이산화탄소 포집·저장(CCS)

과학(Science)/산업 (Industry)

이산화탄소 포집·저장(CCS)

SURPRISER - Tistory 2023. 11. 12. 12:32

0. 목차

'CCS' 기술의 배경
'CCS' 산업의 특징
이산화탄소 포집 기술
이산화탄소 수송 기술
이산화탄소 전환 기술
이산화탄소 저장 기술
'CCS' 산업 동향
'CCS' 관련 기업

1. 'CSS' 기술의 배경

1-1. 이산화탄소와 온실효과의 상관관계

'이산화탄소(Carbon Dioxide)'는 '탄소(Carbon)' 원자 하나와 '산소(Oxygen)' 원자 둘이 결합한 화합물로, 화학식은 CO₂이다. '이산화탄소'는 고체 상태에서 해빙될 때 바로 기체로 승화하여 '드라이아이스(Dry Ice)'라고도 불린다. '이산화탄소'는 기체 상태일 때는 '무색(Colorless)', '무취(Oderless)', '무미(Tasteless)'로 지구 대기의 0.04%에 불과하지만, 오늘날 '지구 온난화(Global Warming)'의 주범으로 지목받고 있다.

사실, 대기에서 일어나는 자연적 온실효과는 지구를 항상 일정한 온도로 유지시켜주는 매우 중요한 현상이다. 태양은 표면 온도가 6000℃ 정도로 대부분 에너지를 방출하는데, 온실가스가 태양 복사에너지 중 20%는 대기 흡수, 30%는 대기권 반사, 50%는 지표면 흡수를 유지한다. 지표면에 흡수된 에너지가 파장이 긴 적외선으로 변환되면, 이것을 다시 바깥으로 방출시켜 지구의 온도를 일정하게 조절한다. 이러한 현상은 온실가스의 특징인 파장이 짧은 태양광선은 그대로 통과시키지만, 지표면이 방출하는 파장이 긴 적외선은 잘 흡수하는 광학적 성질이 있기 때문이다. 지구에 도달한 '태양열 에너지(Solar Thermal Energy)'를 제어하는 메커니즘인 지구 대기의 저적한 온실효과가 없다면, 지구의 평균 대기온도는 -18℃ 정도가 되어 생명체가 존재할 수 없는 행성이 될 것이다.

지구의 평균 기온은 12~16℃ 범위에서 자연적으로 변화하여 온 것으로 알려져 있다. 하지만 최근의 기온 변화는 이전의 기온 상승 속도보다 빠르며, 1970년대 이후 지속적인 상승추세를 보이고 있다. 지구 표면의 온도는 20세기 동안 0.6±0.2℃ 상승하였는데, 한국이 속해있는 북반구에서 온도 상승이 더욱 크며, 해양보다는 육지에서 온도 상승이 큰 것으로 관측되었다.

공기의 약 99%는 '질소(N₂)'나 '산소(O₂)'같은 '이원자 분자(Diatomic Molecule)'로 구성되어 있다. '이원자 분자'는 적외선을 흡수하지 않지만, 공기에 섞여 있는 '이산화탄소(CO₂)', '메탄(CH₄)', '프레온(CFC)'처럼 서로 다른 원자들이 결합한 분자는 적외선 복사의 진동수에서 에너지를 흡수한다. '태양 복사 에너지(Solar-Radiation Energy)'는 투과시키지만, 지구에서 우주로 방출하는 적외선은 자연적 온실효과보다 더 많이 흡수하여 대기의 온도를 상승시키고 있는 것이다.

1-2. 이산화탄소 감축을 위한 국제적인 움직임

인류의 화석연료 사용으로 인해 지구 온실효과의 선순환 구조가 균형이 깨지면서 심각한 지구온난화 문제가 발생하게 되었다. 이를 방지하기 위해 '국제연합(UN: United Nations)'의 'IPCC(International Panel on Climate Change)'는 지구 평균기온을 산업시대 이전에 비해 2℃ 이내로 억제하고, 대기 중 이산화탄소 농도를 450ppm 이하로 유지할 것을 목표로 설정하였다. 또한 '국제연합(UN)'의 '기후변화협약(UNFCCC: United Nations Framework Convention on Climate Change)'에서는 450ppm 조건을 충족하기 위해 2050년까지 세계의 연간 온실가스 배출량을 50~80% 감축할 것을 제시하였다.

이에 따라 세계 각국들은 온실가스의 감축을 위하여, 대량으로 이산화탄소를 배출하는 배출원에서 이산화탄소를 포집하여 지하에 영구적으로 저장하는 기술인 '이산화탄소 포집·저장(CCS: Carbon Capture & Storage)' 기술을 도입하게 되었다. 이 기술은 현재 사용되는 에너지를 줄이지 않으면서 온실가스를 감축할 수 있는 가장 현실적인 방안이다. 2050년까지 '이산화탄소 포집·저장(CCS)' 기술을 통해 이산화탄소 배출을 19% 감축할 것으로 예측된다.

'이산화탄소 포집·저장(CCS: Carbon Capture & Storage)' 기술은 화석연료를 사용하는 '발전', '철강', '시멘트 공장' 등과 같이 대량으로 이산화탄소를 배출하는 배출원으로부터 이산화탄소가 대기 중으로 배출되기 전에 '포집(Capture)'하는 기술이다. 아울러 이를 대기로 방출시키지 않도록 회수하고 수송한 후, 지하의 안전한 지층에 '저장(Storage)'하여 대기로부터 '격리(Sequestration)'시키는 기술까지 총칭한다. CCS 기술의 핵심은 이산화탄소가 대기로 배출되기 전에 비용 효율적으로 포집한 후, 영구히 저장하여 경제 성장을 저해하지 않는 동시에 여전히 탄소의 대기 배출을 제어하면서, 화석연료가 지속적으로 사용되도록 하는 것이다. 최근에는 포집·수송·저장 외에 배출된 이산화탄소를 석유나 천연가스의 '회수증진활용' 및 화학적·생물학적 방법을 통해서 이산화탄소를 '고분자(Polymer)', '바이오디젤(Bio-Diesel)', '아스타잔틴(Astaxanthin)' 등과 같은 유용한 물질로 전환하는 처리 기술까지도 포함한다.

2. CCS 산업의 특징

'이산화탄소 포집·저장(CCS: Carbon Capture & Storage)' 산업은 민간기업에 의해 시작된 것이 아니라, 국제기관과 정부의 주도로 시작된 산업이다. '이산화탄소 포집·저장(CSS)' 시장은 민간기업이 '양(+)'의 이윤을 얻을 수 있는 시장 구조가 아니기 때문에, '사회간접자본(SOC: Social Overhead Capital)'의 성격이 강하며, 공공부문의 투자 비용이 높다.

각 국가들은 국가 주도와 대기업 위주의'이산화탄소 포집·저장(CCS: Carbon Capture & Storage)' 산업에 인위적으로 민간시장을 활성화하기 위해 '환경정책 등의 지원', '지원금 보조 및 규제' 외에 '탄소배출권'과 '탄소시장'을 도입하였다. 민간기업이 CCS 산업의 지원과 규제를 받더라도 이산화탄소의 포집과 저장 등은 그 규모가 크기 때문에, '장비 설치' 및 '플랜트(Plant)' 사업 위주인 대기업에 치우쳐져 있고, 중소업체는 소재·부품의 설계·생산으로 제한되어 있다.

'탄소 배출권 거래제(ETS: Emission Trading Scheme)'는 1997년 '교토 의정서(Kyoto Protocol)' 채택을 통하여 선진국들의 온실가스 감축 목표를 설정하고, 이 목표를 달성하기 위해 도입된 시장원리 기반의 거래 제도이다. '배출권 거래(Emission Trading)'는 국가 별로 할당된 감축량의 의무 달성을 위해 자국의 기업별·부문별로 배출량을 할당한다. 할당된 감축의무를 이행하지 못할 경우, 다른 나라 기업으로부터 할당량을 매입할 수 있도록 한다. 이러한 여러 정책과 제도로 공공사업 측면이 강한 CCS 기술을 민간사업으로 확장시키고, 탄소거래 시장을 도입하여 민간기업이 자발적으로 이산화탄소를 감축하도록 유도하고 있다. 민간기업의 CCS 기술 도입은 점차 증가할 것으로 기대된다.

3. 이산화탄소 포집 기술

'이산화탄소 포집 기술'은 화석연료 연소 시 발생하는 혼합 가스에서 이산화탄소를 분리하여 일정한 용기나 시설에 모으는 기술이다. CCS 기술 전체 처리 비용의 약 70~80^를 차지하는 기술로, 포집 비용을 낮추는 것이 CCS 기술의 보급 및 활용을 위한 핵심사항이다.

'이산화탄소 포집 기술'은 '공정 적용 위치' 또는 '분리 대상 가스 혼합물'의 종류에 따라 '연소 후 포집 기술(Post-Combustion Technology)', '연소 전 포집 기술(Pre-Combustion Technology)', '순 산소 연소 기술(Oxy-fuel Combustion Technology)'로 구분된다. 그리고 포집 방법에 따라서는 '아민 계열 혹은 암모니아 계열 흡수제를 활용한 습식흡수법', '기존의 흡수용액 대신 고체 흡수제를 활용한 건식흡수법', '분리막을 활용한 막분리법' 등으로 구분된다.

3-1. 연소 후 포집 기술(Post-Combustion Technology)

'연소 후 포집 기술(Post-Combustion Technology)'은 화석연료 연소 공정을 거친 후 발생하는 '배기가스(Exhaust Gas)' 내에 포함되어 있는 '이산화탄소(CO₂)'와 '질소(N₂)'를 분리하는 기술이다. 주로 기존의 석탄·석유·가스 화력발전소에 적용 가능하지만, '석탄가스화 복합발전' 및 '천연가스 복합발전' 연소 가스 포집에도 적용이 가능하다.

'흡수 분리(Absorptive Separation)', '흡착 분리(Dsorption Separation)', '막 분리(Membrane Separation)', '증류 분리(Distillation Separation)', '혼합 분리(Mixed Separation)' 등 연소 후 포집 기술로 적용 가능한 모든 기술은 모두 장단점을 가지고 있다. 각 분리기술별 연소 후 포집기술의 장단점은 아래의 표와 같다. 그러나 일반적으로 알려진 바에 의하면 '공정의 신뢰도', '처리용량', '경제성'을 고려하였을 때, 정성적으로 '흡수분리(Absorptive Separation)' 기술이 다른 기술에 비교하여 우위에 있는 것으로 알려져 있다.

구분	종류	장점	단점
흡수분리	습식	대용량 가스 처리에 용이	흡수제 재생에 다량의 에너지 소비
	습식	이산화탄소 농도변화에 적용성이 큼	흡수제 열화 및 재료부식
	건식	저농도 대용량 가스분리 가능	장치 및 운전이 복잡
	건식	고온·고압의 가스 시스템에 적용 가능	기-고 반응으로 반응속도가 느림
흡착분리		장치와 운전이 비교적 간단	비정상상태에서 운전(분리효율 낮음)
흡착분리		환경영향 및 에너지 효율 우수	대용량 처리 곤란 및 흡착제 비활성화
막분리		장치와 운전이 비교적 간단	대용량화 곤란(모듈 복합체 고가 시설비)
막분리		에너지 소비가 적음	분리막의 열화로 내구성 취약
증류분리		투자비가 저렴	에너지 소비가 많음
증류분리		오랜 경험으로 공정의 신뢰도가 높음	대용량 가스처리에 곤란

3-2. 연소 전 포집 기술(Pre-Combustion Technology)

'연소 전 포집 기술(Pre-Combustion Technology)'은 화석연료로부터 저산소 레벨의 기화장치에서 '수소(H₂)'와 '일산화탄소(CO)' 등의 합성가스를 제조한 후, 수소의 수율을 높이고자 일산화탄소와 수증기를 이용한 '수성가스 전환반응(Water gas shift reaction)'을 거치는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 분리하는 기술이다.

또한 '연소 전 포집 기술(Pre-Combustion Technology)'은 이산화탄소를 포집할 뿐만 아니라, 수소를 생산할 수 있는 기술로서 미래 수소 경제 사회로 가기 위한 핵심기술로 평가된다. '석유(Petroleum)'가 아닌 '석탄(Coal)', '바이오매스(Biomass)', '유기 폐기물(Organic Waste)' 등을 원료로 이용할 수 있기 때문에 고유가를 대비한 미래 발전 기술이다. '연소 전 포집 기술'은 포집 반응 조건이 고온·고압으로 전환율이 높고 이산화탄소 단위당 제거비용이 가장 저렴하다. 기술의 상용화는 '연소 후 포집 기술(Post-Combustion Technology)', '연소 전 포집 기술(Pre-Combustion Technology)', '순 산소연소 기술(Oxy-fuel Combustion Technology)' 3가지 기술 중 가장 나중에 될 것으로 예상되나 파급력은 가장 클 것으로 평가된다.

3-3. 순 산소 연소 기술(Oxy-fuel Combustion Technology)

'순 산소 연소기술(Oxy-fuel Combustion Technology)'은 공기 중에 약 79%를 점하는 질소분을 제거한 순산소를 기존의 연소용 공기 대신 주입하여 연소시킨 후, 이산화탄소의 포집을 쉽게 하는 기술이다. 기존의 공기연소 방식은 공기 중의 질소 및 다른 성분을 제거하지 않고 연소실에 주입한다.

'순 산소 연소 기술(Oxy-fuel Combustion Technology)'에서는 먼저 석탄화력 발전설비에서 산화제를 공기 대신 '공기 분리 장치(ASU: Air Separation Unit)'를 이용하여 공기 중의 산소를 분리하고 순도 95% 이상의 고농도 산소를 이용하여 '미분탄(Coal Dust)'을 연소시켜 열을 발생시킨다. '순 산소 연소(Oxy-fuel Combustion)'를 통해서 발생하는 배기가스의 대부분은 이산화탄소와 수증기로 구성되어 있으며, 발생된 배기가스의 약 70~80%를 다시 연소실로 재순환시켜 발전설비의 열적 특성에 적절한 연소가 가능하도록 통합시킴과 동시에 배기가스의 이산화탄소 농도를 80% 이상으로 농축시킬 수 있다. 배출되는 배기가스의 주성분 가운데 수증기를 응축시킬 경우, 거의 전량의 이산화탄소를 회수할 수 있으며, 회수된 이산화탄소를 저장시켜서 이산화탄소와 대기오염 물질의 '무(無)' 배출을 구현한다.

4. 이산화탄소 수송 기술

이산화탄소 배출시설에서 포집하여 대규모 저장소로 이송하기 위한 기술로는 '파이프라인 수송', '지중 탱크로리 철도 수송', '해양 수송선에 의한 수송' 등으로 나누어 볼 수 있다. '철도(Railways)', '선박(Ship)' 또는 '탱크로리(Tank Lorry)' 수송 방법은 저장소 위치에 따라 경제적 문제를 야기한다. CCS 기술의 총 비용에서 수송이 차지하는 비중은 2~5% 정도로 상대적으로 가장 작다. 그러나 200km 이하의 수송거리에서는 이산화탄소 1톤당 2~7달러 정도의 비용이 들 것으로 연구보고되어 비용 면에서 무시할 수 없는 수준이다.

선박 이송은 수송선에 요구되는 핵심 기술인 '지중에서 발생한 이산화탄소를 분리 후 회수하여 액화시킨 뒤, 해양 격리 대상 해양으로 수송하는 선박과 하역상 안전 기술'이 필요하다. 또한 '선박 이송'에는 '선박 수송'과 '파이프라인 수송'의 연계가 필요하다. 이산화탄소 격리 지역이 내륙으로부터 1000km 이내일 경우에는 내륙 및 해양 파이프라인을 이용하는 것이 유리하다. 1000~1800km 이상인 경우에는 선박을 이용하는 것이 유리하다. 그러나 CCS 기술의 특성상 대량의 이산화탄소를 처리하기 위해서 가장 적합한 것은 '파이프라인'을 이용한 수송이다.

4-1. 파이프라인 수송기술

이산화탄소를 포집하여 '파이프라인(Pipeline)'으로 수송하는 것은 새로운 기술이 아니다. 이미 '송유관(Oil Pipeline)'이나 '천연가스 파이프라인'을 이용하여 원유나 천연가스를 생산지에서 목적지로 안전하게 수송하는 유사한 기술이 오래전부터 사용되어 왔다. '파이프라인 엔지니어링(Pipeline Engineering)' 기술 분야는 성숙한 단계이며, 이산화탄소 수송 파이프라인은 이와 비슷한 방식으로 건설될 수 있다.

파이프라인 수송 기술의 경우, 가스 상태가 항상 고압 상태에서 파이프라인에서 수송되게 한다. '내륙 파이프라인(Onshore Pipeline)'의 경우, 100 barg를 견디게 설계되고, '해양 파이프라인(Offshore Pipeline)'의 경우 200barg나 그 이상 견디게 설계된다. (barg는 '게이지 압력'의 단위) 반면에 이산화탄소가 수송될 때는 가동 압력에 따라 가스나 액체 또는 밀집 상태일 수 있으므로, 수송하기 위한 압력과 온도는 파이프라인의 유입구에서 유출구까지의 이산화탄소 상태를 '단일 상태(액체 상태, 밀집 상태)'를 유지하도록 설정해야 한다.

4-2. 선박 수송기술

액화되거나 가압된 가스를 선박으로 수송하는 기술은 '산유지(Oil Producing Area)'에서 석유와 천연가스를 선박으로 수송한 이래 오래된 기술이다. 그중 이산화탄소를 선박 수송하는 기술은 2000년 무렵에 생겨났다.

이산화탄소는 드라이아이스로 응고되지 않도록 5.2 bara 이상에서 수송되어야 한다. (bara는 '절대압력'의 단위) CCS 목적에 부합하는 대용량을 수송하려면, 포집된 이산화탄소는 7~9 bara와 약 -55℃에서 수송되어야 한다. 이것은 사실상 현재 사용 중인 'Semi-Ref(반-냉각식)' LPG의 수송 조건과 같다. 그런데 선박 수송 중에 탱크로의 '열누출(Heat Leakage)'이 화물의 온도를 상승시키는 원인이 될 수 있다. 그래서 이산화탄소가 '선적(배에 짐을 실음)'될 수 있도록, 수송 거리에 따라 화물 탱크 압력은 7 bara 이상으로 상승시켜 수송압력은 8~9 bara를 유지시킨다.

5. 이산화탄소 저장 기술

'이산화탄소 저장 기술'은 배출원에서 포집된 이산화탄소를 저장소의 위치에 맞는 수송 방법을 이용하여 수송된 이산화탄소를 영구적 또는 반영구적으로 격리하는 기술이다. '국제연합(UN: United Nations)' 산하 '정부 간 기후변화 위원회(IPCC: Intergovernmental Panel for Climate Change)'의 2005년 특별 보고서에 따르면, 이산화탄소 저장 기술은 다음의 6가지 필수 요소 기술을 갖추어야 한다. 6가지 요소 기술로는 '지층 특성화 및 평가 기술', '시추 및 주입 기술', '거동 예측 또는 수치 모델링 기술', '움직임 관측기술', '환경 영향 평가 기술', '사후 또는 폐쇄 후 관리 기술'이다. 선진국에서는 정부가 주도하여 이러한 기술들을 개발하여 현장에서 실증하는 분야와 저장 대상 지층의 저장 용량을 평가하고 부지를 확보하는 분야 등으로 크게 구분하여 동시에 개발하고 적용을 추진하고 있다.

'정부 간 기후변화 위원회(IPCC)'의 '이산화탄소 포집 및 저장(CSS)'에 대한 2005년 특별 보고서에 의하면, 이산화탄소 저장 기술은 '지중저장(Geological Sequestration)' 기술, '해양저장(Ocean Sequestration)' 기술, '광물 탄산염화(Mineral Carbonation)' 기술로 구분된다.

5-1. 지중저장(Geological Sequestration)

이산화탄소 '지중저장(Geological Sequestration)'은 대기 중의 온실가스를 감소시키기 위해 이산화탄소를 지하의 암석 또는 지층 내에 저장하는 기술 및 활동을 통칭한다. 포집된 이산화탄소를 육상이나 해저의 지하 깊은 곳 약 750~1000m 깊이에 위치한 '공극(Air Gap, 토양 입자 사이의 틈)'이 풍부한 암석 내에 주입하여 지구 대기와의 접촉을 차단하는 방법이다.

'지중저장(Geological Sequestration)' 기술은 '해양저장(Ocean Sequestration)', '탄산염 광물화(Mineral Carbonation)' 기술에 비해 환경문제를 야기할 가능성이 적고 비용 대비 저장량이 높은 것으로 평가된다. 지하 깊은 곳에 주입된 이산화탄소는 초임게 유체 상태로 존재 가능하므로, 거동이 매우 느리고 주변의 지층 내에 포함된 유체나 암석과 반응하여 용해되거나 고착화된다. 이러한 현상들을 이용하여 비용 대비 많은 양의 이산화탄소를 저장할 수 있다.

'배태 조건'은 지하에서 유체가 저장될 수 있는 지질 환경을 의미한다. 이산화탄소의 지중저장을 위해서는 석유의 '배태 조건(Reservoir Conditions)'과 유사하게 '공극(Air Gap)'이 풍부하고, 공극 간의 연결성이 충분히 높은 '저장암(Reservoir)'이 필요하다. 아울러 그 상부에 유체가 거의 통과하기 힘든 정도로 낮은 투수율을 가지는 '덮개암(Cap Rock)'이 필요하다. 이러한 일련의 지층 조합을 '트랩(Trap)'이라고 한다. 주입된 이산화탄소가 지하의 지층 내에 안정적으로 머물 수 있는 조건이 갖춰지기 전에, 지표로 유출되는 것을 차단시킬 필요가 있다. 지하에 주입된 이산화탄소는 지하의 암석들에 비해 상대적으로 밀도가 낮으므로, 지표로 떠오르고자 하는 부력을 가지게 된다. 따라서 주입된 이산화탄소가 '저장암(Reservoir)'과 '덮개암(Cap Rock)'의 사이의 공간이나 주변의 틈을 따라 지표까지 이동하는 것을 방지하기 위해 '층서 트랩(Stratigraphic Trap)'과 '구조 트랩(Structural Trap)'을 활용한다. 두 형태의 트랩들은 모두 부력을 가지고 지표를 향해 상승하는 주입된 이산화탄소를 차단 및 밀봉이 가능하다.

층서 트랩(Stratigraphic Trap): '층서 트랩'은 하성 또는 사태성 퇴적물과 같은 쐐기상의 기하를 이룬 저장암의 양측면이 모두 보다 투수율이 낮은 퇴적물에 의해 '밀봉(Sealing)'된 경우이다.
구조트랩(Structural Trap): '구조 트랩'은 습곡과 단층, 병치 구조와 같은 지하구조에 의해 저장암의 상부와 양측면이 모두 밀봉된 형태를 의미한다.

5-2. 해양저장(Ocean Sequestration)

이산화탄소 '해양저장(Ocean Sequestration)'은 해양에 방출하는 방법으로, 해저 3000m 이하에 분사함으로써 이산화탄소 하이드레이트 형태로 저장하는 방법이다. '해양저장(Ocean Sequestration)' 방법을 이용할 경우, 향후 지구에서 발생하는 이산화탄소를 500년간 저장할 수 있는 장점이 있으나, 해양생태계 파괴와 해양의 산성화 같은 안정성 문제가 해결되어야 한다.

5-3. 광물탄산염화(Mineral Carbonation)

'광물 탄산염화(Mineral Carbonation)' 기술은 이산화탄소를 칼슘과 마그네슘 등의 '금속산화물(Metal Oxide)'과 화학적으로 반응시켜 불용성의 '탄산염 광물(Carbonate Mineral)' 상태로 침전시켜 이산화탄소를 저장하는 기술이다. 그러나 이러한 화학적인 광물침전 반응은 속도가 너무 느리고, 비교적 많은 양의 반응 에너지가 필요하다. 또한 새로이 생성된 탄산염광물의 저장과 처리 자체가 새로운 환경문제를 야기실 수 있다는 단점이 있다. 이러한 이유로 '광물 탄산염화(Mineral Carbonation)' 기술은 아직까지는 미성숙 기술로 평가받고 있다.

6. 이산화탄소 전환 기술

'이산화탄소 전환 기술'은 '이산화탄소 포집·저장(CCS: Carbon Capture & Storage)' 기술의 단점인 '저장 여건', '막대한 비용', '누출 가능성' 등의 문제점을 보완하기 위해 등장했다. '이산화탄소 전환 기술'은 대량의 처리를 목적으로 하는 포집·저장 기술과는 달리, 장기적으로 안전한 자원순환형 환경 기술이다. 즉, 이산화탄소를 자원으로 여겨 재활용함으로써, 고부가가치의 물질이나 친환경적 연료로 전환하는 기술이다. '이산화탄소 전환 기술'은 크게 '화학적 전환(Chemical Conversion)'과 '생물학적 전환(Biological Conversion)'으로 분류될 수 있다.

화학적 전환(Chemical Conversion): '화학적 전환(Chemical Conversion)'은 포괄적으로 화학 반응 공정 기술로 이산화탄소를 원료로 사용하여 '고분자(Polymer)', '포름산(Formic Acid)', '탄산칼슘(Calcium Carbonate)'과 같은 유기·무기 화합물을 생산하는 것이며, 기술적 특성에 따라 다시 열적 '촉매화학적 전환', '광화학적 전환', '전기화학적 전환' 등으로 나뉜다.
생물학적 전환(Biological Conversion): '생물학적 전환(Biological Conversion)'은 미세조류와 같은 광합성 미생물을 활용하여 '바이오디젤(Bio-Diesel)', '사료(Feed)', '의약품(Medicine)', '아스타잔틴(Astaxanthin)'과 같은 유용한 물질을 생산하는 기술이다. '미세조류 광배양 공정'은 태양광을 이용하기에 추가적인 에너지가 필요 없고, 설치 및 운영의 간편하고 비용이 적다는 것이 장점이다.

7. 'CCS' 기술 개발 동향

현재 운전 또는 개발 중인 '이산화탄소 포집' 기술은 기술의 개발 수준에 따라 '1세대', '2세대', '3세대(Transformational)' 기술로 분류되고 있다.

1세대 기술: '1세대 기술'은 현재 대규모 CCS 프로젝트에 적용하여 운전 중인 기술이다. 1세대 기술은 가격이 높아 정책적인 뒷받침 없이는 대규모 보급이 어렵다. 1대표적인 예로 '연소 후 포집 기술>(Post-Combustion Technology)'에서는 '습식 아민 수용액 기술(Wet Amine Solution Technology)'이, '연소 전 포집 기술(Pre-Combustion Technology)'에서는 'SelexolTM', 'Rectisol' 공정이 있다.
2세대 기술: '2세대 기술'은 '성능이 향상된 소재', '공정', '설비'로 포집 비용을 낮추는 것을 목표로 하고 있다. Petranova Project에서와 같이 개선된 2세대 '아민 수용액 기술(Amine Solution Technology)'의 경우, 수십 MW 및 대규모 실증 단계까지도 진행되고 있다.
3세대 기술: '3세대 기술'은 '2세대 기술' 대비 포집 비용을 훨씬 낮출 수 있는 것으로 기대되는 기술이다. 2세대 및 3세대 기술들은 포집에 따른 Energy Penalty와 'Cost Penalty(설치 비용, 운전 및 유지보수 비용)'을 낮추어 발전원가 절감목표를 달성하려 하고 있다.

구분		2세대 기술	3세대 기술
연소후 포집	습식 포집 기술	Precipitating Solvents, Two Phase Liquid System, Ionic Fluids	Precipitating Solvents, Two Phase Liquid System, Enzymes, Ionic Fluids, Encapsulated Solvents, Electrochemical Solvents
	건식 포집 기술	Calcium Looping Systems	Oter Looping Systems, Vaccum Pressure Swing(VPS), Temperature Swing(TS)
	분리막 기술	Polymeric Membranes, Polymeric w/cryogenic
	기타	Cryogenic, CO2 enriched flue gas, Pressurized Post-combustion	Cryogenic, Supersonic, Hydrates, Algae, Pressurized pot-combustion, MCFC
연소전 포집	건식 포집 기술	Sorption Enhanced Water Gas Shift(SEWGS), Sorption ENhanced Steam-Methan Reforming(SE-SMR)	Sorption ENhanced Steam-Methane Reforming(SE-SMR)
	분리막 기술	Metal and Composite Membranes, Ceramic Memebranes	Metal and Composite Membranes, Ceramic Memebranes
	기타	Concepts with Fuel Cells	Cryogenic, Concepts with Fuel Cells
순산소 포집		-	Chemical Looping Combustion, Oxygen Transporting Membranes(OTM), Pressurized oxy-combustion

7-1. 국가별 CCS 기술 동향

2017년 '국제 에너지 기구(IEA: International Energy Agency)'에 따르면, 대용량 CCS 프로젝트는 총 38개, 연간 이산화탄소 7000만 톤 규모(운전, 건설, 계획/설계 포함)'의 프로젝트가 진행 중이며, 2050년에는 연간 52억 톤 규모로 증가할 것으로 전ㄴ망하였다. 대용량 CCS 프로젝트는 주로 미국, 캐나다, 노르웨이에서 진행 중이며, 파일럿 규모는 상대적으로 많은 국가에서 설치하였다. 2019년 기준, 진행 중인 프로젝트 상당수(14개)'는 '석유 회수 증진 기술(EOR: Enhanced Oil Recovery)'을 위해 석유·가스 동공에 주입·저장하고 있다. 2060년 온실가스 감축에서 CCS가 14% 기여할 것으로 전망되었으나, 2023년 현재 CCS 상용화를 위한 투자나 시장 형성은 아직 미진한 상황이다.

프로젝트명	국가	방식	이산화탄소 포집량(100만 톤)	저장형태	가동연도
Val Verde Gas Plants	미국	연소전처리(가스공정)	1.30	CO₂ EOR	1972
Enid Fertilizer CO₂-EOR Project	미국	연소전처리(비료)	0.68	CO₂ EOR	1982
Shute Creek Gas Processing Facility	미국	연소전처리(가스공정)	7.00	CO₂ EOR	1986
Seleipner CO₂ Injection	노르웨이	연소전처리(합성연료)	1.20	심부염수대층	1996
Great Plains Synfuel Plant	미국/캐나다	연소전처리(가스공정)	3.00	CO₂ EOR	2000
In Salah CO₂ Injection	알제리	연소전처리(가스공정)	1.00	심부염수대층	2004
Snohvit CO₂ Injection	노르웨이	연소전처리(가스공정)	0.70	심부염수대층	2008
Century Plant	미국	연소전처리(가스공정)	8.40	CO₂ EOR	2010
Air Products SMR EOR Project	미국	연소후처리(수소생산)	1.00	CO₂ EOR	2012
Lost Cabin Gas Plant	미국	연소전처리(가스공정)	1.00	CO₂ EOR	2012
ACTL with Agrium	캐나다	연소전처리(비료)	0.59	CO₂ EOR	2016
Boundary Dam Integrated CCS	캐나다	연소전처리(발전)	1.00	CO₂ EOR	2014
Kemper County IGCC Project	미국	연소전처리(발전)	3.50	CO₂ EOR	2014
Gorgon Carbon Dioxide Injection	호주	연소전처리(가스공정)	3.4~4.1	심부염수대층	2015
Quest	캐나다	연소전처리(가스공정)	1.08	심부염수대층	2015
Illinois Industrial CCS	미국	산업적분리(에탄올)	1.00	심부염수대층	2017
Petra Nova	미국	연소후처리(아민)	1.40	CO₂ EOR	2017

Petra Nova: 2017년 1월에 가동을 시작한 Petra Nova 프로젝트는 연 140만 톤의 이산화탄소 포집을 목적으로 별도의 가스 연소식 열 및 전력 장치를 사용하여 탄소 포집 시스템에 증기와 전기를 공급하는 개조 응용 기술을 적용하였다.

7-2. 'CCS' 허브와 클러스터

'이산화탄소 포집·저장(CCS: Carbon Capture & Storage)' 기술이 대규모의 이산화탄소 배출을 감축시킬 수 있다는 사실은 실증되었다. 그러나 실제로 많은 산업 공장에서는 소규모로 적용되고 있다. 다수의 소규모 시슬의 배출량 총합은 의미있는 수치이지만, 각각의 산업 시설에서 이산화탄소 포집·압축·수송·저장의 CSS 처리의 전과정을 감당하기에는 비경제적이다.

이 문제를 해결하기 위하여, 몇몇의 산업 시설이 '클러스터(Cluster)'를 형성하여 CCS 인프라와 지식을 공유함으로서, 개별적 시설을 구축하여 배출량을 감소시키는 것보다 비용을 감소시키는 방법이 제시되고 있다. 산업 배출기들의 클러스터는 종종 이산화탄소를 대량 배출하는 전력 생산 시설과 함께 배치된다. 'IEA 온실가스 R&D 프로그램(IEAGHG: IEA Greenhouse R&D Programme)',는 전 세계에서 최소 12개의 대규모 이산화탄소 클러스터가 제안되거나 진행 중이고, 연간 6천만 톤의 이산화탄소를 포집한다고 하였다.

'허브(Hub)'는 각각의 산업 시설로부터 포집된 이산화탄소를 모으기 위한 '중앙 수집 장소'나 '저장 장소 클러스터'로 수송하기 위해 배분하는 중앙 배분 장소이다. '허브'는 '멀티유저 파이프라인(Multi-User Pipeline)'의 포집 종단이나 저장 종단에 위치한다. 수집허브는 포집 시설들을 서로 연결시켜 '클러스터(Cluster)'를 형성한다. 포집된 이산화탄소는 클러스터 내의 각각의 배출원에 따라 그 양이 변화한다. 수집·저장 허브는 압축된 이산화탄소를 'Point to Potin' 수송할 수 있도록 한다. 따라서 각각의 이산화탄소 배출원과 지질학적 저장 주입 장소 간의 수송 인프라 비용을 감소시킬 수 있다. '허브(Hub)'와 '클러스터(Cluster)'는 '인프라 공유', '소규모 포집', '경제적 위험 감소', '지역 탈피 가능' 등을 가능하게 하므로, CCS의 동기부여를 촉진하게 될 방안으로 인식되고 있다.

8. 'CCS' 관련 기업

세계 각 국가들은 대기 중의 이산화탄소량을 줄이기 위해, 여러 가지 정책과 지원을 수립하고 있다. 하지만 '이산화탄소 포집·저장(CCS: Carbon Capture & Storage)'은 저장 장소 확보가 어렵고, 단기적으로 얻을 수 있는 경제적 이득이 없어서 기업들이 적극적으로 나서지 않고 있다. 실제로 CCS 기술은 국가 정부기관과 연구기관 위주로 실증실험을 하고 있으며, 민간기업에는 규제와 지원정책으로 CCS 기술 상용화를 유도하고 있다.

한국의 경우, 대용량 CCS 기술은 '한국전력', '현대중공업', '포스코(POSCO)' 등 주로 대기업 위주의 연구개발과 프로젝트가 진행되고 있다. 중소기업에서는 이산화탄소 저감 기술이 연구개발되고 있으며, 대표기업으로는 'KC코트렐', '자연과환경', '에스코넥', '하츠', '미코', '3S' 등이 시장에 참여하고 있다.

기업	국적
GE(General Electric)	미국
NRG Energy	미국
엑손 모빌(Exxon MObil)	미국
미쓰비시중공업(Mitsubishi Heavy Industrial)	일본
Linde Plc	아일랜드
한국전력	한국
현대중공업	한국
KC코트렐(KC Cottrell)	한국
에스코넥(S-Connect)	한국
에코프로(EcoPro)	한국
자연과 환경	한국

GE(General Electric): 'GE'는 발전 시설 또는 대기 중의 이산화탄소를 수집해 고온고압으로 만든 후 터빈을 돌리는 폐쇄순환형 엑스트라 파워 시스템을 개발하였다.
NRG Energy: JX Nippon과 파트너십을 통한 석탄 기반 Petra Nova 이산화탄소 포집시설을 구축하였다.
엑손 모빌(Exxon Mobil): FuelCell Energy와 협력하여 탄산염 연료전지를 사용하여 이산화탄소를 포집하는 기술을 개발하였다.
Linde Plc: 고압 상태에서 분자 특성 및 흡착제 물질에 대한 친화도에 따라 흡착되는 자체 'PSA(Pressure Swing Adsorption)' 기술을 개발하였다.
미쓰비시중공업(Mitsubishi Heavy Industrial): '칸사이 전력회사'와 공동 개발한 고성능 흡수액을 사용하여 연소 후 포집 기술을 개발하고 상용화하였다.
한국전력: '한국전력'은 '중부발전', '포스코(POSCO)' 등과 공동으로 지난 2013년 보령화력발전소에 10MW급 이산화탄소 포집 실증 플랜트를 설치하고 성능 및 신뢰성 시험을 마치고, 2016년 4월부터 연속운전을 개시했다. 2016년 '한국전력 전력 연구원'에서는 국내 최대 규모인 10MW급 '연소 후 포집(Post-Combustion)' 파일럿 플랜트를 활용한 3000시간 장기 연속운전을 성공하여, 글로벌 수준의 감축 기술을 확보하였다.
현대중공업: '현대중공업'은 세계 최대의 조선회사로, 1983년부터 글로벌 조선 시장 점유율 1위를 차지하였다. 현대중공업은 2016년 한국전력과 함께 폐열을 재활용하여 증기보다 낮은 온도로도 가장 높은 발전효율을 내는 초임계 상태에 도달하는 이산화탄소를 가열해 터빈을 구동하는 방식의 '초임계 이산화탄소 발전설비'의 원천기술을 개발하였다.
KC코트렐(KC Cottrell): 'KC코트렐'은 1973년에 설립되어, 공장에서 발생하는 미세먼지를 포집해 제거하는 집진설비를 최초 국산화에 성공하였다.
에스코넥(S-Connect): 에스코넥은 2000년에 설립되어 전자제품을 생산하던 회사이다. 2017년부터는 이산화탄소 재활용사업에 박차를 가하였다. 환경부 주관 바이오 Site에서 발생되는 바이오메탄을 원료로 하고, 태양열 에너지를 활용하여 H2 및 카본을 생산하는 연구개발을 수행 중이다. 또한 과학기술정보통신부 주관 화력발전소에서 배출되는 이산화탄소를 포집·전환·분리하는 탄소 자원화 기술 고도화 실증 사업에도 참여하였다.
에코프로(EcoPro): '에코프로'는 1998년에 설립되어 대기오염 제어' 관련 친환경 소재 및 부품 개발에 주력해왔다. '에코프로'는 반도체·디스플레이 공장 등에서 발생하는 유해가스를 제거하는 '케미컬 필터(Chemical Filter)', 공장에서 발생하는 '과불화화합물(PFC: Poly- and Perfluorinated Compounds)',과 '아산화질소(N₂O)' 등을 제어하는 온실가스 저감 설비, '휘발성 유기 화합물(VOC: Volatile Organic Compounds)'을 마이크로웨이브를 이용해 저감하는 장치' 등을 공급하는 B2B 전문 기업이다.
자연과환경: '환경생태계 복원', '환경플랜트', '토양-수질정화' 등의 녹색환경사업을 선도하는 '자연과환경'은 에너지 기술 개발사업 전문 업체인 '노빌'과 MOU를 통해 배출가스 직접반을을 통한 이산화탄소 포집 및 대량 화룡 저장기술을 이용해, 공장·발전소 배출가스 속 이산화탄소로부터 생성된 포집물을 자연과환경 블록 제품의 재료로 활용하는 기술을 연구 중에 있다.

8-1. 포스코(POSCO)

국적: 한국

'포스코(POSCO)'는 국내 최대의 철강회사로 화석연료인 '석탄 사용량 저감', '주요 공정에서의 에너지 효율 제고' 등을 통해 환경 부하를 최소화하는 데 온실가스 배출 관리의 초점을 맞추고 있다. 제철소 전체 공정을 하나의 완경된 에너지 시스템으로 구축하여, 아래 그림처럼 각 공정에서 배출되는 가스와 열이 회수되게끔 설계하고, 내부 에너지를 재활용함으로써 온실가스 발생을 최소화하고 있다.

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