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탄소중립 이행을 위한 열에너지 이용 기반 구축 연구(3/3)
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탄소중립 이행을 위한 열에너지 이용 기반 구축 연구(3/3)
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  • 1. 연구의 필요성 및 목적
    ■ 연구의 필요성
    ○ 정부의 2050년 탄소중립 목표 수립에 따라 조속한 탈탄소화에 대한 사회적·정책적 요구가 거세지고 있는 것에 반해 그동안 우리나라의 온실가스 감축 이행은 부족한 상황임.
    - 2023년의 온실가스 총배출량이 2018년 대비 약 11.6% 감소하고 전년 대비로도 3.5% 감소했으나 2030년 목표가 40%임을 고려하면 부족하다는 평가가 있음.
    - 2030년 이후 20년 기간 동안 남은 60%를 감축해야 한다는 점에서 2030년 온실가스 감축 목표의 설정에도 문제가 있다는 비판이 있음.
    - 이러한 관점에서 온실가스를 감축하는 방식에 대한 우리의 접근이 과연 합리적이고 충분한 수단들을 고려하고 있는지 되짚어 볼 필요가 있음.
    ○ 해외에서는 탄소중립 정책의 수립 시 열에너지를 점차 중요하게 다루고 있는 경향을 나타냄.
    - IEA, IRENA, REN21 등 국제적인 에너지 기관에서도 전 세계 최종에너지 소비의 절반 정도가 열에너지이며, 대부분 화석연료에 의존하고 있어 탄소중립 이행을 위해 열에너지의 중요성을 강조함.
    ○ 국내 최종에너지 소비에서도 열에너지 소비가 차지하는 비중이 절반이라는 점에서 열에너지에 대한 온실가스 감축 정책을 수립하는 것이 필요함.
    - 열에너지는 산업 부문에서 생산활동에 사용하는 공정용 열을 생산하기 위해 소비되는 에너지, 건물 부문에서 냉방과 난방, 그리고 급탕을 위해 사용되는 에너지를 말함.
    - 현행 산업 부문의 탄소중립 정책은 국내 제조업 기업들의 전반적인 탈탄소화의 방향성을 제시하는 데 한계가 있음.
    - 국내 건물 부문의 탄소중립 정책도 공급 방식의 전환보다는 주로 단열성능 개선 등 에너지효율 향상에 초점을 맞추고 있는 한계를 가짐.

    ■ 연구의 목적
    ○ 본 연구는 합리적인 열에너지 정책을 수립하기 위한 기반을 조성하는 데 목적을 두고 3개년 연구과제로 추진됨.
    - 1차년도에는 우리나라의 열에너지 소비 규모를 부문별로 분석하고 열에너지 소비에서 발생하는 온실가스 배출량을 산정해 탄소중립을 위해 열에너지 부문의 탈탄소화가 매우 중요한 과제임을 제시함.
    - 2차년도에는 전력시스템의 유연성을 높이기 위한 수단으로서 열에너지가 어떻게 역할을 할 수 있는지를 지역냉난방과 P2H의 활용 관점에서 분석하고 시사점을 제시함.
    - 3차년도에는 열에너지 부문의 탄소중립을 위한 기술별 국내외 시장 동향과 관련 정책, 그리고 기술별 균등화 열생산비용(LCOH)을 분석·비교하고 실효적인 탄소중립 이행을 위한 정책 방안을 도출함.
    ○ 본 연구는 열에너지 정책을 체계적으로 수립하는 데 필요한 열에너지 관련 정보·통계 기반을 순차적으로 마련하는 것에 목적을 두고 있음.

    2. 연구내용 및 주요 분석 결과
    ■ (제2장) 세계 탄소중립형 열에너지 공급 및 정책 동향
    ○ (지열) 전 세계 지열 이용의 80%는 열 공급 목적으로 사용되지만 건물 열에너지 소비에서 지열이 차지하는 비중은 1% 정도에 불과함.
    - 열에너지 이용 목적으로 사용되는 전 세계 지열의 대부분은 중국과 미국이 차지하며, 중국은 주로 지역난방 공급을 위해 사용하며, 미국은 지열 히트펌프를 이용한 난방에 주로 활용함.
    - 미국은 주와 지방 정부를 중심으로 화석연료 난방기기의 신규 설치를 단계적으로 줄이도록 의무화하면서 연방 정부 차원에서는 지열 히트펌프에 대한 세액공제를 지원함.
    - 유럽에서는 독일이 2030년까지 열 네트워크에서 지열 공급을 10배 늘리는 목표를 발표하고 비용의 40%까지 지원하고 있으며, 프랑스는 2035년까지 지열 공급을 2022년 대비 4~5배로 확대하는 것을 계획함.
    - 중국은 지하수열 및 천부지열 난방의 활용 면적을 2025년까지 50% 증가시키는 목표를 설정하고 탄소 감축을 위한 핵심기술로서 지열 히트펌프 설치 확대 및 산업 활성화를 계획함.
    ○ (바이오) 바이오매스는 열에너지 용도로 보일러나 난로의 연료로 이용되거나 열병합발전(CHP)의 연료로 지역난방에서 사용되며, 최종에너지 소비의 3.5%에 해당하는 것으로 파악됨.
    - 미국에서 바이오에너지는 재생에너지 공급에서 절반 이상을 차지하지만 1차에너지 공급 비중은 2022년 기준 4.5%에 불과하며, 미국 정부는 바이오에너지의 열 공급을 지원하기 위해 세액공제 등을 제공함.
    - EU에서 바이오에너지는 재생에너지 소비 중 2021년에 58.9%를 차지하고 바이오매스가 70%로 대부분을 차지함. 바이오매스 공급이 가장 많은 국가는 독일, 프랑스, 스웨덴, 핀란드, 폴란드, 이탈리아 순임.
    - 독일은 의무화와 투자비 보조, 프랑스는 투자비 보조 및 부가세 감면을 통해 바이오에너지를 포함한 재생에너지 전반을 지원하고 있으며, 영국은 바이오매스 전략 수립과 차액 지원 및 투자비 보조 제도를 운영함.
    - 일본은 1차에너지에서 재생에너지 비중이 2022년 기준 7.4%이며, 이 중 36%가 바이오에너지로 대부분은 발전용으로 사용되어 열에너지 용도로 바이오에너지의 역할은 높지 않음.
    - 중국은 1차에너지 공급에서 바이오에너지 비중은 2022년 기준 3.3%로 바이오매스가 90% 이상이며, 바이오매스의 절반이 건물 난방연료로 사용됨. 중국 정부는 바이오매스가 지역난방 및 산업 공정열 생산에서 화석연료를 대체하는 역할을 할 것으로 인식하며 보급 목표를 설정함.
    ○ (수소 혼소) 수소 혼소를 통한 기존 도시가스 배관의 활용은 국내외에서 상용화된 사례는 없는 것으로 파악되나 도시가스를 난방 수단으로 사용하는 여러 국가들에서 탈탄소화 수단으로 고려하고 있음.
    - 유럽은 독일이 건물 난방에서 수소의 적극적인 활용은 어렵고 제한적으로 활용될 것으로 보고 있는데 반해, 프랑스는 P2G를 통해 생산한 수소의 건물 난방 활용을 고려하고 있으며, 영국은 건물 난방에서 수소의 역할을 명확히 정하고 있지 못하고 있음.
    - 미국은 열에너지 소비에서 수소의 역할을 산업 부문에 국한해 고려하고 있는 것으로 파악됨.
    ○ (히트펌프) 2022년까지 10여 년 간 보급 대수는 연평균 10% 이상 성장했으며, 최근 3년 간에는 용량 기준으로 연평균 9.7%의 증가율을 기록함. 2023년에는 경기둔화, 천연가스 가격 하락, 유럽의 제도적 불확실성으로 전년 대비 1.8% 감소함.
    - EU 차원에서 REPowerEU를 통해 히트펌프의 보급 목표를 설정하고 있으며, 히트펌프를 이용한 폐열 활용을 재생에너지로 일부 인정하고 히트펌프의 신속한 보급 확대를 위한 허가 및 성능 기준을 마련함.
    - 독일은 2030년까지 히트펌프 6백만대 설치 목표를 정한 바 있으며, 건물 난방의 재생에너지 의무화 시행과 친환경 난방기기에 대해 보조금을 지원함.
    - 프랑스는 2027년까지 연간 1백만대의 히트펌프 생산 목표 및 3만명의 설치 인력 육성 계획을 발표한 바 있으며, Ma Prime Renov 제도를 통해 히트펌프 설치 시 보조금을 지원함.
    - 영국은 2030년까지 히트펌프가 가스보일러 대비 비용경쟁력을 확보하도록 하는 목표를 설정하고 현재의 부족한 경쟁력 보완을 위해 보조금 지원과 함께 전력비용 부담 완화를 위한 세제 개편을 고려함.
    - 미국은 연방 정부 차원에서 히트펌프 구매에 세액공제를 지원하고 있으며, 주 정부 차원에서도 리베이트를 지원하고 있음. 히트펌프 제조사의 혹한기용 히트펌프(CCHP) 개발에 대해서도 재정적으로 지원함.
    - 일본은 가정·업무·산업용으로 구분해 히트펌프의 보급 목표를 설정하고 있으며, 보조금 지원 제도를 운영함.
    - 중국은 ‘2030년이전탄소정점달성행동방안’ 계획을 통해 건물 난방 탈탄소화 수단으로 히트펌프의 역할을 강조하고 있으며, 산업 부문 전력화에서도 산업용 고온 히트펌프를 확산해야 하는 기술로 고려함. 지자체 차원에서 구매 보조금을 지원하거나 전기 요금을 보조해주고 있음.

    ■ (제3장) 국내 탄소중립형 열에너지 보급 및 공급정책 동향
    ○ 국내 2023년 기준 신재생에너지 공급량 중 열에너지가 차지하는 비중은 약 18.8%이며, 전년 대비 30%의 높은 증가세를 보임.
    - 바이오에너지와 폐기물이 절대적인 비중을 차지하고 있음.
    ○ 국내 집단에너지 사업은 주로 열병합발전을 열원으로 하고 있어 탄소중립 실현을 위해서는 연료 및 기술 전환이 필요함.
    - 집단에너지의 열 생산량은 꾸준히 증가하고 있으며, 화석연료를 이용하는 CHP의 비중이 대체로 70% 이상을 차지하고 있으며, 열전용보일러와 외부수열의 비중이 각각 10% 이상을 차지함.
    - 연료전지, 히트펌프, 터보냉동기, 빙축열조, 흡수식냉동기, 태양열로 구성된 기타 열원은 5% 내외에 불과함.
    - 외부수열은 발전배열과 소각열이 90% 이상을 차지하고 있으며, 산업폐열이 5% 내외, 하수열은 대체로 1% 미만을 차지함.
    ○ 국내 열에너지 공급정책은 체계적으로 수립된 바는 없으나 「제5차 신재생에너지 기본계획」, 「수소경제 활성화 로드맵」 및 「제1차 수소경제 이행 기본계획」, 「제6차 집단에너지 공급 기본계획」에서 관련 내용을 찾을 수 있음.
    - 「제5차 신재생에너지 기본계획」에서는 열에너지에 대한 비중을 높이겠다는 기본적인 정책 방향과 이를 위한 인센티브 또는 의무화 제도를 도입하겠다는 간략한 계획만을 언급하는 데 그침.
    - 「수소경제 활성화 로드맵」에서는 연료전지 보급 계획을 제시하고 「제1차 수소경제 이행 기본계획」에서는 수소의 열에너지 활용 범위를 연료전지에서 도시가스 망에 혼입 및 LNG 열병합발전에서 혼소하는 것으로 확장해 반영함.
    - 「제6차 집단에너지 공급 기본계획」에서는 청정열원 로드맵 수립과 청정열원 활용 촉진을 위한 제도 정비 추진을 제시하고 있음.
    - 이러한 에너지 계획 내 반영에도 불구하고 요구되는 기술의 규모나 각종 장애요인 및 이를 극복하기 위한 정책적 전략과 제도에 대해서는 다루어지지 않아 실효성이 불투명함.

    ■ (제4장) 탄소중립형 열에너지 기술 및 비용 동향
    ○ 공동주택에 활용 가능한 중앙난방 기술로서 지열 히트펌프와 수열 히트펌프가 있으며, 상용화된 기술로서 다양한 국내 실증 사례들이 존재함.
    - 지열 히트펌프는 공동주택과 상업용 건물 등에 적용된 바 있으며, 용량당 투자비용은 RT당 7,417천원~18,708천 원이며, 유지보수비용은 연간 23,781천 원 ~ 33,844천 원, COP는 냉방 6.88, 난방 3.25 수준으로 파악됨.
    - 수열 히트펌프는 주로 상업용 건물이 적용대상이 되며, 설치비용은 kW당 200천 원 ~ 700천 원 범위에 있으며, COP는 냉방 4.4에 난방 2.9로 파악됨.
    ○ 공동주택에 활용 가능한 개별난방 기술로서 공기열 히트펌프와 수소 혼소를 고려할 수 있으며, 공기열 히트펌프는 상용화된 기술이지만 국내에서 공동주택에 적용된 사례는 없음.
    - 공기열 히트펌프는 기존 연구사례에서 대당 설치비용이 약 850만원 수준으로 COP에 따라 LCOH를 산정한 바 있으며, 본 연구에서는 업체 인터뷰를 통해 축열조 포함 800만 원에 COP를 2.75로 조사함.
    - 수소는 20%를 혼소할 경우 기존 콘덴싱 보일러를 활용할 수 있으며 100% 전소할 경우 수소의 높은 가격도 문제지만 보일러 비용만 기존보다 5~10배 이상 증가하는 것으로 파악됨.
    ○ 지역난방에서 사용할 수 있는 탄소중립형 열에너지 기술로서 수소 혼소(30%) 열병합발전과 바이오 열병합발전, 전극보일러를 고려할 수 있음.
    - 수소 혼소 비율에 따라 가스터빈 열병합발전 대비 업그레이드 비용의 차이가 발생하며, 30%까지는 기존 설비 투자비 대비 1% 정도만 추가되며, 100% 전소는 25%의 업그레이드 비용이 필요한 것으로 파악됨. 수소 전소 시에는 수소를 발전기로 운송하기 위한 파이프라인 비용도 추가되어야 함.
    - 바이오 열병합발전은 기존 연구사례를 활용하되 바이오매스 공급가격과 전력 및 열 판매 가격, 그리고 REC 가격 등은 최근 상황을 반영함.
    - 전극보일러는 지역난방의 보조열원으로 사용할 수 있으며, 상용화된 기술로서 투자비는 MW당 6천만 원에서 2억 원 수준에 이르며, 효율은 99% 이상으로 파악됨.

    ■ (제5장) 균등화 열생산 비용
    ○ 현재의 여건을 반영한 기준 시나리오에서는 가스 열병합발전 기반의 지역난방과 가스보일러를 이용한 개발난방의 LCOH가 가장 낮은 수준인 것으로 분석됨.
    - 지열 히트펌프의 LCOH는 탄소중립적 열원 중에서 가장 낮은 것으로 나타났고, 지역난방 중에서는 바이오 열병합발전이 가스 열병합발전 다음으로 낮은 LCOH를 나타냄.
    - 수열 히트펌프는 가스 열병합발전 지역난방보다는 높지만 바이오 열병합보다는 낮은 LCOH를 보이는 것을 확인할 수 있음.
    - 수소 혼소 기술은 지역난방에서는 30% 혼소율에서도 가장 높은 LCOH를 나타냈으며, 개별난방에서는 20% 혼소율에서 가스보일러와 지열 다음으로 낮고 수열과 비슷한 LCOH를 나타내는 것으로 분석됨.
    ○ 시나리오 1에서는 탄소배출권 가격의 최근 3개년 평균치를 기술별 온실가스 배출량에 따른 비용으로 반영해 LCOH를 산정한 것임.
    - 기술별 LCOH의 우위 관계는 기준 시나리오를 그대로 유지되는 것으로 분석되어 배출권거래제 확대 및 배출권 100% 유상할당 하더라도 건물 난방에서 탈탄소화 기술의 확산을 유도하기는 어려움.
    ○ 시나리오 2는 탄소배출권 가격을 5만 원으로 올려 100% 유상으로 할당하는 것을 전제로 분석함.
    - 개별난방에서는 지열 히트펌프가 가스보일러의 LCOH와 거의 유사해져 지열이 비용경쟁력을 어느 정도 확보하는 것으로 볼 수 있음.
    - 지역난방에서는 가스 열병합발전이 여전히 가장 낮은 LCOH를 보일 뿐만 아니라, 바이오 열병합발전의 LCOH가 격차도 크게 줄어들지 않는 것으로 나타나는데, 이는 배출계수가 높은 전력을 사용하는 전극보일러를 보조열원으로 사용하기 때문임.
    - 따라서 전극보일러의 사용이 온실가스 배출 감축에 실질적으로 기여하기 위해서는 전력 부문의 탈탄소화도 병행되어야 함.
    ○ 시나리오 3은 배출권 5만 원 시나리오에 추가로 전력 소비단 배출계수가 현재의 절반 수준으로 하락하는 것을 분석에 반영한 것임.
    - 지열, 수열, 공기열 히트펌프의 LCOH가 기존보다 각각 Gcal당 3,396원, 3,433원, 4,377원 낮아지고, 전극보일러를 보조열원으로 활용하는 수소 혼소 및 바이오매스 열병합발전 지역난방의 LCOH도 각각 1,990원이 감소함.
    - 그럼에도 불구하고 대부분의 대안 기술들의 LCOH가 기존 화석연료 기술과 유사한 수준까지 접근하지는 못하는 것으로 나타남.
    - 다만 지열 히트펌프는 가스보일러와 유사한 LCOH를 나타냄.
    ○ 시나리오 4는 배출권 5만 원 상황에서 수소 가격이 절반 수준인 4,663원/kg으로 떨어질 때, 수소를 활용한 기술의 LCOH 변화를 살펴봄.
    - 지역난방의 수소 혼소 열병합발전과 개별난방의 수소 혼소 보일러의 LCOH가 크게 낮아져 화석연료 기반 난방 방식의 LCOH와도 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타남.
    - 이는 수소 혼소 기술이 현재의 설비를 그대로 사용할 수 있다는 전제가 뒷받침하고 있기 때문으로 결국 청정수소의 가격경쟁력이 경제성에 결정적인 영향을 미친다고 할 수 있음.
    ○ 시나리오 5는 탄소배출권 가격을 5만 원과 수소 가격을 평균값의 절반으로 가정함과 동시에 히트펌프에 대한 투자비 감소 및 전기요금 누진제 제외를 전제에 추가함.
    - 공기열 히트펌프는 현재의 투자비에서 50%가 하락하고, 가정용 저압 누진제 2단계 단가(206.15원/kWh)를 적용받아 누진제가 없는 상황을 가정하면 LCOH가 가스보일러와 유사한 수준이 되는 것으로 분석됨.
    - 지열 히트펌프와 수열 히트펌프도 가정용 고압 누진제 2단계 요금(163.01원/kWh)을 누진제 없이 적용받는 상황과 수열만 투자비를 10% 감축하는 것을 가정하면 가스보일러 대비 비용경쟁력을 확보함.

    3. 정책적 방안 및 결론
    ■ 보급의 장애요인
    ○ 히트펌프는 비용경쟁력 외에 다양한 장애요인이 존재함.
    - 초기 비용이 높아 여유자금이 충분하지 않으면 구매가 꺼려질 수 있으며, 기존 가스보일러보다 넓은 설치공간을 요구함.
    - 공동주택의 바닥난방 및 급탕을 공급하는 표준화된 히트펌프 설치 모델이 없다는 것도 보급 확대의 중요한 장애요인임.
    - 탈탄소화 수단으로 인정받을 수 있고 지원대상이 되는 히트펌프의 성능 기준도 마련되어야 함.
    ○ 바이오매스와 바이오가스는 주민 수용성과 국내 공급의 불확실성이 비용 외의 장애요인으로 작용함.
    - 바이오매스 열병합발전을 추진하다가 주민 반발로 갈등을 겪고 있거나 사업 자체가 무산된 사례가 있음.
    - 국내 2021년 바이오매스 소비량 가운데 미이용 바이오매스는 17.2%에 불과해 대부분은 수입에 의존하고 있음.
    ○ 수소는 건물 난방에 수소 보일러를 이용해 사용하는 데 있어 현재까지 한계가 크다고 볼 수 있음.
    - 수소 배관망의 인프라 건설에도 많은 시간이 소요되고 기술적인 성숙도를 확보하지 못하고 있음.

    ■ 정책 시사점
    ○ 열에너지 정책 거버넌스의 확립
    - 우리나라의 에너지 법령 구조 하에서 열에너지는 다수의 법령에 부분적으로 산재해 있어 열에너지의 탈탄소화를 효과적으로 추진하기 위한 관제탑의 역할을 할 수 있는 법령이 필요함.
    - 「탄소중립기본법」제8조에서는 우리나라의 중장기 온실가스 감축 목표를 정하고 있는데 열에너지 부문의 중장기 목표도 함께 명시함으로써 열에너지 부문의 탈탄소화를 적극적으로 추진해야 하는 법적 근거를 마련하고. 제10조에서 규정하고 있는 「국가 탄소중립녹색성장기본계획」과 제11조의 시·도 계획의 수립에도 열에너지 부문을 포함하도록 법에 명기하는 것이 필요함.
    - 가칭 「열에너지 전환법」을 제정하는 것도 또 다른 방안이 될 수 있음. 동법에는 열에너지의 범주에 대한 정의, 청정 열에너지의 정의와 종류 등에 대해서 명시하고. 열에너지 부문의 NDC 목표를 제시하는 한편, 가칭 ‘열에너지전환 기본계획’ 수립에 대한 내용도 포함시킬 수 있음.
    ○ 경제적 여건 조성
    - 열에너지 부문에서도 탄소중립 기술이 제대로 된 가치를 가질 수 있도록 모든 건물과 주택에 대해서도 탄소비용을 부과하는 것이 필요함.
    - 탄소중립형 열 생산 기술들이 R&D를 통해 발전하고 비용도 낮아질 수 있도록 정부가 열에너지에 대한 연구개발을 적극 지원해야 함.
    ○ 재정 지원
    - 재정적으로 지원하는 방식은 투자비를 융자 및 보조하거나 세액에서 공제하는 것을 고려할 수 있으며, 기존 설비와 차이나는 비용(차액)을 사용량에 따라 지원하는 방식도 있음.
    - 이러한 지원방식들 가운데 어떤 방식을 선택 또는 복합적으로 적용할지는 대안 기술의 투자비와 변동비의 구조와 같은 비용적 특성을 고려해야 함.
    ○ 청정 열에너지 이용 의무화
    - 현재 시행 중인 제로에너지건축 의무화 제도를 활용해 청정 열에너지 이용 의무화 제도를 시행하는 것을 제안함.
    - 제로에너지건축 인증기준은 1호와 2호 둘 중 하나를 만족하면서 3호도 충족해야 하는데 청정 열에너지 의무화를 추가할 경우 난방과 급탕 등 열에너지 소비 중 급탕 부분에 해당하는 30% 정도를 청정 열에너지로 공급하도록 의무화하는 것을 고려할 수 있음.

    ■ 결론
    ○ 열에너지를 탄소를 배출하지 않는 방식으로 전환하는 것이 시급한 과제임을 인식하고 체계적인 전환을 위한 기반을 구축하는 일이 우선되어야 함.
    - 1차년도 연구를 통해 산정된 열에너지 소비의 높은 비중과 화석연료 의존도가 객관화되고 지속적으로 관리될 수 있도록 열에너지 통계 체계가 구축되어야 함.
    - 열에너지의 탈탄소 전환을 위해 필요한 다양한 현재 및 미래 기술들에 대한 정보 체계를 구축하고 주기적으로 갱신 및 발전시켜 나가야 함.
    - 열에너지와 전력시스템을 통합함으로써 개선될 수 있는 효과를 평가하거나, 기술별 LCOH를 산정하고 다양한 경우를 상정해 비교 및 평가할 수 있는 분석체계를 표준화하여 정책 수립에 객관적인 수치로 활용할 수 있도록 해야 함.
    ○ 이와 같은 연구를 토대로 최종적으로는 목적과 목표가 뚜렷한 합리적인 열에너지 정책이 수립되어야 함.
    - 구축된 열에너지 정보·통계·기술 기반을 바탕으로 산업 부문과 건물 부문의 열에너지 전환 목표를 수립해야 함.
    - 목표를 효과적이고 효율적으로 달성하기 위해 탄소중립형 열에너지 사업에 대해 기술별 지원방식을 설정함과 동시에 조기에 시장 경쟁력을 확보할 수 있도록 배출권거래제를 확장하거나 기술개발을 적극적으로 지원해야 할 것임.

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