■45년간 온실가스 배출저감에 기여한 CCUS

CCUS는 CO₂ 포집·저장·활용기술(Carbon Capture, Utilization & Storage, CCUS)을 말한다. 산업시설 등에서 발생하는 이산화탄소를 포집하고 이를 지중 등에 저장(Carbon Capture & Storage, CCS)하는 기술과 이산화탄소를 활용(Carbon Capture & Utilization, CCU)해 부가가치가 높은 유용 자원 물질로 전환하는 기술까지 포함한다. 즉, 이산화탄소를 인위적으로 감축하기 위한 기술을 통칭한다.

▲ 이산화탄소 처리기술 CCUS

온실가스 감축에 대한 세계적 논의가 활발한 가운데 최근 들어서 지구 온난화를 저지할 기술로 주목받고 있지만, 사실 CCUS는 약 45년 동안 전 세계에서 다양한 방식으로 사용되며 온실가스 배출량 감소에 기여해왔다.

CCUS 기술은 CO₂를 포집하는 기술과 포집된 CO₂를 활용 하는 기술로 구분할 수 있다. CO₂ 포집은 석탄 및 천연가스 화력발전소, 제철소, 시멘트 공장, 정유 공장 등 대규모 산업 공정 시설에서 생산된 가스에서 이산화탄소를 분리하는 기술이다. 포집기술에는 흡착, 흡수, 막분리법 등 다양한 기술이 있으며, 연소기술은 연소 공정 후 배출되는 가스에서 CO₂를 포집하는 연소 후 포집과 연료의 연소 전 가스화 혹은 부분산화를 통해 CO₂를 포집하는 연소 전 포집, 연소 시 고순도 산소를 공급해 질소산화물 배출을 방지하고 CO₂를 포집하는 순산소 연소기술이 있다.

저장 방법에는 분리된 CO₂를 압축해 파이프라인, 선박 또는 다른 방법을 통해 저장에 적합한 장소까지 운송해 CO₂가 대기중으로 빠져나가는 것을 막기 위해 심부 암층에 주입하는 지중 저장과 수심 2,500m 이하의 심해 수중 또는 해저에 분사해 저장하는 해양 저장이 있다.

CO₂ 활용에는 압축 정제된 CO₂를 직접 이용하는 기술(비전환)과 생물학적 또는 화학적 전환과정을 거쳐 활용하는 기술이 있다. 비전환의 경우, 포집한 CO₂를 전환 없이 그대로 활용하는 기술로, CO₂ 가스 판매, 용접가스 활용, 농작물 주입 등에 이용한다. 생물학적 전환은 광합성 등 자연계의 탄소순환 시스템을 이용해 CO₂를 유기물질(바이오 자원화)로 전환하는 기술이다. 화학적 전환은 화학반응 및 공정기술을 적용해 CO₂를 화학물질로 전환하는 기술로, CO₂를 저감하는 동시에 다양한 고부가 화합물로 전환해 제품화하는 기술이다.

▲ 탄소자원화 주요 분야

■탄소중립 달성 유력 해결사 CCUS 주목

전 세계 대부분에서 ‘온실가스 배출량 제로(Net-zero)’를 국가 과제로 내걸고 있는 가운데, 국제에너지기구는 지난해 ‘에너지기술 전망’ 보고서에서 CCUS 기술 없이는 온실가스 배출량 제로에 도달하는 것이 불가능하다고 전망했다.

▲ 화석연료 사용,CO2 배출량 추이 및 전망 (출처 IEA, World Energy Outlook 2017)

전 세계에서 배출되는 CO₂의 50% 이상이 발전 시설과 중공업 공장에서 발생하는데, CCUS 기술은 산업 현장에서 나오는 대규모 이산화탄소를 경감시킬 수 있는 거의 유일한 해결책이기 때문이다.

모빌리티 부문에서 석유로부터 전기로의 연료 전환이 가속화되고 있고, 발전 부문 또한 태양광이나 풍력 등 신재생에너지로의 전환이 진행되고 있다. 그래도 아직까지 화석연료의 사용을 완전히 배제할 수는 없는 상황이다. 철강이나 시멘트의 제조 등의 공정에서 CO₂가 대량으로 발생하고 있고, 탈탄소화에 기여하는 수소나 암모니아도 화석연료를 사용해 생산하는 실정이다. 실질적으로 CO₂ 제로를 달성하기 위해서는 자연적인 흡수로 감당할 수 없는 CO₂를 회수해 대기로 방출되지 않게 하는 기술이 필수적이다.

또한 발전소, 중공업 분야에서는 화석 연료를 대체하는 것이 너무 비싸고 비효율적이기 때문에 화석연료 사용을 당장 낮추기 어려운데 이 화석연료 사용으로 발생되는 CO₂를 CCUS 기술로 일정 부분 처리할 수 있다고 강조했다.

■ CCUS 시장전망

자원 위기 심화와 환경보전 요구의 증대, 저탄소형 산업구조로의 전환 등 온실가스 저감을 위한 노력이 전 지구적 차원에서 요구되고 있다. 탄소거래시장의 급격한 확대와 선진국의 탄소 다배출 제품에 대한 무역규제 강화는 블루오션 산업과 녹색기술 개발을 위한 요인으로 작용됐고, CCS관련기술도 이와 같은 환경변화로 개발됐다.

국제에너지기구 전망으로는 오는 2050년 전세계 CO₂ 배출량은 약 620억톤이 될 것으로 추정하고 있으며, 혁신적인 에너지 기술이 채용될 경우 이 수치는 140억톤으로 줄일 수 있다. OECD에 따르면, 이때 CO₂ 감축 예측량 480억톤 중 약 91억톤(19%)은 CCS가 담당할 것이라 전망했다. 국제에너지기구 보고서(2017)에 CCS가 2060년까지 CO₂ 누적 배출 감축에 14%정도 기여할 것으로 예측됐다.

▲ CCUS 전망 (출처 : 국제에너지기구(IEA) WEO 2017 보고서)

CCUS 기술 시장은 전 세계적으로 시장이 형성되는 단계로써, CO₂ 배출권 시장의 확대와 더불어 CCUS 기술 시장도 성장이 지속될 것으로 전망된다. CCUS 기술 관련 세계시장 규모는 2020년 약 330억달러에서 2025년 약 727억달러 규모로 증가할 것으로 예측된다. 국내시장은 2020년에 44억달러에서 연평균 17.1% 성장해 2025년에는 97억달러가 될 것으로 전망된다. 또한 국내 CO₂배출량은 연평균 1.33% 증가해 2030년에는 851만톤에 이를 것으로 예상되기 때문에 CCUS 시장의 성장 또한 가속화 될 것으로 전망된다.

세계 시장 성장 지속, 2025년 727억달러 규모

선도적 선점·기술 상용화 위한 K-CCUS 발족

■ CCUS 해외 기술 동향

CCS기술과 관련해 선도국가인 미국, 캐나다, 독일, 영국, 호주, 일본 등은 국가 차원의 로드맵을 수립해 기술개발을 추진하고 있다. 정부와 기업의 합동 연구가 추진 중이며, GCCSI(Global CCS Institute)를 설립하는 등 국제공동연구가 이뤄지고 있다. GCCSI는 CO₂ 처리비용을 낮추기 위한 기술개발과 상용기술의 확보와 동시에 시장 창출을 이루기 위한 전략을 추구하고 있다.

CCS 기술을 비용 측면에서 보면 전체비용 중 포집부문이 약 70∼80%를 차지한다. CCS 기술은 CO₂를 대량으로 배출하는 화력발전, 철강, 정유, 시멘트, 석유화학, 천연가스 등 에너지 시설 등의 산업을 대상으로 한다. 세계 CO₂ 배출량의 41%는 화력발전이나 제철소 등에서 배출되고 있는데, 이를 포집하는 기술이 우선시 되는 것이다. CCS 기술의 현재 수준에서는 CO₂ 배출량의 85∼95%까지 포집할 수 있으며, 수송과 저장과정의 누출을 고려하면 배출량의 80∼90%를 감축할 수 있을 것으로 평가되고 있다. CO₂ 대량 배출시설에 CCS를 설치하는 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하면 시설의 에너지 소비량이 약 10∼40% 증가하게 된다.

최고 기술국인 미국은 CCUS와 과련된 기초·원천연구와 산업적용을 위한 대규모 실증 프로젝트를 지속 추진하고 있다. 2009년 국립탄소포집센터를 설립하고 포집비용을 낮추기 위한 기술 등의 개발을 단계적으로 추진 중이다. 2017년 세계 최대의 CO₂ 포집·저장 시설로 주목받는 페트라 노바가 완공돼 텍사스주 휴스턴 근처 석탄화력발전소에서 배출한 CO₂의 90%를 포집하하고 있다. 이는 도로 위 자동차 35만대를 줄이는 것과 비슷한 효과다.

또한 미국은 원유 회수 증진법을 통해 CO₂ 저감을 하고 있다. 비전환연구인 원유 회수 증진법은 CO₂를 유전에 주입하여 오일의 점도를 감소시켜 오일 회수를 유리하게 만드는 방법이다. 신재생에너지 사용이 활발한 유럽 주요국은 CCUS의 실증연구를 추진하고 있으며 일부 활용기술은 상용화에 성공했다. 노르웨이는 CCUS를 국가전략기술로 지정하고 2012년 몽샤드기술센터를 설립, 12MW 규모의 CO₂ 포집 테스트 설비를 구축했으며, 2016년 오슬로에 세계 최초로 폐기물 소각로에 CO₂ 포집 기술을 도입해 폐기물 연소과정에서 약 2천 톤의 CO₂를 포집하는데 성공했다.

영국은 아이슬란드 수도 레이캬비크에 암반을 이용해 CO₂를 격리시키는 카브픽스 프로젝트를 추진해 아이슬란드 지열발전소에서 발생하는 CO₂를 물에 녹여 지하 400~500m 현무암층에 주입함으로써, 220톤의 CO₂ 중 95%를 석회석으로 전환하는데 성공했다. 또한 배기가스 내의 CO₂의 탄산염화를 통한 이산화탄소 제거 연구를 추진 중이며 프랑스는 CO₂를 활용한 소각재 기술을 개발했다.

독일의 경우 정부와 기업간 공동연구를 통해 산업 현장에서 배출하는CO₂를 포집해 폴리우레탄폼을 생산하는 기술을 개발했고, 2015년부터 침대 매트리스 생산을 통해 상용화 하는데 성공했다.

일본은 포집기술개발, 저장실증사업를 추진하고 기술개발 성과를 토대로 대규모 해외 실증 프로젝트에도 참여했다. 2020년 1톤당 포집비용 1,000엔을 목표로 고압 분리막 포집기술을 개발 중이며, 도마코마이 항구 인근 수소생산시설에서 배출된 CO₂를 포집해 연 10만 톤 저장하는 기술 실증을 추진했다. 이에 미국 페트라 노바 프로젝트에 습식 포집기술(KS-1흡수제)이 활용됐다.

중국 역시 CCUS 개발을 활발히 추진 중이다. 석탄 산업이 발달한 중국 산시성 옌창에 연간 41만 톤의 CO₂를 포집하는 시설을 구축하고 140km 떨어진 차오자와 유전에 원유회수증진을 도입하는 아시아 최초 상업용 CO₂ 포집 프로젝트를 추진 중이다. 향후 7개 지역에 CC 시설을 추가 구축할 계획이며, 중국 북동지역 천연가스 가공처리공장에서 CO₂를 포집해, 질린 지역 유전에 연간 50만 톤의 CO₂를 주입하는 페트로차이나 질린 유전 원유회수증진 프로젝트를 수행 중이다.

■CCUS 국내 기술 동향

▲ CCUS 기술프로세스

CCUS 기술은 온실가스 감축과 함께 새로운 생산공정기술의 개발을 촉진하는 계기이자, 혁신 원동력이 될 수 있다. 우리나라는 그간 수립된 기술변화 대응 국가연구개발 중장기 마스터플랜(2008), CCS추진계획(2010). 기후변화 핵심기술 개발전략(2014~2015) 등 기후변화 대응 연구 개발계획 및 추진전략을 바탕으로, CCUS 기초·원천연구를 수행하고 연구 결과를 토대로 다양한 실증 연구를 추진하고 있다.

한국전력공사, 포항산업과학기술원 등에서 주요 배출원인 발전과 철강 분야를 중심으로 단계적 연구 과정을 거쳐 10 MW급 파일럿 플랜트 연구까지 수행 중이다. 연소 후 습식·건식 기술은 세계적 경쟁력 확보를 위한 기술 최적화 및 장기 운전 연구가 수행되고 있다.

CCUS 기술 연구는 탄소를 사용하는 석유화학 산업과 철강 등 CO₂를 배출하는 산업 등에서 적용방안이 활발하게 모색되고 있다. 철강산업은 대량의 CO₂ 배출원으로 회수 여력이 있는 미활용 폐열 및 탄소 등 환원제가 존재하는 산업으로 탄소자원화에 적합한 업종이다.

철강업계는 온실가스 다배출 공정 특성상 획기적인 온실가스 감축을 위해서는 공정 혁신뿐 아니라 CCUS 기술 도입을 병행해야 한다. 단기적 온실가스 감축수단으로는 공정 설비의 에너지효율 향상, 폐열회수기술 적용 등이 있으나 감축 여력이 크지 않으며, 장기적으로는 CCUS 기술적용을 통해 획기적인 감축을 할 수 있다. 그동안 철강부문의 CCUS 기술연구는 공정 부생가스의 탄소포집 중심이었으나, 최근 포집된 탄소를 연·원료 형태로 재사용하는 탄소자원화방안이 본격적으로 제기되고 있다.

▲ 우리나라 탄소자원화 실증 프로젝트

국내 CO₂ 활용기술은 전기화학, 광물화, 고분자, 생물전환 등 미래부 추진 기초·원천연구가 중점적으로 진행되고 있으며, 산업부 및 기업을 중심으로 고분자 및 연료 생산관련 실증 연구가 추진 중이다.

CCU는 대규모 저장소가 필요하지 않고 경제적 이익이 발생하기 때문에 국내에서 다양한 규모의 사업화 노력이 진행되고 있다. 극동화학과 대우건설은 하루 10톤의 CO₂를 처리하는 DECO2 통합공정을 설계해 인천 청라 소각장 배출가스를 대상으로 실증화 단계에서 공정을 수행하고 있다. 또한 기술개발과 상용 확산에 힘을 모으기 위해 K-CCUS 추진단을 발족했다.

■ K-CCUS 추진단 발족, 기술 상용화 추진

▲ K-CCUS 추진단 발족식

정부는 CCUS 기술을 2030년 국가 온실가스 감축목표 달성을 위한 주요 감축 수단 및 10대 기후 기술에 포함하고, 적극적인 기술개발 및 상용화를 추진하겠다고 밝혔다. 지난 4월 탄소중립 핵심기술인 CCUS 기술개발과 상용 확산에 힘을 모으기 위해 민관합동 ‘K-CCUS 추진단’ 발족식을 개최하고 민관협력 강화 방안을 논의했다.

그간 정부는 CCUS 기술개발을 적극 추진해 석탄발전 포집설비(10MW) 장기 실증으로 상용규모 석탄발전 적용 가능 기술 확보와 2019년 세계 3번째로 해상 지중 CO₂ 100톤 주입에 성공했다. 탄산칼슘 제조 등 광물화 기술 및 일부 화학적 전환 기술은 응용실증 단계 진입 등의 성과를 거두었으나, 상용화 및 CCUS 新산업화에 속도를 내기 위해서는 더욱 긴밀한 민관협력의 필요성이 제기됐다.

K-CCUS 추진단은 CCUS 확산의 컨트롤 타워로서, 업계 기술개발 수요 파악, 정책 수요 발굴, CCUS 성과확산 및 산업 생태계 활성화 방안 등을 마련해 정부에 제안할 예정이다. 또한 상설 사무국을 운영해 CCUS 산업 육성, 국내외 기술·정보 교류 활성화, 기술개발 및 인력 양성과 국제협력 업무를 담당한다.

K-CCUS 추진단에는 철강·시멘트·석유화학 등 주요기업 50여개, 석유공사, 발전5사, 가스안전공사 등 10개 에너지공기업, 15개 연구기관 및 20여 대학 등 총 80여개 기관이 참여했다. 분야별로 살펴보면 △포집분야 SK이노베이션, 두산중공업 등 △수송·저장분야 현대중공업, 한국조선해양 등 △활용분야 GS칼텍스, S-Oil, 영풍산업, 삼표산업 등이 있다.

정부는 CCUS를 新산업으로 육성하고 초기 단계에 있는 세계 기후위기대응 新시장을 선점할 수 있도록 다부처 사업 등을 통해 적극 지원할 계획이다. 먼저 개발된 기술에 대한 실증 투자를 확대해 2025년까지 CCUS 분야별 상용화 가능 기술을 확보할 계획이다.

포집기술은 철강·시멘트·석유화학·수소·LNG발전 등 주요 산업별 테스트베드를 구축하는 단계적 실증사업을 추진해, 2024년까지 업종별 기술 확보를 위해 600억을 투자할 예정이다. 저장기술은 안전성이 확보된 동해가스전을 활용한 통합실증사업을 통해 2025년부터 CO₂ 총 1,200만톤(연간 40만톤급)을 저장하고 포집·수송·저장 전주기 기술을 고도화할 예정이다. 활용기술은 저탄소 시멘트, 폴리우레탄, 일산화탄소 등 기술을 선정해, R&D 집중투자를 통해 CCU 기술이 조기에 상용화될 수 있도록 CCU 로드맵을 수립해 지원을 강화할 계획이다.

또한 정부는 2030년까지 CCUS 기술을 탄소중립 新산업으로 육성하기 위해, CCUS 산업기반 마련과 제도개선을 추진할 예정이다. 2023년까지 국내 대륙붕 탐사·시추를 통해 경제성과 안전성을 갖춘 매년 400만톤 규모의 CO₂를 약 30년 동안 저장할 수 있는 규모의 1억톤급 저장소를 확보하고 2030년까지 추가 저장소를 확보할 계획이다. 또한 여수에 CCU 실증 및 사업화 지원센터를 구축하고 혁신 기술개발, 시제품 제작, 시험·인증 평가 지원 등을 통해 CCUS 스타트업 및 혁신 기업을 육성할 계획이다.

더불어 CCUS 기술개발, 기업 육성 등 CCUS 산업 기반 조성 방안 및 시설에 대한 안전과 환경관리 체계를 담은 ‘CCUS 산업 육성 및 안전관리에 관한 법률’(가칭) 제정 작업을 관계부처 공동으로 금년 중에 착수해 CCUS 확산의 제도적 기반을 마련할 예정이다.