“대안 無 CO₂포집, 한국형 기술 확보 必”

CCS 시장 36조, 韓 상용화 기술 개발·수출 추진 필요

화학연, 열 저감·E 교환 건식 포집 기술 개발

■ 탄소중립 CO₂ 포집 주목

기후변화로 인한 최악의 사태를 막기 위해 우리는 2050년까지 넷-제로(Net-Zero), 온실가스의 배출량을 ‘0’으로 만들어야 한다. 우리가 대기로 배출하는 이산화탄소(CO₂) 등을 다시 흡수해야 한다는 의미다. 이에 대기 중의 이산화탄소를 제거하기 위한 해결책으로 탄소 포집·저장(CCS) 기술이 등장했다.

우리나라가 이산화탄소 포집 기술을 본격적으로 연구 개발한 것은 2010년 전후다. 당시에는 원천 기술 개발이 목표였고, 국제 사회가 제시한 탄소 배출 비용인 탄소세에 비해 높은 이산화탄소 포집 비용으로 인해 상용화는 미래 문제로 치부했다. 그러나 현재 전 세계적으로 탈탄소화를 위한 본격적인 움직임이 시작되면서 분위기는 급변하고 있다. 탄소 저감 기술의 필요성이 산업 시장에서도 현실화하고 있으며, 기술의 빠른 시장 도입을 위한 연구개발 및 실증을 활발하게 진행하고 있다.

국외의 경우, 미국은 IRA 법이 통과되며 탄소세를 $85/t-CO₂로 발표했으며 유럽은 $100/t-CO₂를 넘어섰다. 이는 최근 3년 전과 비교해 약 5배가 오른 셈이다. 우리나라는 배출권 거래제를 시행하고 있고 현재 탄소세는 $20/t-CO₂가 되지 않고 있다. 하지만, 정부 차원에서 적극적으로 탈탄소를 추진하고 있다. 제1차 국가 탄소중립·녹색성장 기본계획을 발표했고, 2030년까지 2018년 대비 온실가스 40% 감축을 목표(NDC)로 채택했다.

우리나라는 탄소집약적인 산업구조를 갖고 있기 때문에 저탄소 구조로의 전환이 시급하며, 온실가스 감축목표를 달성하고 동시에 산업 경쟁력을 향상시키는 수단으로써 CCUS(이산화탄소 포집·활용·저장) 기술의 중요성이 부각되고 있다. 지난 4월 우리 정부가 제시한 NDC 부문별 목표에서도 CCUS 부문의 목표가 10.3%에서 11.2%로 확대됐다.

이에 최근 CCU 기술 개발이 다양하게 이뤄지고 있다. 포집한 이산화탄소를 기반으로 화학 원료를 개발하는 기술이다. 여기에 필요한 이산화탄소 포집 기술은 존재한다고 가정하지만 현실은 그렇지 않다. 탄소포집 효율성과 역량 개선, 기술 확보가 절실히 필요한 상황으로, 특히 한국형 원천 이산화탄소 포집 기술 및 기본설계(FEED) 기술 확보가 시급하다.

■ 연소 전·중·후 포집

CO₂는 연소 과정에서 생성되며, CO₂ 포집 공정은 크게 세 가지 △연소 전 △연소 중 △연소 후 CO₂ 포집 공정으로 나눠진다. 연소 전 포집은 연소 전에 연료를 미리 처리해 CO₂를 포집한다. 석탄가스화 혹은 천연가스 개질반응으로 합성 가스를 생산한다. 이후, 수소 생산량을 증가시키기 위해 수성가스 전이 반응을 거치는데 이 과정에서 수소 대비 25%의 이산화탄소가 발생한다. 이렇게 발생한 이산화탄소를 제거하면 우리가 알고 있는 블루 수소가 생산되며, 이를 이용해 복합발전이 가능하다. 원료 내에 탄소가 없기 때문에 연소 과정에서 이산화탄소가 생성되지 않는다.

연소 중 포집은 주로 순산소 연소나 매체 순환 연소가 이에 속한다. 순산소 연소는 공기 분리 기술을 기반으로 질소를 제거한 95% 이상의 산소를 연소 가스로 사용한다. 고농도 산소를 이용해 연소 시, 배기가스 내 질소 농도가 낮기 때문에 90% 이상의 이산화탄소만 배출된다. 매체 순환 연소는 산화반응기와 환원반응기 내 산소 공여 입자를 순환해 산화 반응기에서는 산소를 공여받고 환원 반응기에서는 산소를 연소 가스로 제공한다. 이를 통해 공기 분리 기술 없이 산소 공여 입자 순환으로 순산소 연소가 가능하다.

연소 후 포집은 기존 화력 발전소 혹은 천연가스 발전소에서 배출된 배기가스에 존재하는 이산화탄소를 포집하는 기술로써, 분리 방법에 따라 △습식법 △건식법 △분리막법으로 나뉜다. 연소 후 포집은 기존 화력 발전소에 추가 설치가 가능하기 때문에 가장 보편적인 CCS 기술에 속한다. 이 중 습식법 기술이 기술성숙도(TRL) 9로써, 상용화에 가장 근접해 있다. 현재 습식 기술의 경우 이산화탄소를 포집하지 않는 경우와 대비하여 CCS 설치 시 발전원가는 약 40~50% 이상 증가한다. 따라서 발전원가를 낮출 수 있는 차세대 기술 개발이 필요하다.

■ 화학연, 독자 개발 건식 기술 실증

대용량 탄소 포집이 가능한 차세대 포집 기술로 ‘Water-lean 습식’과 ‘건식’ 기술이 있다. 두 기술 모두 이산화탄소 제거 시에 드는 증발 잠열 에너지를 줄이기 위한 전략을 갖는다. Water-lean 습식 기술은 아민 용액 내 물의 함량을 최소화해 증발 잠열을 줄이기 위한 기술이며, 건식 기술은 고체 입자를 활용하여 증발 잠열을 제거한 기술이다.

기존 건식법 이산화탄소 포집 기술의 문제점은 높은 이산화탄소 반응 에너지와 현열 교환의 어려움이었다. 건식법의 경우, 고체 입자를 사용하기 때문에 액체 용매를 사용하는 습식법과 다르게 고체 간 열 교환에 한계가 존재했다.

▲ 한국화학연구원에서 개발한 에너지 교환형 건식 이산화탄소 포집 기술

이를 해결하고자 한국화학연구원(박용기, 김기웅 박사)은 건식 이산화탄소 포집 기술을 2011년부터 (재)KCRC(한국이산화탄소포집및처리연구개발센터)와 ‘Carbon to X’ 사업단의 연구비를 지원받아 연구개발을 수행했다. 그 결과, 현열 저감이 가능한 에너지 교환형 건식 이산화탄소 포집 공정의 원천기술을 개발했다.

이후, 한국화학연구원은 이산화탄소 포집 공정 개념을 입증하기 위해 한국과학기술원(최민기 교수)에서 개발한 낮은 반응 에너지를 갖는 폴리에틸렌이민 기반 흡수제를 이용하여, 배가스 처리량 기준 20Nm3/hr, 100Nm3/hr 급 벤치 장치 실증 운전을 성공적으로 수행했다.

최근에는 참여기업과 함께 하루 CO₂ 10톤 생산 규모의 배가스 처리량 2,000Nm³/hr 급 파일럿 설비를 구축해 염색산업단지에서 배출되는 실 가스로부터 이산화탄소를 포집하는 실증 운전을 진행했다. 그 결과, 50%의 현열 저감이 가능함을 확인했고 운전 조건에 따라 2.8~3.4GJ/tCO₂ 재생 에너지가 소요됨을 확인했다. 현재는 파일럿 설비의 장기 안정성 평가를 위한 추가 실증 및 배가스 처리량 40,000Nm3/hr 규모인 10MW 급 상용화 스케일업이 과제로 남아 있다.

▲ 0.5MW 규모 이산화탄소 포집 파일롯 실증 설비

■ 포집공정, 수출 전환 노력

2022년 기준, 전 세계에 35개의 상용 CCUS 기술이 적용됐고, 전체 이산화탄소 포집 용량은 45 Mtpa(백만톤/년)이다. 하지만 현재 설치 용량은 전 세계 배출량의 0.1% 수준에 그치는 수준이다. 2030년에 이산화탄소 포집 시장의 용량은 500 Mtpa로 증가할 것으로 예상되며, 이산화탄소 포집·저장 시장은 36조에 달할 것으로 전망된다.

분석 자료에 따르면, Net-Zero를 달성하기 위한 탄소 포집 용량은 1,200 Mtpa이다. 이와 같은 상황에서 해외 탄소 포집 기술에 의존하기보다 한국형 탄소 포집 원천기술 개발로 경쟁력을 확보해 새로운 시장의 기회를 잡아야 할 필요가 있다.

미국과 유럽은 2020년까지 이산화탄소 포집 원천기술 개발에 집중했다. 이후에는 기술 상용화를 위해 대기업과 중견기업, 정부 연구소 주도로 실증화, FEED 설계 기술 확보에 역점을 두고 있다.

우리나라 역시 과기부, 산업부 주도로 습식, 건식, 분리막 연구개발을 약 10년 동안 추진했고, 이에 관한 상용화 연구를 추진 중이다. 하지만 실제 기술 수요처는 보다 안정되고 검증된 해외 라이센서사 기술을 선호하는 경우가 많아, 기술 개발자와 수요자 사이에 간극이 있는 상황이다.

이는 국내 EPC(Engineering, Procurement, Construction) 사업이 해외 대형 라이센서사 기술을 적용하면서 성장한 국내 엔지니어링 사업의 토양에서 비롯된 결과다. 그러나 지금은 이를 뒤집을, 전환이 필요한 시점이다. 화학 공정 기술을 수입해 EPC를 하는 기존에서 벗어나 우리가 화학 공정 기술을 개발해 해외에 수출하는 패러다임의 구조로 전환해야 한다.

우리는 탄소 포집 후 생산된 이산화탄소에 대해서 CCU 기술을 활용해 화학 원료를 생산할지, 또는 CCS 기술을 활용해 저장소에 저장할지 선택지가 있다. 반면 탄소 포집은 탄소중립을 위해 다른 대안이 없는 필수 요소 기술이다.

이 상황에서 탄소 포집의 원천기술을 지난 10년간 개발했다면, 향후 10년은 해당 원천 기술의 독자적 상용화를 위한 FEED 설계 기술 개발을 적극적으로 추진해야 한다. 현재 많은 연구자와 기업에서 다양한 탄소 포집 기술 개발에 매진하고 있다. 이러한 노력을 기반으로, 한국이 개발한 원천 소재 및 공정 기술을 이용한 독자적 이산화탄소 포집 공정 기술이 국내외 적용되기를 기대한다.

▲ 연도 별 전세계 이산화탄소 포집 용량 예측 (백만톤/년)<출처; IEA, Capacity of large-scale CO₂ capture projects, current and planned vs. the Net-Zero Scenario, 2020-2030, IEA, Paris https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/capacity-of-large-scale-CO₂-capture-projects-c</acronym>