넷제로 달성을 위해서 지속가능한 에너지 전환은 필수 과제입니다. 국제에너지기구(IEA)와 맥킨지 EMIT 데이터베이스에 따르면, 에너지 생산과 소비는 전 세계 이산화탄소 배출량의 85%이상을 차지하며, 2023년 전 세계 에너지 관련 CO2 배출량은 1.1% 증가하여 사상최고치인 374억톤(Gt)에 도달했다고 나타났습니다. 기업과 각 국의 정부는 지속가능한 에너지 전환을 위해 다방면으로 노력하고 있으나, 여전히 에너지 전환은 초기 단계에 머물러 있습니다. 지난 10년 동안 소비된 1차 에너지 단위당 탄소 배출 강도는 약 7% 감소했지만, CO2 배출량은 여전히 전 세계적으로 증가하고 있습니다. 화석 연료는 여전히 전세계 1차 에너지 수요의 약 80%를 차지하며, 특히 2022년 기준, 7가지 주요 에너지 시스템에서의 저배출 기술 보급률은 2050년까지 요구되는 수준의 약 10%에 불과합니다. (그림 1 참고). 이러한 저배출 기술 배포를 확대하고 에너지 전환을 가속화하기 위해서는 에너지 전환이 무엇보다 물리적인 변화에 속한다는 사실을 인지해야 하며, 이러한 물리적인 과제들을 해결하기 위한 지원정책의 확대와 관련 이해관계자의 적극적인 참여가 반드시 동반되어야 합니다. 이에 McKinsey Global Institute는 ‘The hard stuff: Navigating physical realities of the energy transition’ 보고서에서 에너지 전환 과정에서 에너지 시스템의 7가지 주요 영역이 직면한 25가지의 물리적인 과제들을 3가지 단계로 나누어 살펴보고 단계별 대응 방안 및 관련 이해관계자들의 역할을 모색합니다.
*유엔글로벌콤팩트 한국협회는 McKinsey Global Institute 보고서를 번역 및 요약하여 소개합니다.
1. 7가지 에너지 시스템의 물리적 과제
지속가능한 에너지 전환을 위해서는 에너지 시스템의 주요 영역에서 직면한 물리적인 과제의 규모와 특성을 파악하여 문제해결의 우선순위를 정하고, 필요한 기술과 지원책을 구상하여 적절한 조치를 행하는 것이 중요합니다. McKinsey가 파악한 에너지 시스템의 7가지 주요 영역은 ▲전력, ▲운송, ▲산업, ▲건물, ▲원자재, ▲수소 및 에너지 운반체, ▲탄소 및 에너지 감축으로, 각 영역은 서로 밀접하게 연결되어 있어 지속가능한 에너지 전환은 이러한 연결성을 고려해 이루어져야 합니다. (그림 2 참고) 각 영역에서 확인된 주요 과제는 총 25가지로 ▲기술적 성능 격차/수준, ▲과제 간의 상호의존성, ▲인프라 및 인풋 확장 속도 및 규모에 따라 다음과 같이 3가지 난이도로 분류할 수 있습니다. (그림 3 참고)
- 레벨1: 기존 기술을 활용하여 대부분의 과제해결이 가능하나 기술 확산 과정의 발전이 필요한 상태이며, 다른 과제와의 상호의존성이 가장 낮고, 관련 인프라와 인풋 확장이 에너지 전환을 위해 필요한 적절한 속도로 진행되고 있는 물리적 과제
- 레벨2: 레벨 1보다 고도화된 기술의 활용과 기존 기술의 확산에 가속화가 필요한 상태이며, 다른 과제와의 상호의존성이 있고, 관련 인프라와 인풋 확장이 필요한 물리적 과제
- 레벨3: 가장 고도화된 새로운 기술이 필요하나 현재 기술혁신 정도가 미미한 수준이고, 다른 과제와의 상호의존성이 가장 높으며, 대규모의 인프라 및 인풋 확장이 필요한 물리적 과제
- 전력 (Power)
전반적으로 저공해 발전 용량은 2050년까지 약 10배 증가해야 합니다. 두 가지 레벨 3 과제는 태양열과 풍력의 발전 비중이 높아짐에 따라 전력 시스템의 변동성을 관리하는 것과 빠르게 성장해야 하는 신흥 전력 시스템에서 이를 관리하는 것입니다. 특히, 가변재생에너지의 간헐성을 관리하기 위해 현재보다 훨씬 더 “유연한” 전력시스템 구축을 위한 솔루션 즉, 백업발전, 전력저장, 여러 지역의 전력망 상호연결 등이 전력수요보다 2~7배 빠르게 증가해야 하지만 현재 모두 난관에 봉착해 있습니다. 다른 4개의 레벨2 과제는 재생에너지 확대를 위한 충분한 토지확보, 현재의 송배전 인프라 투자 및 전력망 확장, 기타 청정전력의 배치 가속화, 전력수요의 유연성 증가와 관련되어 있습니다.
- 운송 (Mobility)
넷제로 달성을 위해 현재 약 3,000만 대에 달하는 운행 중인 전기차 수는 2050년까지 약 10억 대로 급증해야 합니다. 이를 달성하기 위해 해결해야 할 두 가지 과제는 (1) 배터리 전기차(BEV)의 생애배출량 감소를 보장하는 것과 (2) 모든 수요를 충족할 수 있는 충분한 주행거리를 확보하는 것입니다. 후자의 경우, 이미 약 70%의 가정에서 배터리 전기차를 사용하고 있으나, EV 충전 인프라와 공급망의 확장의 경우, 아직 갈 길이 멀어 레벨 2의 과제에 해당합니다. 트럭 운송, 항공, 해운은 무거운 짐을 싣고 장거리를 이동해야 하기 때문에 탈탄소화 과정의 난이도가 높아 레벨3 과제에 해당합니다.
- 산업 (Industry)
철강, 시멘트, 플라스틱, 암모니아 등 현대 문명의 ‘빅4’ 산업 소재의 탈탄소화는 이제 막 전환이 시작되는 과정에 있으며, 모두 화석연료에 크게 의존하고 있습니다. 화석연료는 많은 공정에서 원료로 사용되거나 고온의 열을 발생시키는 연료로 사용되기에 해당 산업분야는 공정과정에서의 탄소배출과 열배출을 줄여야 하는 4가지의 레벨3 과제를 안고 있습니다. 이에 에너지효율 향상, 수소 및 재활용 원료 등 다양한 공급원료, 대체재료 사용, 전기화, 바이오매스 같은 대체연료, 탄소포집 등의 추가적인 조치가 필요합니다. 일반 제조업과 같은 그 외 다른 산업군들은 일반적으로 고온의 열이 필요하지 않고 화석연료를 공급원료로 사용하지 않는 경향이 있어 심각한 수준은 아니지만 열을 공급하기 위한 저배출 공정은 여전히 확장되어야 하기에 레벨2 과제에 해당합니다.
- 건물 (Buildings)
건물 관련 탄소배출량에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 난방입니다. 히트펌프는 이미 확립된 기술이며 우수한 성능을 보유하고 있지만 여전히 두 가지 물리적 과제에 직면해 있습니다. 추운 온도에서 에너지 효율을 보장하는 것이 레벨1 과제이며 (95% 이상의 사람들이 기존 히트펌프 기술이 작동하는 장소에 살고 있다는 사실 기반), 히트펌프 사용이 확대될 경우 일부 지역에서 최대 전력 수요가 두 배 또는 세 배로 증가할 수 있는 상황을 관리하는 것은 레벨2의 과제에 해당합니다.
- 원자재 (Raw Materials)
리튬, 코발트, 희토류와 같은 주요 광물의 수요는 급증할 것으로 예상되지만 현재 공급량은 2050년까지 수요의 약 10~35%에 불과합니다. 이에 따라 광물 수요 관리와 함께 공급을 가속화해야 하는 것이 원자재 분야의 주요 레벨 2 과제입니다.
- 수소 및 기타 에너지 운반체 (H2 and other energy carriers)
산업 공정의 대체 연료와 공급 원료로 사용하려면 새로운 에너지 운반체가 필요합니다. 한 가지 옵션은 수소인데, 수소는 두 가지의 레벨3 과제에 직면해 있습니다. 첫째, 수소 분자는 사용하기 전에 많은 단계를 거치므로 에너지 손실이 발생하는데, 이러한 손실을 최소화하고 수소의 유리한 특성과 균형을 맞춰야 합니다. 둘째, 수소 생산 및 인프라의 확장이 필요하나 현재 운영 중인 대규모 저배출 수소 프로젝트는 거의 없습니다. 수소 외에도 증가하는 바이오 연료의 토지 발자국을 관리하는 레벨 2의 과제가 있습니다.
- 탄소 및 에너지 감축 (Carbon and energy reduction)
전반적인 탄소 및 에너지 감축을 가속화하기 위해서는 고배출 기술을 저배출 기술로 새롭게 대체하고, 현재 사용 중인 기술의 에너지 소비량과 배출량을 동시에 줄이는 것도 필요합니다. 이에 따라 건물 단열개선과 같은 기존 접근방식을 통해 에너지 효율을 확대하는 것이 레벨2 과제입니다. 시멘트와 같은 새로운 포인트 소스에서 탄소를 포집하는 것은 현재 다른 기술보다 3배 더 어렵고 비용이 많이 들 수 있으며, 직접 공기 포집을 통해 대기에서 탄소를 제거하는 것은 훨씬 더 많은 비용이 소요될 수 있어 두 가지 과제 모두 레벨3에 해당합니다.
2. 에너지 전환을 위한 물리적 과제 대응 방안 및 이해관계자의 역할
1) 물리적 과제 해결을 위한 기술적 대응 방안
- 기술혁신 가속화: 새로운 에너지 시스템을 구축하는 과정에서 지속적인 기술혁신과 확장은 매우 중요합니다. 이는 더 높은 에너지밀도를 가지는 배터리, 더 효율적인 수소 전해조, 전기분해와 같은 새로운 고열 산업공정의 전기화 형태로 나타날 수 있습니다. 이러한 새로운 에너지 기술혁신의 가속화를 위해서는 다양한 접근방식으로 고성능 에너지시스템을 구축해야 합니다.
- 기술결합 구성의 변화: 기술혁신을 넘어 개별기술을 새로운 구성으로 결합하여 전체 에너지시스템의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 태양광 및 풍력과 같은 재생에너지의 가변성을 관리하기 위해 백업발전 및 전력저장 기술의 도입과 여러 지역 전력망의 상호연결을 통해 전력시스템의 개별기술을 재구성하여 전체 에너지시스템의 효과성을 향상시키는 것을 의미할 수 있습니다. 다시 말해, 새로운 에너지시스템은 저배출 기술의 성능 특성과 이들이 함께 작동하는 방식을 최대한 고려하여 활용하는 방식으로 발전되어야 합니다.
- 에너지 사용 방법 개선: 에너지 및 자재 소비 방식과 관련된 사용방법도 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 배터리의 에너지밀도가 낮기 때문에 배터리 전기 트럭은 재충전 없이는 디젤 트럭과 같은 거리를 주행할 수 없지만, 트럭 운전자가 일정 간격으로 의무적으로 정차하여 휴식을 취해야 하는 시간을 활용하여 경로를 재구성하고 충전소의 위치를 조정하면 휴식시간 동안 트럭을 충전할 수 있습니다. 마찬가지로, 일부 산업자재의 탈탄소화는 어려운 과제이므로 대체자재 사용의 타당성을 검토하는 것이 합리적일 수 있습니다. 교차적층목재*는 현재 시멘트 사용의 10% 이상에 적용될 수 있으며, 잠재적으로는 그보다 몇 배 더 많은 분야에 적용될 수 있을 것으로 추정됩니다.
* 교차적층목재 (Cross-Laminated Timber, CLT)는 두꺼운 판재를 서로 직각으로 붙여 콘크리트보다 강하지만 환경변화에 따라 상태의 변질이 쉬운 목재의 단점을 최소화한 자재입니다. 다수의 연구에 따르면, CLT는 잠재적으로 다층 건물의 탄소 발자국을 약 40% 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.
전반적으로, <그림 5>에서 확인할 수 있듯이, 모든 분야에 걸쳐 물리적 과제 해결을 위해 기술적 혁신이 필요하고, 기술의 적절한 재구성과 에너지 시스템의 사용 방식의 변화가 필요합니다
2) 물리적 과제 대응을 위한 단계별 이해관계자의 역할
지속가능한 에너지전환을 위한 기술혁신과 시스템의 재구성은 중요한 요소이며, 이를 실행하기 위해서는 공공 및 민간의 공동 노력이 필요합니다.기업의 CEO는 물리적 문제가 탄소중립을 향한 경로에 어떤 영향을 미치고 제품과 서비스에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 이해해야 합니다. 또한 물리적 문제를 해결함으로써 조직이 얻을 수 있는 잠재적 가치를 평가하여 기회를 포착하고 조직을 위한 가치를 창출하기 위해 어떠한 기업 전략을 세워야 하는지 결정해야 합니다.정책입안자 역시 물리적 도전에 대처하기 위한 통합적이고 일관된 접근방식을 보장하는 데 중요한 역할을 해야 합니다. 기업이 의사결정에 배출량을 고려하고 서로 협력하며 오늘날의 고성능 에너지시스템을 변화시키는 어려운 과제에 참여할 수 있도록 적절한 인센티브와 정책환경을 조성해야 합니다. 전환을 위한 물리적 과제가 해결됨에 따라, 단기적으로 기존 에너지시스템과 신에너지시스템을 병행하여 운영하는 최선의 방법을 고려하고, 현재의 고배출 시스템을 단계적으로 축소하여 저배출 시스템을 원활하게 확대하는 것도 중요합니다. 각 이해관계자가 단계별 물리적 과제를 대응하기 위해서는 다음과 같은 전략 및 조치가 필요합니다.
- 레벨1: 레벨1 과제의 경우, 과제 해결을 위한 기술의 발전이 적정수준에 도달했고 상호의존성이 최소이며 확장이 잘 진행되고 있는 영역에 해당합니다. 이는 조직에 단기적인 가치창출을 위한 잠재적 기회를 제공하기도 합니다. 기업은 전략적 우위를 점할 수 있는 분야를 선별하고, 가치창출 전망이 가장 좋은 지역을 탐색할 수 있습니다. 이를 위해서는 고배출 기술에 비해 저배출 기술의 현재 및 잠재적 미래비용을 모두 이해하고 예측해야 합니다. 정책 입안자들도 해당 지역에서 이러한 레벨1 과제의 해결을 위한 리소스 투입을 촉진하기 위해 무엇이 필요한지, 인센티브 제공 및 적절한 수요신호 전송 등을 통해 민간 부문의 잠재력을 최대한 발휘하여 이러한 기회를 포착할 수 있는 방법을 지원해야 합니다.
레벨2: 레벨2의 경우, 고도화된 기술의 도입이 시급하지만, 단기적인 제약이 존재하는 상황입니다. 핵심은 특히 중요한 병목현상과 이를 해결하기 위한 옵션을 식별하고 예측하는 것입니다. 기업의 경우, 공급업체와의 협업을 통해 중요한 인풋을 확보하고, 공급망의 역량을 구축하여 안정화된 공급을 보장하며 기술혁신을 통해 에너지수요 규모를 충족하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지를 고려하는 등의 조치를 의미합니다. 어떤 경우에는 병목현상을 해소하는 역할을 하는 것이 가치창출의 기회이기도 합니다. 예를 들어, 전 세계적으로 중요한 투입물과 기술을 공급하는 주요 지역과 기업은 다른 조직의 탈탄소화를 확장하는 데에도 중요한 역할을 할 수 있습니다. 정책입안자들은 이해관계자 간의 행동을 조율하고 송배전 허가 또는 토지 가용성과 관련된 제약조건을 푸는 등의 정책 변화를 통해 지원할 수 있습니다.
레벨3: 레벨 3과제는가장 큰 불확실성을 수반하며, 규모를 확장하기까지 가장 많은 노력과 시간이 필요한 단계입니다. 기업은 이러한 과제를 해결하기 위해 기업이 비교우위를 창출할 수 있는 분야, 가치창출의 잠재력이 있는 분야, 그리고 레벨3 과제를 특히 어렵게 만드는 특징에 대한 깊은 이해를 바탕으로 가장 유리한 위치와 방법을 고려해야 합니다. 기업은 개별적으로 기술의 성능 격차를 해소하기 위해 혁신할 수 있는 부분을 고민하거나, 다른 기업과의 협력을 통해 기술 간 결합 방식과 최종 사용 부문에서의 성능 격차를 해소할 수 있는 기술을 채택하는 방식을 고안하기 위한 광범위한 시스템 차원의 변화를 고려해야 합니다. 중요한 것은 이러한 과제가 완전히 해결되기 위해서는 많은 시간이 필요하지만, 에너지 효율성을 개선하거나 산업공정에서 재활용 투입물을 사용하는 등 단기적으로 일부 진전을 이룰 수 있는 기회는 여전히 존재한다는 점입니다. 정책입안자들은 기술혁신에 투자할 인센티브를 창출하고, 시스템 전반의 변화를 위한 부문 간 협업을 촉진하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.
※ 본 글은 McKinsey Global Institute의 The hard stuff: Navigating physical realities of the energy transition을 유엔글로벌콤팩트 한국협회가 편집 및 번역하여 작성한 내용입니다. 무단 도용을 금하며, 사용 시 출처를 반드시 명기하시기 바랍니다.
