서 론

맥킨지 컨설팅 ｢기후 위험 및 탈탄소화 : 모든 광산 CEO가 알아야 할 사항｣표제의 보고서에서 광업은 현재 전 세계적으로 온실가스(Green House Gas, GHG) 배출량의 4% 내지 7%를 담당하고 있고, Scope 1 및 Scope 2 범위의 CO₂ 배출량(광산 운영 및 전력 소비를 통해 각각 발생한 배출량)은 1%에 달하고, 석탄 채광으로 인한 메탄 등 온실가스 배출량은 3% 내지 6%로 추정된다고 발표하였다(Delevingne et al., 2020). 이와 별개로 석탄광산은 전 세계 배출량의 상당수(약 28%)은 석탄 연소를 포함한 Scope 3(간접적) 배출량으로 제시하고 있어 광업의 비중은 더욱 높다고 판단된다. 광산업에서 기후 변화의 영향에 대해서 산업계가 어떻게 대응할 수 있는지 지난 십 여년 동안 계속 논의가 이루어졌고, 급기야 국제 광업 및 금속협의회(ICMM)의 회원들은 파리 협약의 목표에 따라 2050년까지 Scope 1 및 Scope 2 범위의 온실가스(GHG) 배출량을 순 제로화(Net-zero)하는 목표에 합의했다(ICMM, 2021). 국내 광업계의 경우 시멘트산업체는 2021년 2월 ‘시멘트 그린 뉴딜 위원회’를 출범하여 탄소중립을 위한 본격적인 논의를 진행하고 있으며 직접배출 감축을 위해 화석연료를 신재생 에너지로 전환하고, 에너지 효율화를 통한 열효율 향상으로 연료 사용량을 절감하는 노력을 지속하고 있다. 우리나라에서 에너지 다소비업종으로 인식되고 있는 비금속광물제조업을 포함한 광산업은 에너지집약적인 생산체계로 인하여 탄소집약도 자체가 높은 것도 문제지만 유럽, 남미, 호주 등 광업부국과 비교해 감축을 위한 체계적인 이행이 다소 부진한 것이 사실이다. 이론적으로는 광산의 운영 효율화를 통한 에너지 절감, 재생 에너지 사용을 통한 온실가스 저감이 가장 큰 변수가 되지만 탈탄소화를 위한 자본 투자가 필요하고, 재생 가능 에너지로의 전환 등 해결해야 할 문제들이 많이 있다. 본고는 국내 광업부문의 온실가스 배출현황을 분석하고 탄소저감을 위한 국내외 사례분석을 통해서 실현가능한 탄소 중립 방안을 수립하는데 도움을 주고자 하였다.

본 론

2030 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향에 따른 산업계 동향

우리 정부는 2050 탄소중립 선언(VIP, 2020.10.28)및 시나리오 의결에 따른 체계적 이행을 위해 관계부처 합동 2050 탄소중립 추진전략을 발표하였다(2020.12.7. 2050 탄소중립위원회를 출범하고(2020.5.29) 탄소중립 시나리오를 의결(2021.10.18)하였으며 금년 3월 25일 탄소중립법의 본격시행을 확정하였다(Fig. 1). 작년 10월에 발표된 상향된 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC)에 따르면 석탄발전 축소, 신재생 에너지 등을 통한 감축 확대는 물론, 산림흡수원과 CCUS 기술을 통한 흡수 ․ 제거의 상향화 목표도 제시되었다(Korean government, 2021). 이에 따라 제철소와 발전사는 물론 광업계를 포함한 산업발전분야 탄소배출 기업들이 ESG 경영을 포괄하는 탄소중립 경영체계를 구축하도록 하고 에너지효율 개선, 친환경 원료 전환 등 다각적인 노력이 불가피하게 되었다.

Fig. 1.

Government policies after 2050 Domestic Carbon Neutrality Declaration.

Table 1을 살펴 보면, 온실가스 감축목표(NDC) 상향안은 산업 부문의 배출량은 에너지 효율화와 공장 및 산업단지의 전환 등을 통해 80~90% 줄이는데 초점을 두고 있다. 2050 탄소중립 시나리오는 2030 NDC와 연계되어 있으며, 향후 28년 남은 기간 동안 탄소 배출량을 100% 줄이기 위해서는 단순 산술 계산만으로도 매년 3.5~3.6% 감축을 이뤄야 하며, 이 경우 2030년까지 약 33%를 줄여야 한다. 글로벌 광산기업들이 저탄소 공급망을 구축하고, 주요국에서 탄소국경세 부과가 논의되는 등 무엇보다도 탄소중립은 중소기업의 생존과 직결되는 문제가 되었다. 이제 광업계는 산업 원료인 광물의 생산량 확대와 온실가스 저감 등 두 가지 목표를 달성하기 위한 다각적인 노력이 필요하게 되었다.

국내 광업계의 탄소감축 현황 및 시사점

산업구조상 온실가스 배출이 많은 국내 광업부문의 온실가스 배출량이 증가한 요인은 코로나 이후 제조업 경기가 성장하면서 화석연료의 소비가 증가한 것으로 판단된다. 광업은 생산공정과 기술의 특성상 화석연료 소비가 필수적이므로 광업의 성장은 화석연료 소비와 직결된다. 따라서 광업의 저탄소화는 궁극적으로 화석연료 소비를 전환하는 기술 및 전략이 핵심이라고 할 수 있다. 환경부 온실가스 종합정보센터의 자료(Fig. 2)에 따르면 우리나라 광업 분야에서 배출하는 온실가스는 국가 총 배출량 약 5%를 차지한다. 아울러 광물생산업은 산업공정 부문의 온실가스 배출량의 절반정도를 점유하고 있고 이중 국내 광업계를 대표하는 석회생산은 20%를 차지하고 있다(Fig. 2). 2050년 탄소중립 목표를 달성하기 위해 중소기업을 포함한 모든 업종이 탄소배출 감축을 위한 자구노력을 기울여야 한다. 중소벤처기업부에 따르면 국내 온실가스 배출량의 15%를 차지하는 중소기업들은 온실가스 감축과 관련하여 자금 및 인력 부족, 이해도 및 시간의 부족, 인센티브 부족, 기술 및 설비 부족 등의 사유로 구체적인 계획을 수립하기 어려운 실정으로 파악된다(Fig. 3).

Fig. 2.

(A) Percentage of national greenhouse gas (GHG) emissions; (B) GHG emissions of industrial sector.

Fig. 3.

GHG emission statistics and results of carbon neutrality awareness survey of SMEs.

국내 광업 CEO협의회(2018년 발족)는 금년 6월 국내 광산 최고경영자 30여명이 모인 자리에서 광업계의 가장 큰 현안인 탄소중립 및 환경 ․ 사회 ․ 지배구조(ESG)경영에 대하여 논의하였다. 대부분의 광산업체들은 탄소중립과 온실가스 감축을 위한 대응 계획수립에 어려움을 겪고 있었으며, 국가기관(한국광해광업공단)이 나서서 전환비용과 기술지원 방안을 마련할 것을 요구하였다. 탄소중립이라는 국가목표를 달성하기 위해 한국광해광업공단은 금년 2월 광업계의 탄소배출저감과 ESG경영 저변 확대를 위한 탄소중립협의회를 창설하였다. 이 협의회는 광산업체의 자발적인 탄소감축 방안과 온실가스 저감기술 개발을 논의하는 민관협력기구로써 유관 협회 및 11개 중소 석회석 제조기업이 참여하고 있다. 국내 광업계를 대표하는 협의회는 정기적으로 의견을 수렴하고 협력 파트너와 소통함으로써 탄소 저감을 위한 지원방안을 제시히고자 노력하고 있다. 광산개발 단계에서 온실가스 주 배출원은 광산장비에 사용되는 화석연료와 소성로에 사용되는 고정연료로써, 광물을 가열해 생석회나 제철용 코크스에 사용되는 경소백운석 등을 제조하는 소성 공정에서 필연적으로 온실가스가 다량 배출된다. 기업들은 매년 사업장의 온실가스 배출을 유지하기 위해 탄소배출권을 구매하여야 하는 실정이다. 중소기업 유형이 대부분인 국내 광업계는 기구축된 시설과 설비로는 발생하는 온실가스를 막을 수 없는 데다 생산량이 늘수록 온실가스 배출량이 많아져 탄소배출권 확보가 경영상 큰 부담이 되므로, 사업장별 탄소중립 수준 진단을 통해서 최적의 온실가스 저감 프로세스를 마련하여야 한다.

국내 광업계의 온실가스 자료 분석

환경부 온실가스종합정보센터 국가 온실가스 배출량 인벤토리 통계자료를 토대로 2018년 대비 2021년까지 최근 4년간의 온실가스 데이터를 분석하였다(National GHG data, 2022). 분석에 사용된 온실가스 인벤토리 자료는 광업시설 배출량에 대해 온실가스 현장 측정 및 활동자료 분석을 통해 검증기관에 의해 작성된 데이터로써 국내 특성을 반영한 광업 분야 국가 고유 배출계수를 적용하여 계산된 결과이다. 다만, 이는 산업공정, 간접배출 등 현장별 상세한 특성이 반영된 자료는 아니며 산업공정중 광물산업과 관련한 직접 배출의 기초자료로써 유효하다는 점을 제시한다. 온실가스종합정보센터에 등록된 10개의 광산업체 자료를 7개 시멘트업체의 자료와 비교함으로써 온실가스 배출현황을 구체적으로 파악하고자 하였으며, 이러한 결과를 Fig. 4에 제시하였다. 2018년부터 21년까지 광업계의 온실가스 배출 증가율(2018년 대비)은 86~114%이며 생산량이 높은 5개 기업의 경우 평균 91%를 나타내었다. 광업계의 총 에너지사용량과 총 온실가스 배출량의 상관관계는 0.99로써 상관성이 매우 높은 것으로 파악되었다(Greenhouse Gas Inventory and Research Center, 2021). 이는 온실가스 감축을 위한 다양한 활동들의 영향이 상대적으로 낮다는 것을 나타내고 있음을 보여준다. 반면, 시멘트업계의 온실가스 배출 증가율(2018년 대비)은 86~106%이며 생산량이 높은 4개 기업의 경우 평균 95%를 나타내었다. 시멘트업계의 총 에너지사용량과 총 온실가스 배출량의 상관관계는 0.91로써 상관성이 높긴 하지만 광업계에 비해 낮은 것으로 파악되었다. 이는 과거 10여년 동안 온실가스 감축을 위한 추진전략을 수립해온 시멘트업계는 광업계에 비해 온실가스 감축을 위한 다양한 활동들의 영역이 9% 범위내에서 영향을 주고 있음을 보여준다. 이렇듯 광업계와 시멘트업계는 온실가스 증감율은 유사하지만, 에너지 사용량에 대한 온실가스 배출량은 광업계가 시멘트업계에 비해 의존도가 높음이 확인된다.

Fig. 4.

Comparison of greenhouse gas statistics for mining and cement industries (~2018‒2021).

국내 광업계의 에너지사용 현황 및 시사점 도출

한국에너지공단 ｢산업부문 에너지사용 및 온실가스배출량 통계｣에 따르면 전체 에너지사용량 115.9천 toe 대비 36% 는 직접가열을 위한 수입무연탄 소비, 48.6%는 동력용, 직접가열, 난방, 조명 등을 위한 전력 소비로 확인되었다(KEC, 2021). 그 외 10.3%는 가공공정에서 사용되는 기타석유, 3%는 중질중유, 경유, 경질중유 등 석유류로 확인되었다(Table 2). IPCC 국가인벤토리 기본배출계수(2006)에 의거 발전원별 이산화탄소 배출계수를 살펴보면, 석탄은 1테라줄(TJ) 당 98ton의 이산화탄소를 배출하는 것으로 나타나 다른 화석연료인 석유(73ton), LNG(56ton) 등을 압도한다. 우리나라 ｢온실가스 에너지 목표관리 운영 등에 관한 지침｣에 따르면 수입무연탄(연료용)은 105tCO₂/TJ, 천연가스(LNG)는 56.1tCO₂/TJ, 휘발유는 73.3tCO₂/TJ으로 연료별로 배출계수의 차이가 많이 나는 것을 확인시켜 주고 있다. 앞서 살펴본 것처럼, 에너지관련 온실가스 배출이 전체 온실가스 배출에 있어서 큰 비중을 차지하는 것으로 파악되므로, 전력 및 열 부문에서의 배출은 에너지 전환이 광업계의 탄소저감에 있어서 가장 큰 난제임을 확인할 수 있다. 전체 에너지사용량의 대부분이 직접가열 공정의 열원(무연탄 사용)과 동력, 난방, 조명용 전력사용으로써, 배출권 할당대상업체 사업장별 탄소중립 수준진단을 통한 설비지원 등 온실가스 감축수단 발굴이 필요한 것으로 판단된다. 아울러, 보다 영세한 소규모 배출사업장의 경우 현황 파악도 어렵고, 협의회에 대한 참여도 저조한 바 광업 할당대상업체의 지속적인 온실가스 감축을 위한 지원사업 참여 및 독려할 수 있는 방안이 추가로 필요하다. 더불어, 각종 정부의 지원사업에 대한 경영진의 이해, 실무진에 대한 온실가스 감축 교육, 타산업분야의 감축 사례 정보 제공을 통해서 지속적인 감축지원이 필요함을 나타낸다.

Table 3에서 보는 바와 같이 온실가스 감축을 위한 다양한 방법이 있으나, 광산업의 지역적인 특성을 고려, 산악지 등에 위치한 현장여건(산악지대 등 격오지 위치 등)을 고려하여 실현가능하고 지속가능하며 감축효과에 대한 정량적 측정이 가능한 탄소저감 방안을 구축하여야 한다. 1차적으로는 에너지원의 전환을 통한 온실가스 배출을 감소하는 방안이 마련되어야 하지만, Table 3에서 보는 바와 같이 공정 전환을 통한 에너지 소비 효율화, 대기 중에 존재하는 이산화탄소(CO₂)를 선택적으로 흡수 ․ 포집 ․ 전환(또는 영구 저장)하거나, 산림 등 탄소흡수원의 확대, 유용한 물질로 전환하는 CCUS 방법도 검토할 수 있다. Deloitte 보고서에 따르면 화력발전 폐쇄, 신재생에너지 발전량 증대 계획이나 전략적 유연성으로 볼 때 탈탄소화를 이루기 위해서는 탄소포집 및 저장기술(CCUS)과 그린 수소기술이 필수적이라고 제언한 바 있다(Deloitte, 2020). 본 고에서는 국내외 광업계와 시멘트업계의 상용화가 가능한 실증 사례를 살펴봄으로써 탄소중립을 실현하기 위한 구체적인 계획을 수립하는데 참고가 될 수 있도록 제언코자 한다.

석회석 광산업체 TK기업 탄소중립 사례

무기화학 소재개발 기술을 보유한 TK 광산업체는 이산화탄소(CO₂) 포집 ․ 활용(CCU) 기술을 이용한 혁신 소재개발로써 탄소저감 목표를 달성하는 계획을 수립하였다. 소석회를 CO₂와 반응시켜 고순도 미립자 침강성 탄산칼슘(PCC)을 제조하는 방법부터, 식 (1)과 같이 산화광물을 포집한 이산화탄소와 반응시켜 석회원료로 활용하는 등 다양한 시제품 개발과 기술의 완성도를 높이는 연구를 진행하고 있다.

침전된 미네랄 카보네이트 및 이들의 유도체는 순도, 다형성, 모양, 크기 및 분포, 색상, 밝기, 밀도 및 기타 많은 물리화학적 특성에 따라 다양한 산업 용도로 활용되는데 신소재 분야 개척 및 탄소 포집 기능이 병행되어 일석이조의 친환경 성장 모델을 제시하고 있다. 2020년 석회석 산지인 단양공장 등에서 나오는 소석회와 이산화탄소의 반응기를 활용, 연 64,939t 규모의 탄산칼슘을 생산하였다. 이 과정에서 한 해 동안 2만 9,000t의 이산화탄소를 포집해 공기 중으로 나가는 탄소를 저감했으며, 이는 60년 된 소나무 600만그루가 1년에 흡수하는 이산화탄소에 해당하는 양으로 평가된다. 2022년에는 신소재 개발에 방점을 두고 첨단 기초소재 개발의 핵심 방향으로써 ‘이산화탄소 재활용’을 최우선 과제로 선정하였다. 단순 이산화탄소 포집과 합성 공정을 통해 제지용 탄산칼슘을 제조하는 단계에서 벗어나서, 고분자 신소재로 전환시키는 ‘C2V(Carbon To Value)’ 프로젝트(Fig. 5)를 통해 플라스틱을 대체하는 친환경 복합 신소재의 연구를 진행하고 있다. 이를 위해 산업용 보일러에서 나오는 재(ash)에서 생석회를 추출하고 굴뚝에서 나오는 이산화탄소를 포집 ․ 합성해 탄산칼슘을 생산함으로써, 원천적으로 이산화탄소의 배출을 저감하겠다는 목표를 갖고 있다. 이러한 기술이 상용화되면 발전소에서 나오는 산업용 부산물을 원료로 활용하여 탄산칼슘을 만들어서 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있다. 천연 광물 형태에서 만들어졌던 탄산칼슘은 아직 국내에서 제지용으로 연간 15만t 정도로 수요가 제한적이었지만, TK기업은 탄산칼슘이 40~60%까지 함유된 고분자 화합물을 폐기물을 이용하여 생산함으로써 기술의 상용화 가능성을 마련하였다. 또한 현재 100% 수입에 의존하고 있는 중탄산나트륨의 국산화에 착수해 시험생산(파일럿 플랜트) 실증까지 완료하였고, 상업생산이 이뤄질 경우 수입대체를 통한 국내 기초소재의 안정적인 수급뿐 아니라 탄소 포집을 통한 친환경 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대한다. TK기업의 경우 지속적인 기술개발과 상용화를 통해서 탄소저감 달성이 가능한 사례를 보여주고 있으며, 기업마다 각자의 경영여건에 부합하는 탄소중립 기술개발을 단계적으로 추진함으로써 점진적인 탄소감축 목표 달성이 가능함을 확인할 수 있다.

Fig. 5.

TK & D mining company model: CO₂ capture and use process.

D 광산업체 탄소중립 융복합 자원화단지 조성 사례

탈탄소 ․ 친환경 정책의 강화로 CCU 시장이 형성 및 지속 성장할 전망이나, 중소‧중견기업의 탄소중립을 지원할 기반은 부족한 점에 착안한 D 광업회사는 CO₂ 다배출 사업장 인근에 CCU 실증사이트를 조성하여 기술 실증 및 CO₂ 활용 잠재적 시장가치 검증을 추진하고 있다. 실증사이트는 탄소중립 융복합 자원화단지로 조성되며, 이산화탄소 포집 및 활용을 위한 장비 및 부대시설을 구축하고 이산화탄소 포집, 액화, 활용기술 실증을 통해 중소기업, 지역상생 협력형 비즈니스 모델을 개발한다. 광산업의 탄소중립 달성을 위해 이산화탄소 저장 및 재자원화(CCUS) 수단의 조기 도입은 매우 중요하며, 이를 가능하게 하는 지원 정책 및 제도적 마련이 요구된다는 측면에서 매우 유의미한 사례로 판단된다.

국내 시멘트사들의 다양한 탄소저감 노력에 대한 고찰

대표적인 ‘굴뚝산업’으로 꼽히는 시멘트 산업은 온실가스 배출량 상위 20개 기업중 시멘트 업종은 5개 기업이 포함되며, 연료전환(fuel conversion)과 원료전환(raw material conversion)을 통한 배출량 46.3% 감축이 불가피하다. 시멘트산업에서의 온실가스 배출은 연료사용에 의한 직접배출, 설비구동을 위한 전력사용에 의한 간접배출, 석회석의 탈탄산과정에서 발생하는 공정배출로 구분된다. 이 때문에 주요 시멘트 업체들은 Fig. 6 및 Table 4에서 보는 바와 같이 대규모 설비 투자를 통해 46.3%에 해당하는 이산화탄소 저감을 실현하고 중장기적으로는 나머지 53.7% 실현을 위한 다각적인 노력을 기울이고 있다. 시멘트산업 탄소중립 감축 시나리오에 따르면 연료전환(유연탄 → 폐합성수지 및 수소열원 전환)과 원료전환(석회석 원료를 폐콘크리트 일부 대체/혼합재 비중 확대)을 통해 2050년 정부 목표인 53% 배출량 감축을 달성하고자 한다. 현재 시멘트 업계가 가장 집중하는 부분은 탄소 배출의 주범으로 꼽히는 유연탄 사용을 줄이고 대신 폐플라스틱 등 폐합성수지를 연료로 사용하는 것이다.

Fig. 6.

Carbon neutrality strategy of cement industry represented by SS cement.

국내 SP 시멘트사의 탄소저감 노력

SP사의 지속가능경영보고서에 따르면 시멘트, 레미콘 등 건설 기초소재 사업과 더불어 탄소 배출 감축, 자원 재활용 같은 친환경 사업의 역량을 키워 새로운 성장 동력을 창출한다는 계획을 보인다. 이른바 폐기물 친환경 처리로 탄소중립 및 순환경제를 구축한다는 전략이다. 시멘트를 생산하려면 석회석 등 주원료를 1,500°C이상 고온에서 가열하는 소성공정을 거치는데, Fig. 7과 같이 유연탄대신 폐플라스틱을 사용하는 방안을 세운 것이다. 이처럼 매립해야 할 폐기물을 연료로 사용하면 전량 수입에 의존하고 있는 천연자원인 유연탄의 사용을 줄일 수 있고, 고열에 유해물질이 완전히 분해돼 환경측면에서도 안전하고, 유연탄 사용량 저감에 따라 온실가스와 질소산화물 배출량도 줄일 수 있다. 이와 더불어 원료부터 운송에 이르는 사업 전반에서 친환경 중심의 공정 개선 및 저탄소 전환을 지속하고 있으며, 정부에서 탄소중립 핵심기술로 소개한 탄소 포집-전환 일체형 공정 기술 개발을 선도하고 있다. 정부의 방침에 따라 친환경 연료인 수소산업 생태계가 성숙해지면 운송 ․ 발전 분야에서 수소를 이용한 친환경 운송수단을 활용할 계획이다. 이를 위해 향후 5년간 약 2,000억 원의 투자를 계획중에 있고, 금년에 약 700억 원을 투입하였다. 탄소 저감, 원료 대체 등을 위한 친환경 설비의 구축과 유지보수 비용 등 초기투자비용은 비교적 큰 것으로 파악되나, ESG 경영체계를 구축한다는 측면에서 전사차원에서 추진하고 있다.

Fig. 7.

SP cement model: ecofriendly waste treatment for carbon neutrality.

국내 HL 시멘트사의 탄소저감 노력

HL 시멘트사의 탄소저감 전략의 주요내용은 Table 5에서 보는 것처럼 1단계에서는 대체 연료를 발굴하여 석탄 사용량을 줄여서 CO₂ 배출량을 저감하고 2단계 이후는 다양한 혼합시멘트를 개발하여 Clinker 생산을 줄여서 CO₂ 배출량을 저감한다는 계획이다. HL 시멘트는 이미 2017년에 CCUS 시장진입 검토를 위하여 분리막(Airrane)을 설치하여 시운전을 진행하였는데, 90% 순도의 CO₂ 포집이 가능하였고(2,000nm³/h) 액화설비는 포함되지 않았지만 컨테이너 유형으로 용량 증가에 따른 장점이 있음을 확인한 바있다. 3단계에서는 유관 업계에서 국책사업으로 추진중인 이산화탄소의 메탄올, DME 생산 기술의 상용화 과정을 지켜본 후에 시장진입에 나설 계획이다. 탄소흡수장치 설치를 통해서 연간 120톤 이상의 이산화탄소 포집효과가 얻어지는 경우 10만m²(10ha) 규모의 산림에서 흡수하는 이산화탄소 제거효과와 동일하게 된다.

국내 SS 시멘트사의 탄소저감 노력

SS시멘트사는 에너지비용 상승과 온실가스 감축 규제 등의 경영여건에 발맞춰 대내적으로는 smart Factory를 구축하고 Fig. 8와 같이 CCUS 상용화를 포함한 온실가스 감축사업을 지속적으로 추진하고 있으며, 대외적으로는 SS사가 보유한 온실가스 감축 노하우를 바탕으로 온실가스 감축이 필요한 해외국가에 확대 보급을 통한 배출권 확보로 유관산업 탄소중립을 지원할 계획이다. Smart Factory는 시멘트 생산 계획의 효율을 높이기 위한 공장 자동화를 통해 에너지 비용과 물류 비용을 절감하는 사업이다. CCUS사업은 기완성된 이산화탄소 포집 및 광물탄산화 기술을 활용, 시멘트 생산시설(킬른)에서 발생하는 CO₂를 액상 포집 후 고순도 침강성탄산칼슘(PCC)와 액화탄산가스 등을 제조하는 공정이다. 포집 CO₂ 활용 메탄올 생산 통합 연계공정의 실증을 통해 기술 국산화를 완성하고, 페열에너지를 이용 독자적 촉매기술 기반으로 제조된 합성가스로부터 고순도 메탄올 합성(순도 99.9% 이상, 30t MeOH/d) 등 CO₂ 전환 플랜트 기술을 확립하였다.

Fig. 8.

Process of carbon capture and use for carbon neutrality.

국가 R&D를 활용한 지자체의 온실가스저감 추진 사례

충북도는 지역 내 시멘트산업 인프라를 활용하여 친환경 저탄소 화학연료(메탄올, DME, 초산 등)생산 ․ 공급 ․ 유통 산업생태계를 조성하기 위한 국가 R&D를 추진하고 있다. 충북지역은 탄소 다배출업종인 국내 시멘트 생산량(52백만 톤)이 42.7%로 전국대비 가장 높고, 22백만 톤 생산 CO₂ 를 저감하기 위한 시멘트 산업계의 자구노력으로 정부 지원을 얻어내었다. 시멘트 산업에서 발생되는 CO₂를 1,000만 톤/년 포집하여 저탄소 화학연료(합성가스, 메탄올)500만 톤/년이상 생산(수입대체 160만 톤)하고 지역내 유통 ․ 공급 연관산업 유치로 새로운 산업 생태계 구축한다는 내용이다. 시멘트산업 미활용 반응 공정열을 회수하여 CO₂ 정제 및 CH₄ 개질 및 메탄올 전환에 필요한 에너지원으로 활용하고, 친환경 합성가스 및 메탄올 전환 플랜트 구축 및 통합공정 운영을 통해 CO₂ 최대 80% 감축을 목표로 사업을 추진하고 있다(Fig. 9).

Fig. 9.

Energy generation by CO₂ refinery and chemical conversion.

다국적 자원개발기업의 탄소중립 목표 및 주요시책

Table 6과 같이 글로벌 비철부문 5대 광업회사의 경우 Scope 1 과 Scope 2 에서 2040년 또는 2050년까지 탄소중립을 목표로 하는 사업 포트폴리오를 발표하였다. 이들 기업들의 가장 큰 특징은 감축목표 달성을 위하여 재생에너지, 장비 전기차 도입 등의 사업추진을 위한 전방위적 협력체계(Supply chain)를 구축하였다는 것이다. 예를 들어, 앵글로 아메리칸은 남아공광산에서 ENGIE, First Mode, Ballad 및 NPROXX 등 엔지니어링 회사와 합작으로 태양광 발전소가 포함된 수소 생산 ․ 저장 ․ 연료공급 단지 및 수소 동력 광산운반 트럭으로 Scope 1 배출량의 15%에 달하는 디젤 사용을 대체하는 시범사업을 추진하였다. BHP는 칠레광산에서 중국 우시보톤(Wuxi Boton)과 독점 시범사업을 추진하여 탄소중립 실증규격에 부합하는 철강 컨베이어벨트를 공동개발하였다. Rio Tinto는 볼보그룹과 파트너십을 구축하여 저탄소 원료공급 및 자율주행 수송장비 도입을 추진하고 있다. 아울러 엘리시스라는 기술벤처에 투자하여 알루미늄 제련과정에서 CO₂ 배출없이 순수 산소를 배출하면서 금속을 생산하는 혁신 기술을 개발하고 있다. 이 기술의 핵심은 전기분해과정에서 기존의 탄소음극제 대신 비활성 양극제를 사용하여 1차 알루미늄을 생산하는 것이다. Glencore 는 배터리 셀 기술 및 R&D 분야에서 영국의 최고 투자 파트너이자 배터리 선구자인 Britishvolt와 함께 배터리 재활용 합작 투자를 시작하였다. 재활용 원료와 광물을 배터리 공급망에 다시 공급하는 진정한 순환 경제의 창출을 통해 해당 시설을 재생 가능 에너지로 100% 전력을 공급한다는 장기적인 목표를 세웠다. 세계적 철광석회사인 Vale은 포스코와 저탄소강 원료(HBI) 확보를 위한 협력 사업을 확대하기로 하였다. 이를 통해 탄소중립형 생산체제로의 단계적 전환과 친환경 인프라 조성을 통해 글로벌 원자재 공급망 체계를 구축하고자 하였다.

(프리포트) 설비개선을 통한 탄소중립 사례

광산회사 PT Freeport Indonesia 는 2030년까지 온실가스 배출량을 30% 줄이는 목표를 수립하였다. 눈에 띄는 것은 Scope 1 배출 감축 계획에 디젤 트럭을 대체하는 전기 구동 트럭, 디젤 장비를 대신하는 전기 구동 유압식 장비, 스마트 기술을 적용한 자율 주행 모바일 암파쇄기(Fig. 10) 등 안전과 환경을 동시에 고려한 기술을 선보인 것이다. 공정 개선 측면에서는 산화물 광석 침출에서 톤당 30% 이상 에너지 수요를 감소시키는 단계 변화 분쇄 기술(고압연삭롤 HRC 300)을 구현했으며, 재래식 제련 및 정제를 대체하는 황화물 농축물을 침출하기 위한 매우 효율적인 공정을 개발하였다. 이 회사는 2014년에는 새로운 고효율 밀링 기술(고압 연삭 롤 기술)을 설치하여 온실가스 절대 배출량을 크게 절감한 바 있다. 이처럼 글로벌 저탄소 광업 경영활동에 발맞추어 지속적인 공정과 설비 개선을 통해 에너지 효율을 증대시키거나 온실가스 발생을 감축하는 다양한 시도를 전개하고 있다.

Fig. 10.

Freeport model: high-pressure grinding roll and mobile rock-breaker.

(리오틴토) 전기차 도입을 통한 탄소중립 사례

세계에서 가장 큰 광산 회사 중 하나인 리오틴토는 탄소저감 광업을 위한 지속 가능한 솔루션을 개발하기 위해 Komatsu의 광산 사업 부문과 협력을 추진하고 있다. 광산 운영으로 인한 온실 가스를 줄이고 궁극적으로 제로 배출 광업의 목표를 달성하기 위해 운송 트럭을 포함한 무배출 광산 운송 솔루션을 개발하였다. 광업을 탈탄소화하기 위해 차세대 제로 배출 광산 장비 및 인프라의 제품 계획, 개발, 테스트 및 배포에 적극적으로 협력한 결과, Komatsu는 배터리와 수소를 포함한 다양한 전원으로 주행가능한 장비를 개발하여 CO₂ 배출량을 2030년까지 50% 감축하고(2010년 대비) 2050년까지 탄소 중립을 달성하기 위해 노력하고 있다. 전기 덤프 트럭, 전력용 굴삭기, 재생 에너지 저장 기술 및 연료 절약 프로그램을 포함한 다양한 분야에서 수십 년간의 제품 개발을 통해 온실가스 배출량을 줄이는 가시적 성과를 거두고 있다(Fig. 11).

Fig. 11.

Renewable electric truck (Komatsu) and trolley electric truck (Hitachi and ABB).

(에너지 소비량 절감) 일본 자원개발기업 탄소중립 주요시책

일본의 비철금속제련업계(일본광업협회:구리,납,아연,니켈,니켈관련 16개사 연합)는 GHG 배출량 감축 목표를 세우고 체계적인 저감활동을 추진하고 있다 일본 자원개발기업의 탄소감축 목표는 2030년도 CO₂ 배출원 단위를 2019년도 실적대비 26% 감축하고, 94.7% 공정율을 달성하는 것이다. 이를 위해 일본광업협회 회원 광산기업과 해외 사업소 ․ 제련소는 Table 7과 같이 탄소중립 목표와 주요시책을 마련하여 추진해나가고 있다(Nippon Steel Rearch & Development Co., Ltd, 2022). 해외 광산 개발 ․ 제련소가 에너지 절약, CO₂ 배출 감소 등 환경문제 해결에 선도적인 역할을 수행함으로써 지속가능한 광물자원 안정적 공급 및 상대국의 지속발전을 위한 신뢰관계를 구축해나가고 있다. 아울러 Fig. 12에서 보는 것처럼 풍력, 태양광, 온천지열을 중심으로 한 신재생 에너지 확대/전력원의 이원화와 동시에 수소, 암모니아, 액화천연가스(LNG) 및 전기에너지화, 배터리 산업에 필요한 금속 광업 확장을 공기업인 JOGMEC과 공동으로 추진하고 있다는 점이다.

Fig. 12.

Sumitomo metal mining model: binary electric generator and CCU product (para-xylene, etc.).

(스웨덴 다네모라 광산) 시설운영 효율화로 무배출 철광산 운영

Dannemora 광산은 1481년부터 1992년까지 개발되었으며, 당시 철광석의 높은 시장 가격으로 인해 2008년에 새로운 소유자에 의해 재개장되었으나 2015년 시장 가격의 폭락으로 회사는 파산하게 되었다. 2020년 탐사권을 얻은 Grängesberg사는 휴광중인 Dannemora 광산에서 효율적인 탄소저감과 동시에 생산 재개를 위한 사전 타당성 조사(PFS)를 실시하였다. PFS를 통해 탄소저감이 가능한 고급 철광석 농축액을 생산 가능한 공정 개발을 하고, 종전의 저품질에서 고품질 철광석 생산업체로 변모할 수 있다는 방안을 마련하였다. 이를 달성하는 주요 방법은 지하 채광과 샤프트 스킵을 이용한 광석운반, 항만 하역 수송 운반 설비를 100% 전기 동력 채굴 장비를 사용하는 것이다. Table 8과 같은 시뮬레이션 결과 화석 연료에 대한 의존도를 감소시킬 뿐만 아니라 배출량과 환기 관련 에너지 비용을 감소시킨다는 결론을 얻었다. 물론 전기 장비로의 전환을 위해서 초기 투자비용은 들어가지만 장기 운영을 고려할 때 비용대비 편익이 높은 것으로 파악된다. 전기 장비는 특히 배터리 가격을 고려할 때 표준 디젤 장비보다 8천만 달러이상 비용이 들지만, Dannemora는 국제적으로 녹색 철광석 생산에 적합한 고품질 농축액을 생산하기 위해 녹색 광산의 운영방식을 채택하였다.

탄소중립 지원을 위한 정부의 정책

중소벤처기업부는 지난 12월 ‘탄소중립 대응을 위한 중소기업 지원방안’을 발표했다. 4대 추진전략 및 16개 세부과제를 통해 중소기업 10대 고탄소 업종(약 6만7,000개)에 대한 저탄소화 중점 지원 등 탄소중립 대응 지원을 추진하고 있다. 에너지 효율화를 위한 공정 혁신, 신기술 개발 지원, 사업 전환 등 기업 특성에 따라 맞춤형으로 지원하고, 2022년 탄소중립 예산 4,744억 원을 투입해 약 2,500개 중소기업을 지원하며, 지원 대상을 매년 10%씩 확대해 나갈 계획이다. 주요 사업내용은 중소기업 탄소중립 전환에 필요한 핵심기술 개발 및 설비투자를 지원하는 3개 사업으로써 중소기업 탄소중립 선도모델개발, 중소기업 넷-제로(Net-zero) 기술혁신개발사업, 중소기업 탄소중립 전환지원이다. 아울러, 한국에너지공단과 한국환경산업기술원은 중소 ․ 중견기업 사업장내의 온실가스 ․ 에너지 감축 가능한 설비개선 투자에 필요한 자금을 장기 ․ 저리 정부 융자금을 대출 지원함으로써, 산업‧발전부문 배출권거래제 할당업체의 실질적인 온실가스 감축을 도모하고 있다. 지원대상은 고효율에너지기자재 설비(정부 인증), 에너지절약형 가열로 및 열처리로(폐열회수 포함), 보일러, 건조설비, 버너, 로 등의 연료전환(감축사업 방법론 적용), 폐열회수, 차압터빈, 인버터 등 동력저감 설비 등이 지원대상으로 포함되어 있고, 상시 신청 접수를 통해 중소중견기업의 탄소저감에 필요한 금융지원이 지속적으로 추진되도록 지원하고 있다.

탄소중립을 위한 외부감축 사업 제도

환경부는 효과적인 국가 온실가스 감축목표 달성을 위해 온실가스 감축의무가 없는 업체가 자발적으로 감축한 경우 해당 실적을 온실가스 배출할당업체(감축의무가 있는)에 판매하여 수익을 창출할 수 있도록 제도화하여 운영하고 있다(Table 9). 외부사업의 승인절차는 산업부 ․ 환경부가 타당성과 모니터링 계획을 검토후 상쇄등록부 시스템(ORS, Offset Registry System) 시스템을 통해 승인하게 된다. 환경부는 검증 결과를 바탕으로 온실가스 배출권을 발급하게 되며, 판매수익금을 운영사에 제공하여 온실가스 전환사업 확대를 유도한다. 배출권(KCU, Korean Credit Unit)은 상쇄등록부 시스템을 통해 매도하여 현금화가 가능하다. 본 사업의 장점은 온실가스 배출권 확보를 통한 사업비 회수 기반이 마련된다는 점과 참여 중소기업의 온실가스 감축성비 투지바 지원으로 사회적 가치 실현이 가능하다는 점이다. 감축인증 방법은 지속적인 모니터링이 가능하고 충분한 온실가스 감축량이 확보되어 경제성이 있는 과제를 선정하여 ‘외부감축사업’으로 등록하고, 감축인증 적용요건에 적합한 운영사의 선정을 통해 외부사업자와 운영사간의 업무분장 및 배출권 분배 협약을 토대로 사업이 추진된다.

Table 9.

Government scheme of external business operation scheme for emission trading system

한국형 탄소포집･수송･활용･저장(K-CCUS) 사업

정부는 2050년 탄소중립 핵심기술인 CCUS(이산화탄소 포집 ․ 활용 ․ 저장) 기술 개발과 상용 확산을 위해 ｢K-CCUS 추진단｣을 설립하였으며(‘21.4), 추진단은 국내 탄소배출이 많은 5개 권역을 분류하여 권역별 TF 활동을 통해서 대규모 온실가스 저장 ․ 활용이 가능한 허브-클러스터 계획을 마련중에 있다. CCUS 기술은 주로 플랫폼 화합물, 고분자 화합물, 연료, 건설자재 등으로 사용되며, 광물탄산화 기술의 경우 온실가스 감축효과가 상대적으로 크며 고분자 화합물의 경우 화석연료 대체효과가 클 것으로 기대된다. Fig. 13과 같이 한국광해광업공단은 중부권에서 발생하는 CO₂ 를 폐광산을 활용한 갱내 지중저장 인프라를 구축하는 사업을 추진하고 있으며, 중부권 CCUS 허브 ․ 클러스터 사업내 CO₂ 감축을 위한 새로운 해법을 제시하고 있다. 중부권 지역은 소규모 광산과 석회석 광산이 밀집되어 있으므로 광산육상저장으로 부족한 국내 CO₂ 저장소 용량을 증진할 수 있고, CO₂ 배출처와 인접성이 높아 인프라 구축시 유리할 것으로 판단된다(Table 10). 아울러 CO₂를 활용한 에탄올/DME 생산 및 탄소산업 육성 등 고부가가치 산업을 연계시켜서 선순환적인 CCUS 산업의 생태계를 조성한다는 계획이 포함되어 있다(K-CCUS, 2022).

Fig. 13.

Central area CCUS Hub Cluster Construction Project by K-CCUS Association.

중소기업-대기업 협력형 탄소저감 사업 추진

산업부문의 탄소중립 달성을 위해서는 대기업뿐만 아니라 중소기업의 적극적인 저탄소화 노력이 반드시 필요하다. 대표적 다배출 업종인 석회가공업은 생석회 1톤 생산시 온실가스 1톤 발생하는 등 공정특성상 이산화탄소가 배출되고, 석탄 연료 사용으로 배출량이 더욱 증가하고 있다(공정배출 75%, 연료배출 23%, 간접배출 2%). 이에 따라 석회가공업은 탄소포집, 연료전환 등 신기술개발이 탄소중립 대응의 유일한 방법이며, 실패시 사업전환이 불가피한 상황이므로 업종별 대표 공정의 저탄소 혁신기술을 패키지 형태로 개발하여 저탄소화 방향을 선도하기 위한 사업모델 육성이 필요하다. 하지만, 중소기업 스스로 탄소중립 전환을 지원하는 설비투자나 선도모델을 실증할 test-bed를 마련하기는 현실적으로 어려운 실정임을 감안, 대기업-중소기업 파트너십 기반으로 대기업이 자본과 인프라를 제공하고 중소기업이 기술을 개발하여 선도모델을 도입하는 방식으로 본격적인 사업을 추진하는 방안이 대안으로 제시되고 있다(Ministry of SMEs and Startups, 2021). Fig. 14의 사례는 대기업이 중소기업에 설비투자를 지원하고, 중소기업은 기술개발을 통하여 대기업의 탄소저감을 위한 솔루션을 제공하는 상생의 전략을 제시하였으며, 국내 광업계의 경우 포스코와 같은 대기업과 협력하여 탄소저감을 위한 시설투자와 기술개발을 시행함으로써 대규모 시설투자를 제공받을 수 있다는 점에서 유익한 제도라고 할 수 있다.

Fig. 14.

Cooperation between large and small- and medium-sized enterprises.

결 론

앞서 국내외 탄소중립과 관련한 현안들을 살펴보았고, 탄소저감을 위한 국내외 유관산업 기업들의 다양한 사례들을 비교해봄으로써 국내 광산업체들이 나아갈 방향에 대한 가이드라인을 설정하고자 하였다. 물론 규모의 차이는 있겠지만 시멘트업체의 경우 국내 광산업체에 비해서 탄소중립에 대해 보다 체계적인 계획을 세워서 이행하고 있음을 확인하였다. 국내 광업계는 지금이라도 기업의 경영여건과 내부역량을 고려한 탄소중립 전략을 마련하여야 한다. 감축목표에 대한 당위성만 가지고 단순히 다른 기관의 탈탄소화 방식을 무작정 따라가는 방법으로는 단기적으로는 탄소저감에는 도움이 될지 몰라도 장기적으로 탄소중립을 실현하기가 어려워보인다. 기업내 정확한 진단을 통해서 탄소저감 이행을 위한 인력과 조직, 예산 등에 최적화된 구체적인 방안이 마련되어야 한다. 에너지 전환과 글로벌 광업 시장경쟁체제하에서 탄소중립의 물결은 피해갈 수 없지만, 한편으로는 국내 광업의 기반을 다지고 새로운 사업으로 진출하는 기회로 활용할 수 있다. 광물산업은 배터리 등 에너지 저장, 재생 가능 에너지, 전기 자동차 및 녹색 인프라의 수요가 지속적으로 증가함에 따라 시장이 증가할 것으로 전망되기 때문이다. 그렇기 때문에 연료전환, 공정개선, 탄소상쇄, CCUS 기술 등 다각적인 검토를 통하여 사업장별 맞춤형 모델을 구축하는 것이 우선으로 검토되어야 한다. 초기 자본비용이 막대한 신재생 에너지관점의 설비전환이나 해외사례로 본 전기사용 중장비 도입, 석탄연료의 대체, 탄소상쇄 전력원 사용 등 배출 제로를 달성하기 위한 과정을 어렵기는 하지만 정부 지원을 토대로 단기적 과제부터 점차 이행하면서 탄소저감 성과를 지속적으로 모니터링해나가는 것이 중요하다. 본 고에서는 광업계의 탈탄소화에 관하여 몇가지 시사점들을 도출해보았고, 여기에서 논의된 내용들이 앞으로 ESG 경영 실현 등 탄소중립을 위한 시책들을 보다 적극적으로 발굴해 나가는데 도움이 되었으면 한다. 광산기업들이 맞춤형 탄소중립 가속화 비즈니스 모델을 수립해서 광업계의 숙원사업인 탄소감축이 조속히 이루어지기를 기대한다.