# 경제 전반의 탈탄소화에 대한 전망
# 전기 부문 관점
수소 및 그에 따라 암모니아, SNG 및 기타 합성 연료와 같은 다른 청정 AEC를 생산하기 위한 한 가지 잠재적 방법은 청정 전기로 구동되는 전기 분해입니다(종종 P2G(Power to Gas)라고 함). 청정 에너지 공급 장치를 사용하면 앞서 변환 3에서 설명한 것처럼 전기화를 통해 탄소를 제거할 수 있습니다.[1] 그러나 고온, 보다 빠른 온도 상승, 시스템 복원력 또는 장기 에너지 저장의 필요성 등의 이유로 인해 연료를 사용하는 프로세스를 전기 사용으로 직접 전환하는 것은 경제적으로 실현 가능하지 않거나 심지어 불가능할 수도 있습니다. 따라서 이러한 공정을 위한 저탄소 솔루션을 제공하려면 청정 에너지로부터 수소를 생산하는 것이 필요할 수 있습니다.
# 수소 생산 및 간접 전기화 기회에서의 현재 전력 사용량
현재 전 세계적으로 연간 사용되는 70MMt의 순수 수소(IEA 2019b) 중 비교적 적은 양이 전기 분해에 의해 생산되지만, 이 수소를 생산하는 데 필요한 전기 사용량은 사소한 것이 아닙니다. 전기 분해기의 비에너지 사용량이라고도 하는 전기에서 수소로의 전환 효율 중앙값은 현재 약 53kWh/kg-H2[2]입니다(Mayyas 2018). 이것이 현재 배치된 전해조의 비에너지(Specific energy)라고 가정하면 현재 약 0.5MMt의 수소를 생산하는 데 매년 거의 26.6TWh의 전기가 사용됩니다. 이는 전 세계 총 전력 사용량의 0.1%(IEA 2019a), 즉 2018년 뉴멕시코 주의 총 전력 소비량(EIA 2020a)보다 약간 많습니다.
그림 11은 전기 분해에서 공급되는 순수 수소에 대한 다양한 전류 공급량에 필요한 전력 소비를 보여줍니다. 탄소 배출 감소 관점에서 흥미로운 생산 수준은 현재 석탄 가스화에 의해 공급되는 수소를 전기 분해로 대체하는 경우입니다. 이 경우 전기 분해로 인한 순수 수소 공급량을 약 30%로 끌어올리고 1097TWh의 전기를 필요로 하며, 이는 2018년 전 세계 전력 수요의 4.1%, 즉 2017년 러시아의 전력 소비량(IEA 2021)에 해당합니다. 이 전환은 탄소 배출을 358MMt[3] 감소시킬 것이며, 이는 사용된 모든 전기가 탄소 배출이 없는 발전에서 공급된다고 가정할 때 전 세계 탄소 배출의 1%가 감소됨을 나타냅니다. 또는, 현재 순수 수소 수요의 100%가 전기 분해에서 나온다면 3657TWh의 전기가 필요하며, 이는 2018년 미국 전력 생산량의 88%를 차지합니다(EIA 2019).
# 수소 수요 증가에 따른 전기 분해 기회
그림 12a에서 볼 수 있듯이 지금과 2050년 사이에 예상되는 수소 수요 증가에는 상당한 범위가 있습니다. 수요의 차이는 무엇보다도 미래의 수소 비용에 대한 가정의 차이, 탄소 가격 책정 또는 배출량을 줄이기 위해 고안된 기타 정책, 특정 분야를 수소 사용으로 전환하는 기술적 능력 등으로 인해 발생합니다. 그러나 2050년까지 수소 소비에 대한 기준선 예측은 일반적으로 Shell 시나리오(Shell 2018)에서 약 2배 증가하여 수소 위원회 시나리오(Hydrogen Council 2017)에서 거의 8배까지 다양합니다. 그림 12b는 전기 분해 효율이 개선되지 않는다는 가정 하에 두 시나리오에 대한 2050년 순수 수소에 대한 예상 전력 수요를 보여줍니다. 각각의 경우 전기 분해로 예상 순수 수소 수요의 20% 이상을 공급한다면 순수 수소 생산에 필요한 전기량은 2018년 전 세계 전력 소비량 26,672TWh의 5%를 초과합니다(IEA 2019a). 극단적으로 더 높은 시나리오에서 순수한 수소의 100%가 전기 분해로 공급된다면 필요한 전기량이 2018년에 전 세계에서 소비되는 총 전기량을 초과할 것입니다.
# 천연가스 부문 전망
21세기 중반까지 NZE를 달성하려면 전체 경제와 모든 형태의 에너지에 걸친 탄소 감소가 필요하지만, 그렇다고 해서 그러한 미래에 화석 연료나 가스 기반 시설의 역할이 없다는 의미는 아닙니다. 오늘날 천연가스는 경제의 모든 주요 부문에 안정적이고 저렴한 에너지원을 공급합니다. 그러나, 21세기 중반의 온실가스 배출 감소 목표를 달성하기 위해서는 대부분의 심층적인 탈탄소화 연구 및 방법 분석에서 경제 전반에 걸친 화석 연료 소비가 감소해야 하지만 완전히 사라지지는 않아야 한다는 결론을 내렸습니다. 이는 규제 대상 비즈니스 모델이 현재 신뢰할 수 있고 저렴한 천연가스 공급원을 조달하여 가스 네트워크를 통해 최종 사용자에게 안전하게 공급하는 데 중점을 두고 있는 천연 가스 시설 업체(현지 유통업체 또는 LDC라고도 함)에게 도전과 기회를 안겨줍니다.
단기적으로 LDC는 시스템 전체에 걸쳐 CH4 누출을 줄이는 데 지속적으로 진전을 이루면서(이전 그림 4 참조), 고객의 에너지 효율 향상을 위해 리모델링, 효율성이 향상된 주거 기술 구현, 고급 열펌프 및 하이브리드 난방 시스템 등의 신기술 구축을 통해 에너지 효율성을 높일 수 있도록 지원할 것입니다. 또한, 많은 LDC는 탄소 집약도를 낮추기 위해 재생 가능 가스를 파이프라인에 혼합하는 프로그램을 적극적으로 추진하고 있습니다. 이미 취한 조치를 통해 미국의 천연 가스 소비는 1970년대 초반 수준에 비해 이미 경제의 모든 부문에서 1인당 기준으로 거의 50% 감소했습니다(그림 13).
전력 부문이 화석 연료에서 무배출 자원으로의 전환이 평가되고 운송 및 산업 부문의 기타 천연 가스 최종 용도가 점점 더 전기화됨에 따라 기존 천연 가스 공급 및 기반 시설이 이러한 에너지 전환에서 핵심적인 역할을 할 것입니다. 천연 가스 발전소는 전력망에 통합되는 가변 재생 에너지의 양이 증가함에 따라 전력 공급의 신뢰성과 복원력을 유지하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 또한 CCS를 갖춘 천연 가스 플랜트는 완전히 탈탄소화된 전력 부문에서 안정적이고 탄력적인 전력 공급을 위한 옵션이 될 것입니다. 또한, 기존 가스 네트워크에 RNG, SNG 및/또는 수소를 혼합하면 가변 재생 자원에 의해 생성되는 초과 전력에 대한 장기 저장 자산 역할을 하면서 현재 천연 가스를 사용하는 분야의 탄소를 제거하는 데 도움이 될 것입니다. 2040년까지 미국에서 실현될 수 있는 기술적 재생 가능 가스 잠재력은 연간 4,000조Btu(Quads)이고, 연간 총 자원은 14Quads이며, 이는 현재 주거용 천연 가스 수요의 연간 양과 거의 맞먹습니다(AGF 2019). 이러한 공급원은 P2G(Power to Gas) 시설에 의해 생성된 수소 또는 합성 메탄 형태의 저탄소 가스 에너지로 더욱 보완될 수 있습니다.
천연 가스 시스템은 장기 에너지 저장 기능과 운영 유연성을 가능하게 하는 대부분의 연료의 자연 안정성뿐만 아니라 극단적인 날씨 사건이나 기타 자연 재해로 인해 중단될 가능성이 적은 지하 자산 등 고유의 복원력을 제공하는 몇 가지 특성을 가지고 있습니다. 기존 천연 가스 인프라를 활용하여 저탄소 자원에 맞게 조정하고 이를 전기 시스템과 더욱 긴밀하게 통합하는 것이 단일 에너지 운반체 시스템보다 더 저렴하게 에너지 시스템의 신뢰성과 복원력을 유지할 수 있는 방법이 될 수 있습니다. 이는 극한 기후(야생, 허리케인, 극지방 소용돌이) 및 잠재적 사이버 공격과 같은 신뢰성 위험이 증가하고 에너지 전달의 최종 사용에 대한 선택권이 증가한다는 점에서 특히 중요합니다.
전기화에 대한 자세한 내용은 EPRI의 U.S. National Electrification Assessment, product ID 3002013582 (opens new window)를 참조하십시오. ↩︎
이 중앙값은 알칼리 및 양성자 교환막(PEM) 전해조의 대략 중앙값입니다. 다양한 유형의 전해조에 대한 자세한 내용은 EPRI 보고서 Program on Technology Innovation: Prospects for Large-Scale Production of Hydrogen by Water Electrolysis, product ID 3002014766 (opens new window)를 참조하십시오. ↩︎
이 수치는 석탄 가스화를 위한 19MMtCO2/MMtH2의 탄소 배출량을 기반으로 합니다(IEA 2019b). ↩︎