탄소중립을 위한 움직임이 가속화됨에 따라 탄소 리사이클을 실현하는 이산화탄소(CO2) 포집 기술이 부상하고 있다.
이산화탄소 포집 기술은 일본이 주도하고 있으며 화력발전, 고로에서 발생하는 폐가스 등 고농도 이산화탄소를 포집하는 기술에 대한 연구개발(R&D)을 적극적으로 추진하고 있다.
일본은 공기 중 이산화탄소를 직접 포집하는 DAC(Direct Air Capture) 기술을 집중적으로 개발하고 있는 것으로 알려졌다.
이산화탄소는 인위적 배출량이 세계적으로 2021년 400억톤을 기록했고 2050년에도 43억-130억톤에 달할 것으로 예상되고 있다.
탄소중립 실현을 위해서는 배출량과 맞먹는 양의 이산화탄소를 포집해야 하기 때문에 이산화탄소 포집 시장은 2030년 약 60조원, 2050년에는 100조원 이상으로 급성장할 것으로 예측된다.
IEA, CCUS 기술이 탄소 감축량 15% 담당
이산화탄소 포집·활용을 의미하는 CCUS(Carbon Capture & Utilization & Storage)는 이산화탄소를 다른 원료물질 또는 에너지로 바꾸거나(CCU) 땅속에 깊이 묻어 영구적으로 격리(CCS)하는 것을 의미한다.
국제에너지기구(IEA)는 2070년경 세계 이산화탄소 배출 감축분의 15%를 CCUS 기술이 담당할 것으로 예측했다.
IEA는 최근 탄소중립에 이르는 과정에서 CCUS 기술 기여도를 총 감축량의 15% 수준인 100억톤으로 제시하고 CCUS 기술 없이는 인류가 추진하고 있는 기후변화 대응 목표 달성이 가능하지 않을 것이라고 강조했다.
대기 중으로 방출되는 탄소를 줄이는 방법은 탄소 사용을 줄이거나 방출된 탄소를 포집하는 방법 외에는 없기 때문이다.
시장조사기관 인더스트리아크는 CCUS 시장이 2021년부터 5년간 연평균 29.2% 성장해 2026년 253억달러(약 29조7000억원)에 달할 것으로 예상했다.
IEA가 분류하는 CCUS 역할은 크게 4가지로 요약되고 있다.
CCUS 기술은 화석연료를 기반으로 하는 발전소와 산업 플랜트 등의 이산화탄소 배출량 저감을 돕고, 철강․시멘트․화학산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 줄이는 데 활용할 수 있으며, 저탄소 청정수소 생산에 기여하고, 마지막으로 대기 중에 배출된 이산화탄소를 직접 제거할 수 있다.
화학연구원․KIST 중심으로 개발․실증 활발
CCUS 기술을 확보하면 탄소 배출량 감축에 숨통이 트일 수 있으나 CCUS 기술 구현은 쉽지 않아 연구개발이 요구되고 있다.
국내에서는 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원(KIST), 한국화학연구원 등이 CCUS 기술 연구를 적극화하고 있고 일부는 기술 이전, 실증을 진행하고 있는 것으로 파악되고 있다.
CCUS 기술을 효율적으로 사용하기 위해서는 낮은 코스트로 이산화탄소를 더 많이 포집하는 작업이 중요하며, 에너지기술연구원 온실가스연구실 윤여일 박사 연구진이 개발한 이산화탄소 포집 기술 키어솔(KIERSOL)은 톤당 27달러 이하로 이산화탄소를 90% 이상 회수할 수 있는 것으로 알려졌다.
키어솔은 이산화탄소 포집 기술 중 처음으로 저탄소녹색성장기본법에 근거한 녹색기술 인증을 획득했고, 현재 SK머티리얼즈가 이전받아 상용화를 준비하고 있다.
KIST 민병권 국가기반기술연구본부장과 황윤정 박사팀, 서울대 재료공학부 남기태 교수 연구팀은 이산화탄소를 세척제, 향료에 쓰이는 포름산으로 변환하는 CCU 기술을 개발했다.
촉매에 환원·산화 반응을 주기적으로 교차해 유도하는 2단계 전기분해법을 고안했고, 전기분해법을 사용하면 포름산으로 변환하는 과정에서 발생한 일산화탄소가 촉매의 성능을 떨어뜨리는 문제를 해결했다.
한국화학연구원 차세대탄소자원화연구단 전기원 박사 연구팀은 이산화탄소를 나프타(Naphtha)로 직접 전환하는 연구에 성공해 하루 5kg의 합성 나프타를 생산할 수 있는 실증설비를 구축해 운영하고 있다. 낮은 온도에서 이산화탄소를 쉽게 반응시키면서도 부산물을 적게 만들며 나프타를 생산할 수 있는 것으로 파악된다.
한국지질자원연구원의 탄소광물플래그십 사업단은 이산화탄소를 이용한 차수성 시멘트 생산기술을 개발했다. 차수성 시멘트는 일반 시멘트보다 굳는 시간이 짧고 수축성이 적으며, 복합 탄산염과 차수성 시멘트를 활용해 폐광산 채움재 등으로 활용하는 실증 연구를 진행하고 있다.
SK이노베이션은 2021년 5월 한국석유공사의 동해 가스전을 활용한 국내 CCS 사업에 관한 국책과제 협약을 체결했고, 2022년 6월부터 천연가스 생산이 종료된 동해 가스전을 탄소 저장소로 활용할 계획이다.
롯데케미칼은 2030년부터 청정수소 60만톤을 생산할 계획 아래 탄소 포집설비를 여수1공장에 설치해 실증 연구를 진행하고 있고, 현대오일뱅크는 DL이앤씨와 정유 부산물인 탈황석고, 이산화탄소를 활용해 건축자재를 생산하는 CCUS 설비를 구축할 계획이다.
SK그룹의 수소사업 계열사 SK E&S는 오스트레일리아 바로사 칼디타 가스전에서 액화천연가스(LNG)를 생산하고 생산과정에서 나온 이산화탄소를 포집해 인근 폐가스전에 저장함으로써 저탄소 친환경 LNG를 생산하고, 국내 LNG 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 제거함으로써 친환경 발전을 시도할 계획이다.
미국․일본, CCS용 이산화탄소 포집기술 선도
이산화탄소 포집 기술은 아민액을 이용하는 화학흡수법, 압력 차이를 이용하는 물리흡수법, 선택적으로 투과시키는 막분리법 등이 있으며 폐가스에 함유된 이산화탄소의 농도·압력에 따라 다양한 흡수공법 연구가 진행되고 있다.
상용화된 CCS용 이산화탄소 포집설비는 미츠비시중공업(MHI: Mitsubishi Heavy Industries)이 세계시장의 70% 이상을 점유하는 등 일본기업들이 두각을 나타내고 있다.
최근 탄소중립 목표 연도인 2050년에도 화석연료를 일정수준 이용할 것으로 예측됨에 따라 DAC와 CCS를 조합해 공기 중의 이산화탄소를 줄이는 역배출(Negative Emission) 기술이 필요하다는 의견이 부상하고 있다.
일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)는 2020년 8월 문샷(Moon Shot)형 R&D 사업에서 DAC에 관한 기술개발 프로젝트 7건을 채택했다.
이산화탄소 포집기술 개발에서 중추적인 역할을 담당하고 있는 지구환경산업기술연구기구(RITE)는 가나자와(Kanazawa)대학과 공동으로 프로젝트를 추진하고 있으며, RITE의 고체 흡수소재, 가나자와대학의 허니컴로터를 이용해 이산화탄소를 포집하고 최종적으로는 FT 합성연료유의 원료로 투입할 계획이다.
그러나 이산화탄소는 공기 중 함량이 0.04%에 불과해 포집효율이 좋지 않으며 회수할 때 발생하는 이산화탄소를 포집량 이하로 줄이기 어려운 문제점이 나타나고 있다.
미국에서는 에너지성이 DAC에 관한 연구 프로그램을 26건 진행하고 있으며, 민간기업들이 발 빠르게 움직이고 있다.
캐나다 카본엔지니어링(Carbon Engineering)은 2024년 세계 최초로 100만톤에 달하는 DAC 플랜트를 미국 텍사스에서 가동하는 등 대규모 프로젝트 2건을 추진하고 있으며, 세계 최초로 DAC 플랜트를 상용화한 스위스 클라임웍스(Climeworks)는 2021년 9월 아이슬란드에서 세계 최대인 2000톤 설비를 가동했다.
미국 글로벌서모스탯(Global Thermostat)은 칠레에서 유닛당 2000톤인 DAC 플랜트를 순차적으로 증설하고 있다. 엑손모빌(ExxonMobil)이 지원하고 있으며 포집한 이산화탄소는 MTG(Methanol to Gasoline) 프로세스 원료로 투입하고 2026년 합성 액체연료 5억5000만리터를 생산할 계획이다.
DAC 관련 프로젝트는 대부분 에너지, 플랜트 분야의 메이저들이 협력하고 있어 실현성이 높은 것으로 평가된다.
MHI, 2030년까지 3조원대 신규사업 창출
일본에서는 미츠비시중공업이 CCUS 사업에 가장 적극적으로 나서고 았다.
미츠비시중공업은 최근 이산화탄소를 포집하는 Contain, 포집한 이산화탄소를 운반하는 Connect, 이산화탄소를 이용하는 Convert 등 3개 영역에서 사업을 개발․추진할 계획이라고 발표했다.
2030년까지 이산화탄소 포집능력 기준 글로벌 시장점유율 1위를 유지하며 매출액을 1조5000억원 이상으로 확대하고 액화 이산화탄소 수송선(LCO2선) 실용화, 이산화탄소 유통 플랫폼 구축도 추진한다.
환경부하가 적은 에너지로 전환하기 위한 에너지 트랜지션을 추진하고 있으며 2030년까지 수소‧암모니아 에너지와 CCUS를 중심으로 그룹 전체에서 3조원대에 달하는 신규사업을 창출하는 것을 목표로 하고 있다.
미츠비시중공업은 이산화탄소 포집기술 KM‧CDR 프로세스를 30년 넘는 기간 동안 13개 공장에 적용했고 세계 시장의 70% 이상을 장악하고 있다.
석탄‧바이오매스‧가스 등 화력발전 뿐만 아니라 LNG 액화, 화학공장 등에서 채용실적을 거두었으며 더욱 다양한 배출원에 대응하기 위해 난이도가 높은 시멘트‧제철‧선박에서의 포집도 실증을 추진하고 있고 가스 엔진, 폐기물 소각설비 포집도 개발하고 있다.
미츠비시중공업은 이산화탄소 포집 사업이 에너지 트랜지션 수행에서 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있으며 심화되는 경쟁 속에서도 시장점유율 30%대를 유지하는 것을 목표로 설정하고 있다.
Connect 분야에서는 이산화탄소 밸류체인을 구축하기 위해 이산화탄소 수송선, 저장설비, 압축기 등 주요 요소들을 공급할 방침이다.
일본 IBM과 이산화탄소를 유가물로 활용하는 디지털 플랫폼인 Connex 구축을 위해 협업하고 있고 다른 관련기업과도 협력하면서 국내외에서 실증을 추진한다.
이산화탄소 이용 기술은 비료 원료로 실용화한 바 있으며 합성연료 개발 실증을 추진하고 있다.
미래기술 실증 및 실용화를 위해서는 개량형 이산화탄소 흡수액 실증이 종료되는 대로 실용화할 계획이며 선박에 탑재하는 모듈러형 이산화탄소 포집장치는 2023년 실용화를 목표로 하고 있다.
LCO2선은 프랑스 토탈(Total)과 사업화를 검토하고 있으며 프랑스 수에즈(Suez)와는 이산화탄소 포집 및 거래, 저류‧전환 이용 등을 실시하는 테크놀로지 프로바이더 사업모델 구축에서 협력하고 있다.
인도네시아, CCUS 집적지로 부상
인도네시아는 산유국이지만 2020년 이후 원유 생산량이 감소하고 있어 CCUS 기술 활용에 대한 관심이 높아지고 있다.
원유 생산량을 유지․확대하기 위해 이산화탄소 압입에 따른 증진회수(EOR) 도입을 확대하고 있고, 고갈된 유전은 이산화탄소를 저장하는 공간으로 활용할 방침이다.
인도네시아 정부도 온실가스 감축이 가능한 CCS 기술에 기대를 걸고 있다.
파리협정에 따라 유엔(UN)에 제출한 2050년 장기계획에서 전력원의 38%를 석탄화력발전으로 충당하지만 76%는 CCS로 탈탄소화할 예정이라고 밝혔다. 8%는 CCS 기능이 있는 바이오연료 발전으로 전환해 네거티브 에미션을 달성하겠다는 목표를 설정하고 있다.
인도네시아는 일본기업들과 공동으로 CCUS 활용을 추진하고 있다.
미츠비시상사(Mitsubishi Corporation)는 일본 석유천연가스‧금속광물자원기구(JOGMEC)와 함께 2021년 3월 청정 암모니아(Ammonia) 연료 생산을 위한 CCS 공동 조사에 합의했다.
6월에는 석유자원개발(JAPEX: Japan Petroleum Exploration)이, 9월에는 JGC와 전원개발(J-POWER)이 각각 스코와티 유전과 군디 가스전에서 크레딧(JCM)을 활용하는 CCUS 프로젝트의 타당성 조사를 결정했다.
JOGMEC는 미츠비시상사가 출자한 인도네시아 암모니아 생산기업 PAU(Panca Amara Utama) 및 국립 반든공과대학 등과 청정 암모니아 연료 생산을 위한 CCS 공동 조사를 추진하고 있다. 
5년 동안 PAU의 비료‧화학 원료용 암모니아 공장을 전환해 제조공정에서 발생한 이산화탄소를 CCS 처리하고 청정 암모니아 연료를 생산할 계획이다.
JAPEX는 국영 에너지기업 페르타미나(Pertamina) 그룹, 인도네시아 석유가스기술연구개발센터 등과 함께 동자바(East Java)의 스코와티 유전에서 JCM을 활용한 CCUS 프로젝트의 사업 타당성을 조사하기로 합의했다.
페르타미나의 자회사가 가동하고 있는 스코와티 유전 인근 가스전에서 배출되는 이산화탄소를 초임계 파이프라인을 통한 수송, 유층에 대한 압입 및 저류 관련 실증실험을 추진할 예정이다.
JGC 그룹의 에너지‧환경 컨설팅기업인 일본 NUS, JGC Global, J-POWER 등은 중부 자바의 군디 가스전에서 천연가스 생산 중 분리된 이산화탄소를 인근 압입정까지 파이프라인으로 수송하고 지하에 압입하는 CCS 실증 프로젝트의 타당성 조사를 시작했고, 2022년 2월부터 설계․건설을 거쳐 2025년 이산화탄소 압입, 모니터링을 시작한다.
다만, 인도네시아는 CCUS 기술 도입에서 선행하고 있는 북미나 북해 연안보다 지질구조가 복잡해 해결해야 할 과제가 많은 것으로 알려졌다.
엑손모빌, 인도네시아‧말레이에서 CCS 본격화
엑손모빌은 2021년 11월 인도네시아 페르타미나와 CCS를 비롯한 대규모 저탄소 기술 도입 가능성을 평가하기 위해 MOU를 체결했다.
CCS 개발에는 채굴, 지층과 관련된 석유‧가스 개발 경험이 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
엑손모빌은 글로벌 저장능력의 약 20%를 확보하고 있으며 이산화탄소 회수량의 40%를 차지하고 있어 CCS 사업을 새로운 성장동력으로 육성하고 있다.
인도네시아 정부도 2060년 탄소중립 달성 목표를 추진하고 있으나 석탄을 사용하지 않으면 에너지 수요를 감당할 수 없을 것으로 판단해 2050년 에너지원에서 재생에너지가 차지하는 비중을 43%로 끌어올리고 석탄을 38%로 계속 유지하겠다는 내용을 담은 장기계획을 2021년 7월 유엔(UN)에 제출했다.
석탄화력발전소는 78%에 CCS를 도입해 탈탄소화를 추진할 방침이다.
인도네시아는 CCS 개발 잠재력이 높은 것으로 평가되고 있다.
산유국으로 자리 잡고 있으나 원유 생산량이 20년 이상 감소세를 계속하고 있어 이산화탄소 압입에 따른 석유회수증진(EOR) 기회가 확대되고 고갈된 유전은 이산화탄소를 저장하는 공간으로 활용할 수 있기 때문이다.
페르타미나는 일본기업과 제휴해 CCS를 개발하고 있다.
국립 반둥(Bandung)공과대학교와 일본 JGC의 Japan NUS, JGC Global, Electric Power Development가 공동으로 동남아시아 최초의 CCS 실증 프로젝트를 시작하기 위해 사업타당성 조사(FS)를 진행하고 있다.
중부 자바(Java) 소재 Gundih 가스전의 천연가스 생산과정에서 분리된 이산화탄소를 파이프라인으로 운반해 지하에 압입하며, 2022년 2월까지 결론을 도출한 후 설계, 건설을 거쳐 2025년 압입 및 모니터링을 시작할 계획이다.
2018년에는 JX Nippon Oil & Gas Exploration, JOGMEC와 CO2-EOR 공동조사를 위한 MOU를 체결했다.
동자바(East Java) 소재 유전에서는 인근 가스전에서 배출되는 이산화탄소의 초임계 파이프라인에 따른 운반, 유층에 대한 압입 및 저장에 관한 실증시험을 위한 타당성 조사를 시작했다.
인도네시아 석유가스기술개발센터(LEMIGAS), JAPEX와 공동 진행하고 있으며 Gundih 가스전 프로젝트와 마찬가지로 일본 정부가 지원하고 있다.
말레이지아 페트로나스(Petronas)는 2020년 10월 아시아 에너지 개발 메이저 가운데 처음으로 2050년 탄소중립 목표를 발표했다.
말레이지아도 석유‧가스 생산국으로 이산화탄소 저장공간이 풍부한 것으로 파악되고 있다.
페트로나스는 말레이지아 천연가스 생산량이 서서히 정점에 도달하자 이산화탄소 농도가 높아 개발이 이루어지지 않던 가스전 개발에 CCS를 적용하기 위해 2020년 JX Nippon Oil & Gas Exploration,, JOGMEC와 개발 가능성을 공동으로 조사하는 계약을 체결했다.
PTTGC, 타이만 가스전에서 CCS 모색
타이도 CCS에 관심을 보이기 시작했다.
국영 석유기업 PTT 산하에 있는 화학기업 PTT Global Chemical(PTTGC)은 2021년 10월 CCS를 포함한 새로운 온실가스 배출 감축 대책을 발표했고, 경쟁기업 Siam Cement Group(SCG)도 2021년 들어 기후변화에 대한 대책에서 선행투자가 필요한 신기술에 CCUS를 포함시켰다.
모두 2050년 탄소중립을 목표로 하고 있으며 화학과 함께 PTTGC는 석유정제, SCG는 시멘트 사업을 운영하고 있어 사회적 책임을 다하기 위해 노력하고 있다.
특히, PTTGC는 CCS에 주력하고 있다.
PTTGC는 이산화탄소 배출량을 플랜트 효율화, 재생에너지 이용 등에 따라 100만톤, 저탄소제품 확충에 따라 330만톤 감축할 계획이며 CCS에 따른 감축은 무려 630만톤을 목표로 하고 있다.
다만, 생산활동에 따른 배출량 감축과 포트폴리오 변경에 따른 효과는 일정한 속도로 진행되나 CCUS에 따른 감축은 2040년 이후 급속도로 가속화될 방침이다.
PTTGC는 CCUS 기술 개발, 생산설비 및 프로세스 저탄소화와 관련해 총 50억달러에 달하는 예산을 확보하고 있다.
CCS는 저장공간 유무도 중요한 것으로 파악되고 있다.
연안지역인 라용(Rayong)에 생산체제를 구축하고 있는 PTTGC는 타이만과 같은 바닷속 지층에 대한 저장이 가장 적합한 것으로 판단하고 있다.
CCS는 사암 등으로 이루어져 빈틈이 많은 저장층에 이산화탄소를 압입하며 저장층 상부에 뚜껑과 같은 역할을 하는 이암 등으로 형성된 차폐층이 있어야 하는 것으로 파악되고 있다.
유층 및 가스층도 동일한 지질적인 특징을 보유하고 있어 고갈이 머지않은 유전 및 가스전에 이산화탄소를 압입하는 CCS가 있으며 일반적인 기술로는 채취할 수 없는 원유에 유동성을 부여해 산출량을 늘리는 EOR 기술로 40-50년의 역사를 보유하고 있다.
PTTGC는 가스전이 있는 타이만에 이산화탄소 저장이 가능할 것으로 판단하고 있으며 실현을 위해서는 이산화탄소 압입을 고려한 조사를 진행할 필요가 있는 것으로 인식하고 있다.
CCS 기술은 이미 실용화하고 있는 유럽과 미국이 리드하고 있으나 이산화탄소 분리‧회수는 일본기업이 기술적인 우위성을 보유하고 있어 합작형태로 해외 프로젝트 수주를 추진하고 있는 것으로 알려졌다.
타이 정부는 현행 경제정책인 BCG(Bio‧Circular‧Green) 모델에 이산화탄소 흡수원 항목을 포함했으며 일본 정부와 저탄소 성장 파트너십에 관한 크레딧을 체결했다.
일본은 타이 정부의 탄소중립 정책을 지원하며 저탄소 분야에서 협력관계를 맺고 있어 타이에서 CCS가 실용화됨으로써 비즈니스 기회가 확대될 것으로 기대하고 있다.
일본, 저장시설 이용 목표로 동남아와 협력
일본은 2021년 10월 국무회의에서 결정한 제6차 에너지 기본계획에서 2030년 에너지원의 화석연료 비중을 약 20%로 설정하고 화석자원 안정조달에 계속 힘을 기울일 방침이다.
내부적으로 CCS를 모색하고 있으며 국가적인 차원에서 조사를 진행한 결과 이산화탄소 저장 잠재력이 약 1460억톤에 달하는 것으로 파악하고 있으나 이산화탄소 발생지역과 저장 후보지의 거리가 멀 뿐만 아니라 지질과 관련된 데이터 등이 충분하지 않아 100% 활용하기는 어려울 것으로 판단하고 있다.
이에 따라 동남아시아 저장능력을 주목하고 있다. 인도네시아, 타이는 유전 및 가스전 저장능력만 수억-수십억톤에 달하는 것으로 추정되기 때문이다.
일본 정부는 2021년 6월 동남아 국가, 인디아 등과 함께 CCUS 네트워크를 가동하기 시작했다.
유전, 가스전을 보유하고 이산화탄소 배출량 감축에 CCS를 활용하기를 원하는 국가를 대상으로 홋카이도(Hokkaido)의 도마코마이(Tomakomai)에서 진행한 실증 프로젝트의 기술적인 성과를 공유하는 역할을 담당하고 있으나 장기적으로는 각국의 이산화탄소 저장공간을 이용하기 위한 전략으로 파악된다.
CCS는 10억달러에 육박하는 막대한 비용이 소요되며 석유‧가스 개발과 같은 리스크도 상당해 일본기업이 단독으로 실행하기는 어려워 석유‧가스 개발과 마찬가지로 석유 메이저, 국영 석유기업과 공동 프로젝트를 추진하는 방안을 검토하고 있다.
미국도 오스트레일리아와 함께 아시아 CCUS 네트워크에 참여하고 있고, 일본은 CCUS 네트워크가 서플라이체인의 허브로 자리 잡기를 희망하며 이산화탄소 운반기술을 개발하고 있다. 장기적으로는 선박을 이용한 장거리 수송을 위해 LNG와 같이 이산화탄소를 액화해 운반하는 기술을 개발할 방침이다.
이산화탄소는 LNG보다 낮은 온도‧압력에서 취급할 수 있어 대용량 수송을 가능케 하는 기술 개발이 요구되고 있다.
일본 경제산업성도 CCS 관련 대책을 본격화하고 있다.
2021년 9월에는 CCS 관련 업무를 산업기술환경국 환경대책실에서 자원에너지청 자원‧연료부 석유‧천연가스과로 이관했고 앞으로 CCS 연구개발‧실증 단계에서 사업화 단계 전환을 가속화할 방침이다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
