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탄소중립 해결책으로
CCUS 기술이 급부상 중!

탄소중립 시대를 달성하기 위해서는 무탄소 에너지로의 패러다임 전환이 필수적이다. 그러나 신재생에너지 비율을 올리며 점차 수소 에너지 시대로 이동한다고 하더라도 산업시설에서는 반드시 CO₂가 발생하게 되어 있다. 산업 시설의 CO₂를 감축하기 위해서는 CCUS 기술을 활용해야 하며, 한국과 같이 CO₂ 저장처가 부족한 국가에서는 포집한 CO₂를 수소 생산 자원으로 활용하는 CO₂ 전환 기술 개발이 필수적이다. 이 글에서는 최근 주목받고 있는 CCUS 기술에 대해서 살펴보기로 한다.

CCUS 기술 소개

지구온난화를 막기 위해서는 무탄소 에너지인 신재생에너지, 에너지 절약, 산업 공정 효율 강화 등 다양한 수단이 있지만, 이러한 다양한 방법을 쓰더라도 산업시설에서는 필연적으로 CO₂가 배출된다. 예를 들어, 천연가스 화력발전소 또는 연료전지 발전소의 굴뚝, 제철소의 고로, 시멘트업의 로타리 킬른(회전형 원기둥형 열가마), 석유화학업의 산성가스 처리공정 등에서는 반응기 자체 또는 생산 시스템 전체의 패러다임을 바꾸지 않는 한 반드시 CO₂가 발생하게 되어 있다. CCUS(CO₂ Capture, Utilization & Storage) 기술은 이처럼 대량으로 필연 배출되는 온실가스를 직접 감축할 수 있는 방법이다. IPCC 특별보고서에서는 CCUS 기술을 온실가스 감축을 위해 반드시 사용 해야 하는 필수 기술로 규정하고 있다. 그림 1은 CCUS 기술 전체의 흐름도이며 각 기술별로 사용하고 있는 대표 기술을 나열하였다. 대량의 CO₂ 배출사업장에서 CO₂를 포집(Capture)한 후, 이를 80~100기압의 압력을 가해 초임계 유체로 파이프 수송한 후 지하 800~1000미터에 위치한 유전, 대염수층에 분사 격리하는 것이 CCS 기술이다. 저장처 확보가 어려울 경우에는 포집한 CO₂를 단순 액화시켜 용접이나 스마트 팜에 활용하거나, 또는 다른 유용한 물질로 전환시킬수 있다. CO₂를 전환하는 방법에는 광물화, 미세조류, 화학물질 방식이 있다.

_{그림 1. CCUS 기술 전체 흐름도}

CCUS 기술 활용 국외 실증 사례

그림 2는 현재 세계 CCS 기술 실증 적용 및 기획 단계를 도식화한 것이다. 현재 총 65개의 상용수준 CCS 설비들이 있고, 이 중 26개가 운전 중에 있다. 운전 중인 CCS 설비들은 매년 4,000만 톤의 CO₂를 지중 저장하고 있다. 최근 들어 세계적인 상용급 CCS 프로 젝트들은 미국처럼 CCS로 감축한 탄소에 대해 세제 혜택을 받거나, CO₂ 저장 비용 감축을 위해 미국의 CarbonSAFE 허브와 같이 국가별 저장소 허브 운용, 미래 연료인 수소를 생산할 때 CCS 기술과 연대하는 방식을 활용하여 CCS 기술 상용화 촉진의 수단으로 삼고 있다.

_{그림 2. 세계 CCS 기술개발 수준맵
출처: Global status of CCS report 2020, GCCSI}

_{그림 3. 산업군별 CCS 기술 적용 및 설치계획 현황
출처: Global status of CCS report 2020, GCCSI}

그림 3은 CCS 설비들을 산업별로, 공정 규모면으로 분석한 자료이다. 과거에는 천연가스 활용업종에 주로 CCS설비를 설치했었으나, 향후 계획상 석탄화력/천연가스화력 발전 영역으로 집중되어 있다. 특히 에너지 산업이 아닌 시멘트와 석유화학 부분에서도 CCS 설비 도입이 계획되고 있음을 알 수 있다.

CCUS 기술의 경제성

현재 CCS 기술을 활용할 경우 소요 비용은 $ 100 ~150/tCO₂이다. CCS 설비를 설치할 경우, 500MW 미분탄 화력발전소(배연가스 중 12% CO₂ 농도, 연 300만 톤 CO₂ 배출)의 경우 포집과 액화 공정 건설비만으로 약 6,000억 원 정도가 소요된다. 포집과 액화 공정에 소요되는 비용은 전체 CCS 기술의 75%, 초임계 CO₂를 근거리에 파이프 수송하는데 10%, 대염수층에 고압 저장, 모니터링하는데 15%의 비용이 소요되는 것으로 분석되고 있다. CCS 설비를 구성하는 기술들을 살펴보면 포집, 압축액화, 초임계화, 수송, 주입 저장, 모니터링으로 이루어져 있고, 포집을 제외한 기술들은 기존의 원유 시추 기술과 매우 유사하기에 우수한 CO₂ 포집 기술 확보가 핵심요소이다. 

CO₂ 포집기술 중 가장 상용화에 임박한 기술은 연소 후 습식 CO₂ 포집이다. 현재 대부분의 CO₂는 화력 발전, 제철, 시멘트 시설에서 화석 연료를 사용하며 배출되는 것으로써 상압, 40~300℃, N₂/CO₂ 혼합구성, 4~8%의 O₂ 포함 등이 공통적이다. 연소배연가스는 상압 조건이라는 점 때문에 고압이 필수적으로 필요한 AGRU 기술로 적용할 수 없으며, 이 때문에 대용량 처리용으로 액상 화학 흡수법을 주로 이용한다. 현재 화학 흡수법은 Mitsubishi Heavy Industry, Aker Solution, Fluor, Shell, BASF, Alstom 등 대형 엔지 니어링사들이 흡수기술 라이선스를 보유하고 있다.
특히, Mitsubishi Heavy Industry의 기술은 4,776 tCO₂/d 규모로 포집할 수 있는 공정이 미국 텍사스에 설치되어 운전 중이며 대규모 실증 경험을 통해 기술 상용화 홍보에 적극적이다.

한국의 CCUS 기술 개발 사례와 수소사회 연계 추진 전략

한국은 1990년대 중반부터 정부 주도로 CCUS 기술 중 CO₂ 포집기술 위주로 개발이 진행되어왔다. 현재 습식 방법으로 KOSOL(전력연, 180 tCO 2/d, 보령 화력), KIERSOL(에너지연, 10 tCO 2/d, 성신양회), MAB(KCRC, 10 tCO 2/d, 태안화력), 암모니아 이용 기술(포항산업과학연, 10 tCO 2/d, 포스코)이 개발된 바 있으며, 이 중 KIERSOL 기술과 KOSOL 기술이 상용화를 가장 적극 추진하고 있다. KOSOL은 현재 중부발전 보령화력에 180 tCO 2/d(10MW급) 규모 플랜트를 설치하여 1만 시간 연속 운전을 진행 중이다. 에너지연에서 개발한 KIERSOL의 경우 성신양회에서 10 tCO 2/d 규모(0.5 MW 규모 환산) 플랜트를 설치하여 9개월 운전하였으며, 한국 최초로 녹색 기술인증을 획득하고 현대/기아차(2012), SCT 엔지니어링(2020), SK머티리얼즈(2021)에 각각 라이선스 기술이전되어 국내 산업체에 보급 확산 중이다. 특히 SK머티리얼즈는 북미지역까지 영역을 확대하여 기술 확산 예정이다.

_{그림 4. 한국의 대표적 CO2 포집 기술 KIERSOL(좌), KOSOL(우)}

_{그림 5. CCU 기술을 활용한 수소 사회
출처: 충북도 CO2 활용 청정연료 생산기지 기반 구축 실증사업 2021. 3. 11.}

한국의 경우 2017년 11월에 발생했던 포항지진(진도 5.4)이 지열발전에 의한 지진으로 발표되면서 NIMBY 현상으로 인해 육상 및 인근 영일만 내 CO₂ 저장 과제는 모두 중단된 상태이다. 현재 하루 1,000 톤씩 LNG 채굴을 하며, 2025년 이후 고갈될 것으로 예상되는 동해 가스전에 1,200만 톤의 CO₂를 우선 저장한 후 국내 바다 중 저장 가능 장소를 추가로 검색하거나 해외 저장처에 CDM 사업으로 확대할 계획이다.

한국은 협소한 국토와 포집된 액상 CO₂ 수송용 파이프 건설 시 NIMBY 현상으로 인해 CCS 사업을 추진하기 어렵다. 그리고, CCU 기술을 활용할 경우 온실가스 감축 인정을 받기 어렵고, 안정화된 CO₂를 활성화할 때 추가 투입되는 에너지(전기, 열, 수소, 메탄 등)로 인해 경제성 확보가 어렵다. 하지만, 산업 현장에서 폐열, 전기를 쉽게 공급받아 대용량으로 CO₂ 가스 촉매 전환를 진행할 수 있다면 CCU 공정의 상용화가 가능하다. 이러한 방식으로 현재 추진되고 있는 사업이 있다. 바로 대량의 CO₂가 배출되면서 동시에 1,000℃의 공정열과 수송용 철로 인프라가 구축되어 있는 시멘트 생산 시설을 활용하는 그린 뉴딜 사업이다. 현재까지 수소를 생산하는 가장 저렴한 방법은 부생수소(3,100원/kg H₂)를 제외할 때 천연가스 개질 방법(7,300원/kg H₂)이나 수소 1kg 생산 시 9kg 의 CO₂가 발생한다. 하지만, 포집한 CO₂를 시멘트 생산 시설의 고열을 활용하여 CO₂/CH₄/H₂O를 동시에 활용하는 SCR(Steam CO₂ reforming of CH₄ ) 공정을 거쳐서 합성가스(CO/H₂)를 저렴하게 만들 수 있다면 수소 운반체인 메탄올을 값싸게 만들 수 있다(4,700 원/kg H₂). 메탄올은 다시 촉매 분해하여 수소를 생산할 수 있는 화학물질이며 자체만으로도 석유화학공정의 원료 블루 수소 물질이다. 현재 수소 사회로 진입하기 위한 장벽으로는 수소 생산, 수소 수송, 수소 사용 인프라 확보 문제가 있는데, CCU 기술을 접목한다면 CO₂를 원료로 소모하여 수소를 생산할 수 있고, 메탄올을 수소 운반체로 수송한다면 CCU 기술이 온실가스 감축과 수소 사회 진입 장벽 문제를 동시에 해결될 수있는 열쇠가 될 수 있다고 판단한다.

글/윤여일 책임연구원
한국에너지기술연구원

고려대학교에서 화학공학을 전공했으며, CO₂ 포집 기술 개발에 17년 경력을 가지고 있으며, 국내 최초로 개발한 CO₂ 포집기술을 엔지니어링사에 기술이전하여 사업화를 추진하고 있다. 그린에너지공정연구실장을 역임하고, 현재 한국에너지기술연구원 책임연구원으로 재직 중이다.