산업의 경계를 뛰어넘는 도전, 탄소 중립
세계기상기구(WMO)는 2023년 세계 평균 기온이 산업혁명 이전과 비교해 1.45도 상승해 관측 사상 역대 최고치를 기록했으며 가장 따뜻했던 해라고 밝혔습니다. 향후 기온이 계속 상승할 가능성이 있으며 해수면 상승이나 이상 기후, 생물 다양성의 감소 등 지구 환경에의 심각한 영향이 우려되고 있습니다. 이 위기를 해결하기 위한 국제적인 틀의 구축과 세계 각국의 노력에도 불구하고, 효과적인 해결책을 찾는 작업은 계속되고 있습니다. 2023년 유엔기후변화협약 제28차 당사국총회(COP28)에서 제시된 진척 평가 Global Stocktake*1에서는 2015년 파리협정에서 제시한 세계 공통의 목표 '평균 기온 상승을 2℃ 이하로 유지하는 동시에 이 상승률을1.5℃ 이하로 제한한다'에 대해 필요한 배출량 감소와 현재의 탄소배출 사이에 큰 격차가 존재한다는 것을 발견했습니다. 이대로 상황이 지속되면 이 목표를 달성하기가 어려울 것이라는 현실에 직면한 지금 이제 국가와 산업의 경계를 넘어서는 실효성 높은 대처가 필요합니다.
지구온난화의 원인: 에너지 불균형
― 전 세계적으로 이산화탄소 배출량 "사실상 제로" 목표
지구 온난화의 주요 원인은 대기 중의 이산화탄소(CO2)와 다른 온실가스의 증가라고 합니다.
지구는 태양광의 복사 에너지에 의해 따뜻해지고 이 열이 우주로 방출되면서 냉각됩니다. 이 에너지의 유입과 유출의 균형에 따라 지구의 표면 온도는 일정한 수준으로 유지됩니다. 온실가스는 지구에서 방출되는 열 중 일부를 흡수하여 우주로 방출되는 것을 억제합니다. 만약 온실가스가 없고 모든 열이 우주로 방출된다면 지구의 평균 기온은 영하까지 떨어져 인간이 살 수 없는 행성이 될 것입니다. 하지만 이 가스가 너무 많으면 열은 지구상에 남아 결과적으로 지구 표면의 온도는 상승합니다.
산업혁명 이후 사람들은 에너지를 얻기 위해 석탄과 석유와 같은 화석연료의 연소에 의존해 왔습니다. 이에 따라 CO2 배출량의 급격한 증가로 이어졌고, 현재 대기 중 CO2 농도는 산업혁명 이전과 비교하여*2약 50% 더 높아져 지구 온난화로 이어지고 있는 것입니다. 지구 환경에 큰 위협이 된다는 사실이 인식되면서 세계 각국은 기후변화 대책에 나섰습니다. 전 세계 사람들은 CO2 배출량을 줄이고 탄소 중립을 달성하여 지구 온도 상승을 제한하기 위해 경제 활동이나 일상생활 방식에 변화를 주고 있습니다.
탄소 중립이란, 산림과 식물의 CO2 흡수가 인간 활동을 통해 발생하는 CO2, 메탄, 질소산화물과 같은 온실가스 배출과 균형을 이룰 때 달성됩니다. 현재 탄소 중립을 향한 대처의 초점은 화석 연료에서 벗어나 재생에너지의 사용을 촉진하는 것입니다. 그러나 오늘날 널리 사용되는 화석연료는 운송, 저장, 가공하기가 더 쉬워 CO2를 배출하지 않는 에너지원으로 대체하는 데에는 많은 장애물이 있습니다.
예를 들어, 태양열과 풍력은 날씨와 시간대의 계절적 변동에 따라 발전량이 변동하기 때문에 안정적인 공급을 보장하기가 어렵습니다. 저장 매체로서 배터리의 사용을 검토하였지만, 오늘날 가장 널리 사용되는 리튬 이온 배터리(LIBs)는 화재의 위험성*3과 같은 우려가 있습니다. 수소에 의한 에너지 저장도 기대되고 있습니다만, 수소를 에너지 운반체*4로 사용하는 것은 기체 상태일 때 이 원소를 저장하기가 어렵기 때문입니다. 다른 가스에 비해 분자 크기가 작기 때문에 밸브나 밀봉 장치의 틈으로부터 새어 나오기 쉬운 데다가, 가스의 상태에서는 부피도 커지는 등, 취급하기 어려운 성질이 있습니다. 수소를 -253℃로 낮추어 액화하면 고용량 저장이 가능하지만, 이 과정에서는 다른 에너지원을 사용해야 합니다. 따라서 화석연료를 재생에너지로 대체하기 위해서는 재생에너지와 결합하여 사용할 에너지 운반체와의 조합 등을 포함하여 보다 광범위한 관점에서 해결책을 찾아야 합니다.
또한 단순히 에너지 관점만으로는 해결할 수 없는 복잡한 문제도 있습니다. 예를 들어, 연소 시 CO2를 배출하지 않는 새로운 에너지 운반체로 큰 가능성을 보이는 암모니아의 주요 용도 중 하나는 화학비료를 생산하는 공급 원료입니다. 암모니아가 에너지원으로서의 수요가 증가하면 화학비료를 생산하는 것과 충돌할 수 있습니다. 즉, 전 세계적으로 탄소 중립을 달성하기 위해서는 단순한 재생에너지 사용을 촉진하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 전체적인 최적의 해결책을 찾는 접근이 필요합니다.
이러한 상황에서 Yokogawa는 에너지의 수송과 저장, 열과 전기의 생산을 위한 광범위한 방법과 기술의 최적 조합을 찾아야 하며, 이는 지역, 환경, 용도에 따라 달라질 것으로 생각합니다. 또한 에너지, 물, 식량과 같이 서로 밀접하게 관련되는 다른 요소들을 연계하여 사람들의 행동 양식을 변화시킬 필요성 등을 고려한 종합적인 해결책을 찾고자 노력하고 있습니다.
개별적으로 최적화된 도메인의 유기적 통합
― 새로운 에너지 시스템을 구상할 때는 큰 그림으로 추진하자
다양한 산업에 종사하는 회사들은 태양광 패널을 설치하고, CO2를 적게 배출하는 대체 연료와 재료를 사용하며 에너지 효율이 높은 조명과 장비를 사용하는 등의 방법으로 공장에서 CO2 배출량을 줄이기 위한 엄청난 노력을 기울였습니다. 이러한 노력이 의심할 여지없이 환경을 보호하는 데 도움을 주었지만, 일부 회사들은 그것들을 "마른 천을 짜는 것"과 유사한 것으로 묘사했고, 우리가 이러한 전통적인 접근법으로 지속하는 것만으로는 여전히 기후 변화 방지하는 데 있어 우리의 목표를 달성하기에는 거리가 멀 것입니다. 우리는 완전히 새로운 것들을 시도하고 세계를 더 나은 곳으로 만들기 위한 우리의 노력하는 속도를 높일 필요가 있습니다.
이 때문에 최근에는 다양한 산업과 기업이 협력·상생하고, 서로의 자산을 활용하면서 공존함으로써 지속 가능한 경영활동을 달성하는 것을 목표로 하는 '산업공생(industrial symbiosis)' 개념이 주목받고 있습니다. Yokogawa는 종래 기업이나 그룹별로 최적화되어 있던 에너지 시스템과 소재 공급망이 상호 연결되고 유기적으로 통합되는 에너지 시스템 융합 개념을 표방하고 있습니다. 기업과 산업 간 경계를 뛰어넘어 에너지 시스템을 재구조화하면서 더 큰 관점을 가지는 것이 환경에 미치는 영향을 더욱 줄일 수 있다고 생각합니다.
이를 바탕으로 Yokogawa는 기업과 산업계의 협력이 심화하는 산업공생의 가능성을 탐구하고 있습니다. 이러한 노력에 발맞춰 공장의 CO2 배출량을 자원으로써 재사용하기 위한 순환 경제 구상 활동을 시작했습니다. 예를 들어 폴란드의 주요 에너지 기업과 발전소, 시멘트 공장, 제철소 등의 CO2 배출량과 재생에너지를 이용한 전기분해 공정으로 생산되는 수소를 이용하여 이산화탄소와 그린수소로부터 합성 항공연료를 생산하고자 협력하고 있습니다. Yokogawa의 디지털 트윈 기술을 바탕으로 세부적이고 정확한 모델을 활용하여 제조 공정을 상세히 시뮬레이션하고 미세 조정하여 가장 경제적이고 환경 측면으로 지속 가능한 합성 방법을 선택하고 있습니다. 제조한 합성연료는 온실가스의 산업 배출량을 크게 줄일 뿐만 아니라 기존의 석유 기반 연료에 버금가는 성능과 기존의 저장 및 운송 인프라 및 차량에도 적용할 수 있기 때문에 항공 업계뿐만 아니라 다른 산업 분야에서의 사용도 기대하고 있습니다.
또한 소프트웨어를 활용하여 전력 송배전을 최적화하고 이를 통해 전력을 유연하게 교환하는 공유경제를 실현하고 있습니다. 초당 60회에 걸쳐 수집되는 전력망 데이터를 읽고 분석하며 머신러닝 기술을 활용하고 이용하여 발전 설비나 저장 설비를 자동 및 고속으로 제어하는 함으로써 효율성과 생산성의 최대화에 공헌하고 있습니다. 호주의 한 전력회사는 이 기술을 활용하여 재생에너지 발전설비에서 효율성과 생산성을 극대화하고 있으며, 이를 통해 천연가스 사용량을 연간 5만 5천 기가줄, CO2 배출량을 연간 3천 톤 감축하는 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상하고 있습니다. 이로 인해 환경에 기여하는 바는 125만 개의 삼나무의 1년간의 CO2 흡수량에 상당하는 것입니다.
보다 많은 산업 간의 협업의 일례로 네덜란드 로테르담 항 단지의 이니셔티브를 들 수 있습니다. 참가자들은 각각 정보의 기밀성을 유지하면서 고도의 산업간 협업 실현을 목표로 합니다. Yokogawa는 이들 기업의 경쟁자가 아니며, 다른 어떤 기업에도 속하지 않은 중립적 입장을 활용하여 전기와 열, 물, 수소와 CO2와 같은 산업용 가스의 수급을 최적화하고, 한층 강화된 협업을 통해 이러한 자원을 보다 효과적으로 활용할 수 있는 방안을 모색할 수 있습니다. 예비 연구에 따르면 기업 간 전력과 기타 자원 수급을 최적화하면 5%의 비용을 절감할 수 있으며, 이 협업이 장기적이고 심도 있는 연계가 실현된다면 최대 10%의 개선 효과를 기대할 수 있습니다.
Yokogawa는 장기적인 비즈니스 프레임워크에서 제시한 바와 같이 System of Systems(SoS) 개념을 통한 가치를 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 개념에 따르면, 서로 협력하는 독립적으로 운영되고 관리되는 SoS 개념은 ‘단일 시스템만으로는 달성할 수 없는 복잡하고 어려운 목표’를 달성하는 것입니다. 우리의 운영 기술(OT, Operational Technology) 노하우와 정보 기술 (IT, Information Technology) 통합 역량을 활용하여 공장, 기업, 공급망, 사회 생태계를 연계하는 것이 그 예입니다. Yokogawa는 연결하는 힘을 활용하여 전체적인 최적화를 통해 새로운 가치를 창출하고 탄소 중립 사회 실현에 기여하고자 합니다.
...It is still possible to limit global temperature rise to 1.5 degrees Celsius and avoid the very worst of climate change. But only with dramatic, immediate climate action.
- António Guterres, United Nations Secretary-General
*1 Global Stocktake (GST): A mechanism for evaluating global progress in meeting the greenhouse gas emission reduction targets (NDCs) set by each country and achieving the goals set out in the Paris Agreement.
*2 Japan Meteorological Agency: Annual Changes in Atmospheric Carbon Dioxide Concentrations and Annual Increases at Japan Meteorological Agency Observation Points (in Japanese) https://www.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/co2_trend.html
*3 Cabinet Secretariat: About Sectoral Investment Strategies (in Japanese) https://www.cas.go.jp/jp/seisaku/gx_jikkou_kaigi/senmonka_wg/dai3/siryou.pdf
Ministry of Economy, Trade and Industry: Storage Battery Industry Strategy (in Japanese)
https://www.meti.go.jp/policy/mono_info_service/joho/conference/battery_strategy/battery_saisyu_torimatome.pdf
*4 Substances that are used to store and transport energy. Specific examples include liquefied hydrogen, organic hydrate (MCH), ammonia, and synthetic methane.
