블루수소 생산을 위한 CCUS 기술 연구 현황

韓, 현대건설 日 140톤 CO2포집 블루수소 실증 시작

동해가스전 등 약 9억톤 대용량 저장처 탐색 완료

▲ 윤여일 한국에너지기술연구원 온실가스연구단 책임연구원

최근 지구촌의 기후가 심상치 않다. 2022년 6월, 미국 캘리포니아 데스벨리는 50.5℃까지, 라스베이거스 주는 66년만에 최고 기온인 42℃를 기록했으며 캔자스 주에서는 방목해 키우고 있는 수 만 마리의 소가 고온으로 폐사하였다.

가뭄으로 인해 건조 현상이 지속되고 있는 스페인 북서부 지역은 3만 헥타아르가 산불로 잿더미가 되었으며, 이라크 북부 지역은 오랜 가뭄으로 모술댐 수위가 낮아져 수장되어 있던 3400년 전의 고대 도시 자키쿠 유적지가 드러나고 있다.

이처럼 열돔 현상으로 한쪽이 극심한 가뭄이라면 반대편은 홍수로 고생하고 있다. 미국 북동부 시카고 지역은 비구름과 토네이도를 동반한 피해를, 옐로우 스톤 국립공원에서는 큰 홍수로 인해 34년 만에 처음으로 주 출입구 전체가 폐쇄되었다. 물론 한반도에도 삼한사온의 패턴이 사라지거나, 장마 시즌의 변화, 경작되는 농작물과 잡히는 어종의 변화, 빈번한 태풍 피해, 침식으로 줄어들고 있는 해안선 등 지구온난화의 영향을 직접적으로 받고 있다.

이와 같은 이상 기후의 원인은 지구 온난화 때문이다. 산업혁명 이후로 급속하게 발달한 인류의 문명을 위해 무분별하게 사용한 화석 에너지 사용으로 대기에 과잉 배출된 온실가스가 그 원인이다. 대기로 배출된 온실가스는 비닐하우스의 비닐처럼 지구에 들어온 태양 에너지의우주 방출과정에서 얻은 에너지로 지구를 덥히고 있다.

지구 온난화 문제를 해결하기 위해서 국제사회에서는 2015년 12월 21차 유엔 기후변화협약 당사국 총회에서 ‘파리협약’을 채택하여 2016년 11월 발효시켰다. 파리협약은 195개 국가에 구속력이 있는 기후 협약이다.

파리 협약에서는 지속가능한 인류 문명 발전을 위해 산업화 이전 대비 지구 평균 기온 상승을 1.5℃ 이내로 억제하고자, 지구 온난화 진행을 막고자 하는 온실가스 감축 목표를 설정하였다. 미국 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Adminstration) 하와이 마우나 로아 대기 관측소에서는 매월 지구의 대기 중 이산화탄소 농도를 측정 발표하고 있다.

2022년 3월에 측정한 지구 대기 중 이산화탄소의 농도는 418.41ppm으로 2021년 3월 이산화탄소 농도인 417.64ppm 과 비교해 볼 때 1.17ppm 상승하였다. 더 이상 인류가 손을 쓸 수 없는 상황, 지구 상 생물의 공멸이 일어날 것으로 예측되는 지구 대기 중 이산화탄소의 농도는 450ppm 이다. 450 ppm까지 31ppm이 남은 상태이며, 우리가 두 손을 놓고 아무것도 하지 않아 연간 1.17씩 꾸준하게 오른다고 계산해보면 앞으로 27년 안에 돌이킬 수 없는 재앙이 일어날 수 있다는 것이다.

이처럼 먼 미래의 일로 생각하던 온실가스 문제가 점점 우리 일상으로 다가오자, 각 국 정부에서는 파리 협약 준수를 위해 탄소 중립을 선언하고 있다. 탄소 중립이라는 개념은 기업 또는 개인이 발생시킨 이산화탄소 양만큼 이산화탄소 흡수량을 늘려서 실질적인 탄소 배출량을 0 으로 만든다는 개념이다.

탄소 중립을 실행하는 방안으로는 직접적인 방법과 간접적인 방법으로 나눌 수 있다. 직접적인 방법으로는 처음부터 대기 중으로 이산화탄소 발생이 일어나지 않도록 에너지 패러다임을 현재까지 사용 중인 화석에너지에서 신재생에너지, 수소에너지로 바꾸는 것이다. 이러한 무공해 에너지는 태양, 풍력, 파력, 조력, 지열, 수소에너지 등이 있다.

다음으로는 대기 중에 배출되기 전 이산화탄소를 잡아내는 CCUS (이산화탄소 포집,전환이용,저장 기술), 대기 중에 이미 배출된 이산화탄소를 잡아내는 직접 포집, 자연적으로 이산화탄소를 광합성으로 고정하는 삼림과 해조류 면적을 확산시키는 방법이다.

간접적인 방법으로는 에너지의 사용량 자체를 줄이기 위해 절약하고, 가능한 에너지 효율이 높은 제품을 사용하며, 불편하더라도 다회용 제품을 이용하며 대중 교통을 이용하는 방법이 있다. 우리나라에서도 2030년까지 온실가스 배출량을 2018년 대비 40% 감축하고, 2050년에는 순배출량을 0 으로 하겠다는 목표를 담은 2050 탄소중립시나리오와 2030 국가 온실가스 감축 목표 상향안을 2021년 10월 18일에 확정하였다.

앞서 설명한 바와 같이 탄소중립을 달성하기 위해서는 3 개의 핵심 기술인 신재생에너지기술, 수소 생산 기술, CCUS 기술을 필수적으로 확보해야 한다.

이 중 신재생에너지기술의 면면을 살펴본다면, 한국은 태양에너지를 주에너지로 활용하기엔 지리적으로 태양광 입사각이 90도에 가까운 적도 인근이 아닌 북반구에 위치하여 매우 불리하고, 기술적으로도 전기 에너지 발생 효율이 낮아 경제성이 부족하다.

따라서, 3면이 바다로 이루어진 지형에 유리한 해상 풍력을 집중적으로 육성할 필요성이 있다. 하지만, 에너지 저장 시스템 등 단기간에 해결할 수 없는 문제가 산적한 상태이다. 발전 과정에서 이산화탄소가 거의 발생하지 않는 원자력 발전은 비록 신재생에너지에 포함이 되지 않으나, 신재생에너지 효율 개선 연구 개발이 더디며, CCUS 기술 상용화 확산 속도가 느리다. 사용 후 핵연료 처리 시 방사능 누출 방지에 대한 완벽성을 기한다는 조건이 해결된다면 탄소 중립 기술로써 가치를 부여해야 한다는 논의가 진행 중이다.

다음으로 수소 에너지이다. 수소는 전기에너지와 함께 미래시대에 사용가능한 궁극의 청정에너지원이다. 수소 에너지 원료인 물은 지구상에 풍부하게 존재하며 수소가 산화되어 열량 또는 전기를 생산할 경우 대부분 물만 생성되어 공해물질이 발생하지 않는다.

하지만, 안정적 화합물인 물에서 수소를 생산할 때 추가적인 에너지원이 필요하다. 전기를 이용한 수전해 방식은 주입한 전기 에너지에 비해 생산되는 수소 양과 수전해 중에 열손실, 생산된 수소의 고순도화에 필요한 분리 공정 비용 등에 의해 현재는 경제성이 낮아 당장 상용화가 어려운 상황이다. 따라서, 메탄과 물을 혼합하여 촉매로 분해하는 촉매 개질방법 (SMR, 스팀 메탄 리포밍)을 수소 생산방법으로 가장 많이 활용하고 있다.

이 방법은 800℃의 고열에서 니켈 계열 촉매와 화석연료인 메탄과 물을 주입하여 수소와 이산화탄소로 변형시키는 방법으로 고열 확보 단계와 촉매 반응 중 필연적으로 이산화탄소가 발생할 수 밖에 없다. 그 외에 탄소를 함유하고 있지 않은 암모니아를 직접 분해하거나, 신재생에너지 중 열을 활용한 메탄 열분해 같은 기술들이 청정 수소 생산법으로 얘기되고 있다.

이처럼 다양한 수소 생산법에 대해 온실가스 발생 유무를 기준으로 청정성을 색상으로 분류한 호칭이 있다. 수전해는 이산화탄소가 거의 발생하지 않으므로 그린 수소, 촉매 개질 방법은 이산화탄소가 그대로 발생하니 그레이 수소, 촉매 개질 방법에 CCUS 기술을 접목시켜 발생한 이산화탄소를 잡아낼 경우 블루 수소, 암모니아/메탄 등을 신재생에너지 열원으로 분해하여 생산한 수소를 청록 수소로 칭하고 있다.

2050 한국 탄소중립 시나리오 달성안에 의하면, 국내 생산 수소를 100% 그린 수소로 공급하는 A 안 (해외 수입 2190만톤, 수전해 550만톤)과 일부는 블루 수소를 활용하는 B 안(해외 수입 2290만톤, 수전해 300만톤, 블루수소 200만톤)이 제시되고 있다. 따라서, 현실적으로 블루 수소가 수소 생산기술의 주가 될 수 있는 것이다.

다양한 수소 생산법 중에 블루 수소에 대해서, 생산 과정 중 얼마나 이산화탄소가 발생되는지 그리고 발생량 중 얼마나 잡아내야 하는 지에 대한 국내 기준이 아직 명확하지는 않으나 유럽에는 현재 블루 수소 기준이 되어 있는 상황이다.

유럽 기준에 의하면 그레이 수소 생산 시 이산화탄소 발생량은 천연가스를 채굴하는 과정에서 발생한 이산화탄소 2.18 kg/kg H2, 촉매 개질 방법(SMR)을 통해 발생한 이산화탄소 8.74 kg/kg H2를 합한 10.92 kg CO2/kg H2으로 정하고 있다.

여기에 CCUS 기술을 사용함으로써 그레이 수소 생산 중 발생한 이산화탄소의 총 60 % 이상을 잡아냈음이 검증된 것을 블루 수소로 인정하고 있는 상황이다. 즉 블루수소는 최소 4.37 kg CO2/kg H2 이하의 이산화탄소가 수소 생산 과정에서 발생한 수소를 의미한다.

이처럼 수소를 생산할 때 CCUS 기술을 적용하기에 수소 생산 단가는 상승할 수 밖에 없으며, 미국의 경우 블루 수소를 생산 확대를 위해 CCUS 기술에 대해 세금 크레딧을 제공하고 있다. 현재 미국의 경우 블루 수소 생산 단가의 목표를 2026년까지 $1.11/kg Blue H2로 정하고 있다.

2020년 기준으로 대규모 운전 중인 블루 수소 생산 시설은 없으나, 촉매 개질 공정에서 발생되는 이산화탄소의 조건에 따라 어느 곳에 CO2 포집 기술을 적용할 경우 가장 유리한지에 대한 설계 및 경제성 연구가 이산화탄소를 저장할 수 있는 장소를 보유하고 있는 미국, 캐나다, 중동, 호주를 중심으로 진행 중이다.

한국의 경우에도 아직 블루수소 생산 시설이 없으나, 2022년 5월 평택 수소 생산 기지에 현대건설 주도로 그레이 수소 생산 과정에서 발생한 이산화탄소 중 하루 140 톤 이산화탄소를 포집하는 블루수소 실증 연구가 시작된 상태이다.

CCUS 기술은 이산화탄소를 1 톤 포집하는 데 약 100~120 달러가 소요되는 종합 기술로써, 대량 이산화탄소 발생처에서 포집한 후 이를 액화 수송하여 저장처에 주입 격리하는 단계로 이루어져있다. 포집, 액화, 수송, 저장, 누수관찰 등 다양한 소재 및 공정 요소기술들이 연계되어야 하며 대용량의 저장처가 반드시 필요한 기술이다.

현재 한국은 CCUS 각 요소기술들이 모두 상용화 수준에 도달한 상태이다. 특히 포집 기술에 약 20 년 간 집중적인 투자를 하여 해외 기술과 입찰 경쟁이 가능하며, 2022년에 액화탄산 판매를 목적으로 40~200 톤 CO2/일 규모의 상용 포집 시설들이 민간 기업들 중심으로 설계, 착공에 들어갈 것으로 예측된다. 또한, 이산화탄소 저장처로써 군산 분지, 제주 분지, 동해 폐가스전 등 약 9 억톤 내외의 이산화탄소 저장 후보지를 탐색한 상태이다.

현재 다양한 이산화탄소 발생 시설 중 포집 설비 설치가 유력한 비석탄 연료 혼소 화력 발전소, 시멘트 생산 시설, 블루수소 생산시설에서 포집된 이산화탄소를 본격적으로 저장하기 시작한다면 2030년 국가 탄소 감축 목표는 물론 2050 탄소 중립 시나리오는 충분히 달성가능하다 예측한다.

이처럼 CCUS 기술을 활용한 블루 수소 기술은 신재생에너지와 그린 수소 기술이 완벽히 상용화되는 시기까지 우리가 꼭 사용해야 하는 미래 에너지, 청정 환경으로 가는 필수 가교 기술이라고 볼 수 있으며 우리가 반드시 나아가야 할 길이다.

▲ 그레이블루그린수소 - (출처 포스코 뉴스룸 newsroom.posco.com)

▲ 2050 정부탄소중립시나리오 표

▲ 한국의 CO2포집공정(하이브리드식 이산화탄소 포집 액화공정 파일럿플랜트, 현대건설)