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탄소포집
탄소포집(炭素捕執, Carbon Capture)이란 대기 중의 이산화탄소를 분리하는 행위나 기술을 말한다. 포집한 이산화탄소를 어떻게 처리하느냐에 따라 탄소포집 및 격리(Carbon Capture & Sequestration / CCS), 탄소포집 및 저장(Carbon Capture & Storage / CCS), 탄소포집 사용 및 저장(Carbon Capture Use & Storage / CCUS) 등 여러 다른 이름으로 불린다. 약자로는 보통 CCS라고 쓴다.
목차
탄소포집기술
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. CCUS 기술은 크게 3가지 단계로 분류된다.
- 포집: 석탄 및 천연가스 화력발전소, 제철소, 시멘트 공장, 정유 공장 등과 같은 대규모 산업 공정 시설에서 생산된 다른 가스에서 이산화탄소를 분리하는 기술
- 운송: 분리된 이산화탄소를 압축해 파이프라인, 트럭, 선박 또는 다른 방법을 통해 저장에 적합한 장소까지 운송하는 기술
- 사용 또는 저장: 포집한 이산화탄소를 필요한 곳에 사용하거나 이산화탄소가 대기중으로 빠져나가는 것을 막기 위해 1km 이상의 깊은 지하 암석층에 저장하는 기술
발전소나 산업 시설에서 포집된 이산화탄소는 지질층에 주입해 영구적으로 봉인할 수도 있지만 이산화탄소를 필요로 하는 정유시설 등에 판매되기도 한다. 정유 기업은 포집한 이산화탄소를 원유 회수증진(Enhanced Oil Recovery, EOR)이라는 공정에 사용하는데, 원유를 채굴할수록 압력이 낮아져 채굴이 어려워지는 문제를 지층에 이산화탄소를 주입해 압력을 높임으로써 해결하는 과정이다. 이산화탄소를 봉인하면서 석유 생산량도 증가시킬 수 있어 일석이조의 효과를 거둘 수 있다. 실제로 현재 가동되고 있는 많은 CCS 시설은 이산화탄소를 정유 기업에 판매하는 것으로 매출을 내고 있다.
탄소포집 저장 프로세스
탄소 포집에는 세 가지 주요 기술이 있다. 이산화탄소를 포집하여 용액 속에 흡수시키는 연소 후처리(Post-combustion), 석탄이나 가스를 선처리하여 수소와 이산화탄소의 혼합물로 변환시킨 후 이산화탄소를 분리하는 연소 전처리(Pre-combustion), 공기 대신 산소로 석탄과 가스를 태워 이산화탄소를 더 쉽게 분리시킬 수 있는 농축된 이산화탄소 스트림을 만드는 순산소 연소(Oxycombustion) 등이다.
- 연소 후포집에서는 화석연료의 연소 후에 이산화탄소가 제거된다. 이는 화석연료를 이용하는 화력 발전소에 주로 적용되는 형식이다. 이때 이산화탄소는 발전소나 다른 대규모 발생원의 배기가스로부터 포집된다. 비록 상업 규모의 발전소에 요구되는 정도와 비슷하지는 않지만 이러한 기술은 다른 산업체에서 적용된다. 연소 후 포집은 연구에 가장 많이 이용되는데, 그 이유는 현존하는 화석연료를 이용하는 화력발전소는 이러한 형식의 CCS 기술을 이용하기 위해 쉽게 개설될 수 있기 때문이다.
- 연소 전 포집 기술은 비료, 화학, 가스 연료(수소, 메테인 등), 그리고 전력생산에 폭넓게 적용된다. 이 경우, 화석연료는 부분적으로 산화되는데, 그 예시가 기화장치이다. 일산화탄소나 수소와 같이 마지막에 배출되는 합성기체는 이산화탄소와 수소로 전환된다. 또한 배출되는 이산화탄소는 상대적으로 순수한 배기가스로부터 포집될 수 있다. 현재 수소는 연료로서 사용가능하다. 이산화탄소는 연소과정 전에 제거할 수 있는데, 기존의 연소 후 이산화탄소 포집기술과 비교하여 몇몇 장단점이 있다. 탄소는 화석연료의 연소 후 연도 가스(황화수소, 이산화탄소, 질소 등)가 대기압까지 팽창되기 전에 제거된다. 이러한 방법은 새로운 화력 발전소나 리파워링(re-powering)을 채택한 기존 발전소에 적용된다. 팽창하기 전에 포집하는, 즉, 압축가스로부터 포집하는 방법은 실용 전력 설비에 요구되는 것과 동일한 규모에서 대부분의 산업 이산화탄소 포집 과정의 표본이다.
- 순 산소 연소 포집에서 연료는 대기 대신 산소 속에서 연소된다. 연소과정에서 발생하는 불의 온도를 기존 연소와 동일한 수준으로 제한하기 위해 냉각된 기체가 연소실에 주입되어 재순환된다. 연도 가스는 주로 이산화탄소와 수증기로 구성되어있는데 수증기는 냉각과정을 통해 응결된다. 그 결과 격리된 장소로 이동되어 저장될 수 있는 거의 순수한 이산화탄소가 생성된다. 산소 연료 연소를 기반으로 한 발전소의 처리과정은 연소 전과 연소 후 포집의 경우 저장된 이산화탄소가 연도 가스로부터 제거된 부분이 아니라 연도 가스 그 자체이기 때문에 무배출시스템이라고도 한다. 연소 과정에서 생성된 이산화탄소의 특정한 일부는 결국 필연적으로 응결된 물이 된다. 무배출시스템을 인증하기 위해 물은 적절히 처리하고 배치될 필요가 있다. 기술은 존재하지만 처음 기체 분리 단계는 많은 에너지를 필요로 하기 때문이다.
필요성
인류가 현재 사용하는 모든 발전소를 100% 재생에너지로, 자동차를 100% 전기/수소로 바꾼다고 하더라도 인구증가, 가축증가, 경제성장을 위한 철강산업, 도시건설을 위한 시멘트산업 등 전 분야에서 나오는 온실가스로 인해 앞으로도 대기중의 온실가스는 수백억톤 증가하게 된다. 미 한림원은 최소 연 200억톤 정도 탄소 포집을 해야 탄소 중립을 이룰 수 있을 것이라고 본다.
따라서 탄소 중립으로 가기 위해서는 대기중의 이산화탄소를 포집하여 제거하는 작업이 필요하다. 거기다가 지금까지 인류가 지금까지 대기중에 배출한 축척된 온실가스 때문에 2100년까지 지구 온도를 산업화 이후 2도 상승 이하로 유지하자는 파리 협정을 지키기 위해서는 탄소 중립을 넘어 탄소 감소를 해야 하는데, 대기중 탄소를 줄이는 방법은 탄소 포집 및 격리밖에 없다.
또한 탄소를 포집한 양 만큼, 탄소 배출권을 국가/국제기구로부터 받을 수 있는데, 이는 탄소 포집 기업에게 주 수익원이 될 수 있다. 2021년 2월, 테슬라의 일론 머스크는 새로운 탄소 포집 기술 개발에 1억달러를 상금을 걸었고, 빌 게이츠나 제프 베조스도 이에 투자를 적극 하기에, 상금 또는 투자금을 받을 수도 있다.
포집 방법
갯벌/습지 늘리기
블루 카본(Blue carbon, 푸른 탄소)이라고도 한다. 갯벌이나 해안 습지 식물을 이용하여 탄소를 포집하는 방법이다. 대한민국 서해안 갯벌은 세계 최대 규모로 2480㎢가 연간 흡수하는 탄소가 26만 톤에 달해서 간척에 대한 반대, 나아가 역간척이 일어나고 있으며 각 지자체들이 습지를 조성하고 있기도 하다.
비판/논쟁으로는 갯벌이나 습지 면적이 넓지 않으며, (태양광/풍력 발전처럼) 면적의 비효율이 있다는 점이 있다.
나무/식물 늘리기
전통적인 나무심기. 개도국은 숲을 베고, 선진국은 숲을 심어서, 지구 전체로는 숲이 급격히 늘어나고 있다. 선진국이 비난하는 브라질-인도네시아 등도 숲이 늘어나는 나라들이다.
비판/논쟁으로는 다음과 같은 것들이 있다.
- 중학교 과학만 배워도 알 수 있듯, 식물도 호흡을 하고, 죽으면 탄소가 다시 자연에 돌아간다. 따라서 생애주기로 보면 지구에 기여하는 바가 적거나, 위 습지처럼 면적의 비효율이 있다.
- 삼림 개간은 개도국의 경제성장에 필수다. 선진국은 중세 이래 8할의 숲을 제거했는데, 개도국의 성장은 저해하는 것은 제국주의의 연장선이다. 개도국이 경제성장을 하는 것이 탄소 중립에는 더 이득이다.
- 농사와 목축이 숲을 베는 것이 아니라, 오히려 농사와 목축이 활발할 때엔 경제가 성장해 화전이 감소했다. 선진국이 브라질 농산물을 수입규제하자 오히려 가난에 빠진 이들의 화전과 탄소배출이 늘었다.
숲(목재)에 더해서 바이오매스 식물 재배를 늘리자는 주장도 있다. 이를 BECCS(바이오에너지와 탄소 포집·저장)라고 하기도 한다. 하지만 이에 대한 비판/논쟁은 더욱 크다. 이를 2008년 오바마 정부가 대량으로 장려시키다가 세계 곡물 값이 상승하여 2010년 아랍의 봄이 일어나고 수백만명이 죽고 난민이 되었기 때문이다. 따라서 바이오매스는 경작지를 사용하지 않는 방법, 예컨대 하수처리장의 바이오가스나 바이오숯(Biochar) 등 소량으로만 가능하다.
COP21에서 프랑스 농무부가 제창한 방법으로, 농업을 통한 토양 탄소 포집을 통해 대기 중 탄소를 줄이는 4 per 1000 계획. 1년에 토양이 대기 중 탄소의 0.4%를 흡입할 수 있다면, 인류 활동으로 인한 대기 중 이산화탄소 농도 증가를 감소시킬 수 있다는 연구 결과를 바탕으로 진행 중인 세계적인 농업 계획. 기존 농법은 경운 과정에서 토양 내 탄소가 쉽게 이산화탄소로 변화해 지구 온난화에 기여했는데, 경운 배제, 방목 주기 조절, 유기물 비료 사용 등의 친환경 농업을 도입해 토양 내로 유입되는 탄소량을 유출량 보다 많게 하는 게 목표다. 이는 농업용 토양 보전에도 기여해 토양 유실이나 사막화, 나아가 산림 벌채 또한 막을 수 있을 것으로 기대되고 있다.
직접 공기 포집 (DAC, Direct Air Capture)
직접 공기 포집 (DAC, Direct Air Capture). 팬을 돌려서 공기중의 이산화 탄소를 필터로 분리시키는 방식이다.
4000ton/year 기준 공장 하나가 나무 4천만 그루의 효과를 낸다. 위에서 다룬 대한민국의 갯벌 전체의 탄소 흡수량이 공장 60개만 지으면 이를 상쇄한다. 나아가 이 공장 4만 개가 있다면 배출하는 CO₂와 공기 중에 있는 모든 CO₂를 전부 제거할 수 있다.
전기자동차와 마찬가지로, DAC 공장을 돌리는 전기 생산에 화석연료가 쓰인다면 비판을 받을 수 있다. 하지만 역시 전기자동차와 마찬가지로, 재생 에너지, 원자력 발전, 핵융합 발전 등이 이를 보완할 수 있다.
2022년 기준 3개 회사가 앞서 있다. 아직 케이스가 적어서 이처럼 손에 꼽을 수 있다.
- 스위스 클라임웍스 (ClimeWorks) - 2015~2020년 2000ton/year 공장을 유럽 15곳에 짓는다. 2021년, 아이슬란드에 탄소고체화 공장을 도입했다.
- 캐나다 카본엔지니어링(Carbon Engineering) - 2015년/2021년에 브리티시컬럼비아주에 공장을 세웠고, 2024년에 텍사스에 유전에 백만ton의 탄소를 매립할 공장을 세울 예정이다.
- 미국 글로벌써모스탯(Global Thermostat) - 2013년에 캘리포니아, 2019년 앨라배마, 2021년 오클라호마에 공장을 세웠다.
2018년 6월, 카본엔지니어링의 논문에 따르면, 기술이 성숙하면 최종적으로 이산화탄소 1톤 제거당 비용이 $94~$232까지 내려갈 것으로 예측했다. $94을 계산한 가정은 산소 비용은 무료고[2][3], 전기 비용은 $30~$60/MWh일 경우다.
2019년 10월, 미국 한림원의 논문에 따르면 스위스 클라임웍스사 기준 톤당 $500-$600이다.
2020년 말 기준, 빌 게이츠, 일론 머스크, 제프 베조스도 DAC 기술에 투자했다.
2021년 4월, 미국 솔리디아(Solidia) 사가 뉴저지에서 시멘트를 만드는 공정에서 이산화 탄소 배출을 40%나 줄였다. #
2021년 5월, 미국 애리조나 주립대학교의 클라우스 라크너(Klaus Lackner) 교수의 논문에 따르면 미국 기업인들은 1톤당 $65-110을 지불할 의향이 있다. 그리고 규모의 경제가 커지면 20% 가량 비용 절감이 가능할 것을 예측했다. 따라서 기술적으로 $100까진 이른 뒤에 규모의 경제에 돌입하자고 로드맵을 제시한다.
2021년 6월, 미국 MIT와 예일대의 신문이 2018년 카본엔지니어링 논문, 2019년 한림원 논문, 2021년 라크너 논문을 인용해 소개한다.
2021년 9월, 스위스 클라임웍스 사가 아이슬란드에 기존 15곳과 다른 방식의 DAC 공장 "오르카(Orca)"를 건설한다. 카브픽스(Carbfix)가 이산화 탄소를 탄산염 즉 '고체'로 바꾸는데, 여기에 필요한 열은 온파워(On Power) 지열발전이 제공한다. 건설비에 1500만불이 들었다.
기타
- 지구공학 중 '해양 철분 비옥화'를 갯벌/습지와 같이 탄소 포집으로 분류하기도 한다.
- '인공 광합성'을 탄소 포집으로 분류하기도 한다. 탄소 포집, 수소 생산 등을 하는 반도체 또는 미생물이 연구되고 있다.
포집 이후
- 묻기 - 지하, 빈 유전, 소금동굴, 해저
- 이것이 지속가능한 반영구적인 것이냐는 지적이 있다. 누출사고나 예상치 못한 환경 영향 등 부작용이 발생할 수 있다는 것.
- 2021년 11월, 대한민국 산자부-해수부 합동조사단은 대한민국에 7.3억톤의 저장장소가 있다고 밝혔다. 이는 대한민국의 한 해 온실가스 배출량에 불과하다.
- 재활용
- 비닐하우스, 온실, 탄산수 생산, 연료 생산 - 도로 공기로 배출되게 되는 것 아니냐는 지적이 있다.
- 벽돌 생산 - 탄소광물화(Mineralization)라고도 한다.
- 고기 생산 - 이산화 탄소 또는 메테인을 먹고 단백질을 생산하는 미생물들이 있다.
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.
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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.
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.
동영상
참고자료
- 이산화탄소 포집기술 최신 개발 현황 - https://www.cheric.org/PDF/PIC/PC12/PC12-1-0030.pdf
- 〈탄소 포집〉, 《나무위키》
- 〈탄소 포집 및 저장〉, 《위키백과》
- 〈이산화탄소 포집 기술은 지구온난화의 해결책이 될 수 있을까〉, 《GE리포트 코리아》, 2015-12-29
- 디트로이트무역관 권선연, 〈일론 머스크도 찾는 탄소포집(CCUS)기술이란?〉, 《코트라해외시장뉴스》, 2021-02-10
같이 보기
