※ 감수인 의견 좋은 보고서 공유해 주셔서 감사 드립니다. 유명한 경제 매거진에서 '신재생 에너지' 관련 칼럼을 읽은 것 같습니다. 이번 보고서에서 왜 정유사들이 탄소포집 장치를 개발하고 있는지 더 잘알 수 있습니다. 링크 글이나 본문이나 양이 작지 않습니다. 하지만 두고두고 꺼내볼만한 아~주 좋은 글이라고 생각합니다.
수퍼엘니뇨와 그린텍소노미 근황(feat 아시아 폭염) (by 메르, 2023/5/20 게시) 신재생 에너지 근황 (feat RE100, 전기차, 테슬라, 그린텍소노미) (by 메르, 2023/4/6 게시)
용어 "Net Zero"는 일반적으로 그린하우스 가스(GHG) 배출과 관련하여 사용되며, 어떤 특정 시점이나 기간 동안 인간 활동으로 인해 발생하는 온실가스 배출량과 그것을 흡수하는 양이 같아져 전체적으로 '0'이 되는 상태를 가리킵니다. 다른 말로, 배출된 온실가스의 양이 지구의 기후에 영향을 주지 않는 수준까지 줄이는 것을 목표로 합니다. 이는 산업, 에너지, 교통, 농업 등 다양한 부문에서의 온실가스 배출을 크게 줄이거나 없애는 것을 포함합니다. 그러나 완전히 배출을 없애는 것이 어려운 경우, 식물이나 토양, 바다 등에 이산화탄소를 흡수하거나 이산화탄소를 직접 공기 중에서 제거하는 기술(Carbon Capture and Storage, CCS 등)을 통해 양을 줄여 나가는 방식으로 Net Zero를 달성하려는 노력이 진행되고 있습니다. 전 세계 많은 국가들이 2050년까지 Net Zero 목표를 세우고 이를 달성하기 위한 다양한 정책과 노력을 진행하고 있습니다. 이는 기후 변화를 막기 위한 글로벌 노력의 일환으로, 2015년 파리 기후 협약의 목표인 "전 세계 평균 온도 상승을 산업화 이전 수준보다 2도 이내로, 가능하면 1.5도 이내로 제한"하는 것을 실현하기 위한 중요한 수단입니다. "ESS"는 Energy Storage System의 약자로, 에너지 저장 시스템을 의미합니다. 이 시스템은 전기 에너지를 저장하여 필요한 시점에 사용할 수 있도록 합니다. 주로 재생 가능 에너지 소스의 변동성을 관리하거나 전력 품질을 향상시키는 데 사용됩니다. 에너지 저장 시스템은 다양한 형태와 기술로 구성될 수 있습니다. 가장 일반적인 형태는 배터리 기반의 에너지 저장 시스템인데, 이는 리튬 이온 배터리, 리드애씨드 배터리, 니켈 카드뮴 배터리 등 다양한 종류의 배터리를 포함합니다. 에너지 저장 시스템은 재생 에너지를 효율적으로 관리하고, 피크 전력 수요를 관리하며, 전력 공급 안정성을 높이는데 큰 역할을 합니다. 이는 재생 에너지 사용을 증가시키고, 에너지 공급의 안정성을 향상시키는 데 중요한 기술입니다. "E-fuel"은 전기를 사용하여 제조된 연료를 의미합니다. 이는 재생 가능 에너지 원 (일반적으로 풍력이나 태양열)을 사용하여 전기를 생성하고, 이 전기를 사용하여 물 (H2O)을 수소와 산소로 분해하는 전기분해 과정을 통해 제조됩니다. 이렇게 얻은 수소는 이산화탄소와 함께 반응시켜 다양한 유기 화합물을 생성하는데, 이러한 화합물은 가솔린, 디젤, 제트 연료 등과 유사한 특성을 가질 수 있습니다. E-fuels는 재생 가능 에너지를 활용하여 전통적인 내연 기관을 구동하는 데 사용할 수 있는 탄소 중립 연료를 제공하는 방법으로 볼 수 있습니다. 이는 기존의 차량이나 항공기를 개조하지 않고도 재생 가능 에너지를 활용할 수 있게 해주는 큰 장점을 제공합니다. 그러나 현재로서는 이러한 e-fuels의 생산은 비용이 많이 들고, 에너지 효율성이 상대적으로 낮습니다. 따라서 연구 및 개발이 계속 진행되어야 이들이 널리 사용될 수 있는 상태가 될 것으로 보입니다. F-T법은 피셔-트롭쉬(Fisher-Tropsch) 공정을 가리킵니다. 이 공정은 유기화합물, 특히 액체 연료를 합성하는 데 사용되는 방법입니다. F-T 공정은 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소가 높은 온도와 압력 하에서 촉매에 의해 반응하여 탄화수소(주로 알케인)를 생성하는 과정을 포함합니다. 이 방법은 유기 연료를 합성하는 데 사용되며, 이는 주로 석탄, 천연가스, 바이오매스 등을 원료로 합니다. 이 공정을 통해 얻은 연료는 디젤, 가솔린, 제트 연료 등으로 변환될 수 있습니다. 질소산화물(NOx)는 질소와 산소가 결합하여 형성되는 여러 다른 화합물을 가리킵니다. 가장 일반적인 두 가지 형태는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)이며, 이 둘 모두 대기 오염의 주요 원인이 될 수 있습니다. 일산화질소(NO): 이는 불완전 연소 과정에서 자동차, 트럭, 발전소 등에서 주로 생성됩니다. 일산화질소는 대기 중에서 다른 화합물과 반응하여 이산화질소와 오존을 생성하며, 이 둘은 모두 대기 오염과 건강 문제를 유발하는 물질입니다. 이산화질소(NO2): 이산화질소는 일산화질소와 다른 화합물이 대기 중에서 반응하여 생성되며, 직접적으로 특정 산업 공정에서 배출될 수도 있습니다. 이산화질소는 대기오염물질로, 호흡기 문제를 유발하고, 아황산가스와 함께 산비를 형성하며, 또한 오존의 생성에 기여합니다. 질소산화물은 그린하우스 가스로서의 역할도 합니다. 이들은 대기 중에서 이산화탄소보다 훨씬 더 강력한 온실 효과를 가지고 있으며, 따라서 기후 변화에 기여할 수 있습니다. 이산화질소는 또한 오존층 파괴에 기여하는 물질 중 하나로 알려져 있습니다. CCUS는 Carbon Capture, Utilization, and Storage의 약자로, 이산화탄소를 포집하고 이를 다른 용도로 활용하거나 안전하게 저장하는 기술을 말합니다. 이 기술은 기후변화를 완화하는 방법 중 하나로, 대기 중의 이산화탄소를 감소시키는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. CCUS 과정은 크게 세 가지 단계로 이루어집니다: Carbon Capture (탄소 포집): 이 단계에서는 공장, 발전소 등의 대기로 배출되는 이산화탄소를 포집합니다. 포집 방법은 여러 가지가 있지만, 대부분의 경우 이산화탄소를 포집하고 분리하는 데 특별한 화학 반응이 사용됩니다. Utilization (활용): 포집된 이산화탄소는 다양한 용도로 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 이산화탄소는 식물 재배에 사용되거나, 플라스틱 제조, 연료 생산 등 다양한 산업 공정에 이용될 수 있습니다. Storage (저장): 이산화탄소를 다른 용도로 사용할 수 없는 경우, 지하에 안전하게 저장할 수 있습니다. 이를 통해 이산화탄소가 대기로 배출되어 기후 변화를 악화시키는 것을 방지할 수 있습니다. CCUS 기술은 아직 개발 단계에 있으며, 이 기술의 상용화를 위해선 아직 극복해야 할 여러 과제가 있습니다. 하지만 이 기술이 성공적으로 상용화된다면, 기후 변화 문제를 해결하는 데 중요한 도구가 될 수 있을 것입니다.
요약
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이번 포스팅은 개별 종목 분석이 아닌 어쩌면 투자자 입장에서 더 중요한 현업자 입장에서 산업의 지도가 ESG 정책 기조하에 어떻게 변할까에 대한 고민 글입니다.
정유산업 자체가 크게보면 인류에게 필수재인 에너지쪽에 속하기 때문에 과거 전기차에서 패러다임이 바뀌어 산업의 지도도 바뀌고 관련 기업들이 크게 재평가를 받았습니다.
2010년대 초반부터 말로만 떠들던 ESG 정책으로 인한 실질적인 규제가 본격적으로 2030년부터 기업단에서 피부에 와닿게 규제가 들어가기 때문입니다.
Net Zero를 달성하기 위해 신재생에너지(풍력, 태양광)를 전세계적으로 엄청나게 설치하고 있습니다.
아마 신재생 에너지가 미래에 주 전력원이 되고 커질 산업이라는 것에 이견이 있는 분은 없을 것이라고 생각합니다.
하지만 자연에서 얻는 태양광, 풍력의 경우 어쩔수 없이 (인간은 자연을 컨트롤 할 수 없으므로) 필연적으로 간헐성이라는 것이 생기게 됩니다.
따라서 이 간헐성을 보정하기 위해 신재생에너지가 커질수록 Energy를 저장해두는 개념으로서 ESS가 함께 커질 수 밖에 없습니다.
ESS(Energy Storage System)은 쉽게 설명해서 에너지 스폰지 시스템이라고 이해하셔도 무방합니다. 잉여 전력을 보관이 용이한 에너지원으로 바꿔놓는 것이죠. 전기라는 것이 과잉공급되면 전력계통에 블랙아웃을 초래할 수 있기 때문입니다.
결론적으로 신재생에너지가 많아질수록 그것을 전국에 뿌려주는 스마트 그리드, ESS 생태계는 함께 성장한다고 보시면 될 것 같습니다.
21년 기준 미국/유럽에서 태양광/풍력과 같은 에너지원의 출력이 억제된 양만 5 Twh를 넘는다고 알려졌습니다. 문제는 러-우 전쟁이 가속화를 시킨 신재생 설치량 증가로 인해 앞으로 더 많은 전기를 버려야 한다는 것입니다.
위 장표를 보면 스페인이 모범사례로 꼽힐 수 있는데 스페인은 송배전 등 그리드에 투자를 많이 해놨고 ESS를 잘 활용해 독일과 영국대비 출력을 제한하는 Capa가 적은것을 확인할 수 있습니다.
ESS는 크게 전기 배터리를 이용한 BESS와 수소를 이용한 HESS로 나눌 수 있었습니다만 최근 E-Fuel이라는 것이 재조명되면서 ESS의 한 축을 담당할 가능성이 매우 높아졌습니다.
E-fuel은 풍력이나 태양광과 같이 탄소배출이 Zero인 에너지원을 활용해 그린수소를 만들고 그것을 포집한 CO2와 합성해 만든 탄소 중립 연료입니다.
내연기관의 헤게모니를 쥐고 있는 EU와 일본이 강력하게 드라이브를 걸고 있는 정책입니다.
E-Fuel의 역사에 대해 간단하게 정리해보겠습니다.
1. 합성연료의 경우 역사가 오래 됨. 히틀러의 연료라고도 함.
2. 독일이 기름이 부족해서 석탄을 가스화시켜 F-T법을 이용해 액화시켜 연료로 만든, 즉 CTL(Coal to Liquid) 기술을 사용하여 합성연료를 만듬.
3. 합성연료로 세계대전때 독일군이 비행기에 쓰고 탱크에 썼으니 이미 보장이 된 연료임.
4. 이때 석탄을 열심히 수출했던 나라가 남아프리카 공화국임. 전쟁이 끝나고 남아프리카가 독일의 석탄 액화 공정 기술을 가져옴. (그리고 이 회사가 지금의 SASOL의 모태. South Africal Coal, Oil and Gas Corp.)
5. 최근 전기차 시장이 개화되면서 수소 전기차 시장도 열리게 되고(수소를 직접쓰면 액화시켜 써야되기 때문에 저장에 비용이 많이 듬), 과거 수소를 합성연료를 만드는데 사용했던 것을 토대로 합성연료에 대한 고민이 시작됨.
F-T법이라고도 불리우는데 CO와 H2를 이용해 CnHn + H2O를 만드는 기술이라고 생각하면 됨.
우리가 쓰는 연료도 C와 H로 구성된 혼합물들이기 때문에 경제성을 버리면 뭐든 다 만들어 낼 순 있음.
6. 따라서 F-T법을 이용해 그린수소로 합성연료를 만들게되면 기존의 주유소 인프라를 그대로 쓸 수 있음. 내연기관도 마찬가지임. 특히 전기차 충전 인프라에 들어가는 비용을 아낄 수 있고, 인프라가 들어가기 어려운 신흥국에서도 문제없이 사용할 수 있음.
7. 현재 칠레쪽에서도 풍력으로 전기를 만들고 수전해로 전기를 만든다음 이산화탄소를 포집해 그것으로 합성연료를 만들고 있음. 그리고 이것으로 내연기관을 돌리게되면 친환경 연료가 되는 것임.
8. 효율 측면에서 보면 만들어진 전기를 배터리로 쓰는게 높음. 하지만 신재생 에너지 발전이 많아지면서 에너지 저장의 개념으로 전기배터리, 수소저장, 합성연료 3가지 축으로 확장되는 것임. 수소보다 저장이 훨씬 편하고 인프라도 이미 깔려있음. (수입 수출도 용이)
9. 합성연료의 치명적인 단점은 연료가 연소되면서 질소산화물을 만듬 (NOx). 이산화탄소는 중립이지만 NOx는 배출이 되니 요소수를 더 쓰게 됨.
10. 효율을 계산해보면 전기차가 훨씬 높음. 신재생 발전에서 나온 1차 생산물을 다른 2차 3차 생산물로 변형시킬 필요가 없기 때문. 2차는 수소(수전해), 3차는 합성연료.
하지만 전기의 Capa가 감당이 안됨. 우리나라처럼 신재생 발전의 입지가 불리한 나라에서는 특히나 전기가 계속 쇼티지가 날 수 밖에 없음. 합성연료는 수입해다가 쓰면 됨. 수소를 수입해서 합성해도 되고.
11. 엑손모빌 같은 글로벌 오일 메이저도 여기에 관심이 많음. 중동같은 경우에도 풍력, 태양광 발전으로 수소를 만들어 합성연료를 만들면 자기들 기존 인프라를 쭉 이용할 수 있음.
12. 내연기관은 사라지지 않고 공존을 할 것인데 합성연료는 하이브리드 자동차에 특화된 방법임. 기존 하이브리드는 충전이 충분히 되면 전기모터로, 충전이 되어있지 않으면 가솔린을 써서 엔진을 돌림. 즉, 엔진이 발전에도 쓰이고 구동에도 관여함.
13. 하지만 앞으로는 합성연료를 Back-up 전력원으로 배터리를 충전하는 용도로만 쓰고 모터로만 운행되는 자동차로 방향이 바뀔 수 있음. 즉, 발전기 용도로만 쓰이고 구동엔 관여하지 않는 방향으로. 이렇게 하면 장점이 바퀴를 굴리려면 배기량이 커야되지만 발전만 하려면 배기량이 작아도 됨. 마티즈 정도 엔진으로 충분.
14. 합성연료의 장점은 지리적으로 신재생이 불리한 나라나 인프라를 깔기에 가난한 나라도 수입해다가 쓰면 됨. (물론 가격적으로 많이 내려와야 겠지만 + 보조금)
15. 미국도 이퓨얼에 긍정적임. 이미 옥수수에서 바이오 퓨얼을 많이 사용하고 있음. (사탕수수도)
결국 미래에 에너지 저장의 개념으로는 한쪽 진영이 독식을 한다기보다는 배터리, 수소, E-fuel이 공존할 것으로 보입니다. 다만 E-Fuel의 생산단가가 낮아진다면 전기차 대비 인프라 비용도 아끼고 압도적으로 편할 것이라고 생각합니다. (+화재와 같은 안전문제)
E-fuel은 CO+H2라 불리우는 합성가스를 이용해 CnHn의 합성연료를 만드는 것인데 이게 새로운 공정이 아닙니다. 합성연료 자체는 100년의 역사를 가지고 있기 때문입니다.
이미 GTL(Gas to Liquid), CTL(Coal to Liquid)라는 공정이 존재하고 기존 천연가스(CH4)를 원료로 사용하던 것을 포집한 CO2와 그린H2를 이용해 원료로 쓰는것이기 때문입니다.
현재도 중국에는 CTL 공장이 많고, 각국에 GTL 공장도 있는 만큼 E-Fuel의 경제성이 나오게 된다면 합성가스만 어떻게 만드냐만 바뀌는 것이고 그 다운스트림은 전부 동일하게 됩니다. 오히려 E-fuel의 경우 황이나 염소같은 불순물 제거 공정이 빠지기 때문에 신규 공정의 경우 Capex가 줄게될 것입니다.
따라서 현재 오일메이저와 내연기관의 헤게모니를 쥐고있는 진영에서는 E-fuel이 구미가 당길 수 밖에 없습니다.
E-fuel의 가진 장점과 강점을 요약하자면,
1. 탄소 중립형 에너지이다. (포집한 이산화탄소를 순환)
2. 기존 인프라를 활용할 수 있어 전기차 인프라가 들어가기 힘든 개발도상국도 탄소중립 체제로 만들 수 있다. 또한 전기차나 수소차에 사용되는 천문학적인 인프라 비용을 아낄 수 있다.
3. 에너지 캐리어로서 역할을 할 수 있다. 수소나 전력 그리드를 활용한 에너지 수출입보다 기존 인프라를 활용해 E-fuel을 수출입하는 것이 경제적이다.
4. 중동, 미국, 러시아 등 특정 지역에 편중되어 있어 안보 측면에서도 유리하다.
물론 아직까지는 E-Fuel의 핵심이 되는 그린수소의 생산단가와 CCUS를 이용한 이산화탄소 포집비용은 경제성이 없습니다. 일각에서는 전기->수소->E-fuel로 3차 전환이 필요하기 때문에 효율이 낮다고 하지만 간헐성으로 인해 버려지는 재생에너지 기반의 전기를 활용한다는 점에서 효율성은 큰 이슈가 아니라고 생각합니다.
다만 그린수소의 생산단가와 CCUS 포집 기술의 발전으로 점점 생산단가는 낮아질 것이고 가장 중요한 것은 ESG 정책하에 이러한 산업을 키우는 요인은 "과징금적 벌금"에 있습니다. 따라서 항공산업이나 선박 산업과 같이 전기배터리로 대체가 어려운 B2B Level부터 순차적으로 적용이 될 것입니다.
그러므로 위 표에서는 마이너스(-)항목으로 EU나 미국에서 과징금적인 탄소세를 빼야할 것 입니다.
실제 유럽연합의 경우 항공유에서 SAF(Sustainable Aviation Fule)을 2030년부터 5%로 시작해 2050년 63%까지 혼합하는 것을 목표로 삼고 있으며, 여기서 E-fuel 역시 0.7%로 시작해 2050년 28%까지 늘리도록 하고 있습니다.
경제성을 운운하기엔 각 정부의 정책은 일관적입니다. 어느순간 경제적인 이유로 Withdraw될 정책이 아닙니다.
정부가 이렇게 벌금형 정책을 세우면 항공업계는 따를 수 밖에 없습니다. 그리고 이것이 정유산업의 미래 먹거리가 될 것입니다. 이유는 정유사 입장에서도 정책에 의해 수요가 생기게 되면 수익을 내기위해 그쪽 산업으로 진입할 수 밖에 없기 때문입니다. 기존 자산들이 좌초자산이 되는 것을 방치하기 보다는 공정변화와 공장 설계 변경을 통해 넷제로에 대비를 해야되기 때문입니다.
그리고 정제 마진에 의해 이익이 둘쭉날쭉하게 되는 정유사 입장에서는 확실한 고객사의 벌금으로 인한 수요는 반갑지 않을 수 없습니다.
SAF나 E-fuel의 가격 프리미엄은 생산단가와 생산단가 + 과징금 사이 어딘가로 결정이 될 것입니다.
국내 정유사들도 이를 위해 지분 투자 및 CCUS 투자를 단행하고 있습니다.
정유업계와 정부는 탄소 중립 관련 기술 개발에 손을 모았다. 산업통상자원부의 '정유업계 2050 탄소 중립 기술 개발 로드맵'에 따르면 정유사들은 ▲친환경 연료 대체 ▲무탄소 연료 전환 ▲에너지공정 효율화 ▲이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS) ▲대체연료 생산 및 보급 등 5개 기술 개발을 추진한다.
현재 '탄소순환형 정유제품 생산을 위한 CCU 통합공정 기술개발 사업'이 진행 중이며 2025년까지 핵심기술을 개발할 계획이다. 2030년부터는 상용화 연구에 돌입한다. 해당 기술은 정유 공정에서 배출되는 이산화탄소를 기초유분과 탄소 순환형 연료 생산 등으로 활용할 수 있도록 해 탄소 저감에 기여할 것으로 기대된다.
이와 같이 신에너지 패러다임을 잡기 위해 우리나라 뿐 아니라 세계 메이저 회사들이 바쁘게 협업하고 움직이고 있습니다.
세계적으로 E-fuel 관련해서 투자가 많이 이루어지고 있습니다.
따라서 E-fuel은 이미 투자가 활발하게 투자가 진행되고 있고 전통오일을 교체하려면 더 많은 연구로 주요 Cost를 낮춰야 하는 숙제가 남게됩니다.
전기차와 내연기관이 미래에 공존하게 된다면 여기서 E-fuel을 만들기 위한 기업에서 투자의 기회도 있을 것으로 생각합니다.
골드만 삭스의 경우 전세계 자동차 산업이 전기차로 완전히 전환하는데 드는 인프라 투자 비용만 6조달러에 이를 것으로 예상하고 있습니다. 이러한 막대한 인프라 비용이 100% 전기차 전환에 걸림돌이 되며 E-fuel 진영을 키울수 있는 하나의 당위성을 만들어주게 됩니다.
물론 아직 넘어야 할 산들이 많습니다. 그린수소의 생산단가와 CCUS 기술의 경제성을 확보하기 때문입니다.
하지만 계속된 투자로 그린수소 생산단가와 CCUS 단가가 매년 감소하고 있습니다. 미국의 경우 IRA법안으로 지원도 하고 있습니다. 따라서 결국에는 Tipping Point를 넘어 전체적인 Cost가 내려갈 것으로 생각하고 있습니다.
투자아이디어
1. E-Feul 상용화의 키는 결국 수소단가와 CCUS에 달려있음.
2. 수전해 설비와 CCUS에서 핵심 밸류체인을 봐야함.
3. 넷제로에 대비해 SAF와 E-fuel에 적극적인 정유회사를 유심히 봐야함.
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