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이산화탄소 포집 기술은 완벽한 신재생에너지 시대로 나아가는 브릿지KCRC, 이산화탄소 포집 및 처리 기술을 선도하다

[솔라투데이 탄소제로 최홍식 기자] 파리기후변화협약을 통해 전 세계에서는 지구온난화를 방지하기 위한 대책 마련에 나서고 있다. 기후변화에 대응하기 위해 화석연료의 사용을 자제하고 신재생에너지 활용 비중을 높여가고 있다.

한국이산화탄소포집및처리연구개발센터 박상도 센터장 [사진=솔라투데이 탄소제로]

하지만 현재까지는 신재생에너지의 발전 효율이 화석 연료를 대체하지 못하고 있다. 신재생에너지 설비가 확산되고 발전 효율이 점차 높아져 완전한 대체가 이뤄질 것으로 예상되는 2050년 이전에는 화석 연료 사용이 불가피한 상황이다.

이와 같은 에너지 전환 과도기에서 필요한 것이 이산화탄소 포집 및 처리기술이다. 한국이산화탄소포집및처리연구개발센터 박상도 센터장을 통해 신기후체제에서의 온실가스 감축 수단으로 주목받고 있는 이산화탄소 포집 및 처리기술에 대해 알아봤다. 

신기후체제에 대한 합의에도 불구하고 화석연료 사용은 줄어들지 않고 있다. 선진국에서야 신재생에너지로의 전환이 활발하게 이뤄지고 있지만 개발도상국에서는 여전히 화석연료에 의존하고 있는 경우가 많다. 

전 세계 이산화탄소 배출의 3분의 2가 에너지 분야에서 발생하고 있는 가운데 온실가스 저감을 위해서는 청정에너지 기술개발이 핵심이다. 온실가스 감축에 있어 장기적으로는 태양광이나 풍력, 수소에너지등 온실가스 배출이 없는 에너지원을 이용하는 방법이 있으며, 중장기적으로는 이산화탄소 포집 및 처리 기술(CCS : Carbon Capture & Sequestration)과 같은 혁신 기술 도입이 필요해졌다.

이에 정부는 한국이산화탄소 포집 및 처리연구개발센터(이하 KCRC : Korea Carbon Capture & Sequestration)를 설립해 CCS 분야의 R&D를 강화하고 있다. 

KCRC는 이산화탄소 포집 및 처리연구 전문기관
KCRC는 온실가스를 감축하고 기후변화 문제에 근본적으로 대응할 수 있는 CCS 기술을 연구개발하고 있는 CCS R&D 전문기관이다. ‘국가 CCS 종합추진계획’에 따라 혁신적 CCS 원천기술 개발을 위해 설립된 미래창조과학부 산하 독립 재단법인으로 2011년 12월에 설립됐다. 

‘Korea CCS 2020 사업’ 추진을 주요 미션으로 CCS와 관련한 혁신적 원천기술을 개발하는 한편 우리나라 CCS 연구역량을 결집해 연구기반을 구축하고, CCS 원천기술 확보를 통해 세계 최고 수준의 CCS 기술 강국으로 도약하는데 기여하고 있다. 이산화탄소 포집과 관련한 국제협력과 연구자간 네트워크 구축, 동향분석 결과 제공 및 홍보, CCS 기술 확산 유도를 위해 노력하고 있으며, CCS컨퍼런스 개최 등을 통해 CCS 관련 인식제고 등의 활동도 하고 있다. 

또한, 한국에너지기술연구원의 2MW급 실제 석탄화력 발전설비와 연계해 이산화탄소 포집 실증공정을 구축 운영하고 있으며, 포집소재 성능 분석 평가 시스템 구축을 통해 개발된 포집 흡수제에 대한 성능 객관화를 추진하고 있다. 

Korea CCS 2020 사업은 이산화탄소 포집 및 전환기술을 확보하는 것
Korea 2020 사업은 2020년까지 혁신적으로 이산화탄소 포집 원천기술과 전환기술을 확보하고, 이산화탄소 저장 핵심요소 기술과 시스템 기술개발을 통해 CCS 기술을 완성하겠다는 목표에서 시작됐다. 2020년 5월까지 사업이 진행되며, 총 1,727억원의 예산이 투입될 예정이다. 현재 7년차 사업을 수행하고 있다. 

대량으로 배출되는 이산화탄소의 경제적 처리를 위해 이산화탄소 포집 원천기술 확보에 초점을 두고 습식, 건식, 분리막 방식의 다양한 포집기술 개발을 추진하고 있다. 또한, 부지탐사, 주입, 모니터링 등 1만톤 급 이산화탄소를 지중에 저장하는 실증 기술을 확보하는 데 주력하고 있다. KCRC는 이산화탄소를 포집해 화학적 또는 생물학적 방식으로 전환하는 기술도 개발하고 있다. 

이 사업은 이산화탄소 포집관련 국내외 최고 연구기관에 아웃소싱 개념으로 기술개발이 진행되고 있으며, 한국에너지기술연구원과 화학연구원, 서울대, 고려대, 연세대, 카이스트 등 47개의 산학연 전문기관이 참여해 60여개의 세부과제를 진행하고 있다. 

Korea 2020 사업을 통해 우리는 3세대 이산화탄소포집 및 처리 관련 원천기술 확보와 CCS 관련 연구기반을 조성하고 있으며, 이를 통해 국가과학기술의 위상을 강화하고 있다. 또한, 온실가스 감축 기술을 개발하고 에너지 안보 확보에 기여하며, 온실가스 중기 감축목표에 기여한다는 측면에서 기후변화 대응 효과도 거둘 수 있을 것으로 기대하고 있다. 그 밖에 신산업 창출과 신성장 동력 기술을 확보하는 등 산업경제 활성화에도 기여하고 있다.

세계 최고 수준이 습식포집기술(MAB) [사진=KCRC]

CCS 기술에는 이산화탄소 포집 및 처리, 저장 기술이 존재
CCS 기술, 즉 이산화탄소 포집 및 처리 기술은 발전시설이나 산업시설에서 발생하는 대량의 이산화탄소를 포집하고 압축해 수송한 후 저장하거나 유용한 물질로 전환해 이용하는 신 기술이다. 지구온난화의 주요 원인으로 손꼽히는 이산화탄소 처리와 관련해 기후변화 대응 기술이라고 할 수 있다. 

이산화탄소 포집기술은 연소 후 포집과 연소 전 포집, 연소 중 포집하는 기술로 구분된다. 이산화탄소의 포집 비용은 전체 이산화탄소 처리비용의 75%를 차지할 정도로 비중이 높은 상황이라 모든 연구 개발이 집중되고 있는 분야이기도 하다. 

포집 형태별로 습식, 건식, 분리막이 존재한다. 습식 포집은 이산화탄소를 흡수하는 액체 물질을 사용하는 것으로 흡수속도가 빠르고 과거부터 사용해오던 방식으로 가장 많이 활용되고 있다. 하지만 에너지 손실이나 다량의 폐수가 발생할 수 있다는 문제가 있다.

건식 포집 방법은 이산화탄소 흡수에 고체 물질을 사용하는 것으로 습식에 비해 흡수 속도가 느린 반면, 에너지 손실이나 폐수 발생, 부식성의 위험도가 낮고 적용범위가 넓다는 장점이 있다. 

분리막 포집 방법은 이산화탄소를 흡수하는 필름 형태의 막을 사용하는 방식이다. 포집 설비 규모가 작고 오염물질 발생이 적지만 기술개발 단계에 있는 방식이라 포집에 대한 성능 검증이 미비하다. 

그 밖에 CCS 기술 범위에는 고농도로 포집된 이산화탄소를 탱크롤리나 파이프라인을 통해 저장소나 전환 플랜트로 이송하는 수송기술이 있으며, 이송된 이산화탄소를 대 염수층이나 유·가스전에 저장하는 저장기술이 포함된다. 또한, 화학적 방법이나 생물학적 방법을 통해 화학소재 또는 연료 등으로 전환하는 기술이 범위에 속한다. 

하이플럭스 고분자 중공사 분리막 포집 설비[사진=KCRC]

세계 최고 수준의 이산화탄소 포집 기술 확보
KCRC는 6년이라는 사업 추진 기간 동안 다양한 연구와 기술개발을 진행해왔고 그 결과 세계 최고 수준의 이산화탄소 포집 기술을 확보했다. 

이산화탄소 흡수에 상용적으로 사용되던 MEA 흡수제 대비 이산화탄소 흡수량이 2.5배 높고, 흡수속도 역시 1.5배 이상 빠른 저수계 흡수제를 개발해 에너지 사용량과 투자비를 각각 40%, 30% 이상 절감할 수 있는 습식 포집기술을 개발했다. 

이 기술은 기존 포집기술의 한계를 극복한 것으로 미국에서 실증을 완료했으며, 한국에너지기술연구원 내 발전설비와 연계해 안정성도 확인했다. 올해부터는 서부발전 현장에 0.5MW 규모 포집 실증을 추진하고 있다. 

세계 최고 수준의 1단 건식 포집공정 및 혁신 흡수제도 개발했다. 이 기술은 2016년 기후변화대응 기술혁신 Best of Best 10에 선정된 것으로 내년부터 해당결과를 반영해 0.5MW 규모의 실증을 추진할 예정이다. 

또한, 세계 수준 PI 기반의 하이플럭스 고분자 중공사 분리막 포집기술을 개발해 지역난방공사와 한국에너지기술연구원의 발전소 등과 연계해 실증을 했으며, 이를 반영해 한라시멘트와 지역난방공사 등에 0.5MW 규모의 실증을 추진중이다. 

이산화탄소 저장 분야의 성과로는 소규모 지중저장 실증 부지 선정 및 모니터링 시스템을 개발했다. 이 기술을 통해 경상·포항·태백·음성·장기 등 국내 5개 분지에 대한 탐사와 조사를 통해 1만톤 이하 규모의 최적의 육상지중저장 후보지를 도출했다. 

현재 시추공, 관측공의 설계 및 설치가 진행되고 있어 내년 초부터 주입이 가능할 것으로 보인다. 또, 세계적 수준에 올라있는 1km급 대심도 시추 기술을 통해 국내 여건에 맞는 시추장비를 활용해 국제규격의 관측정 시추 기술을 개발했다. 

이산화탄소 전환분야에서도 괄목할 성과를 거두고 있다. 이산화탄소를 생분해성 고분자로 제조할 수 있는 신물질 원천기술을 확보해 롯데케미칼에 기술이전을 실시했으며, 시장규모가 수조원대로 파급효과가 큰 폴리올레핀 탄소저감형 신소재를 개발해 LG화학에 기술이전을 체결했다. 

그리고 초고속 균주 선별 기술을 적용한 생물학적 유기자원화 기술을 개발해 한국지역난방공사로 기술이전을 진행했다. KCRC는 현재까지 총 14건의 기술이전 성과를 거뒀으며, 4건의 창업성과를 거뒀다. 기술의 완성도가 제고되는 3단계 과정부터는 본격적인 기술사업화 성과를 이뤄낼 것으로 예상된다. 

CCS 기술은 신재생에너지 확립을 위한 연결다리
KCRC에서 개발하고 있는 이산화탄소포집 및 처리기술은 신재생에너지 관련 기술개발이 완성되고 경제성을 확보할 때까지 온실가스 저감을 위해 활용될 가교기술이다. 신재생에너지 사용을 통해 근본적으로 이산화탄소 배출 제로를 실현하기에는 일정 시간이 필요하다. 

그 시간 동안에도 지구온난화는 심각해지고 기후변화 대응 이슈는 증가할 것이다. 개발과 발전을 위해서는 불가피하게 화석연료를 병행해서 사용해야 하고 이산화탄소 배출도 뒤따르게 된다. 

이러한 상황에서 인류의 지속가능한 발전을 위한 또 하나의 방법이 이산화탄소 포집 및 처리 기술이다. 대규모 이산화탄소 배출원에 이산화탄소 포집 설비를 구축해 이산화탄소가 대기중으로 배출되지 못하게 하고 포집된 이산화탄소를 1000m 지하 대수층에 저장해 완전히 격리하거나 유용한 고부가 물질로 전환하는 기술들을 KCRC에서 연구개발하고 있다.  

이산화탄소를 포집-수송-저장-전환하는 체계도[이미지=KCRC]

온실가스 배출량 감축을 위해 필수적인 기술
앞서 언급했듯이 파리기후협정 체결 이후 전 세계는 신기후체제에 돌입했다. 파리기후협정의 핵심은 지구의 평균온도 상승을 2℃ 이내로 제한하기 위해 온실가스 배출량을 줄이는 것이다. 

그럼에도 불구하고 국제에너지기구(IEA)에서는 전 세계적으로 온실가스 감축 활동을 추진해 화석연료의 비중은 줄겠지만 세계 인구 증가와 산업 성장에 따른 에너지 수요는 확대돼 온실가스 배출량은 증가할 것으로 판단하고 있다. 

온실가스 감축수단으로 신재생에너지 확산 및 에너지 효율 향상 등의 방안이 추진되고 있으나 이들만으로는 온실가스 감축과 기후변화에 효과적으로 대응하기 어려운 것이 사실이다. 

따라서 신재생에너지의 경제성과 효율성이 일정 수준으로 도달하기까지 화석연료를 병행 사용해야 하며, 이산화탄소의 대량 배출 또한 해결해야 한다. 이산화탄소 포집 및 처리 기술은 대량으로 발생되는 이산화탄소가 대기중에 배출되기 전에 포집해 저장하거나 격리 시킨다. 온실가스 감축 수단 가운데 단일기술로 유일하게 대규모 온실가스 처리가 가능하다. 

즉 신재생에너지 체제로의 전환 과정에서 발생하는 불가피한 이산화탄소를 포집 처리함으로써 온실가스 감축과 기후변화에 대응하는 기술이 CCS 기술인 것이다. 

산업 전반에 걸쳐 이산화탄소 포집 처리 기술 적용 위해 전 세계 노력 중
이산화탄소 포집 및 처리 기술을 선도하고 있는 국가는 미국, 일본, 독일, 노르웨이, 호주 등이 있다. 주로 선진국 중심으로 기술개발이 이뤄지고 있으며, CCS 기술 실증을 통한 상용화 기술 확보를 통해 국가 온실가스 감축 목표 달성에 기여하고 있다. 

2030부터 2050년까지 상용화 확대를 위한 혁신기술 개발을 추진하고 있으며, 석탄 및 천연가스화력발전소 뿐 아니라 제철·시멘트·석유화학 등 다양한 산업분야까지 CCS 기술을 도입하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기술을 선도하고 있는 미국의 경우 대규모 프로젝트를 주관하는 에너지부의 재정지원을 기반으로 CCS 기술 상용화 및 차세대 혁신 기술 개발에 집중하고 있다. 

최근 석탄화력발전소 대상 이산화탄소 포집을 위해 캠퍼 카운티 석탄가스화 복합발전 플랜트에서 상용규모의 실증을 진행하고 있으며, 텍사스 휴스턴 인근 Parish 발전소에서 추진되고 있는 페트로노바에서는 연소후 습식 포집플랜트가 건설돼 시운전 중이다. 

유럽의 경우 2020년 및 2030년 이후 상용화를 목표로 하는 습식포집기술과 2030년 이후 상용화를 목표로 하는 건식 및 분리가 포집기술 개발에 몰두하고 있다. 이를 위해 배출권 거래제로부터 수익을 기반으로 한 저탄소 프로젝트 기금 조성이 이뤄지고 있기도 하다. 

이산화탄소 배출이 적은 나라임에도 불구하고 CCS 기술개발에 적극적으로 참여하고 있는 노르웨이는 저장위주의 기술개발 및 실증을 추진해오다가 2012년 정부지원기관인 TCM(Technology Center Mongstad)이 출범하면서 세계 최대 규모인 12MW 규모의 포집 테스트 설비를 구축하고 포집기술 개발을 강화하고 있다. 

일본은 1990년부터 CCS 기술을 국가 에너지 전략 및 정책에서 핵심기술로 분류해 기술개발을 집중적으로 추진하고 있다. 일본 미쓰비시는 세계 최고 수준의 습식 포집 기술을 보유하고 있으며, 미국과 공동으로 다수의 대규모 실증사업을 추진하고 있다. 

KCRC 박상도 센터장이 CCS 기술의 중요성에 대해 설명하고 있다. [사진=솔라투제이 탄소제로]

CCS 기술의 조기 상용화를 위한 연구개발 필요
우리 정부는 이산화탄소 포집 및 처리 기술의 기술성과 경제성을 제고하고 있으며, 상용 실증 추진을 통해 포집기술 상용화를 위한 기술적 한계를 극복하는데 노력하고 있다. 국내 산업분야의 이산화탄소 감축 부담을 최소화하고 미래 신기술 확보를 위해 현재 국내에서 개발된 기술에 대해 지속적인 실증 사업을 추진 중이다. 

기술적인 측면에서 CCS 기술의 조기 상용화를 위한 프로젝트 추진과 함께 포집비용 절감을 위한 핵심원천기술개발도 필요하다. 선진국에서는 이미 상용 실증 수준의 CCS 프로젝트 추진 및 도입 강화 필요성에 대해 많은 인식을 하면서 차세대 중장기 기술개발 로드맵을 수립하고 체계적으로 진행하고 있다. 

대량 배출원 현장에서 실증 추진에 노력할 계획
사업 종료까지 2년여의 기간 동안 신규과제 추진은 없을 것으로 전망된다. 다만 내년부터는 실제 대량배출원 현장인 한국서부발전의 태안화력발전소와 한라시멘트 공장 등에 파일럿 규모의 공정을 설치해 실증 추진에 더욱 노력할 계획이다. 

앞서 6년이란 기간 동안 연구 개발된 CCS 기술의 완성도를 높여가는 중요한 시기를 맞아 소재와 공정을 통합해 파일럿 규모의 실증을 추진할 예정이다. 이산화탄소 포집과 저장 또는 전환 등 CCS 분야의 다양한 기술 연계를 통해 온실가스 감축에 적극 기여할 계획이다. 

한편, 이산화탄소 포집 및 처리 기술 시장은 2050년까지 지속적으로 신기술이 개발되고 활용될 것으로 전망된다. 국제에너기기구는 2050년 기준으로 발전부분에서는 3.5GtCO2, 산업부문에서는 1.7GtCO2 등에 CCS 기술이 도입될 것으로 예측하고 있다. 

또한, 네덜란드 정부가 주도하고 유럽연합에서 지원하고 있는 CATO프로젝트에서는 향후 전 세계적으로 CCS 기술에 대한 재정 지원 확대 및 도입 가속화로 전 세계 CCS관련 시장이 2030년에는 780조원대로 성장할 것이며, 2050년에는 3,900조원대 시장으로 성장할 것으로 전망하고 있다. 

[최홍식 기자 (st@infothe.com)]

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