전기화는 탈탄소화를 향한 확실한 경로를 제공하고 거의 모든 난방 범주에서 실행 가능하지만, 기업들은 기술적, 경제적 실행 가능성에 대한 오랜 우려로 인해 전환을 더디게 진행하고 있습니다.1열 저장 및 히트 펌프와 같은 저탄소 산업용 난방을 위한 상업적으로 이용 가능한 기술에 대한 지식 부족으로 인해 주저함이 발생했으며, 이는 산업 공정의 복잡성과 이질성으로 인해 증폭되었습니다. 상업적으로 이용 가능한 기술에 대한 더 나은 이해는 산업 회사가 전기화를 진전시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
회사는 또한 전기화의 변화하는 경제에 대한 이해가 부족할 수 있습니다. 역사적으로 화석 연료는 열 생산을 위한 가장 저렴한 에너지원이었습니다. 그 열은 다시 전기를 생산하는 데 사용되었고(예: 석탄 발전소에서), 일부는 변환 효율로 인해 손실되었습니다. 즉, 열에서 생성된 전기는 항상 열 자체보다 비쌌습니다.
게다가 유럽 등 일부 시장에서는 산업체가 CO 2 배출 에 대한 비용을 지불해야 하므로 난방 비용이 상승하고 있습니다 .2재생 에너지원(RES)이 확산됨에 따라 산업계에서는 전기 가격을 화석 연료 가격에서 분리하여 더욱 큰 비용 효율성을 실현할 수 있는 기회를 얻었습니다.
그러나 깨끗하고 간헐적인 전력의 기회를 포착하기 위해 산업 회사는 가격 예측을 이해해야 합니다. 예측된 추세는 무엇이며 산업은 어떻게 이익을 위해 적응할 수 있습니까? 현재로서는 모든 회사가 장기 시뮬레이션을 위한 신뢰할 수 있는 시간당 비용 예측 모델을 개발할 수 있는 역량이 있는 것은 아닙니다. 최신 가격 책정 지식이 있더라도 다중 가격 입찰에 익숙하지 않거나 그러한 계약에 대한 접근이 제한될 수 있습니다. 산업의 예측 역량을 개선하는 것은 전기화를 가능하게 하는 핵심 수단이 될 수 있습니다.
또한, 수요에 맞춰 공급이 정확히 이루어지고 에너지 전달에 비용이 많이 드는 현재의 그리드 비용 접근 방식은 RES의 가변적인 공급과 일치하지 않습니다.삼RES의 전기가 초과되면 사용자는 여전히 비용이 많이 드는 에너지 공급 비용을 지불해야 합니다. 송전 가격을 설정하려면 전기 잉여에 적응할 수 있는 새로운 그리드 메커니즘이 필요합니다. 이러한 메커니즘은 더 세분화될 수 있으며, 예를 들어 혼잡 구역별로 분할된 동적 입찰을 도입할 수 있습니다.
전기화는 운영 인센티브의 부족으로 인해 제한될 수도 있습니다. "고장나지 않았다면 고치지 마라"는 원칙은 엔지니어에게 깊이 뿌리 박혀 있으며, 강력한 인센티브가 없다면 회사는 수년간 신뢰할 수 있는 것으로 입증된 잘 확립된 프로세스를 변경하는 데 주저할 수 있습니다.
기술적 실현 가능성에 대한 우려는 더 이상 사실이 아닙니다.
그러나 많은 회사가 믿고 있는 것과는 달리, 우리의 분석에 따르면 전기화 기술은 대부분의 저온, 중온 난방 요구에 상업적으로 이용 가능한 것으로 나타났습니다.4화석 연료를 위해 의도된 열 공정을 재설계하면 장기적으로 특정 산업의 운영 비용이 감소하는 등 추가적인 이점을 얻을 수 있는 경우가 많습니다.
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우리의 분석
저희의 분석에 따르면 전기화는 일부 작은 예외를 제외하면 특정 조건에서 접근 가능하고 실행 가능한 옵션입니다(사이드바, "저희의 분석" 참조). 오늘날 많은 저온 및 중온 열 공정(최대 600°C)에 전기화를 적용할 수 있지만 고온 및 매우 고온 열 요구 사항(600°C 이상)에 대한 기술은 아직 성숙해야 합니다. 이는 특히 고온 가열 수단이 성숙하고 오늘날 사용 가능하기 때문에 전기 가열 요소에서 제품으로 열을 전달하는 것을 말합니다.
식품 및 음료, 제조, 화학을 포함한 저온 및 중온 열 부문은 기존 전기화 기술을 사용하여 탈탄소화할 수 있습니다(표 2). 저온 살균, 살균, 건조 또는 가열과 같은 많은 산업 공정에는 600°C보다 훨씬 낮은 온도가 필요합니다. 식품 산업의 한 예는 분유 생산입니다. 여기에는 최대 250°C의 온도가 필요하므로 열풍 히터, 과열 증기 건조 및 전기 증기 보일러와 같은 전기 솔루션을 사용할 수 있습니다.5
고온 열 부문은 성숙도가 다양한 솔루션을 가지고 있습니다. 소규모로 산업체는 종종 기존 전기화 기술을 사용하며, 일부 국가의 산업체는 비싸고 제한된 액체 연료와 소규모 기업가 정신에 초점을 맞추기 때문에 전기화 기술을 일찍 채택합니다. 유리 및 유리 울 공정에서 전기화는 비교적 진보되었지만 많은 산업이 추가 개발이 필요합니다. 또한 복사 기반 난방은 종종 고온 열에 사용되므로 전기 요소로 설계를 복제하는 것보다 오래된 용광로 설계를 재고하는 것이 중요합니다.
시멘트 생산(최대 1,500°C의 온도가 필요함)과 같은 매우 높은 온도의 열 분야는 이용 가능하지만 성숙 초기 단계에 있습니다. Leilac과 같은 새로운 설계는 소성과 클링커화를 분리하기 때문에 고온 열 공정에 적합하며, 소성은 연료 차익 거래와 순수한 CO 2 생산을 위해 설계되었습니다.6분석에 따르면, 개조는 아민 기반 탄소 포집과 유사한 자본 지출이 있을 것으로 예상되며, 부분 전기화도 가능합니다. 알루미나 생산 공정(최대 1,000°C의 온도가 필요함)에서 소성로를 전기화하면 증기 회수가 가능하지만, 이는 현재 화석 연료 기반 설계에서는 달성할 수 없습니다. 해당 증기는 공장의 다른 곳(예: 보크사이트 소화 공정)에서 사용할 수 있으며, 공장 전체의 에너지 수요를 효과적으로 줄일 수 있습니다.
그러나 전기화는 탈탄소화를 위한 "모든 사람에게 맞는" 레버가 아닙니다. 다양한 기술(바이오연료, 지열, 핵 등)을 포함하는 맞춤형 솔루션은 서로 다른 맥락의 프로세스와 부문에 더 적합할 수 있습니다. 에틸렌 생산과 같은 산업의 경우 전기 크래커가 고안되고 테스트되고 있으며, 새로운 회전 장비를 포함한 일부 크래커는 수율 개선, 크기 감소, 강력한 경제적 인센티브를 보여줍니다.7높은 에너지 밀도가 필요한 고온 공정에서 전기화는 연료(예: 수소)와 결합될 수 있습니다. 또한 전기는 공기를 예열하고 연료 수요를 효과적으로 줄이는 데 사용될 수 있습니다.
경제적 타당성이 개선되고 순현재가치 긍정적 사례가 새로운 기회를 제공합니다.
전기화를 통한 열의 탈탄소화 경제는 점점 더 실현 가능해지고 있습니다. 첫째, 전기화는 열 펌프의 경우 효율성 향상이나 더 나은 제품 수율(예: 전기화된 에틸렌 생산)과 같은 추가 이점을 가져올 수 있습니다.8
둘째, 전기는 이미 가스보다 종종 저렴합니다. 한편으로는 RES의 현장 비용이 낮아지고 있고, 다른 한편으로는 공급 과잉의 순간에 그리드 전기 가격이 낮아지고 있습니다.9종종 이 두 가지 전기원(현장 RES와 그리드)을 결합하면 에너지 비용이 훨씬 낮아질 수 있습니다. 셋째, CO 2 가격이 화석 연료를 더 비싸게 만들고 있습니다.
이러한 모든 요소를 합치면 산업적 맥락에서 열 전기화를 고려하는 데 좋은 사례가 됩니다. 그러나 이러한 전반적인 추세와 관계없이 회사는 여전히 열 탈탄소화에서 가치를 포착하는 가장 좋은 방법을 찾아야 할 수도 있습니다. 열 에너지 저장과 결합된 전기는 여러 가지 이유로 높은 잠재력을 가질 것으로 예상됩니다.10첫째, 전기 난방은 기존 난방과 병행하여 빠르게 설치할 수 있습니다. 예를 들어, 증기, 저항성 액체 난방 및 건조용 열풍을 사용합니다. 또한, 열 저장은 그리드 저장 및 저비용, 미터 뒤 발전과 결합할 수 있습니다.
열 저장과 결합된 전기의 경제적 잠재력은 재생 에너지 발전 비용의 감소로 뒷받침됩니다. 그리드에서 더 많은 재생 전기 용량이 사용 가능해짐에 따라 가격은 일반적으로 더 불안정해집니다. 이를 통해 그리드 병목 현상을 완화하고 가격을 안정화하기 위한 차익 거래 기회가 생길 수 있습니다.
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전기 생산을 과대화하는 이점
전기화의 또 다른 경제적 이점은 전기 비용이 가스와 CO 2 비용보다 낮아지고 있다는 것입니다 (표 3). 가격 하락은 일반적으로 RES의 과잉 공급과 일치합니다. 즉, 전기 가용성의 "저렴한 시간"은 또한 "저배출 시간"입니다(사이드바 "발전을 과대화하는 이점" 참조).
2022년의 큰 가격 변동은 더 이상 존재하지 않지만, 예를 들어 독일과 스페인을 살펴보고 가스와 전기의 가격 차이를 고려하면 가격 변동성이 여전히 남아 있음이 분명해집니다(표 4). 두 사례 모두에서 전기가 가스보다 저렴했던 시간의 비율은 2023년에 약 15~25%였습니다. 시스템에 추가 RES가 추가됨에 따라 가격 변동성은 미래에 증가할 수 있습니다.
전기화는 빠른 투자 회수 기간을 제공합니다. 저희 분석은 역사적(2021년), 극심한(2022년), 현재(2023년) 변동성의 맥락을 가진 사례를 보여주기 위해 2021년, 2022년, 2023년 독일과 스페인의 시간당 시스템 운영을 모델링했습니다(표 5). 이 모델은 병렬 전기 보일러가 있는 하이브리드 시스템을 적용합니다. 이 솔루션은 산업 전반에 가장 쉽게 적용할 수 있습니다. 이 시스템은 낮은 자본 지출(메가와트 열[MWth]당 €125,000)을 기준으로 약 8개월에서 5년 반의 투자 회수 기간을 보였습니다.
저희 분석은 또한 변동성 기간 동안 과도한 에너지를 저장하는 열 시스템의 역할이 증가하는 것을 고려했습니다. 모델링된 사례에서 저희는 1년 반에서 4년 반 이상의 투자 회수 기간을 관찰했습니다. 더 중요한 것은 절반 이상의 에너지가 전기적으로 전달되었다는 것입니다. 즉, 과잉 "깨끗한" 전자를 통해 효과적으로 전달되었습니다. 그러나 분석에서는 보일러의 크기가 작기 때문에 최종 사용자가 그리드 요금을 지불하지 않고도 전기에 대한 추가 가변 비용만 지불할 것이라고 생각했습니다(용량이 이미 예약되어 지불되었다고 가정).
현재 메가볼트-암페어(MVA)당 약 20,000유로의 고정 수수료를 적용하는 그리드 수수료 구조는 대규모 전기화를 가능하게 하려면 최소 3,000시간의 저비용 전기가 필요합니다. 그러나 많은 경우 송전 그리드는 여전히 용량이 있으며, 시장 구축, 동적 가격 책정, 혼잡에 따른 지역 그리드 가격 설정은 윈-윈-윈(그리드는 사용되지 않은 용량에 대한 비용을 받고, 산업계는 저렴한 난방을 받으며, 전기 시장은 더 높은 바닥을 가짐)을 만들어낼 수 있습니다.
기업은 통합된 접근 방식으로 전기화 기회를 포착할 수 있습니다.
기업은 4가지 조치를 고려함으로써 전기화에 대한 인식된 과제를 극복하기 위해 적극적으로 나설 수 있습니다.
비전과 행동 사례 개발: 에너지 전환에 대한 헌신적인 리더십 초점과 비전을 가진 회사는 입증된 순현재가치(NPV)가 있는 사례를 포함하여 보다 비용 효율적이고 지속 가능하며 회복성 있는 에너지 솔루션의 혜택을 누릴 수 있습니다. 이러한 솔루션은 단기 비용 경쟁력과 에너지 및 탄소 가격 변동에 대한 회복성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 전환의 후속 단계에 자금을 지원할 수도 있습니다. 선점자는 제품에 대한 녹색 프리미엄을 통해 추가적인 이점을 얻을 수 있습니다.
역량을 구축하고 지속적으로 갱신: 더 낮은 비용으로 진행을 가속화하기 위해 회사는 표준화된 엔지니어링과 모범 사례를 공유하기 위한 중앙 플랫폼을 제공하는 우수성 센터를 구축할 수 있습니다. 이 플랫폼은 전담 기술 검색 기능으로 강화되어 새로운 솔루션과 협업 운영 모델에 대한 기회를 식별할 수 있습니다. 접근 방식은 점진적인 개선보다는 전체적인 사고방식과 이론적 한계에 의해 주도될 수 있습니다. 교차 기능 팀의 주요 역량에는 성과 관리, 고급 분석, 프로세스 재설계, 열 통합 및 친환경 에너지 소싱이 포함될 수 있습니다.
엄격한 전달 모델과 거버넌스 구현: 기업은 가치를 전달하고, 방법론을 체계화하고, 영향력이 크고 반복 가능한 이니셔티브를 전개하기 위해 엄격한 프로젝트 계획 및 구현 주기가 필요합니다. 기업은 사이트 전체에서 객관적이고 일관된 방식으로 진행 및 위험에 대한 프로젝트 관리 접근 방식을 제공할 수 있습니다. 구조화된 일일 성과 대화로 뒷받침되는 하향식 계획은 팀 생산성을 높일 수 있습니다.
대담하게 기존의 것을 활용하세요: 경계를 넓히고 틈새를 열어 완전히 새로운 디자인을 선보이세요. 기술 개발과 탈탄소화를 위한 기존 기금을 활용함으로써 산업계는 대담한 비전을 실현할 수 있습니다.
산업용 열의 전기화는 이전에 생각했던 것보다 어렵지 않습니다. 산업용 열 요구 사항은 매우 다양하지만, 상업적으로 이용 가능한 기술과 맞춤형 설계 솔루션이 빠르게 격차를 메우고 있습니다. 경제적 타당성이 증가함에 따라 탈탄소화를 약속하는 기업은 순 제로로 가는 길에서 비용 효율성과 배출량 감소의 혜택을 누릴 수 있습니다.
저자에 관하여
요리스 반 니엘 은 맥킨지 암스테르담 사무소의 파트너입니다. 켄 소머스 는 브뤼셀 사무소의 파트너이고, 키아라 마 그니는 브뤼셀 사무소의 컨설턴트입니다. 마르친 하이 와 스는 브로츠와프 사무소의 지식 전문가입니다.
저자는 이 논문에 기여해 주신 Bartosz Browarczyk, Godart van Gendt, Joe Alam, Mohammed Ghonima, Sergio Nistal Prieto, Tiago Meintjes에게 감사드리고 싶습니다.