지구온난화 이산화탄소 포집, 대안이 될 수 있을까? (+관련 기업 추천)

지구 온난화 주범은 무엇일까? 인간의 화석에너지 사용량의 폭발적 증가는 수많은 양의 이산화탄소를 대기로 배출했다. 이산화탄소는 온실가스 배출량의 80%를 차지한다. 이산화탄소 포집은 지구온난화 대재앙을 막을 수 있는 대안이 될 수 있을까?

 

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이산화탄소와 온실효과의 상관관계

 

이산화탄소의 화학식은 CO2로 탄소(Carbon) 원자 하나와 산소(Oxygen) 원자 둘이 결합한 화합물이다. 기체 상태에서는 무색, 무취, 무미로 지구 대기의 0.04%를 차지하고 있다. 이런 이산화탄소는 지구의 자연적 온실효과, 즉 지구를 항상 일정한 온도로 유지시켜주는 역할을 충실히 이행하고 있다. 그러나 오늘날 인간에 의한 이산화탄소의 급격한 대기 배출로 이산화탄소의 온실효과가 강화되어 지구온난화의 주범으로 지목받고 있다. (사실 인간이 문제다.) 

 

[지구의 온실효과]

 

공기는 약 99%가 질소와 산소 같은 원자로 이루어져 있다. 질소나 산소는 이원자 분자로 적외선을 흡수하지 않는다. 반면 공기에 섞여있는 이산화탄소, 메탄, 프레온은 소량이지만, 서로 다른 원자들로 결합한 분자 상태이다. 그래서 지표면에서 반사된 태양 복사 에너지의 적외선 파장을 흡수한다. 이는 지구의 자연적 온실효과를 유발하여 지구 온도를 항상 일정하게 유지하는 것이다. 

 

소량만 있어도 지구 온실효과에 기여하던 온실가스들이 산업화 이후 특히 1970년 대 지구적 대량 생산 체제 확립 이후에 급격하게 대기 중에 배출되었다. 이로 인해 그 이전 어느 시대보다 지구가 우주로 방출하는 적외선을 대기가 많이 흡수하며 지구 온도를 상승시키고 있다. 

 

이산화탄소 포집 저장 활용 배출원 관리 (CCS)

 

이산화탄소의 포집 및 저장(Carbon Capture & Storage) 기술을 각 단어의 앞글자를 따서 CCS라고 한다. 이 기술은 화석연료를 사용하는 발전, 철강, 시멘트공장 등과 같이 대량으로 이산화탄소를 배출하는 배출원으로부터 이산화탄소의 대기 배출 전에 포집하여 회수하고 수송한 후 지하의 안전한 지층에 저장하는 기술을 총칭한다. 

1. 배출원으로부터 이산화탄소가 배출되는 단계
2. 배출된 이산화탄소를 다양한 공정으로 포집하는 포집 단계
3. 포집된 이산화탄소를 수송하는 단계
4. 수송된 이산화탄소를 안전한 지하 지층에 저장하는 단계(또는 유용한 물질로 전환하는 단계)

 

 

1. CO2 포집기술 - 화석연료 연소 시 발생하는 혼합가스에서 CO2 분리 후 격리

CCS 기술 전체에서 가장 중요한 기술이며, 전체 처리비용의 0~80%를 차지하는 기술이다. CCS의 상용화의 핵심은 CO2 포집 비용을 낮추는 것이다. 포집기술을 분류해 보자.

 

[CO2 포집공정 적용 위치 또는 분리 대상 가스 혼합물 종류에 따른 분류]

• 연소 후 포집기술 : 배기가스 내 포함된 이산화탄소와 질소를 분리

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

 

• 연소 전 포집기술 : 이산화탄소 포집하면서 수소를 생산할 수 있는 기술

포집 반응 조건이 고온 고압으로 전환율이 높고 CO2 단위당 제거 비용이 가장 저렴하다. 상용화에 어려움이 있으나 파급력은 가장 클 것으로 평가되는 기술이다. 이산화탄소 포집하는 과정에서 수소를 생산할 수 있어 미래 수소 경제사회로 가기 위한 핵심기술로 평가된다. 또한 석유가 아닌 석탄, 바이오매스(biomass) 및 유기 폐기물 등을 원료로 이용할 수 있어 고유가 대비도 가능하다.

 

• 순 산소연소기술 : 연소용 공기를 순산소로 대체 주입하여 연소한 후 CO2 포집

석탄화력 발전설비에서 산화제를 공기 대신, 공기 분리장치를 이용하여 공기 중의 산소를 분리하고 순도 95% 이상의 고농도 산소를 이용하여 미분탄을 연소시켜 열을 발생시킨다. 배출되는 배사의 주성분 가운데 수증기를 응축시킬 경우, 거의 전량의 CO2를 회수할 수 있으며, 회수된 CO2를 저장시켜서 CO2와 대기오염 물질의 무 배출을 구현한다. 

 

[포집 방법에 따른 분류]

• 아민계열 혹은 암모니아 계열 흡수제를 활용한 습식흡수법
• 고체 흡수제를 활용한 건식흡수법
• 분리막을 활용한 막분리법

 

 

2. CO2 수송기술

 

이산화탄소의 수송은 크게 파이프라인 수송, 선박 수송 2가지로 나눌 수 있다. 수송 거리에 따라 CO2 저장 격리 지역이 내륙으로부터 1,000km 이내일 경우 내륙 및 해양 파이프라인이 유리하고, 1,000~1,800km 이상인 경우 선박이 유리하다. 그러나 대량의 CO2를 처리하기 위해서는 결국 파이프라인 수송이 더욱 적합하다고 할 수 있다. CSS 기술 총비용면에서 수송이 차지하는 비중은 2~5% 정도로 상대적으로 작다. 

 

• 파이프라인 수송기술

이미 존재하는 송유관(Oil Pipeline)이나 천연가스 파이프라인을 생각하면 쉽다. CO2가 수송될 때는 가동 압력에 따라 가스나 액체 또는 밀집 상태일 수 있다. 그래서 수송하기 위한 압력과 온도는 파이프라인의 유입구에서 유출구까지의 CO2 상태를 단일 상태(액체, 밀집 상태)를 유지하도록 설정해야 한다. 

 

• 선박 수송기술

선박 수송기술 역시 석유와 천연가스를 선박으로 수송한 기술과 유사하다. 그리고 CO2를 선박으로 수송하는 기술 역시 20년 가까이 되었다. CO2는 드라이아이스로 응고되지 않도록 5.2 bara(절대 압력) 이상에서 수송한다. 

 

3. CO2 저장기술 - 영구적 도는 반영구적으로 격리

 

CO2는 퇴적층 내, 수심 2,500m 이하 심해 수중 또는 해저에 저장시키는 해양 분사, 저류법의 해양저장 기술, 탄산염 광물화 기술 등이 있다. 그중 지중 저장 기술이 가장 앞서있다. 지중 저장은 장기간 CO2를 안전하게 수용할 능력이 있는 지하구조로 이산화탄소를 주입하는 것이다. 

 

1. 지층 특성화 및 평가기술
2. 시추 및 주입기술
3. 거동 예측 또는 수치 모델링 기술
4. 움직임 관측 기술
5. 환경 영향 평가 기술
6. 사후 또는 폐쇄 후 관리기술

 

CSS 산업동향 : 사회간접자본의 성격 및 공공부문 투자 비중 높음

 

[핵심은 탄소배출권거래제]

 

CSS 산업 시장은 민간기업이 이윤을 얻을 수 있는 시장구조로 인식되지 않는다. 비용적 측면이 강하다. 그래서 민간시장 활성화를 위해 환경정책 등의 지원, 지원금 보조 및 규제 외에 탄소배출권과 탄소시장 도입이 절실했다. 그래서 1997년 교토의정서 채택을 통해 선직국들의 온실가스 감축목표를 설정하고, 이 목표 달성을 위해 도입된 배출권 거래는 민간기업의 자발적인 참여를 유도하고 있다. 

 

탄소 포집의 원천 기술을 보유하게 될 경우, 탄소배출권거래제를 통해 돈 복사가 가능할 수 있다. 2016년 CCS 시장 규모는 22.5억 달러 규모이며, 2022년 현재 42억 달러에 이른다고 전망한다. 2019년 기준 전 세계적으로 19개의 대규모 CCS 프로젝트가 운전 단계이며, CO2 포집량은 4천만 톤 정도이다. 

 

일반 시민도 본인의 주택에 태양광 패널 등을 설치하여 탄소배출권을 확보할 수 있다면 어떨까? 탄소배출권을 국가나 기업 혹은 이를 연결해주는 시장에 팔 수 있는 루트를 만들어 준다면 재생에너지 대중화에 더욱 기여를 할 수 있지 않을까? 

 

 

[대기업 위주의 CCS 기술 확보, 그러나 중소기업도 약진!]

 

한국에서는 한국전력, 포스코, 현대중공업 등의 규모가 큰 기업에서 자체 감축을 위한 CCS 연구개발이 진행되고 있다. 상대적으로 투자규모가 작을 수밖에 없는 중소기업은 협업을 통해 경쟁력을 찾아가고 있다. 중소기업의 대표 주자는 KC코트렐, 자연과 환경, 에스코넥, 하츠, 미코, 3S 등이 있다. 이 중 중소기업 현황을 보고 가려고 한다. 

 

KC코트렐(좌) 에스코넥(우)

 

에코프로(좌) 자연과환경(우)

 

CCS 시장의 활성화를 위해서는 포집된 CO2를 모으기 위한 허브가 많이 생겨야 할 것 같다. 허브는 포집 시설들을 서로 연결시켜 클러스터를 형성한다. 이를 통해 인프라 공유, 소규모 포집, 경제적 위험 감소, 지역 탈피 가능 등을 실행할 수 있다. 특히 위에 언급했던 것처럼 개인 참여형 CSS의 동기부여를 촉진하게 될 것으로 기대된다. 

 

아직 갈 길이 멀다. 그러나 기후 위기를 직면한 우리는 멈출 수 없다. 결국 망하게 되더라도 할 수 있는 일은 해야 하지 않는가? 개인적으로 레이철 카슨 여사의 『침묵의 봄』을 좋아한다. 그녀는 사는 내내 고통받아야 했지만, 그녀 덕분에 그녀가 경고한 암울한 미래는 더디게 오는 중이다. DDT나 농약 같은 문명의 이기들의 야기한 부작용처럼 화석연료 사용의 결과로 온 지구는 기후 위기를 체감하고 있다. 그래서 CSS는 우리의 미래 기술로 우리 사회의 대안이 되어주길 바란다. 

 

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