산업부문 온실가스 감축 및 에너지절약 잠재량 추정(Ⅰ) = 시멘트산업

국문 초록 (Abstract)

1. 연구필요성 및 목적
시멘트산업은 철강, 석유화학과 함께 우리나라의 대표적인 에너지 다소비산업으로서 지속적인 에너지 절약 정책 추진 결과 에너지 효율은 세계적으로 높은 수준에 이른 것으로 알려지고 있다. 교토의정서 이후의 온실가스 감축 의무부담 협상에서 우리나라의 지속가능한 의무부담 수준을 결정하기 위해서는 온실가스 감축 잠재량 파악이 선행되어야 할 필요가 있다. 온실가스 감축 의무이행에 대비하여 정부나 산업계 역시 감축목표를 효과적으로 달성할 수 있는 전략을 수립할 필요가 있다.
본 연구의 목적은 상향식 최적화 모형(MARKAL)을 이용하여 우리나라 시멘트 산업의 온실가스 감축 및 에너지 절약 잠재량을 추정하는 것이다. 분석기간은 2001년부터 2041년까지이며 기준안에 대비 신기술 도입, 슬래그 시멘트 생산 및 페타이어 사용 확대, 탄소세 및 에너지세 도입, 연료 가격 상승 등의 시나리오가 가져다 줄 잠재량을 추정하게 된다. 또한 시멘트산업의 온실가스 한계감축비용을 추정하고 시나리오별 온실가스 감축에 소요될 시스템 비용을 추정하며 가상적인 온실가스 감축목표를 비용 효과적으로 달성할 수 있는 전략을 분석하게 된다.
2. 내용 요약
기준안의 경우 시멘트 제조 공정별 기술 경쟁력은 분석기간에 별다른 변화를 보이고 있지 않으나 일부 공정에서 변화되는 경우도 있다. 석회석 조쇄 공정에서는 2020년대 중반까지 impact crusher가, 2026년부터는 cone crusher가 경쟁력을 갖게 되며 냉각 공정에서는 2011년 이후 planetary cooler가 reciprocating grate cooler의 경쟁력을 상회하는 것으로 나타났다.
신기술 도입 시나리오의 경우 예열 및 소성공정에서 advanced burner tip이 2011년부터 NSP킬른의 경쟁력을 상회하며 2036년부터는 태양열 소성방식이 경쟁력을 확보할 전망이다. 시멘트 분쇄공정의 세 종류의 신기술(polycom roller mill, horomill, high performance separator)은 모두 기술 경쟁력을 갖지 못할 것으로 분석되었다. 슬래그 시멘트 확대, 고유가 및 석탄가격 상승 시나리오는 모두 기준안의 기술 경쟁력과 비슷한 결과를 나타내고 있다.
시멘트산업의 에너지 소비는 2001년의 168.3PJ(4,039천TOE)에서 2041년에 205.2PJ(4,925천TOE)에 이르러 연평균 0.5% 증가할 것으로 전망된다. 유연탄 소비는 연평균 0.5%, 전력은 0.2% 증가하며 유연탄 비중은 2001년의 74.2%에서 2041년에는 75.5%로 상승하지만 전력의 비중은 14.5%에서 12.9%로 소폭 낮아질 전망이다.
신기술 도입시 에너지 절약 잠재량은 최고 16.5%에 이르며 유연탄과 전력의 절약이 가장 큰 폭으로 이루어질 전망이다. 슬래그 시멘트 생산확대(20%)시 에너지 절약 잠재량은 최고 6%에 이르며 절약은 모든 에너지원에서 발생될 것으로 전망된다. 탄소세($300/TC)나 에너지세($300/TOE) 도입시 에너지 절약 잠재량은 극히 미미한 수준(0.1%)에 그치며 석유가격과 석탄가격의 상승(100%)은 에너지 절약에 전혀 기여하지 못하는 반면 전력가격 상승(100%)은 미미한 수준(0.1%)이나마 에너지 절약에 기여한 것으로 분석된다.
시멘트산업의 온실가스 배출량은 2001년의 10,490천톤에서 2041년에는 13,030천톤으로 연평균 0.54% 증가할 전망이다. 신기술 도입시 온실가스 배출량은 기준안에 비해 최고 6.7% 감축 잠재량이 발생되는데 이는 예열 및 소성공정의 advanced burner tip과 태양열 소성 킬른(solar lime kiln)의 도입에 의한 효과에서 기인한 것이다.
슬래그 시멘트 비율 확대시 온실가스 배출량은 최고 6.3% 감소하며 폐타이어 사용 비율 확대(유연탄 소비의 30%)시 온실가스 배출량이 1.2% 감축할 것으로 전망된다. 탄소세와 에너지세를 도입하면 온실가스는 최고 0.01%의 감소에 그칠 것으로 전망된다. 석탄가격이나 석유가격 상승은 온실가스 감축에 전혀 기여하지 못하는 반면 전력가격 상승은 온실가스 감축에 소폭(0.02% 감축) 기여하는 것으로 분석된다.
에너지/시멘트 원단위는 2001년의 0.07(TOE/톤)에서 2041년에는 0.065에 이르러 분석기간에 6.5% 개선되며 온실가스 집약도(온실가스/시멘트) 역시 2001년의 0.181(톤/톤)에서 2041년에는 0.171에 이르러 3.1% 개선될 것으로 전망된다.
폐타이어 사용 확대와 신기술 도입 시나리오의 비용은 기준안의 비용에 비해 대부분의 분석기간에서 감소하며 슬래그 시멘트 확대의 소요비용은 소폭 증가할 것으로 분석된다. 탄소세 부과시 시멘트산업의 비용은 50% 이상 증가하고 에너지세 부과는 탄소세 비용 상승폭의 1/3 수준에 그치고 있다.
신기술 도입은 상당한 수준의 온실가스 감축 및 에너지 절약 잠재량을 갖고 있으면서 기준안에 비해 오히려 비용이 감소하는 시나리오이다. 폐타이어 사용 확대 역시 마이너스 비용으로 온실가스 감축을 실현할 수 있어 신기술 도입과 함께 최선의 정책수단으로 평가된다. 슬래그 시멘트 확대는 소폭의 비용 상승으로 온실가스 감축과 에너지 절약을 달성할 수 있어 온실가스의 비용효과적인 감축수단은 폐타이어 사용 확대와 신기술 도입 및 슬래그 시멘트 확대에 국한될 것으로 예상된다. 탄소세 및 에너지세 부과는 온실가스 감축 및 에너지 절약에 기여하는 수준이 미미한 반면 비용 상승폭은 막대하다는 점에서 도입시 시멘트 산업에 큰 부담으로 작용할 것으로 분석된다.
탄소세 부과수준의 변경과 온실가스 배출량에 대한 상한설정 방법을 통한 한계비용 추정결과 우리나라 시멘트산업의 온실가스 한계감축비용 (MAC)은 약 $200/TC 수준으로 추정된다. 이와 같은 높은 한계비용은 그동안 추진된 에너지 절약대책의 효과에 의한 것으로 풀이된다.
가상적인 온실가스 감축목표(기준안 대비 0.01% 감축)를 달성하는데 가장 비용 효과적인 수단은 폐타이어 사용 확대와 신기술 도입으로 분석된다. 폐타이어 사용 확대와 신기술 도입은 기준안 대비 각각 $1.62백만과 $0.34백만의 비용이 적게 소요(온실가스 한계감축비용은 각각 -$190/TC와 -$40.2/TC)되어 오히려 마이너스 비용으로 온실가스를 감축할 수 있는 대안으로 평가된다. 슬래그 시멘트 확대를 통해 감축목표를 달성할 경우 시스템 비용은 $0.03백만$(한계비용 $3.37/TC)의 소폭 상승에 그치며 전력 가격은 50% 상승해야 하며 이 경우 시스템 비용은 $667 백만 상승(한계비용 $237/TC)할 것으로 분석된다. 에너지세 도입(한계비용 $266/TC)은 $2,380백만의 비용 증가를 발생시키며 탄소세 도입(한계 비용 $300/TC)은 가장 큰 폭의 비용 상승($6,595백만)을 유발시켜 우선 순위가 가장 낮은 수단으로 평가된다.
3. 연구결과 및 정책제언
우리나라 시멘트산업의 온실가스 한계감축비용($200/TC)은 온실가스 감축규모가 소폭 증가해도 급상승하는 특징을 지니고 있다. 따라서 온실가스 감축에는 막대한 비용이 소요될 것으로 예상된다.
폐타이어 사용 확대와 신기술 도입은 기준안에 비해 온실가스 감축을 마이너스 비용으로 달성할 수 있는 최선의 정책수단이다. 시멘트산업계가 온실가스 감축을 경영전략에 포함시키고 비용 최소화원칙에 충실한다면 온실가스 감축과 에너지 절약을 동시에 달성할 수 있는 수단이 시장에 빠르게 도입될 것으로 예상된다. 따라서 정부는 이러한 수단이 도입되는데 장애가 되는 요인을 제거하는 정책을 수립해야 하며 필요할 경우 인센티브나 규제를 도입할 필요가 있다. 슬래그 시멘트 확대도 낮은 비용으로 온실가스 감축과 에너지 절약을 달성할 수 있기 때문에 포틀랜드 시멘트 수요를 슬래그 시멘트로 대체할 수 있는 잠재력을 개발하는 것이 중요한 과제라고 할 수 있다.
탄소세나 에너지세 도입은 온실가스 감축이나 에너지 절약에 기여하는 정도가 극히 낮으며 신기술 도입을 촉진시키는 역할 역시 낮은 것으로 평가된

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

1. Research Purpose
The cement industry is one of energy intensive industries such as petrochemical and steel industry. The energy efficiency of cement industri is high comparing with oversea's cement industries'due to the enforcement of energy conservation policies. Korean government has to analyze the emission reduction potential of energy systems to decide the participation in post-Kyoto commitment.
The purpose of this research is to estimate the potential to reduce greenhouse gas emission and to conserve energy consumption in cement industry. The bottom-up optimization model of MARKAL is used to estimate the potential based on several scenarios like introduction of new technologies, substitution of used-tires for bituminous coat enlargement the use of mixed cement(slag-cement), introduction of carbon tax and energy tax, increase of fuel prices. The analysis period is from 2001 until 2041. The marginal abatement cost(MAC) of greenhouse gas in cement industry is estimated. Finally, the several cenarioes are ranked on cost effectiveness to achieve the artificial emission reduction target.
2. Summary
The competitiveness of technologies in each process is not changed except for two processes of crushing and cooling process in baseline scenario. The impact crusher has competitiveness over other technologies until 2026, but cone crusher has better advantage over impact crusher after 2026. The plena tory cooler has higher competitiveness than reciprocating grate cooler after 2011 in cooling process
In case of new technologies, the advanced burner tip in kiln process has competitiveness over NSP kiln after 2011, but the solar lime kiln has the highest advantage after 2036. All three new technologies(polycom roller mill, horomill, high performance separator) in cement crushing process have no competitiveness over the incumbent technologies. The technology competitiveness in other scenarioes is similar to the competitiveness of baseline case.
The energy demand in baseline scenario will increase from 168.3PJ(4,039 thousand TOE)in 2001 to 205.2PJ(4,925 thousand TOE) in 2041. The bituminous coal consumption increases by 0.5% annually, and electricity consumption increases by 0.2% annually. The share of bituminous coal will increase from 74.2% in 2001 to 75.5% in 2041, but the electricity share will decrease to 12.9% in 2041 from 14.5% in 200l.
The highest energy consumption reduction potential in new technology scenario is 16.5% compared with the energy consumption in baseline scenario. The potential is estimated 6% for slag cement scenario(substitution of slag cement up to 20% for portland cement) and 0.1% potential for carbon tax($300/TC) and energy tax($300/TOE) scenario. The price increase of oil and coal by 100% does not have any potential to conserve energy consumption, but the electricity price increase by 100% has tiny potential(0.1 %) for energy conservation.
The greenhouse gas emisson increases 10,490 thousand tons in 2001 to 13,030 thousand tons in 2041 in baseline scenario. The highest emission reduction potential of new technology scenario is 6.7% due to the introduction of advanced burner tip and solar lime kiln. The potential for slag cement is 6.3% and 1.2% for substitution of used tires scenario(substitution of used tires up to 30% for bituminous coal). The carbon tax and energy tax scenario have tiny potential of 0.01% to reduce GHG emission. The price increase of electricity have small potential of 0.02%, but the price increase of oil and coal do not have any potential.
The energy consumption per cement produced(energy/cement intensity) decreases from 0.07(TOE/ton) in 2001 to 0.065(TOE/ton) in 2041. The greenhouse gas intensity per cement also decreases from 0.181(ton/ton) to 0.171(ton/ton) in 2041.
The system cost of new technology and used tire scenarios will decrease, but the cost of slag cement scenario will increase slightly compared with baseline scenario. The ca

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론
• Ⅱ. 시멘트산업의 에너지 소비 및 온실가스 배출 추이
• Ⅲ. 시멘트 제조공정 및 에너지 흐름
• Ⅳ. 분석모형 및 기준 에너지 시스템
• Ⅴ. 온실가스 감축 및 에너지 절약 잠재량
• Ⅵ. 비용 효과적 온실가스 감축 전략
• Ⅶ. 결론
• 참고문헌
• 요약
• ABSTRACT