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이산화탄소 포집 기술의 현재와 미래

일일 보고서 2024년 09월 06일
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목차

  1. 요약
  2. 이산화탄소 포집 기술 개요
  3. 주요 이산화탄소 포집 기술
  4. 연소 후 포집 기술
  5. 자연상태의 이산화탄소 포집 방법
  6. 이산화탄소 저장 및 활용
  7. 대한민국의 이산화탄소 포집 기술 사례
  8. 결론

1. 요약

  • 이 리포트는 이산화탄소 포집 기술의 현재 상태와 미래 가능성을 다룹니다. 주요 포집 기술인 습식, 건식, 분리막 포집 기술의 작동 원리와 장단점을 설명하고, 상용화된 사례들을 제시합니다. 또한 자연상태에서의 이산화탄소 포집 방법인 직접 공기 포집(DAC), 알칼리성 광물 및 토양 활용, 기생적인 방법 등을 소개하며, 포집된 이산화탄소의 저장과 활용 방법에 대한 정보도 제공합니다. 대한민국 내에서 CCUS 기술을 활용하는 현대건설과 한솔제지의 사례를 통해 기술의 실용성과 향후 전망을 제시합니다.

2. 이산화탄소 포집 기술 개요

  • 2-1. 이산화탄소 포집의 필요성

  • 이산화탄소의 농도 증가는 지구 평균 기온 상승의 주요 원인으로 지목되고 있습니다. 기후 변화와 관련된 온실가스 중 이산화탄소가 차지하는 비중은 91.4%에 달하며, 이는 대기 중에서 매우 낮은 비율인 약 0.04%를 차지하고 있습니다. 그러나 이산화탄소는 적외선 복사에너지를 흡수함으로써 대기의 온도를 상승시키는 중요한 역할을 합니다. 18세기 산업혁명을 기점으로 전 세계적으로 에너지 수요가 급증하였고, 대한민국 또한 시멘트, 철강, 화학 및 석유화학 산업의 발달로 이산화탄소 배출량이 증가하였습니다. 이산화탄소 농도의 상승은 평균 기온의 변화와 밀접한 연관이 있으며, 이를 해결하기 위한 다양한 정책과 기술이 요구되고 있습니다.

  • 2-2. 이산화탄소 포집 기술의 개요

  • 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술은 화석 연료 발전소와 같은 대규모 지점 원천에서 이산화탄소를 포집하여 저장소로 이송하는 과정을 포함합니다. 이 기술은 대기 중으로 방출되는 이산화탄소의 양을 줄이고자 하며, 석유 회수의 향상과 같은 다양한 목적을 위해 이산화탄소를 지질 형성에 주입하는 방식을 사용합니다. CCS 기술은 흡착 또는 가스 분리 기술을 기반으로 하며, 아민 흡착법이 가장 널리 사용되고 있습니다. 이산화탄소를 포집하고 압축할 경우, 전력 생산에 소요되는 에너지가 25-40% 증가할 수 있으며, 이는 에너지 비용에 상당한 영향을 미치게 됩니다. 현재 CCS 기술은 보령화력발전소와 같은 국내 여러 발전소에 도입되어 실증 연구가 진행되고 있으며, 이산화탄소의 포집 효율성 및 저장 안정성을 높이기 위한 연구가 지속되고 있습니다.

3. 주요 이산화탄소 포집 기술

  • 3-1. 습식 포집 기술

  • 습식 포집 기술은 액상 흡수제를 사용하여 이산화탄소를 흡수하는 방법입니다. 현대건설은 자사의 프로젝트에서 키어솔(KIERSOL)이라는 이산화탄소 액상 흡수 소재를 활용합니다. 이 소재는 연소 배기가스에서 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 기술로, 현재 세계 7개국에 특허가 등록되어 있습니다. 키어솔은 대용량 가스 처리가 가능하여, 습식 포집 기술은 CCUS 프로젝트에서 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다.

  • 3-2. 건식 포집 기술

  • 건식 포집 기술은 고체 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집하는 방법입니다. 이 과정에서는 기체가 고체 흡착제로 통과하게 되어 이산화탄소가 분리됩니다. 특히, VSA(진공 스윙 흡착) 방법이 이 시스템의 효율을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

  • 3-3. 분리막 포집 기술

  • 분리막 포집 기술은 기체를 중공사막으로 통과시켜 분리하는 방식입니다. 중공사막은 가운데가 비어 있는 원통 모양으로 구성되어 있으며, 이산화탄소와 다른 기체들 간의 선택적 분리를 가능하게 합니다. 이 방법은 특정한 조건에서 높은 효율을 보입니다.

  • 3-4. 연소 중 포집 기술

  • 연소 중 포집 기술은 연소 과정에서 발생하는 이산화탄소를 동시에 포집하는 방법입니다. 이 방법은 아직 상용화 단계에 이르지 않았지만, 연구와 개발이 진행되고 있는 분야입니다. 실증 연구를 통해 이 기술의 상용 가능성이 탐색되고 있습니다.

4. 연소 후 포집 기술

  • 4-1. 기술 개요 및 장단점

  • 연소 후 포집 기술은 폐기물 및 화석 연료 연소 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하기 위한 기술입니다. 기본적으로, 이 기술은 연료가 연소된 후 발생하는 배기가스에서 이산화탄소를 분리하는 과정을 포함합니다. 주요 장점으로는 즉각적인 탄소 배출량 저감 효과를 기대할 수 있다는 점과 기존의 화력 발전소와의 호환성이 뛰어난 점이 있습니다. 반면, 설비 투자 및 운영 비용이 많이 드는 단점이 있으며, 기술 상용화에 따른 기술적 도전도 존재합니다.

  • 4-2. 대표적 사례

  • 한솔제지의 소각로에서의 탄소 포집 사례를 살펴보면, 한솔제지는 기체분리막 전문업체 에어레인과 협력하여 폐기물 소각로 배기가스에서 이산화탄소 포집 및 저장 활용 사업(CCUS)에 대한 업무협약을 체결하였습니다. 이번 협약을 통해 대전 공장에서는 연간 17만8000톤의 이산화탄소 배출량을 6만7000톤으로 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다. 이와 같은 노력은 전세계적으로 탄소배출 감소에 기여할 수 있는 바로미터로 자리 잡고 있으며, 한국은 2030년까지 1120만 톤의 온실가스를 줄여야 하는 상황입니다. 이러한 기술적 노력들은 이산화탄소 저감 목표 달성에 중요한 역할을 할 것입니다.

5. 자연상태의 이산화탄소 포집 방법

  • 5-1. 직접 공기 포집 (DAC) 기술

  • 직접 공기 포집(DAC) 기술은 대기 중 이산화탄소를 직접 포집하는 기술로서, 공기 중 약 0.04%의 이산화탄소를 흡착하여 농축할 수 있습니다. 해당 기술은 공기를 대량으로 처리할 수 있는 시스템이 필요하며, 기존의 흡착제 및 분리막 기술을 기반으로 하고 있습니다. 예를 들어, Climeworks는 공기 중 80%의 CO2를 포집하여 합성 디젤로 전환하는 파일럿 공정을 진행한 바 있습니다.

  • 5-2. 알칼리성 광물 및 토양 활용

  • 알칼리성 광물 및 토양을 이용한 이산화탄소 포집 방법은 자연적인 화학 반응을 통해 이산화탄소를 고정하는 방식입니다. 이는 자연에서 일어나는 탄산염 광물의 풍화 과정을 활용하여 이산화탄소를 안정적인 형태로 저장하는 방법입니다. 연구에 따르면, 이러한 방법은 대규모 이산화탄소 저장에 잠재력을 가지고 있습니다.

  • 5-3. 기생적인 방법

  • 기생적인 방법은 나무와 같은 생물체를 이용하여 이산화탄소를 포집하는 흐름을 가리킵니다. 자연 상태에서 식물은 광합성을 통해 대기 중의 이산화탄소를 흡수하며, 이를 통해 탄소를 고정하게 됩니다. 이러한 자연적인 프로세스는 대기 중 이산화탄소 농도를 감소시키는 데 기여할 수 있으며, 대규모 식목 사업과 같은 접근법이 연구되고 있습니다.

6. 이산화탄소 저장 및 활용

  • 6-1. 지중 저장 기술

  • 지중 저장 기술은 이산화탄소를 해저나 육상 750~1,000m 깊이의 적합한 지층에 주입하는 방법입니다. 저장에는 암염 공동, 고갈된 가스전, 또는 대수층을 주로 이용하며, 이산화탄소의 저장 용량, 주입성, 폐쇄성을 고려하여 적절한 지역을 선정합니다. 이는 현재 가장 상용화된 방법으로, CCS 기술이 실현되는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.

  • 6-2. 해양 저장 기술

  • 해양 저장 기술은 이산화탄소를 심해에 주입하여 저장하는 방법으로, 현재는 해양 산성화 관련 문제로 인해 상용화가 어려운 상태입니다. 그러나 이 기술은 대규모 저장 수단으로서 가능성을 지니고 있습니다.

  • 6-3. 이산화탄소의 활용 방법

  • 포집된 이산화탄소는 여러 가지 방법으로 활용됩니다. 이산화탄소는 석유 회수 증진 기술(EOR; Enhanced Oil Recovery)에 사용되어, 석유 유정에 주입하여 생산량을 증가시킬 수 있습니다. 또한, 직접적으로 디카페인 음료 생산이나 탄산 음료에 사용되며, 전환 과정을 통해 연료, 기초 화학 제품으로 변환할 수도 있습니다. 이산화탄소를 고정하는 미생물을 이용하여 생물학적 전환을 통해 바이오매스나 바이오디젤로 전환하는 방법도 연구되고 있으며, 마지막으로 이산화탄소를 알칼리 토금속을 포함한 광물 또는 수용액과 반응시켜 탄산염 광물로 전환하여 건축 및 산업 소재로 사용하는 방법도 있습니다.

7. 대한민국의 이산화탄소 포집 기술 사례

  • 7-1. 현대건설의 CCUS 기술

  • 현대건설은 프로젝트 총괄 주관사로서 전체 설비 시스템의 설계, 시공 및 시운전은 물론, 세계수준의 포집 기술 확보라는 책임을 맡고 있습니다. 현대건설 CCUS 전문가는 현장 실증 후 연간 100만 톤급의 탄소 포집 및 액화 플랜트 설계안을 도출할 계획을 세우고 있으며, 글로벌 최대 규모의 CCU FEED(Front End Engineering Design) 설계 역량을 보유할 것이라는 포부를 밝혔습니다. 이산화탄소 포집 방법에는 액상 흡수제를 이용한 습식 포집, 고체 흡착제를 사용하는 건식 포집, 기체를 중공사막으로 통과시켜 분리하는 분리막 포집이 있습니다. 현대건설은 하이브리드 형태의 국내 최초 상용급 실증 시설에서 이 세 가지 포집 기술을 모두 적용하고 있습니다. 특히, 이산화탄소 액상 흡수제 '키어솔(KIERSOL)'을 사용하여 연소 배기가스에서 이산화탄소를 선택적으로 흡수합니다. 이 기술은 세계 7개국에 특허가 등록되어 있으며, 현대건설은 현대차와의 MOU를 통해 이 라이센스를 확보하였습니다. 현대건설은 또한 고갈 저류층에 이산화탄소를 저장하는 데 많은 관심을 기울이고 있으며, 이를 위해 네덜란드와의 국제 공동연구를 수행 중입니다.

  • 7-2. 한솔제지의 소각로 이산화탄소 포집

  • 한솔제지는 에어레인과 함께 '폐기물 소각로 배기가스 분야 이산화탄소 포집 및 저장 활용 사업(CCUS)'에 대한 기술개발 업무협약을 체결하였습니다. 이번 협약의 목표는 폐기물 소각로의 배기가스에서 발생하는 이산화탄소를 포집하고 이를 활용하거나 저장하는 것입니다. 한솔제기는 대전 공장의 폐기물 소각로에 CCUS 기술을 도입할 계획이며, 이를 통해 연간 17만8000톤의 이산화탄소 배출량을 6만7000톤으로 저감하는 것을 1차 사업 목표로 삼고 있습니다. 더불어, 한국은 2030년까지 국가온실가스 감축목표를 달성하기 위해 1120만 톤을 저감해야 하는 상황임을 고려하여 이 기술의 도입은 매우 중요한 의미를 갖습니다.

  • 7-3. 보령화력발전소와 기타 사례

  • 보령화력발전소는 이산화탄소 포집 기술을 적용하여 탄소 배출을 줄이는 데 기여하고 있습니다. 이 발전소는 최신 기술을 사용하여 이산화탄소를 포집하고 있으며, 이를 통해 지속가능한 발전을 지원하고 있습니다. 다양한 이산화탄소 포집 기술이 상용화 단계에 있으며, 각각의 기술은 특정 환경에서 유용하게 활용되고 있습니다. 이처럼, 다양한 기업들이 이산화탄소 포집 기술을 개발하고 적용함으로써 대한민국의 탄소 배출 저감 목표 달성에 기여하고 있습니다.

8. 결론

  • 이 리포트에 따르면, CCUS 기술은 다양한 이산화탄소 포집 방법을 포함해 환경 문제 해결의 주요 도구로 자리잡고 있습니다. '키어솔(KIERSOL)' 같은 혁신적인 소재를 사용한 습식 포집 기술부터 직접 공기 포집(DAC) 기술까지 다양한 기술은 각기 특정 상황에서 고유의 장점을 발휘합니다. 현대건설과 한솔제지는 실질적인 상용화를 통해 그 중요성을 입증하고 있으며, 이는 대한민국의 탄소 배출 감축 목표 달성에 크게 기여할 수 있습니다. 한계로는 기술 상용화에 따른 높은 비용과, 저장 기술의 안전성과 효율성 개선의 필요성이 있으며, 이를 해결하기 위한 지속적인 연구와 개발이 필요합니다. 미래에는 이러한 포집 기술들이 더 높은 효율성과 경제성을 바탕으로 전 세계의 탄소 배출을 줄이는 데 기여할 것이며, 다양한 산업 분야에 실질적 적용이 가능할 것입니다.

9. 용어집

  • 9-1. 키어솔 (KIERSOL) [기술]

  • 한국에너지기술연구원이 개발한 액상 흡수제로, 연소 배기가스에서 이산화탄소를 선택적으로 흡수할 수 있는 소재입니다. 이 기술은 습식 포집 기술의 주요 구성 요소 중 하나로, 경제적인 운전이 가능하고 다양한 산업에 적용될 수 있습니다.

  • 9-2. CCUS [기술]

  • 탄소 포집, 활용 및 저장 기술로, 이산화탄소를 포집하여 이를 저장하거나 유용한 형태로 전환하는 기술입니다. 현대건설, 한솔제지 등 다양한 기업들이 이 기술을 활용하여 탄소 배출을 줄이고 있습니다.

  • 9-3. 직접 공기 포집 (DAC) [기술]

  • 대기 중 이산화탄소를 직접적으로 포집하는 기술로, 다양한 흡착제를 사용하여 대기 중의 CO2를 흡수하고 농축하는 방법입니다. 이 기술은 기존 포집 기술과 차별화된 접근법으로 다양한 지역에 적용될 수 있습니다.

  • 9-4. 현대건설 [회사]

  • CCUS 기술을 적극적으로 연구하고 상용화하는 국내 대표 기업 중 하나입니다. 다양한 포집 기술을 실증하며, 특히 습식 포집 기술과 관련된 인프라와 설계 역량을 보유하고 있습니다.

  • 9-5. 한솔제지 [회사]

  • 폐기물 소각로에서 발생하는 이산화탄소를 포집하고, 이를 저장 및 활용하는 CCUS 기술을 도입하여 탄소 배출을 줄이고 있습니다. 기체분리막 기술을 활용한 실증을 통해 탄소 배출 감축 목표를 이루고 있습니다.

10. 출처 문서