네덜란드 다국적 금융회사인 ING사는 5월 15일 경제학자 Gerben Hieminga와 Rico Luman이 저술한 「Synthetic fuels could be the answer to shipping’s net-zero goals, but don’t count on them yet」 보고서(붙임 파일)를 발간했습니다. 

이 보고서는 탄소 배출 감소를 위한 기술적 해결책으로서 수소, 암모니아, 메탄올 등 많은 합성 선박 연료가 최근 자주 거론되고 있지만, 아직은 갈 길이 멀어서 경계해야 한다는 점을 강조하고 있습니다. 또한 합성 연료를 추진한다면 그린보다는 블루 쪽이 더 현실적이라고 지적하고 있습니다.  보고서의 핵심 요지를 아래 소개합니다. 

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1. 그린 합성연료(Green synthetic fuels)는 거의 열배 비싸다

지금까지 알 수 있듯이, 합성 연료는 해운 부문을 근본적으로 '녹색화'하고, net-zero 탄소배출로 가는 길을 열 수 있다. 단, 그에 필요한 조건은 수소 생산과정에서 아주 적은 탄소 배출이 있어야 하므로 블루 또는 그린 수소가 만들어지고 사용돼야 한다는 것이다. 그럼에도 불구하고 왜 아직 실현되지 않았을까? 그리고 왜 선박에 합성 연료를 사용하지 않는 걸까?

답은 꽤 단순하다. 합성 연료의 해당 기술은 아직 초기 단계에 있으며, 화석 연료에 비해 많은 에너지를 소비한다. 따라서 합성 연료의 생산 비용은 훨씬 더 높다. 현재, 그린 수소는 화석 연료에 비해 연료 비용을 4~9배까지 증가시키고, 블루 수소는 2~5배까지 증가시킨다. 아래 그림은 화석연료와 합성연료 비용을 “Euro/DWT/1km" 단위로 비교 표현한 것이다.

현재 많은 연구가 그린 수소의 큰 비용 하락을 예측하고 있다. 그러나 이러한 비용 하락은 전기분해기(electrolysers​) 등 설비 투자 비용이 크게 감소하고 전력 가격이 하락하면서 탄소 가격이 더 올라가는 경우에만 실현된다. 이는 불가능하지 않지만 아직 확실한 결론은 아니다. 또한 고객들이 녹색 해운에 프리미엄 가격을 지불할 의향이 있을 수 있지만, 그 의향이 컨테이너 배송 요금에 어느 정도 영향을 미칠지는 알 수 없다.

다른 한편으로, 화석 연료가 현재 너무 저렴해서 합성 연료가 '공정한 경쟁'을 할 수 없다고 보는 시각이 있다. EU의 Fit for 55 패키지는 이 문제를 해결하기 위해 유럽 연합 배출권 거래체계(ETS)를 해상 운송업에 확장함으로써 이 문제에 대응하고 있다. 이를 통해 탄소 배출의 가격 설정은 화석 연료와 특히 그린 및 블루 합성 연료 사이의 격차를 좁힐 것이다. 

그러나 화석 연료의 가격은 석유 생산국의 가격 전략에 많이 의존할 것이다. 또한 이러한 국가들이 시장에 석유를 넘치게 공급하여 합성 연료가 화석 연료와 경쟁하기 어려워지게 할 것인가(녹색 역설)? 아니면 생산량을 조정하여 고가로 유지해서 합성연료에 유리한 환경을 조성해 줄 것인가?

이러한 큰 불확실성을 고려하면 합성 연료의 해운 분야에서의 경쟁력을 예측하는 것은 거의 불가능하다. 해운 회사들은 이러한 추세를 면밀히 주시하고 정확한 예측 시도보다는 가격 시나리오에 대해 고려해야 한다.

2. 합성 연료는 공간 점유 등 간접 비용으로 인해 화물 운반량이 적다

합성 연료는 연료 비용과 운임 수익간 역방향 관계(trade-off)가 확고하지 못하다.  합성 연료를 사용하는 석박은 동일한 거리를 이동하기 위해 더 큰 탱크를 설치해야 하는데, 이는 화물에 대한 공간이 줄어들고 수익도 낮아짐을 의미한다. 또는 동일한 탱크 크기로 동일한 양의 화물을 운송할 수 있지만, 그렇게 되면 더 자주 연료를 보충해야 한다. 그만큼  화물 운송에 의한 수익 기회를 놓친다.

메탄올을 사용하는 선박은 HFO, MGO 또는 VLSFO를 사용하는 배에 비해 2배에서 2.5배(연간 6~7회 : 연간 14회) 더 자주 연료를 보충해야 한다. 다만 LNG를 사용하는 선박과는 비교적 유사한 숫자이다. 암모니아나 수소를 사용하는 선박의 경우 상황은 더욱 악화된다. 화학적 특성으로 인해 기름 기반 연료를 사용하는 배에 비해 유사한 탱크 크기를 설치하는 경우 약 5배 더 자주 연료를 보충해야 한다. 하지만 연간 30회 정도 연료를 보충하는 것은 현실적인 선택이 아니므로, 암모니아나 수소로 구동되는 배의 탱크 크기는 더 커져야 한다.  이는 배 크기가 동일한 경우 화물 공간이 줄어들게 됨을 의미한다. 아래 그림은 같은 크기의 탱크가 연료별로 연간 벙커링을 몇 회 해야 하는지 실험한 통계치다.

3. 합성 연료에 과대하게 몰입하지 말아야 하는 네 가지 사유가 있다

     ① 합성 연료의 문제는 자연의 지하에서 얻을 수 있는 화석 연료와 달리 만들어져야 한다는 점이다. 그리고 그 생산 과정은 매우 에너지를 많이 소비한다. 예를 들어, 메탄올과 암모니아의 생산 과정에서 약 65%에서 50%의 에너지가 손실된다(production efficiency). 또한 선박의 엔진에서 연료를 연소시키면 약 45%에서 60%의 에너지가 손실된다(propulsion efficiency). 이를 종합하면 20%~25%의 전체 효율이 나와서 최대 80%의 에너지가 손실된다. 다시 말해, 합성 연료를 사용하는 선박은 제공된 에너지의 20%-25%만 사용하는 것으로, 이는 치명적으로 낮은 성능이다.

    ② 합성 연료는 많은 양의 그린 수소와 그린 전기(풍력 발전기와 태양 전지로부터)를 필요로 한다. 예를 들어 네덜란드에서 항공 및 해운을 위해 모든 기름 기반 연료를 합성 연료로 대체하려면 100기가와트(GW) 이상의 해상 풍력 에너지가 필요하다. 현재 설치된 풍력 발전 용량은 3GW로, 2030년까지는 20GW로, 2050년까지는 70GW로 확대될 전망이다. 이는 매우 야심찬 해상 풍력의 목표지만, 항해와 항공 운송을 위해 필요한 양에는 아직 미치지 못한다. 또한 철강 제조, 플라스틱 산업, 도로 운송, 상업 및 주거용 부동산 등 다른 부문들도 녹색 전기를 사용하려고 한다. 따라서, 합성 연료의 낮은 에너지 효율성은 net-zero 경제에서 녹색 에너지가 풍부한 경우에만 정당화될 수 있는데, 아직까지는 그런 상황이 아니다.

    ③ 합성 연료 생산에는 그린 수소뿐만 아니라 일부(예: 메탄올) 녹색 탄소원도 필요하다. 현재 화석 연료는 풍부하고 저렴한 탄소원이지만, net-zero 경제에서는 사실상 사용되기 어렵다. 결과적으로, net-zero 경제에서는 녹색 탄소원이 부족하게 되며, 이는 바이오매스, 폐기물(플라스틱과 음식물의 재활용)에서나, 아니면 CCS(탄소 포집 및 저장) 활동에 의한 지하 저장소 또는 직접 대기 포집(Direct Air Capture) 등을 통해서 얻어야 한다. 이러한 원료들은 아직 즉시 사용 가능하거나 상업화되어 있지 않다. 따라서, 대량의 합성 연료 생산은 다른 부문들과의 녹색 탄소원과 탄소 부족을 둘러싸고 경쟁에 직면할 가능성이 있다.

    ④ 에너지 비효율성과 녹색 탄소원의 부족 가능성을 고려할 때, 그린 보다는 블루 합성연료를 생산하는 편이 좋을 것이다. 풍부한 화석 탄소원으로부터 직접 메탄올을 생산하고 CCS로 배출량을 줄일 수도 있는데, 왜 일부 사람들은 그린 탄소원과 결합된 그린 수소 생산에 집착하려 할까? 보고서 저술자들 연구에 따르면 그린과 블루 메탄올이 거의 비슷한 배출 수준을 가지지만, 현재 사용되는 화석 기반 연료보다 적은 배출을 한다(LNG 제외). 따라서, Maersk와 같은 선주사 또는 그 대규모 고객인 Ikea, Amazon, Unilever들은 지속 가능한 기업으로 자리매김하기 위해 그린 솔루션을 선호할 수 있지만, 에너지 시스템에 대한 통찰을 통해 그들을 다른 선택지(예: 화석 연료 기반인 블루 옵션)로 이끌 수 있다.​