안영수 한국에너지기술연구원 미래원천기술연구본부 본부장 / 책임연구원

1. 에너지·환경 분야에 있어서의 그린에너지 산업의 메가트렌드
해외 에너지자원 의존도가 97%가 넘는 세계 10위의 에너지 소비국인 우리나라는 세계적 이슈인 화석연료 고갈과 이산화탄소 저감정책으로 그린에너지산업이 신성장동력과 일자리를 창출하는 신국가발전 패러다임으로 나아가고 있다. 더구나 2013년경에는 온실가스 감축의무국에 편입되는 정치적 여건도 그린에너지 산업의 지속적인 성장전망을 낙관하고 있다.
그린에너지 산업은 온실가스를 획기적으로 감축하는 혁신적 에너지기술에 기반한 산업으로 신재생에너지, 화석연료 청정화, 효율향상 분야로 크게 나눌 수 있다. 따라서 신재생에너지를 포함한 에너지 효율향상 및 청정이용 기술도 그린에너지 기술에 포함시켜 그린에너지 산업에서의 쟁점사항과 이들 산업에서 활용되는 핵심소재인 세라믹스를 요약 정리하였다. 그린에너지 산업의 기술발전 주기를 고려하면 단기적으로는 에너지 효율향상, 청정환경, 재생에너지보급 확대에 주력하고, 중기적으로는 CCS(Carbon Capture & Storage), 화석연료이용 수소제조, 천연가스이용 물질합성 기술에 집중하며, 장기적으로는 재생에너지이용 수소제조, biorefinery에 기반한 고부가 물질합성 기술 개발이 필요하다. [그림 1]에는 에너지·환경 분야에 있어서의 그린에너지 산업의 메가트렌드를 나타내었다.
2. 에너지 효율향상 산업
국내 부문별 에너지소비량은 산업(56%), 수송(21%), 가정상업(21%) 등의 순위이므로 고유가 및 기후변화협약 시대에 대응하기 위해서는 산업, 수송, 가정상업(건물 등) 부문에서의 에너지절약이 중요하다. 각 산업별 에너지소비량은 화학(46%), 철강(40.8%), 제조(18.5%), 세라믹(12.6%), 제지(10.8%), 기계(9.9%) 등의 순위이므로 화학 및 철강 산업에서의 에너지 효율향상이 중요하다. 따라서, 화학산업에서의 유무기물합성, 플라스틱 등 석유제품 합성 등 석유화학, 정밀화학 부문의 반응, 분리 공정 고효율화 기술과 철강산업에서의 단열, 열교환증진, 전력손실 방지 기술 개발이 필요하다. 수송연료 소비량은 가솔린, 디젤, 천연가스 등의 순위이므로 가솔린 자가용 자동차의 고효율화 기술이 필요하다. 따라서 신연소, 차체경량화, 하이브리드용 전지(슈퍼캐패시터), 연료전지 기술 개발 필요하다. 특히, 수송용 연료전지(PEMFC) 기술은 이산화탄소배출, 유해물질배출, 에너지절약을 동시해 달성할 수 있는 기술로서 집중적 투자 요구된다. 가정상업 특히, 건물부문에서의 에너지소비량은 상업용 건물의 경우 조명, 냉온방, 온수 등의 순으로, 거주용 건물의 경우 냉온방, 온수, 가전, 조명 등의 순위이다. 따라서 건물 부문의 에너지절약의 핵심은 냉온방 효율 증진이므로 고효율 공조, 단열 기술 개발이 절실하다. <표 1>에는 에너지 효율향상 부문의 산업별 쟁점사항과 이들 산업에서 활용되는 세라믹스 핵심소재 등을 요약하여 나타내었다.

3. 청정환경 산업
청정환경 기술은 토양, 수질, 대기 중의 유해물질을 저감하는 기술로 현재 우리나라는 수질, 토양 문제는 어느 정도 해결되었으므로 청정환경 분야에서는 저비용 해수담수화, 고효율 대기환경 개선 기술개발이 필요하다. 따라서 역삼투압 기술을 대체할 저비용(재생에너지 이용) 해수담수화 기술과 특히, 수송 부문에서의 대기오염물질 고효율 저감기술 개발이 절실하다. 또한 철강산업, 발전산업, 소각로 부분의 유해물질 제거기술도 개발되어야 한다. <표2>에는 청정환경 부문의 산업별 쟁점사항과 이들 산업에서 활용되는 세라믹스 핵심소재 등을 요약하여 나타내었다. 

4. 재생에너지 산업
재생에너지 확인잠재량은 태양(11,100,000천toe/년), 풍력(161,737천toe/년), 바이오매스(11,280천toe/년) 등의 순위이나 실제 대체에너지 사용 비율을 보면 폐기물(72.4%), 수력(23.4%), 바이오(3.3%), 태양광/열(0.7%), 풍력(0.2%) 순위이다. 부존자원이 없는 한국에서 가장 주력해야 할 부문은 재생에너지 관련 핵심기술 확보인 것으로 판단되며 특히, 태양전지, 바이오연료 관련 기술 확보가 절실한 시점이다. 태양전지의 보급 한계는 고비용성에 달려 있으므로 태양전지 기술은 저비용화와 고효율화라는 두 목표를 균형있게 확보하는 전략이 필요하며, 다결정실리콘, 염료감응, 박막형 태양전지 등의 개발에 집중할 필요가 있다. 또한 바이오연료 제조 즉, 발효 및 정제 기술의 고효율화가 필요하다. 또한, 생산과 소비의 체인이 짧은 우리나라의 경우, 폐기물 자원의 회수 및 이용은 에너지절약을 달성할 수 있는 좋은 기회임을 분명히 밝히는 바이며 또한 재생에너지에 대한 정부보조금 지원 확대가 필요하다. <표3>에는 재생에너지 부문의 산업별 쟁점사항과 이들 산업에서 활용되는 세라믹스 핵심소재 등을 요약하여 나타내었다.

5. 기후변화협약 대응 산업
지구온난화의 주범인 이산화탄소는 산업(34%), 전환(31%), 수송(20%), 가정상업(13%) 등의 순으로 배출되고 있다. 따라서 산업, 전환, 수송 부문의 이산화탄소 배출 저감이 필요하다. CCS는 이산화탄소 포획 및 저장에 관련된 기술을 의미하며 저장장소가 부족한 우리나라는 포획부문에 기술을 집중할 필요성 있다. 전환부문은 연소후회수, 연소전회수, 순산소연소 등이, 수송부문은 연료전지 등이 대안기술로 제시되어 인정받고 있다. 그러나 산업과 가정상업 부문은 어떤 특별한 대안기술이 없는 상태이므로 에너지 효율향상 기술 확보에 중점을 두어야 한다.  연소후회수 기술로는 습식흡수, 건식흡수, 흡착, 심냉 등의 기술이 제시되고 있으나 발전부문 특히, 미분탄연소에서의 저비용(US$10/TC) 회수기술 확보에 실패함에 따라서 분리막 등 저비용 달성 기술 개발에 집중할 필요가 있다. 순산소연소 기술부문은 고농도(90~95%)의 이산화탄소를 직접 회수할 수 있으므로 향후 지속적인 개발과 실용화가 필요하며, 그 성공 열쇠는 저비용 공기분리(O2/N2분리, O2 생산) 기술 확보에 달려 있으므로 심냉, 흡착, 막분리 등의 기술개발이 필요하다. 연소전회수 기술은 한마디로 화석연료 이용 수소제조 및 이용기술로 요약된다. 연소전회수 기술의 핵심은 천연가스 개질/정제/수소분리, 석탄기화를 위한 산소제조/기화/정제/수소분리, 원자력이용 수전해 등으로 파악되며 또한 수소가스터빈, 연료전지(SOFC) 등도 부가적으로 개발되어야할 사안으로 판단된다. <표4>에는 기후변화협약 대응 부문의 산업별 쟁점사항과 이들 산업에서 활용되는 세라믹스 핵심소재 등을 요약하여 나타내었다.

6. 수소경제 대응 산업
수소경제 대응 기술 부문은 석탄, 천연가스로부터 수소를 제조하는 분야, 태양, 풍력, 폐열 등 대체에너지원과 원자력을 이용, 물분해하여 수소를 제조하는 분야, 그리고 제조된 수소를 저장 및 이용하는 분야이다.
수소는 고갈되는 화석연료를 대체할 수 있으며 기후변화의 원인인 이산화탄소를 선 배제할 수 있다는 점에서 의미를 갖는다. 수소경제 실현은 저비용 수소 제조, 고효율 수소 저장 및 이용 기술의 확보에 달려 있다. 특히 주목해야할 기술로는 태양광, 바이오 이용 고효율 물분해 기술과 폐열 이용 수전해 전지 기술이다. <표5>에는 수소경제 대응 부문의 산업별 쟁점사항과 이들 산업에서 활용되는 세라믹스 핵심소재 등을 요약하여 나타내었다.
7. 고부가가치 물질합성 산업
고부가가치 물질합성 기술은 원유에 기초한 화학산업(정유, 석유화학, 정밀화학)을 통한 화학물질 합성 기술을 대체할 석탄, 석유, 바이오매스를 이용한 고부가가치 물질 합성 기술로 정의되며 에너지원이 해결된 후에 급부상하게 될 미래 에너지기술 분야이므로 이에 대한 투자가 필요하다. 중기적으로는 석탄, 천연가스로부터 화학물질을 합성하는 CTL, GTL 기술 즉, 고효율 F-T(Fischer-Tropsch) 반응 및 MC(Methane Coupling) 반응 기술 개발을, 장기적으로는 셀룰로우즈, 리그닌 등 바이오매스 구성자로부터 연료 및 화학제품을 얻는 biorefinery 기술 개발이 필요하다. <표6>에는 고부가가치 물질합성 부문의 산업별 쟁점사항과 이들 산업에서 활용되는 세라믹스 핵심소재 등을 요약하여 나타내었다.

8. 그린에너지 산업에서의 세라믹스
정부에서는 거대 성장동력을 창출할 그린에너지 산업의 9대 중점기술 분야로서  태양광, 풍력, 수소연료전지, IGCC(석탄가스화 복합발전),  CTL(석탄액화) 및 GTL(가스액화), CCS, LED, 전력IT, 에너지저장, 소형열병합, 히트펌프, 초전도체 기술을 제안한 바 있는데 이들 중점기술 분야에서의 핵심기술을 보면 대부분의 분야에 핵심소재로 세라믹스가 들어가 있다.
중점기술인 태양광 분야에서는 차세대 박막 태양전지 소재로 있는 CIGS 그리고 CTL, GTL, IGCC 및 CCS 분야에서는 CO2/H2S/중금속 등 제거용 흡착제 및 촉매, 세라믹 집진필터, 산소/수소/이산화탄소 세라믹 분리막, 연료전지(SOFC) 분야에서는 전극 및 전해질 소재, LED 분야에서는 무기질 형광체, 에너지저장 분야에서는 이차전지용 전극소재로 세라믹스 소재 등이 핵심소재로 들어가 있다. 따라서 그린에너지 산업이 신성장동력으로 부상되고 이를 실현시키기 위해서는 중점기술 분야에서 핵심기술로 있는 세라믹스 소재 개발이 병행하여 추진될 필요가 있고, 정부 차원에서 이들 핵심소재에 대한 집중적인 연구개발 투자가 이루어질 필요가 있다.

그림 1. 에너지 환경 분야에서의 그린에너지 산업 메가트렌드

안영수
한양대학교 무기재료공학과 학사
한국과학기술원 재료공학 석사
충남대학교 재료공학 박사
한국에너지기술연구원 에너지신소재연구부장 책임연구원
현 한국에너지기술연구원 미래원천기술연구본부장 책임연구원

<본 사이트는 일부 자료가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>