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기사입력 : 2021.09.08 17:55
탄소 포집·활용·저장 (CCUS)
* 출처 : KOTRA, 과학기술정보통신부
- 국제에너지기구, 탄소배출 제로 가능케 할 유일한 기술로 명명
- 2050년까지 현재의 100배 달하는 탄소 포집, 저장 역량 필요
지구 온난화 현상을 해소할 ‘게임 체인저*’로 불리는 탄소 포집 및 저장 기술의 개요와 현황 및 전망에 대해 알아본다.
* 게임 체인저(Game Changer): 시장의 흐름을 통째로 바꾸거나 판도를 뒤집어 놓을 만한 결정적 역할을 하는 사람, 사건, 서비스, 제품 등을 가리키는 용어
탄소 포집·활용·저장
(CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage)
이산화탄소 포집, 활용, 저장(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)을 의미하는 CCUS 기술은 화석연료의 사용 등으로 인해 대량의 이산화탄소가 생산되는 근원지에서 그 이산화탄소가 공기 중으로 방출되는 것을 방지하는 기술을 통합적으로 이른다.
온실가스 감축에 대한 범세계적 논의가 그 어느 때보다 활발한 가운데 최근 들어서야 지구 온난화를 저지할 기술로 주목받고 있지만 사실 CCUS는 약 45년 동안 전 세계에서 다양한 방식으로 사용되며 온실가스 배출량 감소에 기여해왔다.
▶ 포집 : 석탄 및 천연가스 화력발전소, 제철소, 시멘트 공장, 정유 공장 등과 같은 산업 공정 시설에서 발생되는 이산화탄소를 흡수제나 분리막 등 장치를 통해 분리·포집
| 세부 기술 |
기술 개요 |
| 습식 포집 |
◾ 액상흡수제(아민계, 암모니아, 탄산칼륨 등)을 이용하여 CO2를 분리 하는 기술 ◾ (장점) 오랜기간 상업 운전으로 신뢰도가 높고, 낮은 투자비와 대용량화 가능 ◾ (단점) 흡수제 재생을 위한 에너지 소모가 막대(전체 포집 에너지의 50% 소모, 아민계 흡수제의 휘발 및 부식성, 열화 등 |
| 건식 포집 |
◾ 고체흡수제(알칼리 금속류, 고체 아민 흡수제 등)의 유동을 통한 CO2를 분리 하는 기술 ◾ (장점) 습식 포집 기술과 비교하여 폐수 발생, 부식, 휘발 문제가 없음 ◾ (단점) 높은 재생열 등 에너지 소비와 운영비가 높고, 설비 막힘, 고체 흡수제의 마모, 생산된 CO2의 고순도화 등 등 공정 운영의 해결 난제가 있음 |
| 분리막 | ◾ CO2를 선택적으로 투과하는 분리막(고분자 분리막, 무기 분리막 등)을 활용 ◾ (장점) 낮은 에너지 소모에 따른 낮은 운영비, 소규모 설비 구축 가능(소요면적 작음) ◾ (단점) 높은 초기 투자비(낮은 농도의 CO2 배가스 포집시 높은 에너지비용), 낮은 선택성 등 |
| 기타 | ◾ (매체순환) 연료 연소과정에서 공기 대신 공기 중 산소를 분리하여 사용하거나 산소를 주고받는 매체를 이용하여 별도의 분리설비 없이 고농도의 CO2를 원천 분리하여 배출하는 기술 ◾ (직접공기포집, Direct Air Capture, DAC) CO2 포집 후에 배출되는 가스나 공기 중처럼 저농도의 CO2 환경 속에서 직접 CO2를 포집하는 기술 ◾ (BECCS) 탄소중립 바이오 연료 연소시 배출하는 CO2를 포집하는 기술 |
▶ 운송 : 분리된 이산화탄소를 압축해 파이프라인, 트럭, 선박 또는 다른 방법을 통해 저장에 적합한 장소까지 운송하는 기술
▶ 활용 : 포집한 이산화탄소를 광물 또는 산업 폐기물과 반응하여 화학제품(플라스틱), 건설자재(그린시멘트 제조 )등 부가가치 있는 산업 원료로 활용
| 세부기술 | 감축 방식 |
| 화학적 전환 |
▸CO2를 반응원료로 하는 화학적 촉매반응을 통해 연료(메탄, 합성유) 및 기초화학 제품(메탄올, 올레핀, 합성가스, 카보네이트 등) 등 다양한 탄소화합물로 전환 |
| 생물학적 전환 |
▸미세조류의 광합성 반응을 통해 CO2를 생물 내에 고정하여 미세조류 바이오매스를 생산하고, 이를 바이오연료·소재 등으로 제품화하는 기술 |
| 광물탄산화 | ▸산업부산물(폐콘크리트, 철강슬래그, 석고 등)을 탄산화(+CO2)하여 무기탄산염(탄산칼슘, 탄산마그네슘 등)을 생산, 산업에 활용하는 기술 - ❶탄산화 기반 건설자재·소재화, ❷고순도 무기탄산염(탄산칼슘, 탄산마그네슘) 화학제품 생산, ❸반응경화 시멘트 및 콘크리트 양생 등 |
< 화학적 전환 기술 개념도 >
< 생물학적 전환 기술 개념도 >
< 광물탄산화 기술 개념도 >
◎ 시멘트 광물전환 : CO2가 광물 또는 산업 폐기물과 반응하여 얻어진 생성물은 소비재로서 건축 재료로 사용
◎ 에틸렌, 에틸렌 글라이콜 및 CO 생산 : 전기화학적으로 CO2를 전환하여 플라스틱 제조원료(에틸렌) 및 기타 화학원료 생산
▶ 저장 : 포집한 이산화탄소를 액화후 대염수층이나 고갈된 유전, 가스전 등 지중 또는 해양 1km 이상의 깊은 지하 암석층에 주입·저장해 격리
◎ 지중 저장 : 대염대수층, 폐유전 및 가스전에 저장
◎ 해양 저장 : 3,000m 이상 해저에 CO2 호수 형성 (*3,000m 이상에서는 CO2가 물 보다 무거운 상태가 됨)
CCUS, 주목받는 이유
미국을 포함한 전 세계 대부분의 국가에서 ‘온실가스 배출량 제로(Net-zero emission)’를 국가 과제로 내걸고 있는 가운데, 국제에너지기구(IEA)는 2020년 9월 발간된 ‘에너지기술 전망’ 보고서에서 CCUS 기술 없이는 온실가스 배출량 제로에 도달하는 것이 불가능하다고 전망했다.
IEA는 2070년 글로벌 탄소중립 달성을 위해 전세계 이산화탄소 감축량의 15%는 CCUS기술이 담당할 것이락 전망한다.
신재생에너지만으로 에너지 경제구조를 100% 대체 전환하기 위해서는 막대한 투자와 기술 성숙을 위한 시간이 필요하다.
전 세계에서 배출되는 이산화탄소의 50% 이상이 발전 시설과 중공업 공장에서 발생하는데, CCUS 기술은 산업 현장에서 나오는 대규모 이산화탄소를 경감시킬 수 있는 거의 유일한 해결책이기 때문이다.
IEA는 CCUS 기술을 “저감하기 어려운(hard-to-abate)” 탄소 배출량 분야에 대한 해결책이라고 명명하며 발전소, 중공업 분야에서는 화석 연료를 대체하는 것이 너무 비싸고 비효율적이기 때문에 화석연료 사용을 당장 낮추기 어려운데 이 화석연료 사용으로 발생되는 이산화탄소를 CCUS 기술로 일정 부분 처리할 수 있다고 강조했다.
산업 분야별 이산화탄소 배출량 전망
(단위: 기가 톤)
글로벌 탄소 포집 프로젝트 현황
현재 전 세계에는 연간 최대 40메가톤의 이산화탄소를 포집할 수 있는 대규모 상업용 CCUS 시설 21개가 가동되고 있다. 이 중 미국 내의 대규모 CCUS 시설은 10개로, 전 세계의 50%의 비중을 차지하고 있다. 이 시설들 중 일부는 1970년, 1980년대부터 운영돼 왔다.
세계에서 가장 오래된 탄소 CCUS 시설은 미국 텍사스주에 소재한 테럴 천연가스 발전소로 이곳에서는 1972년부터 CCUS 기술을 이용해 탄소를 포집하고 이를 현지 정유 공급업자들에게 납품해왔다.
대규모 상업용 CCUS 프로젝트 현황(2020년 기준)
| 국가 |
프로젝트명 |
가동 연도 |
추출원 | 포집 용량 (Mt /연) |
주 저장 방식 |
| 미국 |
Terrel Natural Gas Plants |
1972 |
천연가스 |
0.5 |
EOR |
| 미국 |
Enid fertiliser |
1982 |
비료 생산 |
0.7 |
EOR |
| 미국 |
Shute Creek gas processing facility |
1986 |
천연가스 공정 |
7.0 |
EOR |
| 노르웨이 |
Sleipner CO2 storage project |
1996 |
천연가스 공정 |
1.0 |
Dedicated |
| 미국 /캐나다 |
Great Plains Synfuels(Weyburn/Midale) |
2000 |
합성/천연가스 공정 |
3.0 |
EOR |
| 노르웨이 |
Snohvit CO2 storage project |
2008 |
천연가스 공정 |
0.7 |
Dedicated |
| 미국 |
Century plan |
2010 |
천연가스 공정 |
8.4 |
EOR |
| 미국 |
Air Products steam methane reformer |
2013 |
수소 생산 |
1.0 |
EOR |
| 미국 |
Lost Cabin Gas Plant |
2013 |
천연가스 공정 |
0.9 |
EOR |
| 미국 |
Coffeyville Gasification |
2013 |
비료 생산 |
1.0 |
EOR |
| 브라질 |
Petrobras Santos Basin pre-salt oilfield CCS |
2013 |
천연가스 공정 |
3.0 |
EOR |
| 캐나다 |
Boundary Dam CCS |
2014 |
석탄 발전 |
1.0 |
EOR |
| 사우디 | Uthmaniyah CO2-EOR Demonstration |
2015 |
천연가스 공정 |
0.8 |
EOR |
| 캐나다 |
Quest |
2015 |
수소 생산 |
1.0 |
Dedicated |
| UAE |
Abu Dhabi CCS |
2016 |
철강 생산 |
0.8 |
EOR |
| 미국 |
Petra Nova |
2017 |
석탄 발전 |
1.4 |
EOR |
| 미국 |
Illinois Industrial |
2017 |
에탄올 생산 |
1.0 |
Dedicated |
| 중국 |
Jilin oilfield CO2-EOR |
2018 |
천연가스 공정 |
0.6 |
EOR |
| 호주 |
Gorgon Carbon Dioxide Injection |
2019 |
천연가스 공정 |
3.4~4.0 |
Dedicated |
| 캐나다 |
Alberta Carbon Trunk Line(ACTL) with Agrium CO2 stream |
2020 |
비료 생산 |
0.3~0.6 |
EOR |
| 캐나다 |
ACTL with North West Sturgeon Refinery CO2 stream |
2020 |
수소 생산 |
1.2-1.4 |
EOR |
주: 저장 방식 중 ‘Dedicated’는 포집된 이산화탄소를 재사용하지 않고 지층 등에 주입해 저장하는 것을 의미함.
자료: International Energy Agency(iea.org)
주요 기업
글로벌 CCUS 시장에서는 에너지 기업이나 정유기업 등의 대기업들이 주로 복합적인 CCUS 솔루션을 제공하고 있으며, 미국 기업들이 시장을 주도하고 있다. 2000년대 이후부터는 대기업뿐만 아니라 스타트업들도 이산화탄소 포집, 저장, 활용에 관한 독창적인 기술을 내세워 CCUS 시장에 진입하고 있다.
주요 CCUS 기술 기업
| 기업명 |
국가 |
특징 |
| Exxon Mobil Corporation |
미국 |
미국의 대형 정유기업인 Exxon Mobil은 연간 약 700만 톤의 이산화탄소를 포집하는 차세대 CCUS 기술의 선도기업으로 Exxon Mobil이 1970년부터 포집해온 누적 이산화탄소는 전체의 40%를 차지 |
| Halliburton |
미국 |
1919년에 설립된 Halliburton은 약 40년간 탄소 포집, 저장 분야에서 안전하고 효율적인 솔루션을 제공해왔음. |
| Schlumberger Limited |
미국 |
1926년에 설립된 Schlumberger는 지하 암석 측정 모델 분야에서 80년 이상의 경험을 가지고 있으며 이를 활용해 탄소 포집 및 저장의 중요한 신기술 개발, 전 세계 60개 이상의 프로젝트에 참여 |
| Royal Dutch Shell |
네덜 란드 |
네덜란드의 대표적인 정유기업인 Shell은 2050년까지 탄소 배출제로 에너지 기업이 되겠다는 비전 하에 캐나다, 호주, 노르웨이 등지의 CCUS 프로젝트에 참여 중 |
| Lanza Tech (스타트업) |
미국 |
2005년 일리노이주 Skokie에서 설립된 LanzaTech은 이산화탄소가 풍부하게 포함된 산업 폐기물을 사용 가능한 연료 및 화학제품으로 전환하는 미생물 특허 보유. 약 3억 달러의 투자를 유치했으며 대체연료 기술 개발에 대해 정부 보조금 수령 |
| Global Thermostat (스타트업) |
미국 |
2010년 뉴욕시에서 설립된 Global Thermostat는 탄소 포집을 위한 기술 솔루션 개발에 주력하고 있으며, 공기 중과 공장 굴뚝에서 직접 이산화탄소를 포집하는 기술을 개발. 포집된 이산화탄소는 탄산음료 생산과 같은 다양한 용도로 사용됨. |
| Climeworks (스타트업) |
스위스 |
2009년 취리히에서 설립된 Climeworks는 주변 공기로부터 하루에 8kg에서 135kg까지 이산화탄소를 추출하는 제품을 개발해 식품 가공기업에 판매하는 것을 목표로 함. |
| CarbonCure (스타트업) |
캐나다 |
2007년 캐나다 다트머스에서 설립된 CarbonCure는 이산화탄소를 주입해 콘크리트를 만들 수 있는 친환경 콘크리트 기술을 개발 |
자료: prnewswire.com, tracxn.com, 각 사 홈페이지
미국의 CCUS 기술 현황
글로벌CCS연구소가 발표한 2019년 탄소포집저장기술 준비 지수(CCS Readiness Index)에 따르면 미국과 캐나다가 각각 70점, 71점으로 전 세계에서 가장 탄소 포집 기술에 준비가 잘 돼 있다. 미국과 캐나다 다음으로는 노르웨이(65), 영국(64), 호주(61), 중국(54) 순이다. 이 지표는 해당 국가가 탄소 포집 저장 기술 적용을 강제하는 정도, 관련 규제와 정책, CCS 시설 및 프로젝트의 개수, 진행 정도를 종합 평가해 측정된다.
글로벌 탄소 포집저장기술 준비 지수
미국은 1970년대부터 상용 CCUS 시설을 운영하기 시작해 현재에는 10개의 대규모 CCUS 시설을 갖추고 연간 약 25메가톤의 이산화탄소를 포집하고 있다. 이는 전 세계 포집 용량의 2/3를 차지한다. 현재 건설 중인 연간 1.5메가톤 포집 용량의 시설 1개와 계획 중인 18~20개의 프로젝트를 포함하면 미국의 연간 이산화탄소 포집 역량은 71메가톤까지 늘어날 전망이다.
미국은 2018년부터 탄소 산화물 격리에 대한 세금 크레딧(Section 45Q)을 확대하면서 CCUS 투자를 크게 늘렸다. 영구로 지질에 저장되는 이산화탄소 1톤당 최대 50달러를, EOR 또는 기타 용도로 재사용되는 이산화탄소에 1톤당 최대 35달러의 크레딧을 제공한다. 이 세금 크레딧은 지정된 기간 내에 시작된 프로젝트에 대해 12년간 적용되며, 요건을 충족하는 새로운 프로젝트의 경우 2024년 1월 1일까지 건설이 시작되면 크레딧을 받을 수 있다.
이 크레딧은 인플레이션을 고려해 시간이 지남에 따라 조정될 예정이다. 미국 정부는 사용 가능한 총 크레딧 한도를 없애고 크레딧을 받을 수 있는 프로젝트의 규모도 더욱 축소해 CCUS 프로젝트 활성화를 도모하고 있다. 또한 환경 문제에서 가장 진보적인 입장을 취하는 캘리포니아주는 자체적인 기준을 통해 CCUS를 통해 총 이산화탄소 배출량을 감소시킨 운송 연료에 대해 추가적인 세금 크레딧을 받을 수 있도록 허용했다. 이를 통해 전 세계의 탄소 포집 시설에서 생산된 에탄올이 캘리포니아주에서 판매될 경우 크레딧을 받을 수 있게 됐다.
미국 주요 CCUS 시설별 적용 정책·규제
뿐만 아니라, 2050년까지 탄소 배출 제로(net-zero emissions) 실현을 공약한 바이든 대통령도 CCUS를 활성화시키기 위한 정책을 펼칠 것으로 예상돼 앞으로 미국 내 CCUS에 대한 투자는 더욱 활발해질 것으로 기대된다.
바이든 대통령은 CCUS를 광범위하게 사용 가능하고 비용 효율적이며, 빠르게 확장 가능한 솔루션으로 만들어 기후 문제를 해결할 것을 강조했다. 이를 위해서 연방 투자를 두 배로 늘리고 CCUS에 대한 세금 인센티브를 강화할 것이며 동시에 새로운 탄소 포집 기술을 시장에 출시하기 위해 탄소 포집 연구, 개발 및 시연에 자금을 지원할 것이라는 계획을 밝힌 바 있다.
시사점
글로벌CCS연구소가 탄소 배출 제로(Net-zero Emission)에 도달하기 위해 얼마나 많은 이산화탄소를 포집하고 저장해야 하는지에 대해 90개의 시나리오를 분석한 결과, 탄소 배출 제로를 달성하려면 2050년까지 전 세계 이산화탄소 포집·저장 용량이 연간 3.6기가톤에 달해야 하는 것으로 밝혀졌다.
그러나 오늘날 전 세계적으로 설치된 CCUS 시설의 포집 용량은 약 40메가톤에 그치고 있어 이산화탄소 포집, 저장 역량이 약 100배 이상 늘어나야 탄소 제로 목표를 실현할 수 있을 것으로 전망된다.
CCUS 기술은 1970년대부터 사용돼 왔지만 아직 시장 확장 가능성이 무궁무진하고 새로운 기술이 등장할 수 있는 분야라는 이야기다. 테슬라의 CEO 일론 머스크가 최고의 탄소 포집 기술 상금으로 1억 달러를 기부하겠다는 약속을 내건 것도 탄소 포집 분야에서 혁신을 기대할 수 있기 때문으로 해석할 수 있다.
글로벌CSS연구소의 시니어 컨설턴트 C 씨는 KOTRA 디트로이트 무역관과의 인터뷰에서 “CCUS 기술은 산업 시설뿐만 아니라 일상생활에서 공기 중 탄소를 포집하는 기술을 개발하는 데까지 뻗어나가고 있고 미래에는 어떤 기업이든 이산화탄소배출에 신경 쓰지 않을 수 없는 시대가 올 것”이라고 언급하며, “CCUS 기술은 현재 전 세계에서 가장 중요한 기술 중의 하나이므로 기술 동향과 국가 정책에 대해 주시하고 있어야 한다”라는 입장을 전했다.
환경 보호의 패러다임을 바꿀 차세대 미래 기술인 탄소 포집, 저장 분야에 한국 기업들이 관심을 두고 혁신기술을 개발할 수 있는 기회를 포착해야 할 때다.
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