일본의 에너지 기술 주요 기술과제 로드맵(5)

  • <번역/정리 : 박한돌 기자>
  • 2017-02-16 오전 11:26:05

일본은 대지진과 원자력 발전소 사고 이후 원자력 발전소 가동을 잇달아 중단한 가운데 석유, 천연 가스 등의 화석 연료에 대한 의존도가 증가하고 에너지 자급률 악화, 에너지 비용 상승, 이산화탄소 배출량의 증가 등 다양한 문제에 직면하였다. 본 제4차 기본 계획은 일본이 이러한 문제에 어떻게 적절하게 대응하면서 중장기적으로 에너지 수급 구조의 취약점을 해결해나가고자 하는지, 현실적이고 실현 가능한 에너지 정책의 방향성을 종합적 · 거시적으로 보여주고 있다. 본 기본 계획에는 초기 선샤인계획 등 역사적인 에너지기술 개발 계획이 소개되어 있지만, 여기서는 우리나라의 에너지기술 개발계획에 참고가 될 수 있는 부분으로서, 제3장 「기술개발 로드맵」의 내용을 번역하여 6회에 걸쳐 게재한다.

24. 혁신적인 석유정제 프로세스
가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
세계 원유 공급원이 다양화하는 가운데 저렴한 중질원유도 이용하여 국내외 석유제품·석유화학제품 수급구조 변화에 대응한 고부가가치 석유제품 등을 효율적으로 생산(원유 단위당 수율 향상)할 필요가 있다.

또 아시아 신흥국들이 대규모·수출형제유소 신설 및 증강이 진행, 국제경쟁 환경이 심화되는 가운데 석유제조업의 생산성을 강화할, 석유정제 프로세스의 고도화가 필요하다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향
원료유(원유나 정제잔유)의 분자레벨 상세 구조해석 기술이나 반응경로 시뮬레이션 기술 등으로 이루어진 「Petroleomics」를 개발, 촉매설계기술의 혁신이나 정제장치 등의 생산성 향상으로 연결함으로써 혁신적인 석유정제 프로세스 구축을 목표로 하고 있다.

2015년도까지 「Petroleomics 기술」 기반기술을 확립하고, 2016년도 이후, 실증기술개발에 본격적으로 대응,
2030년도 경에 정유소 조업으로 대규모로 활용하는 것을 목표로 하고 있다. 

 

다. 해외동향
중국의 연구개발기관이나 한국계 석유기업도 중질유 분해기술 개발을 진행하고 있으며, 일본 연구기관의 기술개발 동향을 주시. 프랑스의 연구개발은 현재 요소기술의 개발단계에 있다. 미국계 석유기업은 일본 연구기관들도 석유정제 프로세스의 적용을 위해 기술개발을 진행하고 있다.

25. 혁신적인 시멘트 제조기술
가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
일본은 시멘트 산업에서는 1970년대 이후 에너지절약 설비 등을 도입하면서 1990년대에는 세계 최고수준의 에너지 효율에 도달하고 있다. 그 후도 산업폐기물의 에너지 대체이용 등 추가로 에너지절약을 추진하고 있지만 기존기술에 의한 에너지절약은 거의 한계에 가까운 상태이다.

에너지 다소비산업인 시멘트 산업은 일본 산업부문에서 CO2 배출량이 철강, 화학 등에 뒤이어 약 4%를 점하고 있어 가일층 에너지절약이 필요하다.

그래서 설비에 의하지 않고 추가로 에너지절약을 추진하기 위해서는 시멘트 제조 프로세스에서 가장 열에너지 소비가 많은 클린커 소성공정을 개선하는 것이 효과적이므로 에너지절약형 혁신적 제조 프로세스 기술 개발이 필요하다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향
일본은 2010년도부터 「혁신적 시멘트 제조 프로세스 기반기술개발」 사업에서 클린커 소성공정의 소성온도 저하를 주로하는 에너지절약형 시멘트 제조기술 개발을 진행하고 있다.

2014년도까지 에너지절약형 시멘트 제조기술을 개발하고 그후 실제 기계에 의한 실용화 검토를 진행한 후 2020년 이후부터 도입 가능한 공장부터 순차적으로 보급해 나갈 계획이다.

 

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
신 프로세스에 의해 제조되는 시멘트 제품의 원료 조달, 품질·비용 경쟁력을 확보하고 유통망을 정비하여야 하고, 이 과정으로 제조되는 시멘트 제품에 관한 규격을 정비해야 한다.

라. 해외동향
일부 국가에서 에너지절약이 가능하게 되는 시멘트 규격 개정이 보이지만 원료로서 폐기물 등을 사용하여 고품질을 유지하는 에너지절약형 시멘트 제조기술 개발은 진행되지 않고 있다. 따라서 이들 국가들을 주도하는 에너지절약 대응으로서 추진하고 있다.

26. 혁신적인 디바이스(정보가전·디스플레이)
가. 해당 기술을 필요로 하는 배경

에너지를 소비하는 정보통신기기에 대해서는 톱러너(top runner) 제도 도입 등에 의해 지금까지도 대폭 저소비 전력화를 달성하고 있지만 정보기기는 급격히 정보통신량이 증대되고 있고, 업무·가정 분야에서의 추가적인 저소비 전력화 추진으로 에너지 이용 고도화와 CO2 삭감을 추가로 추진해야 할 중요한 분야이다.

한편으로 지금까지 기존의 대응 진전에 의한 발본적인 에너지절약 추진에는 한계가 있기 때문에 일본이 강점을 가지고 있는 광전자 등 초저소비전력기술을 확립, 실장하는 것으로 추가로 에너지절약을 추진한다.

광전자기술이나 유기EL 디스플레이 등의 대응으로 2025년경에는 일본에서 연간 약 4,000만t의 CO2의 에너지절약 잠재력을 갖게 된다.
나. 기술개발 동향
초저소비전력 디바이스에 대해서는 반도체를 더욱 미세가공하기 위한 「차세대노광시스템」이나 입체적으로 집적도를 높인 「3차원실장」, 신구조·신재료에 의한 저저항화·저전력화를 실현하는 「초저전압 디바이스」, PC 등에서 처리가 필요할 때만 전력을 소비하는 시스템 「Normally Off Computing」, 실리콘디바이스를 대체하는 초저소비전력 디바이스 「스핀트로닉스 디바이스」 등, 최근에 새로운 기술씨앗으로서 연구가 진행되고 있다.

초저소비전력 광통신기술로는 「광전자기술」에 의한 데이터센터 등 소형화·저전력화 및 광네트워크의 대용량화·저전력화를 추진하고 있다.

초저소비전력형 시트 디스플레이에 대해서 스마트폰·태블릿 등에의 이용을 상정하여 가볍고, 얇고, 깨지지 않는 시트형 인터랙티브 디스플레이 개발을 추진하고 있다.
다. 제도적 제약 등 사회적 과제
각 기술이 갖는 에너지 절약 잠재력을 최대한 살리기 위해 혁신적인 디바이스 개발과 병행하여 제품·서비스화 및 사회실장을 촉진하기 위한 과제해결·보증 등을 추진할 필요가 있다.

 

라. 해외동향
초저소비전력 디바이스에 대해서는 세계적인 로드맵 등에서 국내외 기업과 연구기관에 의한 연구개발 경쟁이 진행되고 있다. 광통신기술에서는 일본이 광전자시스템의 요소기술에서 세계적인 성과를 가지고 있다. 향후에는 실장기술에 대해서도 연구개발 추진이 요구된다.

광전자기술은 일본이 강점을 가지고 있는 분야이며, 유럽과 미국에서도 국비로 프로젝트가 진행되고 있다. 대형 디스플레이에서 일본기업의 셰어는 낮지만 스마트폰·태블릿을 중심으로 향후 시장의 성장이 예견되는 중소형디스플레이에서는 강점을 가지고 있다.
IT기기에 사용되는 재료나 제조장치 기술에서도 일본은 경쟁력을 가지고 있다.

27. 에너지절약형 주택·빌딩
가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
1973년 석유위기 이후 일본의 실질 GDP는 2.4배 증가하였다. 그간에 가정 및 업무부문 에너지 소비량은 2.4배 증가하고 있고, 주택·빌딩 등의 단열성능 향상이나 설비 효율화와 운영개선을 위한 기술개발을 통해 에너지 소비를 줄일 필요가 있다.

일본은 미국과 유럽에 비해 주택과 빌딩과 관련 에너지절약 대응이 늦어지고 있다고 하지만 가정의 에너지소비에서 난방이 차지하는 비중은 미국과 유럽에 비해 낮다. 이와 같이 국가, 지역에 따라 기후조건이나 생활습관, 에너지 소비구조가 다르므로 맞춤형으로 에너지절약 대책을 세울 필요가 있다.
나. 해당 기술의 개요와 기술개발 동향
주택과 빌딩 등의 설계, 시공법에 관한 개발이나 일본의 기후풍토에 맞는 에너지절약 기술을 개발해야 한다. 또, 초단열새시에 의한 주택의 고단열화 검증이나 박형 단열내장재에 관한 기술개발도 필요하다. 이와 함께 건축자재나 기기(자연·미이용 에너지 등을 이용한 발전·축전 시스템·HEMS/BEMS 등을 시스템화)를 패키지화하여 수용 가능한 비용으로 생활의 질을 높이는 에너지절약 주택과 빌딩을 개발해 나갈 필요가 있다(제로에너지빌딩, 라이프사이클 카본 마이너스, 제로 에너지빌딩의 보급).


다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
환경정비를 진행하면서 규제의 필요성이나 정도, 균형 등을 충분히 감안하여 2020년까지 신축주택이나 건축물에 대해 단계적으로 에너지절약 기준 적합을 의무화하는 것으로 되어 있다.
에너지절약과 함께 단열성능이 있는 건축자재 등의 이점에 대한 검증과 그 성과를 보급해나갈 필요가 있다.
라. 해외동향
IEA의 Energy Technology Perspectives 2012에서는 건축물의 단열기술 개발 및 보급으로 2050년에는 세계 전체에서 약 3억톤의 CO2 배출을 삭감할 잠재력이 있다고 시산하고 있다.

28. 고효율 히트펌프
가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
열 이용에서 중요한 기술의 하나는 다양한 기술과의 조합이 가능하다는 것. 열 이용을 더욱 촉진하기 위해 다양한 기술을 이용할 필요가 있다. 가정용과 업무용 공조설비 및 급탕설비는 매년 효율화가 진전되고 있지만 히트펌프의 개량이나 전력전자의 활용, 새로운 냉매 활용 등에 의해 추가로 에너지절약이 기대된다.
나. 해당 기술의 개요와 기술개발 동향
민생부문의 CO2 배출의 약 50%를 차지하는 공조 및 급탕 등에 적용할 수 있는, 종래부터 비약적으로 높은 효율의 히트펌프 기술에 의해 CO2 배출을 더욱 삭감할 수 있을 것으로 기대된다. 산업부문에서도 공조와 프로세스 냉각·가열에 적용할 수 있다.히트펌프 관련 기술의 시스템화가 기대된다.
다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적과제
히트펌프 기술은 저비용화와 효율 향상의 양과 비율이 과제이다. 기타 과제로서는 설치성 향상 및 재료 사용량 저감을 위한 소형화, 설치가능지역 확대를 위한 한냉지 대응(난방·급탕·융설용), 적용온도범위의 확대 등이 있다. 

 

라. 해외동향
미국 에너지성은 냉난방 장치에 관한 연구로서 열교환에 최적화한 공조환기 시스템이나 지열 히트펌프에 관한 데이터 마이닝 등의 개발을 추진하고 있다.

IEA의 에너지절약 건물·냉난방설비 기술개발 로드맵은 2050년까지 냉난방기술에 의한 건물 소스의 CO2를 2Gt 감축한다는 목표를 정하고 히트펌프에 대해서는 고효율형 냉난방용 시스템 및 구성요소의 연구개발·초기비용 억제 등을 추진하고 있다.

29. 차세대 자동차(HV·PHV·EV·클린디젤차 등)
가 .해당 기술을 필요로 하는 배경

1차에너지 수요의 약 20%를 차지하는 운수부문 중 약 90%가 자동차에 의한 것이므로 이 분야에서 CO2 배출감축을 적극 추진하여야 한다.
HV, EV는 CO2 배출량을 가솔린 차의 약 1/2~1/3, 심지어는 약 1/4로 감축하는 것이 가능한 것으로 보고되고 있다.
특히 EV는 재생가능 에너지 등의 비율이 높은 전력을 사용하면 발전에서 주행까지의 할 수 있다.
차세대자동차의 보급으로 자동차의 에너지원을 다양화하면 서로 다른 에너지원 간에 경쟁촉진, 이에 수반하는 공급체제의 효율화 등도 기대된다.
나. 해당 기술의 개요와 기술개발 동향
이미 제품화되어 있는 것으로 EV, PHV 보급을 확대하기 위해서는 배터리의 고성능화(특히 주행거리의 연장)·저비용화가 필요하기 때문에 Li이온 배터리 등의 고성능화·저비용화에 관한 연구개발이나 배터리의 고성능화를 위한 재료의 공통평가기법 개발을 실시.
희토류에 의존하지 않는 혁신적인 고성능 자석이나 낮은 에너지 손실형의 연자성체, 신규자석·신규 연자성체의 성능을 최대한 살린 고효율 모터 개발을 실시.

 

이에 더해 IEA의 Energy Technology Perspectives 2012에는 차세대 자동차기술(EV·PHV)의 개발·보급으로 2050년에 세계전체에서 약 17억t의 CO2 배출 감축 잠재력이 있다고 시산하였다.
다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
미래 EV 보급을 높이기 위해서는 시간이 걸리는 충전 인프라의 정비가 과제이다.
라. 해외동향
미국은 미국 재생·재투자법(ARRA)이나 에너지성(DOE)이 조성한 사업비를 통해 Li이온 배터리 개발과 실증이나, 차량 시뮬레이션 소프트웨어 개발, 연료전지 비용 저감과 내구성 향상, 수소제조기술의 확립 등의 기술개발을 지원하고 있다. 또 오바마 대통령은 2013년 일반교서연설에서 차세대 차의 보급대수를 2015년까지 100만대로 하고, 신기술개발펀드를 창설하여 연구개발을 추진한다고 표명하였다.

EU는 제7차연구개발 프레임워크계획(FP7)을 통해 EV나 내연엔진 등의차량의 본체기술 등에 10억유로의 연구개발자금을 제공하고 있다. 또 가솔린·카·이니셔티브에서 2025년경에는 혁신적인 전동차량의 상업화를 실현한다고 하고 있다.

30. 차세대 자동차(연료전지 자동차)
가. 해당 기술을 필요로 하는 배경

1차 에너지 수요의 약 20%를 차지하는 운수부문 중 약 90%가 자동차에 의한 수요이므로 이 분야에서 CO2 배출삭감을 적극 추진해야 한다.
차세대 자동차의 보급으로 자동차 에너지원이 다양화하고 서로 다른 에너지원 간에 경쟁촉진, 그에 수반하는 공급체제 효율화 등도 기대된다.
나. 해당 기술의 개요와 기술동향
연료전지 자동차는 연료인 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 발전한 전기를 사용하여 주행하는 자동차이다. 주행시에 이산화탄소를 배출하지 않는 유력한 차세대 자동차의 하나이다.

 

차량의 저비용화를 위해 MEA의 저귀금속화나 소형고출력화 등에 관한 기술개발을 실시해야 한다.
2014년 12월 15일에 도요타가 세계 최초로 일본에서 판매를 개시하였다.
다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
수소충전소의 정비나 설치 및 운영 비용 저감을 위한 규제 재검토가 필요하다.
안전성·이용편리성의 향상을 위한 국제표준화활동(연료나 충전커넥터의 규격 등)을 추진할 필요가 있다.
라. 해외동향
미국, 유럽의 자동차 메이커들도 일본의 자동차 메이커들과 공동으로 기술개발 등에 대응하고 있다.

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