미래기술/미래전망/첨단산업

Nikkei Ecology_2016.08 특집 (p22-37)

2050년에 CO₂ 반감(半減)
돈이 되는「7가지 기술」

항공기의 연비를 극적으로 개선하는 경량소재, 장거리 주행이 가능한 전기자동차의 배터리---. 차세대를 향한 혁신적 기술개발이 가속화되고 있다. 작년 말, 「파리협정」의 채택으로 세계는 지금과는 차원이 다른 온실가스 감축에 들어갔다. 금세기 말까지 기온상승을 2^°C 미만으로 줄이기 위해서는 새로운 기술의 돌파구를 찾지 않으면 안 된다.

「성(省)에너지--절감」「축(畜)에너지--축적」「창(創)에너지--창조」「CO₂의 고정화·유효이용」---. 온난화 방지기술은 세계가 찾고 있어, 수출산업으로 성장가능성이 크다. 지금부터 10 년, 20년 후에 일본이 최고가 될 수 있는 기술은 무엇일까? 시장 확대가 예상되는「7가지 기술」을 소개한다. 

「파리협정」이 가져온 거대시장
CO₂절감을 이익으로

「파리협정」의 채택으로 환경/에너지기술의 개발경쟁에 불이 붙었다. 지금이야말로, 일본이 강점을 가진 기술을 갈고 닦아서 CO₂절감을 이익으로 연결할 때이다.

가볍고 튼튼한 신소재와 고성능의 배터리 등, 일본이 강점으로 가지고 있는 소재와 부품산업으로 차세대기술의 연구개발이 진행되고 있다. 작년 말, 제21차 유엔기후 변화협약 당사국 총회(COP21)에서 채택 된 「파리협정」이 이번 움직임에 박차를 가하고 있다. 산업혁명 전부터의 기온상승을 금세기까지 2^°C 미만으로 줄이는 목표가 세워져, 혁신적인 온실가스 절감기술이 요구되고 있다.

-- 4개 분야로 100억톤 넘게 감소 --
일본정부는 금년 4월「에너지 환경 이노베이션전략」을 세웠다. 온난화 방지 및 경제성장의 양립을 목표로, 2030년부터 2050년에 걸쳐 개발하는 혁신적 기술을 제시하고 있다. 「성(省)에너지」「축(畜)에너지」「창(創)에너지」「CO₂ 고정화/유효이용」의 4분야로, 일본이 세계에서 선점할 수 있는 기술을 선별하여 개발에 힘을 실어 준다.

COP21의 「2^°C목표」를 달성하기 위해서는 2050년까지 세계의 온실가스 배출량을 240억 톤 정도로 줄일 필요가 있다. 그러나, 각 국이 COP21에 제출한 목표를 달성하게 되면, 2030년에는 온실가스 배출량이 570톤에 육박할 것으로 예상된다. 240톤으로 줄이기 위해서는 300톤 넘게 배출량을 줄이지 않으면 안 된다.

에너지/환경 이노베이션전략에 포함시킨 기술을 국내외에서 전개함으로써, 온실가스 배출을 최대 100억 톤 넘게 절감할 수 있다. 아베 정권의 성장전략의 일환으로써 책정된 「과학기술 이노베이션 총합전략 2016」에도, 에너지/환경 이노베이션전략의 추진이 포함되었다. 내각부의 니시오(西尾)이사는 「특히 성(省)에너지가 맡은 역할은 크다.

오일쇼크 때 일본의 산업계는 30%이상의 에너지 절감을 실현시켰다. 그것에 필적하는 혁신이 필요하다」고 말한다. 최근 자동차의 자율주행이나 로켓의 회수와 재사용 등, 첨단기술의 개발에서 해외기업에게 선두를 뺏기는 경우가 눈에 띈다. 일본이 강점으로 가지고 있는 환경/에너지분야는 반전공격을 펼칠 찬스라고 할 수 있다.

6월 각의(閣議)에서 결정된 「일본재건전략 2016」에서는 명목GDP(국내총생산) 600조 엔을 향한 성장전략 안에 성 에너지와 재생가능 에너지 등의 에너지 관련투자를 2030년도에 28조 엔으로 확대하는 것을 포함시켰다. 그러나 차세대의 혁신기술개발은 많은 투자가 필요하며, 성공한다는 보장도 없다. 산업계와 연구 교육기관이 연계하여 지혜를 모으는 동시에, 자원을 효과적으로 활용하여 리스크를 줄이는 것이 중요하다.

다음은, 일본기업이 주도권을 가질 가능성이 높고 시장성이 큰 7개의 기술에 대해 알아 보도록 한다.  

CFRP보다 40% 가벼운「형제」
1. CFRF (탄소섬유복합소재) -- 성(省)에너지기술

Toray (Toray Industries, Inc.) 는 새로운 탄소섬유복합소재인 「CFRF」를 개발했다. 기존의 CFRP보다 40%가볍고, 자동차나 비행기의 업그레이드 된 연비개선을 노린다.

보급 시기: 2020년
시장 규모: 2.5조엔 (2025년의 탄소섬유전체) 출처 후지경제
주목산업: 자동차, 항공, 의료, 스포츠

성 에너지에 의한 CO₂절감대책으로 기대되고 있는 것이 가벼우면서 튼튼한 차세대 소재의 개발이다. 자동차나 항공기의 부품으로 사용하면 연비개선으로 이어진다. 이런 기기들은 유통량이 많으므로 그 효과가 절대적이다. 경량 및 고강도의 소재로 알려져 있는 기존의 탄소섬유복합소재(CFRP)는 철에 비해 무게가 4분의 1이며, 10배 더 강하다. 항공기에 채용하여 20% 경량화시켰을 경우, 기기수명 전체로 봤을 때, 10년동안 한 대당 2만7,000톤의 CO₂배출을 줄일 수 있다는 계산이 나온다.

미국 보잉社에 항공기 「787」등의 부재(部材)로 CFRP를 공급하고 있는 Toray社는, 올해3월에 이보다 40%나 가벼운 탄소섬유복합소재「CFRF」를 개발했다고 발표했고, 이미 기존제품에 채용되어 시장에 유통되고 있다.

--부피의 반이 공기--
--2개의 소재를 맞춤형으로 사용--


「자유자재 변환」의 멀티소재
2. Cellulose Nano Fiber (CNF) -- 성(省)에너지기술

목재에서 얻는 Cellulose Nano Fiber는 철보다 5배 강하다. 자동차의 부품재료부터 화장품까지 다양한 용도로 사용되는 점이 강점이다.

보급 시기: 2030년
시장 규모: 12억엔 (2020년) 출처: 후지 키메라 총합연구
주목산업: 자동차, 항공, 가전, 화장품

이미 실용화되어 더욱 가벼운 차세대 재료가 개발되고 있는 탄소섬유이나, 일찍부터 그 다음을 겨냥한 「포스트 탄성섬유」라는 평판이 높은 소재가 있다. Cellulose Nano Fiber가 그것이다. 종이원료로 알려진 파이프를 3~4nm(n:나노는 10억분의 1)의 두께까지 가늘게 만든 소재. 머리카락의 2만분의 1정도의 두께로, 강도는 철의 5배이다. 목재로 만들어지는 바이오매스(생물자원) 소재로써도 주목도가 높다. 나무가 성장하는 과정에서 CO₂를 흡수하므로, 태워도 CO₂의 배출량이 늘지 않으며, 일본국토의 3분의2인 산림자원을 효과적으로 이용할 수 있다.

--「교토 프로세스」로 비용 90%절감--


자동차의 전동화로 주역으로
3. 전고체 전지 -- 축(畜)에너지기술

전기자동차용 배터리 시장은 2025년에 2.9조억엔으로 확대될 전망. 「포스트 리튬이온 전지」의 필두로 보여지는 것이 전고체 전지이다.

보급 시기: 2020년
시장 규모: 2.9조엔 (2025년의 전기자동차용 배터리) 출처: 후지경제
주목산업: 자동차, 정밀, 우주

전기자동차(EV)벤처기업인 미국 테슬라 모터스(Tesla motors)가 올해3월에 발표한 신형EV「모델3」의 선 주문이 1주일 만에 32만5,000대를 넘은 일은 아직 기억이 새롭다. 이는 국내에서 가장 많이 팔리고 있는 토요타자동차의 하이브리드 소형차인 「아쿠아」의 연간 판매대수를 상회하는 숫자이다. EV와 함께 플러그인 하이브리드 자동차(PHV)의 보급확대가 예상된다.

세계적으로 강화되는 CO₂배출규제에 대응하기 위해, 자동차는 전동화를 지향하고 있다. 따라서, 주요부품인 배터리의 수요가 급속히 증가할 것으로 예상된다. 후지경제에 의하면, EV용 배터리의 세계시장은 2025년에는 2조9781억엔으로 2014년의 9.3배로 확대될 것이다.

-- 조선업으로 숙련된 기술을 살리다 --
-- Flexible Battery의 등장 --


전기의 매개 역할, 수송에도 비즈니스 기회
4. 수소 에너지 -- 축(畜)에너지기술

일본은 수소사회를 실현시켜, 기술로 세계를 리드하고 싶은 생각이다. 수소사회의 도래에 따라, 수소를 대량으로 수송 및 저장하는 기술이 주목 받고 있다.

보급 시기: 2040년(CO₂제로 수소의 활용)
시장 규모: 37조엔 (2030년의 수소관련시장) 출처: 日經BP클린테크연구소
주목산업: 전력, 해운, 육로수송

수소는 연소할 때 CO₂를 배출하지 않는 청정 에너지로써 기대되고 있다. 수소를 만들기, 운반하기, 저장하기, 사용하기 등, 산업으로써의 상당한 파급효과가 예상된다. 정부는 2050년까지 연료전지 차를 20만대, 수소 스테이션을 320곳 도입하여 버스나 포크리프트, 선박 등으로 넓혀 갈 계획이다.

2030년에는 사업용 수소발전의 본격적인 도입을 목표로 하고 있다. 현재에는 국내공장에서 발생하는 부생(副生)가스나 천연가스로부터 수소를 생성하고 있으나, 발전이용에 필요한 양을 쫓아갈 수 없다. 따라서, 수소를 대량으로 수송 및 저장하는 기술개발이 진행되고 있다. 수소의 해상수송선은 세계 조선업체가 개발경쟁을 벌이고 있다.

가와사키중공업은 호주의 갈탄으로 생성한 수소를 액화하여, 일본으로 해상수송하는 프로젝트를 올해 4월에 개시하였다. 2,500m³의 액화수소를 운반할 수 있는 액화수소운반선의 국제규격을 국제해사기구 (IMO)에 제안 중으로, 빠르면 이번 9월에는 승인 받을 것으로 예상된다.

-- 상온상압으로 저렴하게 운반한다 --


나노기술로 변환효율을 3배로
5. 페로브스카이트(Perovskite) / 양자 Dot 태양전지 -- 창(創)에너지기술

실리콘을 사용하지 않는 태양전지로 가격을 낮추고 성능을 비약적으로 향상시킨다. 태양광발전만으로, 가정이나 전기자동차의 모든 전력을 공급하는 시대가 도래한다.

보급 시기: 2030년(Perovskite 태양전지)
시장 규모: 6.1조엔 (2030년의 태양전지 모듈) 출처: 후지경제
주목산업: 전력, 주택, 자동차

태양광 발전은 재생가능 에너지의 주력사업으로써, 세계각국에서의 도입이 진행되고 있다. 미국과 유럽을 중심으로 한 선진국의 도입이 진행되어 현재, 중국과 인도 등에서 그 수요가 증가하고 있다. 후지경제에 따르면, 2014년 세계의 태양전지모듈의 세계시장은 5만 5,935MW이다.

향후에는 동남아시아와 남미, 아프리카 등의 일조조건이 양호한 신흥국의 수요가 증가할 것으로 예상되며, 2030년에는 2014년 대비 2.2배의 12만3,600MW로 늘어날 것이다. 금액 베이스로는, 약 3.8조 엔에서 약 6.1조 엔으로 확대될 것으로 보여진다. 현재, 가장 활발하게 보급되고 있는 것이 실리콘을 사용한 태양전지이다. 단지, 생산량 확대보다 발전비용이 저하되고 있으나, 화력발전에 비하면 아직 높은 편이다. 따라서 실리콘과는 별도의 소재를 사용하여 저비용/고효율을 실현하는 태양광발전의 개발이 이루어지고 있다.

-- 칠하고 건조시키는 것뿐 --
-- 나노입자를 만들어 넣는다 --


지하에 잠들어 있는 마그마를 이용
6. 초임계(超臨界) 지열(地熱)발전 -- 창(創)에너지기술

2040년에 국내의 안정적인 전원으로써의 이용을 목표로 한다. 해외에서 계속 증가하는 지열발전의 수요에 대응하는 차세대기술에 기대를 건다.

보급 시기: 2040년
시장 규모: 2.1조엔 (2020년의 지열발전) 출처: BBC리서치
주목산업: 전력, 자원개발, 계측기기

지열자원이 풍족한 일본은, 2,370만kW라는 세계3위의 지열자원 량을 가지고 있다. 지열발전용 터빈은 토시바, 후지전기, 미츠비시히타치 파워시스템즈가 세계의 70%를 점유하고 있으며, 일본기술이 선점하고 있다.

일반적인 지열발전은, 비나 눈이 침투하여 만들어진 지하 2~3km의 지열저장층에 우물을 파고, 거기서 분출한 200~350°C의 열을 사용하여 발전을 한다. 단, 지하수가 줄면 수증기는 적어진다. 거기에 인공적인 물을 보급하여 증기를 발생시키는 「주입형EGS」나 「고온암체의 지열」이라고 불리는 기술개발이 진행되고 있다.

-- 지열자원을 늘리다 --

CO₂를 「땅에 묻지 않고 사용」
7. CCU (CO₂의 원료이용) -- (CO₂ 고정화/유효이용기술)

CO₂를 플라스틱 등의 원료로 이용하는 기술이 주목을 받고 있다. 공장 등으로부터 배출되는 CO₂절감과 함께, 화석자원의 절약으로 이어진다.

보급 시기: 2030년
시장 규모: 불확실
주목산업: 자동차, 가전, 정밀

공장 등에서 배출되는 CO₂를 회수하여 땅속에 묻는 CCS(CO₂의 회수/저류)는 중요한 온난화 대책으로 기술개발이 이루어진다. CO₂를 단지 땅에 묻는 것이 아니고, 화학품 등 부가가치가 있는 것으로 바꾸는 CCU(CO₂의 회수/이용)의 시도도 시작되었다. 야노 경제연구소는, CCS와CCU를 합한 CO₂의 회수 량이 2030년에는 10억 4,000만톤, 2050년에는 45억 9,000만 톤이 될 것으로 예측하고 있다.

-- CO₂를 30% 포함시킨 플라스틱 --

 
      -- 끝 --