오 연료는 연료 생산을 위해 사용하는 바이오 매스는 식물에서 유래하는데, 이 식물이 생장 과정에서 이산화탄소를 흡수하였으므로 연료의 연소 과정에서 이산화탄소가 나오더라도 탄소중립(제로카본)으로 인정됩니다. 수소, 메탄올 및 암모니아는 재생에너지 전기로 만들거나, 대기 중의 이산화탄소를 이용해서 만들 경우 역시 탄소중립으로 인정됩니다. 이들 탄소중립 연료 후보군의 대략적인 특성은 아래 그림과 같습니다. (출처: 한국 선급)
 

 

이들 후보 연료들은 각자 장단점이 뚜렷하며, 현재로서는 어떤 연료가 대세가 될지는 알 수 없는 상황입니다. 각 연료들의 특징과 전망을 간단히 살펴보도록 하겠습니다.

우선 현재 선박 엔진 기술과 기존 연료 공급 체계를 그대로 적용할 수 있는 연료로는 바이오 디젤이 있습니다. 바이오 디젤은 유통기간이 기존 디젤보다 짧은 수개월이라는 점을 제외하면 사실 차이점이 없습니다. 유럽과 미국의 자동차 연료 시장에는 기존 디젤에 바이오 디젤을 혼용한 제품들이 널리 사용되고 있습니다. 선박 연료 시장에도 바이오 디젤은 기존 인프라로 즉시 사용 가능한 탄소중립 연료라는 매력이 있습니다. 바이오 디젤의 단점은 현재의 기술로는 연료의 공급량과 가격 경쟁력에서 한계가 뚜렷하다는 점입니다. 바이오 디젤은 식물성 기름이나 동물성 유지를 가공해서 만드는데, 전용 경작지를 대폭 확대하지 않는 한 전세계적으로 일일 1백만 배럴이 생산량 한계로 추정되고 있습니다. 제지공정의 부산물이나 해조류 등을 이용한 차세대 바이오 디젤의 연구는 활발하게 진행되고 있지만, 아직 상업화에 이르지 못했고, 기술 안정화와 대량보급까지는 해결해야 할 숙제가 많다는 평입니다.

바이오 가스는 바이오 디젤보다 연료 공급원이 더 다양합니다. 모든 유기 폐기물은 미생물에 의해 썩는 과정에서 메탄 가스가 발생하는데, 바이오 가스는 이러한 비석유계 메탄가스를 모아서 만듭니다. 바이오 디젤과 달리 유기 폐기물이면 어떤 것이던 원료로 사용할 수 있으므로 공급량의 잠재력은 바이오 디젤보다는 나은 편입니다. 바이오 가스의 약점은 상온에서 기체로 존재하므로 현재 선박 엔진에 바로 적용하기는 어렵다는 점입니다. 메탄 가스를 연료로 사용할 수 있는 이중연료 엔진이 필요하며, 바이오 가스를 대량 유통하기 위해서는 부피를 줄이는 액화 공정이 수반되어야 합니다. 이러한 이유로 바이오 가스는 LNG추진선박의 탄소중립 옵션으로 인식되고 있습니다. 땅에서 채굴한 천연가스를 액화한 LNG를 연료로 사용하는 LNG 추진선은 기존의 설비 그대로 바이오 가스를 연료로 사용할 수 있습니다. 이 경우 바이오 가스는 극저온으로 액화된 상태에서 유통되므로 LBG(Liquified Bio Gas)라고 지칭되며, 현재 유럽에서는 LBG도 시중에서 판매되고 있습니다. 바이오 디젤만큼 편리하게 접근할 수 있는 것은 아니지만, 바이오 가스도 탄소 중립 연료로서 당장 적용할 수 있는 솔루션이라는 장점이 있습니다.

탄소중립 연료로서 바이오 디젤과 바이오 가스의 근본적인 약점은 이들이 대규모 경작지와 방대한 조달 체계를 필요로 하는 연료라는 점입니다. 바이오 디젤의 생산 과정에서는 콩, 유채꽃, 나무, 해조류 등의 원료의 재배와 채취, 가공 과정에서 에너지가 투입되고 탄소가 배출됩니다. 넓은 땅에서 작물을 재배하고 채취하여 가공해야 하므로, 광구에서 대량 생산된 원유를 대형 석유화학 플랜트에서 처리하여 유통되는 디젤에 비해 생산 과정에서 투입되는 에너지가 많습니다. 즉, 이론적으로 연료 자체는 탄소 중립일지 몰라도 이 연료를 만들고 유통하는 과정에서 다량의 탄소가 배출되는 문제가 있습니다. 아래 그림은 영국 정부의 연구를 정리한 것인데, 현존하는 기술과 생산 체계에서의 바이오 디젤은 탄소 중립 연료가 아니며, 일반적인 디젤의 15~85% 수준의 이산화탄소를 발생시킨다고 합니다.
 

 
또한 이들 바이오 디젤, 바이오 가스의 생산을 위해 대량의 경작지가 사용되고, 막대한 물과 에너지, 비료가 투입되면 농경지가 황폐해지고 2차 환경 피해가 발생한다는 주장도 있습니다. 이러한 약점으로 인해 경작지가 불필요한 차세대 바이오 연료가 나오지 않는 한, 바이오 디젤과 바이오 가스는 미래 선박연료의 주류가 되기는 어려울 것으로 전망됩니다. 차세대 바이오 연료는 폐목재, 펄프 부산물, 해조류, 음식쓰레기 등 경작지가 불필요하고 원료를 모으는 과정이 용이한 것이 특징입니다. 이 중에서 가장 각광을 받는 것은 해조류로서, 경작지의 한계가 없고, 단위 생산량도 높기 때문에 현재 많은 연구자들이 기술 개발에 매진하고있습니다. 차세대 바이오 연료의 경우 연료의 전주기에서 나오는 탄소의 배출량 (life cycle carbon footprint)은 기존 화석 연료 대비 3~5% 수준으로 낮을 것으로 기대됩니다. 장기적으로 바이오 디젤, 바이오 가스는 타 탄소 중립 연료를 사용하기 위해 선박을 개조하기 어려워서, 디젤을 사용해야 하는 소형 선박, 노후 선박 위주로 보급될 것으로 보입니다.

메탄올과 암모니아는 화공 산업의 원재료 등으로 대량으로 생산, 유통, 사용되는 물질이지만, 수송용 연료로 사용되지는 않았습니다. 둘 다 제조 공정이 비교적 간단하고 대량 생산이 용이하며, 이미 규모의 경제를 실현했고, 사용된 지 100년이 넘었기 때문에 생산, 유통, 사용 과정에서의 기술이 안정되어 있으며, 안전 규정 등이 잘 정비되어 있습니다. 메탄올과 암모니아 모두 직접 연소를 통해 디젤 엔진의 연료로 사용될 수도 있고, 연료전지와 결합하여 사용될 수도 있습니다. 소형 선박에는 연료전지와 결합해서 사용하는 방식이, 중대형 선박에는 디젤 엔진과 결합해서 사용하는 방식이 유망할 것으로 보이며 이미 시범 운항 사례도 나오고 있습니다.


메탄올은 상온-상압에서 보관이 쉬운 점이 큰 장점입니다. 바이오 디젤과 달리 연료의 유통 기한도 제한이 없고 기존 디젤 엔진을 조금만 개조하면 연료로 사용할 수 있어서 적용이 쉽다는 측면에서는 장점이 많습니다. 하지만, 탄소 중립 메탄올은 생산에 필요한 에너지 소비량이 높고, 생산 과정에 따라 이산화탄소 배출량이 달라지는 단점이 있습니다. 메탄올은 통상적으로 천연가스나 석탄에서 뽑아낸 일산화탄소와 수소를 결합해서 만듭니다. 이러한 일반적인 메탄올은 원재료가 화석연료이므로 이산화탄소 배출량 감축 효과가 없습니다. 탄소 중립 메탄올을 만들기 위해서는 공정에 필요한 일산화탄소와 수소를 비화석 연료에서 가져와야 합니다. 대기 중의 이산화탄소를 뽑아내어 일산화탄소를 합성하거나, 태양광이나 풍력 발전기에서 생산한 전기로 물을 전기 분해해서 만든 수소를 이용하는 등 기존 메탄올 생산과는 전혀 다른 방식을 적용해야 합니다. 이 경우 연료의 가격이 상당히 비싸지는 문제가 있고, LBG나 배터리에 비해 에너지 효율 측면에서 불리합니다. 폐목이나 제지 공정의 부산물에서 메탄올을 직접 합성하는 바이오 메탄올이 대안으로 연구되고 있지만, 제조 효율을 높여서 상업화에 이르기 까지는 해결해야 할 과제가 많다고 보여집니다. 또한 메탄올은 독성 물질이기 때문에 취급에 주의를 기울여야 하고 누출 시 인체에 직접 피해를 주는 문제가 있습니다. 정리하면, 탄소 중립 메탄올은 아직 갈 길이 멀지만, 유통 과정에서의 편리함이 있으므로 원료의 경제성이 개선된다면, 주류 연료가 될 수 있는 가능성이 있으므로, 비용 절감을 위한 기술 개발 과정을 모니터링 할 필요가 있습니다.


질소 원자 3개와 수소 원자 1개가 결합한 암모니아 (NH3)는 메탄올처럼 상온상압으로 보관할 수는 없지만, 영하 34도 혹은 10 bar 정도의 압력에서 액체 상태로 유지되므로 LBG나 수소에 비해서는 보관과 유통이 쉽습니다. 또한 비료의 원료로 대량 생산, 유통되고 있으므로 유통망 구축이 쉽고, 각종 안전 규정도 잘 구비되어 있습니다. 하지만, 암모니아도 메탄올처럼 어떤 방식으로 만드느냐에 따라 탄소 중립 연료로서의 효과가 달라집니다. 암모니아는 질소와 수소를 합성해서 만들기 때문에 원료가 되는 질소와 수소를 어떻게 만드느냐가 관건입니다. 재생에너지 전기로 생산한 수소와 재생에너지 전기를 이용하여 극저온법을 통해 공기에서 추출한 질소를 합성해서 만들면 100% 탄소 중립 연료가 되지만, 이 경우에는 연료의 비용이 상당히 비싸지는 문제가 있습니다. 질소는 대기 중에 풍부하기 때문에 공기 중의 이산화탄소를 추출해야 하는 메탄올 보다는 싸지만, 탄소 중립 암모니아는 기존 디젤의 2~3배 정도 비싼 상황입니다. 암모니아의 또 다른 단점은 바이오 디젤이나 메탄올과 달리 직접 연소용 연료로서 제약이 많다는 점입니다. 점화 에너지가 높고, 폭발 속도가 낮기 때문에 100% 암모니아 연소 엔진은 기술적으로 제작의 어려움이 많습니다. 현실적인 방안은 디젤과 섞어서 사용하는 것으로, 이 경우 암모니아 혼입 비율만큼 이산화배출량이 저감됩니다 (암모니아는 연소 과정에서 이산화탄소를 발생시키지 않습니다). 암모니아 혼입 연소의 경우 여러 종류의 질소산화물이 생성되는데, 이들 중 일부는 강력한 온난화 가스이므로 후처리 장치를 통해 처리가 필요하지만, 아직 관련 기술의 개발은 더딘 상태입니다. 암모니아 사용의 또 다른 어려움은 암모니아 역시 메탄올처럼 유독 물질이므로 취급에 주의를 기울여야 하는 점입니다. 암모니아는 비료의 원료 이외 대형 냉동기의 냉매로 사용되고 있는데, 유통과 취급 과정이 상당히 까다롭습니다. 정리하면, 암모니아는 메탄올과 유사한 장단점을 가지고 있지만, 암모니아가 메탄올 보다는 연료 생산 비용이 낮기 때문에 향후 주류 탄소 중립 연료가 될 가능성은 좀 더 높다고 여겨집니다.

차세대 탄소중립 연료가 단번에 해운 분야에 적용되기는 어렵습니다. 차세대 선박 기술의 발전, 관련 기기의 개발과 대량 생산이 전제되어야 하며, 이 과정에서 투입되는 자본 투자에 상응하는 경제적/환경적 효용이 검증되어야 선사들과 투자자들은 지갑을 열 것입니다. 검증 과정에서 선사들과 투자자들이 기대하는 것은 매몰비용 손실에 대한 위험을 최대한 낮추는 것입니다. 규제로 인해 새로 도입하는 선박과 선원의 훈련, 연료 공급 체계에 대한 투자가 쓸데없는 일이 될 위험을 최대한 줄이는 것이 중요합니다. 이런 측면에서 수소를 선박 연료로 사용하는 일은 어려움이 많습니다. 왜냐하면 수소는 재생에너지로 생산할 경우 탄소 중립 효과가 가장 확실하지만 연료의 생산, 유통, 사용의 모든 과정에서 기존 인프라를 모두 바꿔야 하기 때문입니다. 또한 선박의 추진 시스템도 연료전지를 이용해야 하므로 기술적 난이도와 함께 규모의 경제에 도달하기 위해 필요한 투자 규모도 타 연료에 많습니다. 이런 점들로 인해 700 bar이상의 고압 저장 장치 혹은 영하 250도 이하의 초저온 유통망이 필요한 수소는 차세대 탄소중립 연료가 되기 위해서는 앞으로 갈 길이 멉니다.

IMO 2050을 대응하는 주류 기술과 연료에 대한 모색과 실험이 향후 수년간 활발하게 진행될 전망입니다. 이미 노르웨이 등 유럽의 각국은 메탄올, 암모니아, 수소 연료전지 선박들을 한 두 대씩 운항하기 시작했습니다. 그 과정에서 기술을 축척하면서 연료의 생산원가를 줄이는 노력을 병행할 것으로 예상됩니다. 국내 조선업계도 관심을 가지고 선택과 집중이냐 혹은 복수의 옵션을 고루 고려할 것인가의 선택이 필요한 시점이 다가오고 있습니다. 한 가지 분명한 것은 IMO 2020을 대처하는 선사들의 선택에서도 나타나듯이 이 업계는 상당히 보수적이라는 점입니다. 모든 것이 다 새로운 기술 보다는 다소 한계가 있더라도 가급적 기존의 인프라와 관행, 유통망을 최대한 활용할 수 있는 기술이 좀 더 가능성이 있지 않을까 예상됩니다.