요약 및 특징

'2050 탄소중립'을 위한 노력이 전 세계적으로 확산되는 상황에서 우리나라 탄소중립을 위한 시나리오 분석을 시도

2020년 이후 전 세계를 휘덮은 코로나19가 변이를 거듭하며 감염 확진자 및 사망자의 수가 줄어들지 않고 오히려 더 확산되고 있는 상황에서도 미국과 EU를 비롯하여 전세계 138개국이 탄소중립을 선언하거나 지지하고 있으며, 주요 국가들은 2015년 파리협정에 의거해서 설정하는 감축 목표인 2030년 NDC(Nationally Determined Contribution)를 강화하고 있다. 우리나라도 2020년 10월 대통령의 국회 시정연설에서 2050 탄소중립을 선언한 이래, 2021년 5월 대통령 직속 '2050 탄소중립위원회'가 출범하였고, 동년 9월에는 2050 탄소중립을 명시한 '기후위기 대응을 위한 탄소중립·녹색성장 기본법'을 제정함으로써 탄소중립의 법적 기반을 마련하였다. 탄소중립위원회는 최근 2030 국가 온실가스 감축 목표를 더욱 강화하는 '2030 NDC 상향안 (2021a)'과 2050년 탄소중립을 위한 '2050 탄소중립 시나리오 (2021b)'를 정부에 제출하였다. 이를 바탕으로 정부는 2021년 12월 유엔당사국총회에 2018년 대비 40% 온실가스 배출을 감축하는 정부 계획 (Republic of Korea, 2021)을 공식적으로 제출하였다.

'2021 장기 에너지 전망'은 2030 온실가스 배출을 획기적으로 줄이고 2050 탄소중립으로 나아가기 위한 노력이 진행되고 있는 가운데 진행되었다. 이를 위해 '2021 장기 에너지 전망'에서는 기준 시나리오(REF) 외에도 '2030 NDC 상향안' 및 '2050 탄소중립 시나리오'와 관련된 정책계획 시나리오(APS)와 탄소중립 시나리오(NZE)를 소개하고 있다. APS와 NZE는 모두 2030년 온실가스 감축 목표와 2050년 탄소중립을 지향하고 있으며, '에너지 탄소중립 혁신전략 (관계부처 합동, 2021)'을 중심으로 그 동안 정부 및 민간에서 발표한 부문별 세부 정책이나 기술들을 정책 수단으로 포함하고 있다. APS는 발표된 계획들 중에서 실현가능성은 배제하고 수단과 일정이 명확하게 제시된 경우에 한해 정책 및 기술 수단들이 계획대로 도입되었을 때 예상되는 에너지 수급 및 온실가스 배출 경로를 그리는 반면, NZE는 '2030 NDC 상향안'과 '2050 탄소중립 시나리오'의 부문별 온실가스 배출 감축 목표를 달성 또는 근접하는 경로를 묘사한다.

모든 시나리오는 인구와 경제 성장을 비롯하여 에너지 수급을 전망하기 위해 다양한 전제를 사용한다. 우선, 우리나라 인구는 2020년에 5,184만 명으로 정점을 기록한 이후 지속적으로 감소하여 2050년에 4,736만 명으로 2001년 수준(4,737만 명)까지 감소할 전망이다 (통계청, 2021). 인구 구조 측면에서는 생산가능인구가 빠르게 감소하는 반면, 고령인구는 빠르게 증가할 전망이다. 우리나라의 국내총생산(GDP)은 2020년에 코로나19의 영향으로 IMF 이후 처음으로 역성장을 경험하지만, 2021년에 4.0% 성장하고 2022년에는 3.0% 성장하면서 코로나19 이전에 비해 높은 성장세를 보일 것으로 예상된다. 하지만 2020년대 중반 이후로 경제성장률이 크게 둔화되면서 2% 이하의 성장세를 보이고 성장률의 감소 추세는 2050년까지 이어지면서, 2021~2050년의 경제성장률은 연평균 1.5%에 그칠 전망이다. 생산 부문은 보건·사회복지, 정보·통신 등을 중심으로 서비스 부문이 빠르게 성장하며, 제조업 내에서는 정보통신 기술 발전과 수요 증가에 힘입어 반도체, 디스플레이 등을 포함하고 있는 기계류가 빠르게 성장할 것으로 보인다. 한편, '2021 장기 에너지 전망'에서는 최근 IPCC (2021)에서 발표된 SSP(Shared Socioeconomic Pathways) 시나리오의 SSP2-4.5와 SSP1-2.6을 기온 전제로 사용하여 전망 기간의 냉방도일과 난방도일을 설정한다. 에너지 도입가격도 IEA 'World Energy Outlook 2021 (IEA, 2021)'의 STEPS(Stated Policy Scenario)와 NZE(Net Zero Emission)을 전제로 사용하고 있다.

'2030 국가 온실가스 감축'과 '2050 탄소중립'으로 가기 위한 출발선

현재 시행하고 있는 정책이나 도입이 확정되고 그 수단이 마련된 정책들이 향후에도 지속적으로 유지되며 추가적인 온실가스 감축 수단이 도입되지 않을 경우, 2020년부터 2050년까지 우리나라 총에너지 수요는 2020년 292.0백만toe에서 연평균 0.5% 증가하여 2050년에는 341백만toe에 도달하는 것으로 전망된다. 코로나19로 인한 침체에서 경제가 회복되면서 에너지 수요가 증가하는 가운데 탈탄소 노력으로 전기가 에너지 소비 증가를 주도하는 것이 특징이다. 총에너지 수요는 2020년에서 2025년까지 37백만toe가 증가하는 반면, 2025년 이후 25년동안 약 12백만toe가 증가하는 것으로 전망되어, 코로나19 이후 경제회복이 에너지 수요 증가 패턴에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.

코로나19 확산 이전에 이미 시작된 온실가스 및 미세먼지 저감 노력의 영향은 에너지 수요와 온실가스 배출의 전망 추이 차이에서 확인할 수 있다. 에너지 수요는 2050년까지 꾸준히 증가하는 반면, 온실가스 배출은 2020년 569.9백만톤-CO2eq에서 2050년 461.6백만톤-CO2eq로 감소한다. 구체적으로는 온실가스 배출이 2024년까지 629.4백만톤-CO2eq로 빠르게 증가한 후 감소하기 시작하여 2030년은 603.6백만톤-CO2eq, 2050년은 461.6백만톤-CO2eq으로 하락한다.

에너지 상품별 총에너지 수요의 변화를 살펴보면, 석탄, 석유, 천연가스 등 화석연료가 2020년에서 2050년 사이 6.3백만toe 감소하고 원자력은 14.7백만toe 감소하는 반면 신재생에너지 수요는 70백만toe 증가한다. 화석연료 중에서는 석탄과 석유 수요가 감소하지만, 전기 수요 증가로 인해 가스 발전이 증가하면서 천연가스 수요는 증가할 전망이다. 최종소비 부문의 에너지 수요는 2020년 222.5백만toe에서 2050년 242.0백만toe로 연평균 0.3% 증가한다. 최종소비 부문의 에너지 수요는 코로나19의 충격에서 회복하면서 2025년까지 빠르게 증가하며, 이후에는 증가 속도가 둔화되다가 2030년대 초반 약 248백만toe 수준에서 정점을 기록한 후 점차 감소한다. 최종소비 부문의 에너지 상품 구성이 화석연료에서 전기로 대체되면서 발전투입을 고려한 총에너지 수요는 2030년 이후에도 꾸준히 증가한다. 최종소비 부문의 에너지 수요는 2020년 에너지 소비의 절반 가량을 차지하는 석유가 2050년에는 42.8%로 감소하고 대신 전기가 19.7%에서 24.9%, 신재생에너지가 4.3%에서 5.9%로 확대된다.

이번 2021 전망은 총에너지 수요의 정점은 더욱 지연되고 온실가스 배출 정점은 앞당겨진 것이 특징이다. 총에너지 수요와 온실가스 배출의 추세는 과거에는 거의 유사한 움직임을 보였지만 전망 기간에는 변화 경로가 크게 달라질 것으로 분석된다. 즉, 총에너지 수요와 에너지 부문 온실가스 배출 사이에도 탈동조화 현상이 나타나면서, 온실가스 배출이 과거 전망보다 더 빠르게 감소할 전망이다. 국내총생산과 총에너지 수요의 탈동조화 현상은 대부분 최종소비 부문의 에너지 효율 개선에 기인한다. 에너지 효율 개선은 에너지원의 대체도 영향을 미치지만 주로 기존 기술의 효율 향상과 고효율 기기의 보급으로 결정된다. 에너지 소비와 온실가스 배출의 탈동조화 현상은 재생에너지 보급 확대 및 석탄 화력발전 설비의 폐지와 밀접하게 관련이 있다. '제9차 전력수급기본계획 (산업통상자원부, 2020)'의 설비 폐지 일정에 따라 석탄 화력발전소가 수명 30년을 기준으로 연료전환을 하거나 폐지되고, 재생에너지 발전 설비가 최근의 보급 확대 속도를 더욱 확대하여 2034년 100 GW, 2050년 207 GW 수준까지 증가하면, 에너지 수요 증가에도 불구하고 온실가스 배출은 감소한다.

국내총생산과 총에너지 수요의 탈동조화와 함께 에너지 수요와 온실가스 배출의 탈동조화는 경제 성장과 온실가스 배출 감축의 두 가지 목표가 어느 한 쪽의 희생을 요구하는 상충되는 목표가 아니라는 점을 암시한다. 하지만, REF의 온실가스 배출은 '2030 NDC 상향안'이나 '2050 탄소중립 시나리오'에서 제안한 2030년과 2050년의 온실가스 배출 목표에 비하면 여전히 높은 배출 수준을 보이고 있다. 특히, 에너지 수요나 온실가스 배출이 경로 종속적이기 때문에 2025년까지 에너지 소비와 온실가스 배출이 빠르게 증가하는 것이 '2030 NDC 상향안'이나 '2050 탄소중립 시나리오'의 감축 목표 달성을 어렵게 만드는 요인이 되고 있다.

온실가스 배출 감축 목표 달성의 단기적 어려움

2020년 우리는 코로나19의 영향으로 경제적 어려움과 함께 에너지 소비와 온실가스 배출의 감소를 동시에 경험하였다. 하지만, 우리나라 경제가 코로나19의 충격에서 신속하게 벗어나면서 2025년까지 에너지 수요도 급속히 증가하고 온실가스 배출도 늘어날 전망이다. 국내총생산은 2020년에서 2025년까지 5년 사이 연평균 2.8%의 높은 성장률을 보이지만, 이후 성장률이 급격히 하락한다. 단기적인 급속한 경제 회복으로 인해 에너지 소비는 2025년까지 빠르게 증가할 전망이다. 최종소비 부문의 에너지 소비는 2020년에서 2025년 사이 약 21.5백만toe가 증가하여 소비 정점으로 예상되는 2045년까지 증가하는 에너지 소비의 절반 이상이 향후 5년 사이에 증가한다. 단기적인 최종 소비의 증가는 80% 이상 대부분이 산업 부문에서 발생한다.

산업 부문과 서비스 부문을 중심으로 한 단기적인 에너지 수요의 급증은 온실가스 배출의 증가를 초래하여, 외부적인 요인의 영향이 더 컸다 하더라도 2018년 이후 2년 연속 감소했던 온실가스 배출이 2024년 629.4백만톤-CO2eq 수준에 도달할 전망이다. 이는 2018년 정점 수준인 640.7백만톤-CO2eq에 비해서는 낮지만, 2018년을 기준으로 선형 감축 경로 방식으로 설정한 '2030 NDC 상향안'이나 '2050 탄소중립 시나리오'의 목표와는 반대 방향의 변화이기 때문에 목표달성을 위해서는 추가적인 감축 노력을 요구한다. 생산 부문이 갖는 구조적인 한계로 인해 추가적인 감축 경로는 기존 목표 설정을 위한 부문별 감축이나 정책에 비례하지 않게 된다.

탄소중립을 향한 두 가지 시나리오

정부가 유엔 기후변화당사국 총회에 제출한 2030년 우리나라 온실가스 감축 목표는 배출 정점인 2018년 대비 40% 수준이다. '2030 NDC 상향안 (2050 탄소중립위원회, 2021a)'에서는 국가 전체의 온실가스 배출을 40% 줄이기 위해서 에너지 부문에서 약 33%를 줄여야 하는 것으로 분석되었다. 또한 '2050 탄소중립 시나리오 (2050 탄소중립위원회, 2021b)'에서는 2050년 탄소중립을 달성하기 위해 에너지 부문에서 2050년까지 2018년 대비 99%를 감축해야 한다. 본 보고서에서는 '2030 NDC 상향안'과 '2050 탄소중립 시나리오'의 2030년과 2050년 온실가스 배출 목표 달성을 점검하기 위해 '2050 에너지 탄소중립 혁신전략 (관계부처 합동, 2021)', '2030 NDC 상향안', '2050 탄소중립 시나리오', '탄소중립 산업·에너지 R&D 전략 (산업통상자원부, 2021)', '국토교통 탄소중립 로드맵 (국토교통부, 2021)' 등 다수의 자료를 이용하여 정책 수단들을 분석하였다. 주요 수단들은 산업 공통 기기의 에너지 효율 향상이나 일관제철 공정에 철스크랩의 비중을 증가시키기 위한 기술 개발, 기존 석탄 및 가스 발전에 암모니아나 수소를 혼소하는 기술 개발, 수소터빈 개발이나 수소 생산을 위한 수전해 공정 개발, 철강의 수소환원제철 개발 등을 비롯하여 정부의 직접적인 규제나 보급 목표, 탄소세 부과, 에너지 가격체계 개선 등이 있다. 또한 수용성 제고를 위한 제도 개선, 보급 확산을 위한 지원책, 소비행태 변화 유도를 위한 유인체계, 기반 조성 및 시장 활성화를 위한 제도 개선 등 다양한 보조 정책 수단들이 최적으로 설계되어 동반된다고 가정한다.

'정책계획 시나리오(APS)'는 정부 계획으로 발표한 여러 수단들 중에서 그 방법과 수준이 명확한 수단들이 계획된 일정대로 진행될 때 예상할 수 있는 에너지 수요와 온실가스 배출의 경로를 그리고 있다. 한편, '탄소중립 시나리오(NZE)'는 APS에서 부족한 탄소배출 감축을 위해 제시된 정책 수단들을 더 강화하고 새로운 수단들을 추가한 경우의 에너지 수요와 온실가스 배출 경로를 묘사한다. 탄소중립에 도달하는 경로는 무수히 많이 존재한다. APS나 NZE는 그러한 경로들 중의 하나이고 정책 수단들에 대한 연구자의 해석을 수치화 한 것이라고 할 수 있다. 하지만, 시나리오 결과는 시나리오 설계에 사용된 수단과 기술들이 예상된 시점에 실제 도입된다는 것을 의미하지 않는다. 또한 기술들이 실현되더라도 실험 단계에서 상용화 단계로 들어선다는 것을 가정할 뿐 기술들의 실제 경제성이 기존 기술과 비교 경쟁력을 갖는다고 보장하지 않는다. 즉, 시나리오 결과는 그 시점에 해당 수단과 기술들이 도입될 경우 변화되는 에너지 수요와 온실가스 배출을 계산한 결과일 뿐이다.

APS에서 최종소비 부문의 에너지 수요는 2024년 238.0백만toe를 정점으로 이후 빠르게 감소하여 2030년 225백만toe, 2050년 192백만toe 수준으로 하락할 것으로 전망된다. 최종소비 부문의 에너지 수요 감소는 고효율 기술 개발과 수소환원제철 공법을 중심으로 한 미래 기술의 상용화 그리고 정책 지원에 힘입은 기술의 빠른 보급으로 에너지원단위가 개선되는 것이 가장 큰 원인이다. REF와 비교할 때 2030년은 약 23백만toe(약 9%), 2050년은 50백만toe(21%)가 감소한다. 수소환원제철은 대표적인 미래 기술로 철강업종의 석탄 소비를 수소로 대체하게 된다. 이러한 에너지 대체는 에너지 효율 개선으로 인한 온실가스 감축을 가속화하여 APS의 온실가스 배출은 2022년 전년대비 2.6% 반등하지만 이후 지속적으로 감소하여 2030년 320.7백만톤-CO2eq, 2050년에는 148.7백만톤-CO2eq 수준으로 줄어든다.

APS의 온실가스 배출은 '2030 NDC 상향안'이나 '2050 탄소중립 시나리오'에 비해 여전히 높은 수준이다. 에너지밸런스를 이용하여 환산한 2030년과 2050년 에너지 부문 온실가스 배출 목표는 각각 289백만톤-CO2eq과 36백만톤-CO2eq이다. 따라서 2030년의 배출 목표량을 달성하기 위해서는 2030년까지 연간 배출량을 31백만톤-CO2eq 추가적으로 감축해야 하며, 2050년까지는 추가 감축 요구량이 112백만톤-CO2eq으로 늘어난다. 온실가스 배출을 추가적으로 감축하기 위해서는 산업용 생산 설비만이 아니라 건물용 난방 설비에 대한 전력화 기술 투자와 시장의 기술 선택을 유도하는 규제 및 시장 정책을 강화해야 한다. 또한, APS보다 최종소비 부문의 재생에너지 보급을 더욱 확대하는 것도 필요하다. 이를 위해서는 가격 및 시장 제도를 통한 개선을 위해 보다 정밀한 제도 설계가 필요한 것으로 분석된다. 추가적인 수단을 통한 에너지 수요 감소는 미미하지만 온실가스 배출은 '2030 NDC 상향안'과 '2050 탄소중립 시나리오'의 목표에 상당히 근접하는 것으로 나타났다.

에너지 수급 구조가 NZE의 경로를 따를 경우 가장 극적인 변화를 보이는 에너지 상품은 석탄으로, 온실가스 배출 저감을 위한 철강업의 노력으로 제철 공정에 투입되던 유연탄이 수소로 대체되면서 2050년 최종소비에서 석탄이 차지하는 비중은 0.5%로 급감하게 된다. 반대 방향으로 극적인 변화를 보이는 것은 전기와 수소를 포함한 신재생에너지이다. 정책 추진 초반부터 강조되는 전력화에 힘입어 2050년에는 전기가 최종소비에서 가장 큰 비중을 차지하는 에너지 상품으로 성장한다. 수소는 수소환원제철을 중심으로 2040년 이후에나 본격적으로 도입되지만, 대규모 설비의 단계적 교체를 통해 이루어지기 때문에 보급 규모는 엄청난 크기로 진행될 전망이다.

NZE에서 수소 수요는 2030년 4.9백만톤-H2, 2050년은 12.6백만톤-H2 증가할 전망이다. 수소 수요는 2040년까지는 발전 부문을 중심으로 증가하고 그 이후는 산업 부문이 수소 수요의 증가를 주도한다. 발전 부문에서는 석탄에 암모니아를 20% 혼소하는 기술이 2020년대 중반부터 도입되어 2030년에는 24기의 석탄 발전에 적용될 예정이고, 가스에 수소를 50% 혼소하는 기술은 35년부터 전체 가스 설비를 대상으로 적용할 예정이다. 하지만, 석탄 화력발전소를 중심으로 화석연료를 사용하는 발전소가 급격히 감소하면서 2040년 이후 혼소에 사용되는 암모니아와 수소의 수요는 감소할 전망이다. 대신 수소터빈의 개발과 설비 대체가 진행되면서 수소 수요를 유지한다. 산업 부문은 2040년부터 철강업에 수소환원제철 설비가 차례로 기존 설비를 대체하면서 설비 교체가 완료되는 2050년까지 수소 수요가 급격하게 증가할 전망이다. NZE의 2050년 수소 수요는 '2050 탄소중립 시나리오'의 수소 수요 전망인 27.4백만톤-H2의 약 54% 수준에 그친다. 주요 원인은 전기 수요 전망 차이, 수소환원제철 공정 및 수전해 생산의 기술 특성 계수 차이, 수소 열량 전환 계수 차이 등이 원인인 것으로 분석된다. 수소 공급은 '2050 탄소중립 시나리오'의 공급 방식별 비중을 적용하여 2050년에 수입이 80%인 10.0백만톤-H2, 수전해 생산이 20%인 2.5백만톤-H2를 차지한다. 초기에는 추출 수소 방식의 국내생산의 대부분을 차지하지만, 후기에는 100% 청정 수소로 전환하며, 수소 생산에 필요한 전기 수요는 2050년 약 136 TWh 수준인 것으로 계산된다.

전기 수요의 대폭적인 증가는 총에너지 수요와 에너지 부문 온실가스 배출을 결정하는데 발전 부문의 역할이 더욱 중요해진다는 것을 의미한다. 탄소중립 정책이 APS를 따를 경우 전기 수요는 2030년 723 TWh, 2050년은 887 TWh로 예상된다. 반면 NZE에서는 2030년 749 TWh, 2050년 930 TWh까지 늘어난다. NZE의 전기 수요가 APS보다 증가하는 것은 최종소비 부문의 추가적인 전력화가 핵심적인 요인이지만, 수소 관련 정책에 따라 전기 수요의 증가 또는 감소 요인이 복합적으로 작용한다. 한편, '2030 NDC 상향안'의 2030년 예상 전기 수요가 567 TWh인 것에 비해 NZE의 2030년 전기 수요는 30% 이상 많으며, '2050 탄소중립 시나리오'의 2050년 예상 전기 수요 1,257.7 TWh에 비해서는 23% 가량 적은 전망 결과이다. '2030 NDC 상향안'과는 주로 초기 전력화에 대한 규모와 속도의 차이에서 전기 수요 차이가 발생하는 것으로 파악된다. '2030 탄소중립 시나리오'과는 최종소비 부문의 전기 수요 차이도 있지만, 수소 수요와 탄소포집에 대한 차이로 추가적인 전기 수요의 전망 차이가 큰 것으로 분석된다.

설비 및 연료 대체 외에도 석탄 발전 상한제나 환경 급전과 같은 운영 규제 등을 통해 온실가스 배출을 줄인 결과 발전 부문의 온실가스 배출은 2020년 211.1백만톤-CO2eq에서 2024년 240백만톤-CO2eq까지 증가한 후 급격하게 감소한다(APS). APS의 발전 부문 온실가스 배출은 2030년 199백만톤-CO2eq, 2050년 20백만톤-CO2eq 수준으로 전망된다. APS의 발전 부문 온실가스 배출 경로는 '2050 탄소중립 시나리오'의 목표에 근접하지만 '2030 NDC 상향안'의 목표와는 상당한 차이가 있다. 발전 부문의 온실가스 배출 감축 목표를 달성하기 위해서는 2024년까지 예상되는 발전 부문의 온실가스 배출 반등을 최대한 억제하는 것이 필요하다. 설비 변경의 어려움이라는 시간적 제약 속에서 이를 달성하는 방법은 석탄 화력발전 설비의 운영 변경을 통해 온실가스 배출을 줄이는 것이다. 추가적인 수단을 이용하여 석탄 화력발전 설비의 이용률을 40% 수준까지 제한할 경우 발전 부문 온실가스 배출이 2030년 171백만톤-CO2eq, 2050년에는 12백만톤-CO2eq 수준까지 감소하는 것으로 분석된다(NZE). 발전 부문의 온실가스 배출을 줄이는 것은 석탄 화력발전의 제약 외에도 재생에너지 발전의 보급 확대 등도 함께 이루어진다. NZE에서는 재생에너지 발전이 2020년 30.1 TWh(5.5%)에서, 2030년 246.2 TWh(31.1%) 2050년에는 총발전의 67.8%인 약 658.6 TWh 수준까지 증가한다. 이를 위해서는 태양광, 풍력, 해양에너지의 설비가 2020년 16.5 GW에서 2030년 173 GW, 2050년에는 494 GW로 늘어나야 한다. 2040년대 본격적으로 진입하는 수소터빈은 2050년 발전량이 약 83.2 TWh 규모가 될 것으로 예상된다. 한편 수소 기반 연료전지도 '제9차 전기본'에서 2034년까지 설비 보급을 급속히 증가시킬 계획이고, 정책 기조가 그 이후에도 지속되면서 2050년에는 발전량이 33.6 TWh로 늘어난다.

최종소비 부문의 온실가스 배출과 전환 부문의 온실가스 배출을 종합적으로 고려하면 APS에서 온실가스 배출은 2020년 569.7백만톤-CO2eq에서 2030년 527백만톤-CO2eq, 2050년 169백만톤-CO2eq으로 감소한다. REF 대비 2030년은 12.8%가 감소하며, 2050년 기준으로는 63.3%가 감소하는 수준이다. 이에 따라 2021~2050년 APS의 온실가스 누적 배출은 128억톤-CO2eq으로 REF의 온실가스 누적 배출 169억톤-CO2eq 대비 약 41억톤-CO2eq, 24.1%가 감소한다. APS 온실가스 배출 감축 경로에 가장 기여가 큰 부분은 발전을 포함한 전환 부문으로 2021~2050년 17.8억톤-CO2eq의 온실가스 배출을 감축한다. 산업 부문은 17.2억톤-CO2eq의 온실가스 배출이 감소하여 전환 부문의 감축량과 거의 비슷한 수준이다. 하지만 온실가스 감축 목표의 기준으로 설정한 2030년과 2050년 두 연도를 비교하면 APS는 연간 배출량을 각각 85백만톤-CO2eq과 133백만톤-CO2eq을 추가적으로 감축해야 한다.

발전 부문의 초기 온실가스 배출을 최대한 억제하는 NZE는 2030년 465백만톤-CO2eq, 2050년에는 89백만톤-CO2eq으로 온실가스 배출이 감소한다. 2050년까지의 누적 배출량으로는 NZE는 111억톤-CO2eq으로 APS에 비해 약 18억톤-CO2eq의 온실가스 배출이 추가로 감축된다. 추가 감축의 기여도는 산업 부문이 5.7억톤-CO2eq으로 가장 많으며 그 뒤를 이어 수송 부문이 5억톤-CO2eq, 발전 부문이 4.5억톤-CO2eq을 감축한다. 발전 부문은 2030년 이전에 추가 감축량의 77%인 3.5억톤-CO2eq을 감축해야 탄소배출 경로가 NDC와 NZE 목표에 근접한다. NZE에서 산업 부문의 총 배출 감축은 23억톤-CO2eq으로 약 22억톤-CO2eq으로 예상되는 전환 부문에 비해 약간 크게 분석된다. 연간 배출량으로도 산업 부문은 2050년에 164백만톤-CO2eq을 감축해야 하는 반면, 발전 부문은 127백만톤-CO2eq 수준으로 분석된다. 이는 '제9차 전력수급기본계획'을 비롯하여 그 동안의 온실가스 감축 노력이 발전 부문에 집중되었고 REF에 현재 진행되고 있는 저감 정책이 이미 반영된 결과이다.

탄소중립 추진 과정에서 발생할 수 있는 어려움과 정책적 시사점

탄소중립을 향한 경로에서는 전기 수요의 빠른 증가와 재생에너지의 폭발적 확대가 필요하다. 이는 에너지 안보 측면에서 두 가지 상반된 결과를 보여준다. 전통적 안보인 에너지 공급 안정성을 살펴보면, 전기 수요의 증가와 재생에너지 보급 확대는 화석연료의 수입을 감소시킴으로써 에너지의 해외 의존도를 줄이게 된다. NZE에서 2050년 총에너지 수요는 374백만toe이며, 이 중에서 에너지 수입은 146백만toe로 에너지 수입 비중은 39.1% 수준이 될 전망이다. 2020년 에너지 수입 의존도가 92.9%인 것에 비해서 탄소중립 추진으로 인한 에너지 안보는 획기적으로 강화될 것이다.

하지만, 재생에너지, 특히 변동성 재생에너지 발전의 급격한 확대는 에너지시스템의 안보라는 새로운 안보 개념을 부각시킨다. 우리나라가 국가 단일의 고립 계통망이라는 점, 변동성 재생에너지의 시간별 발전 전망이 수요 부하에 근접하는 수준이 아니라 최대 부하를 훨씬 초과하는 수준이라는 점, 재생에너지 발전 비중이라는 목표가 설정되어 있다는 점 등은 실제 전력 계통 운영에 큰 어려움을 발생시킬 것이다. NZE의 경우, 태양광, 풍력, 해양에너지를 합한 변동성 재생에너지 발전은 2020년 20.2 TWh에서 2030년 237 TWh, 2050년에는 649 TWh까지 증가한다. 변동성 재생에너지 발전이 총 발전량에서 차지하는 비중은 2030년 30%, 2050년은 67%에 이른다. 이 경우 태양광과 풍력 발전의 시간당 평균 발전의 최대는 2030년 71 GW, 2050년은 199 GW에 도달하게 된다. 2040년대 이후에는 모든 시기에 변동성 재생에너지의 초과 발전이 발생한다. 연간 초과 발전량은 2050년 약 90 TWh로 추정되며, 이는 2050년 총 발전량 971 TWh의 약 9.3%, 변동성 재생에너지 발전량의 13.9%에 달한다. 변동성 재생에너지 발전이 낮은 수준인 경우에는 일시적으로 출력제한을 하거나 부하 관리 및 터빈 발전기의 급전 변경을 통해 대응할 수 있지만 변동성 재생에너지 발전의 비중이 높아질 경우 이러한 방식으로는 시스템의 안정성을 확보가 어려울 것으로 예상된다. 또한 변동성 재생에너지 발전의 초과 발전량을 전기 수요 충당에 활용한 경우가 '2030 NDC 상향안'이나 '2050 탄소중립 시나리오'의 재생에너지 발전 비중을 만족하기 때문에 변동성 재생에너지 발전의 확대는 초과 발전량에 대한 정확한 예측과 함께 초과 발전량을 수용하기 위한 대규모 에너지 저장장치의 확보가 필요하다.

탄소중립을 향한 경로는 수 많은 온실가스 감축 수단들의 조합으로 결정되며, 감축 수단들에 대한 우선 순위와 적용 정도에 따라 다양한 온실가스 배출 경로가 발생한다. 시나리오는 모든 수단들이 적정 시점에 기술적으로 그리고 경제적으로 사용 가능하다는 가정 하에 정해진 수준에 도달하기 위해 택할 수 있는 여러 경로 중에 하나를 설명하는 것이다. 이러한 경로는 에너지 사용 기기의 효율이 어느 정도 향상되어야 하는지 그리고 어느 시점에 설비 투자를 통해 기존 기기 및 설비를 대체해야 되는지를 보여준다. 정책 당국은 정책의 실현 가능성, 정책 비용, 온실가스 배출 경로에 따른 사회적 경제적 파급 효과 등을 비교하여 정책을 결정해야 한다.

모든 정책 시나리오에서 정도와 시기의 차이는 있지만 공통적인 어려움과 도전이 발생한다. 발전 부문은 재생에너지 발전 비중의 확대, 수소 기술의 개발, 전력 계통의 안정성 확보가 과제로 남을 것이다. 모든 시나리오에서 변동성 재생에너지 발전의 비중이 급격하게 증가하기 때문에 변동성 재생에너지 발전의 불확실성, 교류 전원 체계의 관성 유지 및 주파수 품질 관리 등의 문제에 대해 더욱 신속하게 대응해야 한다. 또한 장기적으로 변동성 재생에너지 발전을 저장할 에너지 저장장치에 대한 설비 확보가 필요하다. 건물 부문에서는 난방 연료의 감축과 대체가 필요한데, 단열을 포함한 건축 기술과 건축 관련 규제도 강화해야 하지만, 향후 전기 난방 보일러의 허용을 비롯하여 건물 난방 부분에서 수소를 활용하는 기술 개발도 필요하다. 탄소 포집, 수소 경제 그리고 재생에너지 발전은 상호 유기적인 영향을 미치기 때문에 각 부문의 정책 수단들에 대한 역할과 비중에 대한 신중한 판단이 중요하다.

한편, 시나리오 분석에 따르면 모든 부문에서 탄소중립으로 가는 중간 다리 역할을 하는 수단과 기술들이 존재한다. 예를 들어 가스 발전은 탄소중립 과정에서 전기의 안정적 공급과 시스템 유지를 위한 역할이 확대되지만 정책 방향은 탄소 배출의 원천인 가스 발전의 궁극적 폐지를 향하고 있다. 이는 현실적으로 탄소중립의 과정에서 사업자들이 가스 발전의 온실가스 배출을 줄이기 위한 신규 투자를 저해하는 요인으로 작용할 것이다. 즉, 미래 기술을 기반으로 한 최종 체계로 넘어가기 전 임시적인 중간 단계에 대한 투자에 대해 경제적 보상이 충분하지 않을 경우 탄소중립의 중간 경로는 상당한 지연될 수 있다.

본 보고서의 시나리오 분석은 정책과 기술에 대한 정보를 최대한 수집하여 객관적으로 미래를 전망하고자 했다. 장기 전망이 갖는 기본적인 불확실성 외에도 탄소중립을 위한 시나리오에는 전망의 불확실성을 증폭시키는 요인들이 존재한다. 대표적인 불확실성 요인으로 미래 기술의 기술 특성 계수와 수소 경제로 인한 에너지 시스템의 변화를 들 수 있다. 탄소중립의 경로가 의존하는 미래 기술은 투입-산출에 대한 특성이 넓은 범위를 갖고 있으며, 기술적 특성 계수의 불확실성은 결과적으로 도출되는 에너지 수요 및 온실가스 배출량의 기대치를 크게 변동시킬 수 있다. 수소 경제로의 전환은 현재 에너지 시스템을 표현하는 에너지 통계 체계의 변화를 요구한다. 이미 존재하는 에너지 상품을 이용한 수소 생산은 국가 총에너지 공급의 양을 증가시키지는 않지만 수소 수요의 증가는 기존 에너지 상품에 대한 수요를 증가시켜 총에너지 공급의 양을 증가시킨다. 수소의 수입은 직접 국가 총에너지 공급을 증가시킨다. 이런 유기적인 관계는 미래 기술의 불확실성과 결합하여 장기 에너지 수급 및 온실가스 배출의 결과에 대한 불확실성을 높이게 된다. 따라서 본 보고서의 에너지 및 온실가스 배출에 대한 수치는 크기의 정확성 보다는 추세의 방향에 중점을 두고 해석할 필요가 있다.