E-Fuels : 운송 부문의 탈탄소화를 위한 현실적인 대안인가?

운송 부문은 전 세계 이산화탄소 배출량의 주요 원인으로, 전체 배출량의 약 25~30%를 차지하고 있다. 그 중에서도 도로 운송이 가장 큰 비중을 차지하며, 휘발유와 경유와 같은 화석 연료에 대한 의존도가 높기 때문에 배출량의 거의 4분의 3을 차지하는 가장 큰 배출원 이다. 해상 운송은 화물 톤당 효율성이 더 높지만, 바다를 통해 운송되는 상품의 양이 많기 때문에 전 세계 운송 CO₂ 배출량의 약 10%를 차지한다. 항공 운송은 전체 운송 CO₂ 배출량에서 차지하는 비중은 상대적으로 작지만(약 11~12%, 출처: 글로벌 에너지 데이터, Enerdata), 항공기의 연료 소비가 높기 때문에 승객 1인당 이동거리 대비 미치는 환경적 영향은 매우 크다.  현재 운송 부문에서 탄소 배출을 줄이기 위해 시행되는 주요 솔루션은 배터리 전기 자동차와 바이오 연료 다. 합성연료 혹은 전기연료로도 알려지 ‘E-fuels’ 라는 새로운 대안이 부상하고 있으며, 향후 운송 연료 시장에서 일정한 비중을 확보할 가능성이 있다. 

기업들의 발표에 따르면 2030년까지 e-fuels 의 연간 생산량은 8천만 톤(Mt)을 넘어설 것으로 예상된다. (출처: Synthetic fuel database, Enerdata - 샘플 요청). 그러나 한발 물러서서 보면, 이는 현재 항공유 생산량 (2022년 기준 2억 5,900만톤) 의 약 30%에 해당하는 수치이다.  게다가 발표된 e-fuels 프로젝트 중 현재 건설 중인 프로젝트는 20% 미만이며, 나머지 80%는 아직 최종 투자 결정에 이르지 못한 상태이다. 따라서 이러한 8천만 톤 규모의 생산 계획이 실제로 얼마나 실현될지는 상당히 불확실하다. 

이번 브리핑에서는 이러한 발표를 운송 부문의 탈탄소화라는 더 큰 맥락에서 살펴보고, 관련된 다양한 기술을 탐색할 것이다. 또한 e-fuels 시장에서 진행 중인 주요 프로젝트와 핵심 기업들을 심층적으로 분석할 예정이다. 이번 분석은 Enerdata 가 전 세계 182개의 주요 합성연료(e-fuel) 생산 프로젝트를 정리한 종합 데이터베이스를 포함하여 Enerdata 에서 수행한 조사 자료를 바탕으로 이루어진다.

문헌상 e-fuel 의 정의는 매우 다양하다. 이 글에서는 재생 가능한 전기에너지, 물, 그리고 CO₂로 만든 액체 합성 연료를 중심으로 다루며, 암모니아의 경우 질소를 포함한 형태까지 고려할 것이다. 따라서 바이오 연료로 더 잘 알려진 바이오매스 기반 연료는 이번 분석에서 제외한다.   합성 연료는 주로 항공기 케로신, 선박용 중유, 자동차용 휘발유/경유를 대체하는 것을 목표로 한다.

도로 부문

도로 운송의 탈탄소화는 주로 전동화와 배터리 전기차를 통해 이루어질 전망이다. 2050년까지 전기차는 탈탄소화 시나리오에 따라 전 세계 자동차 보유량의 32%에서 최대 71%까지 차지할 것으로 예상된다 (출처: Enerfuture, Enerdata). 이 시나리오에서는 전기차가 증가함에 따라 전 세계 도로에서 내연기관(ICE) 차량의 수는 시간이 지남에 따라 감소할 것이다. 한편 e-fuels 와 같은 대체 연료로 구동되는 차량은 배터리 차량대비 전체 에너지 효율이 4~5배 낮아(출처: Research Center for Energy Networks and Energy Storage), 포르쉐가 칠레에서 추진중인 Haru Oni 프로젝트에서 볼 수 있듯이, 스포츠카와 같은 틈새시장에 국한될 가능성이 높다. 따라서 이번 분석은 주로 해상 및 항공 운송 부문에 초점을 맞출 것이다.

해양 부문

해양 부문의 탈탄소화를 위한 주요 규제로는 국제해사기구(IMO)의 국제적 규제와 유럽연합(EU)의 유럽집행위원회(EC)가 채택한 규제가 있다. 유럽연합은 2023년 7월 FuelEU Maritime 규정을 채택하였다. 

FuelEU Maritime은 총 톤수 5,000 이상인 모든 선박을 대상으로 하며, 선박의 국적에 관계없이 EU 관할권내에서 운항할 경우 적용된다. 이 규정은 2050년까지 평균 탄소집약도를 80% 감축하는 것이다. 

IMO 규정은 기술 중립적이며, 선박 연료의 전주기 (Well-to-Wake) 온실가스 배출 강도를 대상으로 한다. IMO 목표는 2050년까지 국제 해상 운송 부문에서 2008년 대비 온실가스 배출량을  50% 감축하는 것이다 (출처: IMO Strategy 2018).

항공 분야

항공 부문의 경우 유럽을 제외하고는 e-fuel 에 대한 국제 규제가 아직 없다. 

유럽연합은 2023년 10월,  ReFuelEU Aviation 이라는 규정을 채택하여 지속가능한 항공 연료(SAF, Sustainable Aviation Fuels)의 사용을 장려하고 있다.

이 규정에 따르면 항공 연료 공급업체는 EU 공항에서 공급하는 일반 항공 연료에 SAF의 혼합 비율을 점직적으로 늘려야 하며, 그 단계적 목표는 다음과 같다. 

• 2025년까지 EU 내 연료 공급업체의 연료 혼합 비율 중 SAF 비중 2% 
• 2030년까지 EU 내 연료 공급업체의 연료 혼합 비율 중 SAF 비중 6% 
• 2050년까지 EU 내 연료 공급업체의 연료 혼합 비율 중 SAF 비중 70% 

여기서 SAF는 합성 항공 연료, 고급 및 기타 항공 바이오 연료, 재활용 탄소 기반 항공 연료 등을  포함한다.

소위 e-fuels 는 저탄소 전기를 사용하여 물 전기분해로 얻은 재생 가능한 수소와 대부분 탄소 함유 분자(이산화탄소 또는 일산화탄소) 또는 전자 암모니아의 경우 질소를 결합하여 생산한 분자이다.  따라서 e-fuels 는 석유 기반 연료와 거의 동일한 특성을 가진 전자 디젤, 전자 가솔린, 전자 케로신와 같은 합성 알케인(alkanes) 류와 전자 암모니아 및 전자 메탄올과 같은 다른 수소 유도체를 포괄하는 일반적인 용어다. e-fuels는 표준화된 단일 화학식이나 에너지 밀도를 공유하지 않는다. 현재 합성연료 생산은 크게 세 가지 주요 기술인 Power-to-Liquid(PtL), Power-to-Methanol(PtM), Power-to-Ammonia 가 주도하고 있다. 

주요 생산 기술:

PtL: Power-to-Liquid의 핵심 기술은 물을 전기분해 하여 수소를 생산한 다음 대기 또는 산업 공정에서 포집한 이산화탄소와 결합하여 합성가스 (syngas)를 만드는 과정이다. 이렇게 얻어진 합성가스는 피셔-트롭쉬 (Fischer-Tropsch) 합성법이나 기타 합성 공정을 통해 합성 가솔린, 디젤 또는 케로신과 같은 합성 탄화수소로 전환된다. 

피셔-트롭쉬 (Fischer-Tropsch) 공정은 이러한 전환 과정들 가운데 가장 성숙한 기술 (TRL 9) 이다.

따라서 전체 공정의 기술 성숙도는 합성 가스를 얻는 공정의 성숙도에 따라 결정된다.

합성 가스를 얻기 위한 주요 기술로는 다음 두 가지가 있다:

• 역수성가스전화 (RWGS-Reverse Water Gas Shift)
• 공동 전해 (Co-Electrolysis)

PtL 기술에는 메탄올을 합성 연료로 전환하는 메탄올-가솔린 및 메탄올-케로신 기술을 이용한 알코올 투 제트 (Alcohol-to-Jet) 접근법도 있다. 

PtM: Power to Methanol 기술은 이산화탄소 (CO₂)와 수소의 반응을 통해 메탄올을 생산하는 공정이다. 현재 이산화탄소로부터 메탄올을 생산하는 다양한 공정이 서로 다른 기술 성숙도로 연구되는 고 있으며, 주요 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다. 

• 촉매 합성 (Catalytic synthesis)
• 전기 촉매 합성 (Electro-catalytic synthesis)
• 직접 전기 촉매 합성 (Direct electro-catalytic synthesis)

PtA: Power to Ammonia 는 질소(N2)와 수소의 반응을 통해 암모니아를 생산하는 공정이다.  현재 이 반응에 주로 사용되는 기술은 하버-보쉬 (haber-Bosch) 공정이다. 

특성 및 응용 분야:

이러한 기술을 통해 주로 네가지 유형의 연료를 생산할 수 있는데, 이는 전자 메탄올, 전자 암모니아, 전자 가솔린, 전자 케로신 이다. 각 연료의 특성 비교는 아래 표와 같다.

그림 1: e-fuels 비교

출처: Enerdata

지리적 분포 및 프로젝트 규모

e-fuels 프로젝트의 개발이 전 세계적으로 가속화되고 있으며, 여러 국가와 기업들이 해당 기술에 투자를 진행하고 있다. 프로젝트는 소규모 시범 사업에서부터 대규모 산업 시설까지 다양하게 나타난다. e-fuels 프로젝트의 주요 국가는 인도 (발표된 생산 능력의 12%), 중국 (11%), 호주 (11%)이며, 이어 모로코, 이집트, 미국이 각각 7%로 그 뒤를 잇고 있다. 이들 프로젝트의 연간 생산 능력은 대부분 50톤에서 최대 100만톤 사이에 분포하고 있다. 이 분석에서는 발표된 프로젝트를 기준으로 하며, 두 가지 주요 트렌드를 강조한다. 인도, 모로코, 이집트와 같은 국가들은 암모니아 및 메탄올 생산을 위한 대규모 프로젝트를 한두 개씩 발표하여 상위권에 위치하고 있는 반면, 중국과 호주는 여러 개의 중규모 프로젝트를 진행하고 있다. 또한 이집트와 모로코와 같은 일부 국가는 생산량을 전적으로 수출하는 방향으로 진행 중인 반면,  중국은 자국 내 수요 충족을 위한 프로젝트를 추진하고 있다. 

그림 2: E-fuels 생산 용량 분포(톤/년)

출처: Enerdata, Synth Fuel Database

응용분야

Enerdata는 전 세계의 주요 e-fuels 프로젝트에 대한 데이터베이스를 구축했다 (2024년 6월 기준 총 182개의 프로젝트). 이 데이터베이스 분석을 통해 두 가지 흥미로운 사실이 나타났다:

• E-fuel 프로젝트의 기술 성숙도가 낮기 때문에 대부분의 프로젝트가 아직 구체적인 용도를 명확히 결정하지 않았다. 또한 일부 프로젝트는 수출에 초점을 맞추고 있어 구체적인 최종 용도가 불분명한 경우도 있다. 
• 명확한 용도를 밝힌 프로젝트 중 해양 운송과 항공 운송 두 가지 분야가 두드러지게 나타난다 (아래 참조).

그림 3: 전 세계 e-fuels의 주요 프로젝트 적용 사례 (일부 발췌)

출처: Enerdata, 05/2024

해양 운송 주요 프로젝트:

해상 운송 분야에서는 E-메탄올과 E-암모니아가 주요 연료로 떠오르고 있습니다.

이 분야에서 현재 진행 중인 최대 규모의 프로젝트는 선사인 머스크(Maersk)가 주도하고 있으며, 메탄올 연료를 사용할 수 있는 선박 25척 건조를 포함하고 있다(첫 번째 선박은 11월에 완공). 이 선박들은 대부분 듀얼 연료 시스템을 갖추고 있어 두번째 엔진으로 저유황유 또는 초저유황 중유를 사용할 수 있다. 특히, 해당 프로젝트에서는 폐바이오매스에서 얻은 바이오 메탄올의 활용도 포함하고 있다. 또한 머스크는 선박 연료 공급을 위해 아시아, 아메리카, 아프리카, 유럽에서 등지에서 여러 프로젝트를 발표했다. 현재 개발 중인 이 프로젝트 중 가장 큰 규모는 머스크의 자회사인 C2X가 이집트 정부와 협력하여 진행 중이며, 약 30억 달러 규모의 투자로 연간 약 30만 톤의 E-메탄올 생산을 목표로 하고 있다.

항공 운송 주요 프로젝트:

항공 운송 프로젝트는 해상 운송 프로젝트에 비해 상대적으로 기술 성숙도가 낮은 상태이다. 항공 운송 전용의 대규모 프로젝트는 최소한 2026년 이전까지는 본격적인 가동이 어려울 것으 로 예상되며, 경제적 타당성을 확보해야 하는 과제도 남아 있다(합성 항공유 가격이 기존 화석연료 항공유 대비 4-8배 비싸기 때문). 또한 KLM, SkyNRG, 스키폴 공항 주도하는 Synkero 와 같은 주요 프로젝트 중 일부는 최근 진행이 보류된 상태다. 

가장 유망한 프로젝트 중 하나는 노르웨이의 Norsk e-fuel 프로젝트로, 노르웨이 항공의 지원을 받으며 Sunfire 또는 Carbon Centric 등의 기술 제공 업체들이 참여하고 있다. 이 프로젝트는 2030년까지 노르웨이에 3개의 산업 규모 e-fuel 생산 시설을 설립하여 연간 20만 톤의 생산 능력을 확보할 계획이다. 여객 항공사인 노르웨이 항공과 화물 항공사인 카고룩스 (Cargolux)는 이 프로젝트를 통해 14만 톤 이상의 합성 항공유(e-SAF)를 구매하기로 약속했다.
 

이 프로젝트의 주요 참여 기업:

프로젝트 데이터베이스를 분석하여 이 시장에서 세 가지 주요 유형의 플레이어를 확인할 수 있었습니다:

• 토탈(Total), 쉘(Shell), 엑손(Exxon)과 같이 석유화학 분야에서 성숙한 대기업으로 프로젝트 개발자 및/또는 기술 제공의 역할을 수행
• CCUS(탄소 포집/활용/저장) 혹은 e-fuel 생산 기술에 특화된 소규모 혁신 기업들로, HIF Global, synhelion, Infinium, Carbon Recycling International 등이 여기에 속함
• 마지막으로 Maersk, Lufthansa, KLM과 같이 항공기나 선박을 운항하는 기업들로, 생산된 연료의 주요 구매자 (off-taker) 역할을 수행

이 세 가지 유형의 기업들은 상호 보완적이며, 대부분의 신규 프로젝트는 이러한 기업 간의 파트너십을 기반으로 추진된다. 특히 대형 기업들은 프로젝트의 상류(upstream)나 하류(downstream)에 위치하며, 프로젝트 운영을 위한 인프라 및 에너지를 공급하거나, 생산된 연료의 경제적 수요처를 확보하는 역할을 맡고 있다.

e-fuels 프로젝트의 개발은 다음과 같은 세 가지 핵심 질문과 도전 과제가 있다. 

• 저비용 그린 수소의 확보 가능성 (경쟁력 있는 전력 공급 접근성에 따라 결정됨).
• 탄소 포집 및 저장(CCC)과 직접 공기 포집(DAC) 기술 등과의 경쟁적 수요로 인해 확보가 복잡한 바이오제닉(biogenic) CO₂의 가용성.
• 특정 생산 공정, 특히 합성 항공 연료 (e-SAF)를 위한 공정의 기술 성숙도.

비용 문제는 이러한 프로젝트 개발의 가장 큰 장애 요인이다. 국제청정운송협의회(ICCT)에 따르면 2050년 e-케로신 비용 전망 자료(출처: ICCT Working paper, 2022)에 따르면, 이산화탄소 비용, 전해조 비용, 재생 에너지 비용이 낙관적인 수준으로 떨어진다고 가정하더라도, e-케로신은 미국에서 기존 화석 연료 기반 케로신보다 1.5배, 유럽에서는 2.5배 더 비쌀 것으로 예상된다. 마찬가지로, 국제재생에너지기구(IRENA)의 e-메탄올에 대한 전망(Renewable Methanol Outlook, 2021)에서도 낙관적으로 예상하였을 때, 2050년까지 e-메탄올 가격이 톤당 약 250달러까지 떨어질 수 있다고 보았다. 이를 달성하려면 그린 수소 가격이 약 1달러/kg, CO₂ 비용은 약 100달러/톤으로 수준으로 낮아져야 한다. 이러한 비용 절감에도 불구하고 e-메탄올은 현재 생산되는 그레이 메탄올(grey methanol) 보다 여전히 더 비싸다. 따라서 2050년까지도 주요 e-fuel가 화석연료 대비 경제적 경쟁력을 확보하는 것은 매우 어려운 과제로 보인다.