이산화탄소 저장 및 활용해 부가가치 창출  SK E&S가 이산화탄소 포집ㆍ활용ㆍ저장(CCUS) 기술을 적용해 개발하기로 한 호주 바로사 가스전 전경. SK E&S 제공 전 세계가 당면한 기후위기를 극복하기 위해 '탄소중립'을 선언하면서 온실가스 감축에 나섰다. 윤석열 정부도 2030년 온실가스 감축목표(NDC) 40%를 유지하면서 국정 과제에 '과학적인 탄소중립 이행방안 마련으로 녹색경제 전환'이나 '에너지안보 확립과 에너지 신산업·신시장 진출' 등을 반영해 구체적 방안을 찾고 있다. 하지만 지금까지 의존했던 화석연료의 대안으로 여겨지는 풍력이나 태양광, 수소 등의 신(新) 재생에너지 분야에서의 기술 개발이 예상 밖으로 더딘 상태다. 화석연료를 기반으로 하는 우리 산업계의 고탄소 에너지 경제 구조를 재생에너지 기반 저탄소 경제로 완전히 바꾸기까지 상당한 시간이 걸린다는 얘기다. 이런 과도기 상황에서 탄소중립을 꾸준히 추진해갈 수 있는 현실적 대안으로 산업계에선 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS·Carbon Capture Utilization and Storage)이 효과적이라는 판단이 나왔다. 신재생에너지 기술이 비약적으로 발전하기까지는 CCUS 기술을 활용해 온실가스를 줄이면서 시간을 벌 수 있다는 것이다. 탄소중립 과도기 대안으로 떠올라CCUS는 발전 및 산업체 등 화석연료를 사용하면서 발생하는 이산화탄소를 포집한 후 안전하게 육상 또는 해양지중에 저장하거나 화학소재 등 유용한 물질로 활용하는 기술을 말한다. 석탄 발전 등 화석연료의 연소공정 및 시멘트, 철강, 석유화학 등 어쩔 수 없이 이산화탄소를 배출하는 업종에는 거의 유일한 대량 감축 수단이라고 산업계에선 주장한다. CCUS 기술은 크게 ①포집→②수송→③저장(CCS)→④활용(CCU)의 4단계로 구성된다. ①포집은 이산화탄소만 선택적으로 회수하는 과정으로 포집 시기에 따라 연소 전과 연소 후 포집으로, 방식에 따라 습식 및 건식 공정으로 나뉜다. 연소 전 포집은 연소 전의 화석연료에서 탄소 성분을 산소와 반응시켜 합성가스를 생산한 뒤 소수와 이산화탄소로 분리·포집하고, 연소 후 포집은 화석연료 연소 후 생긴 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수제를 이용해 선택적으로 모으는 기술이다. 습식 공정은 염기성 액체 흡수제를 이산화탄소와 반응시켜 기체 내 포함된 이산화탄소를 액체로 분리해내는 기술로, 현재 가장 발달해 있다. 건식 포집은 건식 고체 흡착제를 이용한다. ②이렇게 모은 이산화탄소는 압축돼 차량이나 철도 및 선박, 혹은 파이프라인을 통해 저장소로 운반된다. ③CCS는 포집된 이산화탄소를 버려진 석유가스전이나 대염수층 등 육상·해양 보관소에 주입·저장하는 기술을 말한다. 오랜 기간 새지 않도록 안정적으로 보관하는 것이 핵심이다. 이산화탄소가 지하 800m로 내려가면 지표에 있을 때보다 부피가 0.3% 압축되는 점을 활용한 것이다. ④CCU는 모아 둔 이산화탄소를 그대로 활용하거나 별도 과정을 거쳐 새로운 물질로 전환해 사용하는 걸 말한다. 원유를 채굴할 때 처음보다 압력이 떨어져 채굴량이 줄어들면 물이나 가스를 주입해 생산량을 늘리는 석유회수증진(EOR·Enhanced Oil Recovery)처럼 있는 그대로 사용하는 방식이 있는가 하면, 화학적 전환이나 광물 탄산화 등을 거쳐 연료나 기초화학제품, 탄산염 형태로 전환하기도 한다. 또 식물의 광합성을 이용해 바이오 연료·소재 등으로 제품화하는 방식도 있다. CCS에 비해 기술적 성숙도가 낮지만 이산화탄소를 직접 자원으로 활용해 부가 수익을 창출할 수 있어 기술 개발에 속도가 붙고 있는 상태다. 이산화탄소 포집ㆍ활용ㆍ저장(CCUS) 개념도 천연가스 채굴 과정서부터 활용돼산업계에선 진작 이산화탄소를 활용해왔다. 천연가스 채굴 과정에서 불순물인 이산화탄소를 제거하는 기술은 1930년 이전부터 상용화했고, 원유 생산 효율을 높이는 석유회수증진(EOR) 기술 역시 미국 정유업계에서 1970년대부터 도입해 쓰고 있다. 글로벌 CCS 연구소에 따르면 2021년 9월 기준 상업 운영 중인 CCS 프로젝트는 27개로, 총 이산화탄소 처리 용량은 연간 약 3,600만 톤에 달한다. 현재 전 세계에서 개발 진행 중인 CCS 프로젝트는 106개(연 1억1,000만 톤 규모)에 이른다. 다만, 아직까지는 주로 북미·유럽에서 이뤄지고 있다. 북미 지역에선 2020년 말 기준 연간 약 2,500만 톤 이상의 이산화탄소를 제거할 수 있는 18개의 CCS 프로젝트가 가동 중이고, 2030년까지 19개 프로젝트가 추가될 전망이다. 유럽에선 2020년 말 기준 노르웨이 2개 지역(연간 약 170만 톤 규모)에서 상업 운영 중이며, 2030년까지 영국, 아일랜드 등이 뛰어들어 총 11개 프로젝트(연간 2,670만 톤 규모)가 돌아갈 것으로 관측된다. 국내선 실증 단계... SK E&S, 한화 등 활용 계획국내에선 아직 상업 운영 중인 CCS 프로젝트는 없다. 다만, 포집의 경우 주로 석탄을 연료로 한 화력발전에서 생기는 이산화탄소를 포집하는 실증을 하고 있다. 공주대 예산캠퍼스에 해양 이산화탄소 저장 환경을 그대로 구현한 'CCS 저장 실증 테스트베드'를 설치해 실증 중이다. 업계에선 ①SK E&S가 CCS 기술을 LNG 및 수소사업에 접목하려고 시도 중이다. 호주 바로사 가스전에 CCS기술을 적용, 저탄소 LNG를 생산하고 2025년부터 20년 동안 연 평균 약 100만 톤을 국내 도입해 블루수소 생산 등에 사용하겠다는 계획이다. ②한화솔루션은 여수 산단에서 합성가스 생산시설에 CCU 기술을 적용한 합성가스 생산공장의 상업 생산을 시작했다. ③포스코는 CCUS나 수소환원제철 같은 기술을 개발해 2040년까지 탄소배출량을 50% 감축하겠다는 계획을 내놓았다. ④삼성엔지니어링 역시 지난해 6월 미국의 에너지 기술 기업인 베이커 휴즈와 CCUS 및 수소 사업 협력을 위한 업무협약을 체결·협업하고 있다. 하지만, CCUS 기술을 곱지 않게 여기는 시선도 있다. 일부 환경단체들은 CCUS 기술을 활용해 탄소중립에 동참하겠다는 기업들에 대해 '그린워싱'(위장환경주의)이라고 비판한다. 현실적으로 CCUS 기술로는 온실가스 감축에 큰 도움이 되지 않는다는 주장이다. 한 업계 관계자는 "세계적 탈탄소 흐름에 적극적으로 동참하기 위해 CCUS 기술 개발 등 다양한 방법을 찾고 있다"면서 "'첫술부터 배부를 수 없다'는 말처럼 조금만 지켜봐달라"고 말했다. 안아람 기자 세상을 보는 균형, 한국일보 Copyright © Hankookilbo 당신이 관심 있을만한 이슈이제 이산화탄소 감축의 핵심 기술로 각광받기 시작한 CCUS 기술에 대해서 알아볼 차례인데 CCS = Carbon Caputure and Storage (저장)or Sequetration (제거) IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 에서는 '이산화탄소 포집, 압축 및 수송 후 지중 또는 해양 퇴적 암반층에 안전하게 저장하고 모니터링 하는 기술'을 CCS기술로 정의하고 있습니다 - CCS는 탄소를 안정적으로 오랫동안 저장할 수 있는 입지요건을 찾기 까다롭다는 문제가 단점으로 지적됩니다 - 이산화탄소를 지중 저장 하기 위해서는 충분한 깊이, 충분한 공극률, 그리고 충분한 투과성을 만족해야 하고 저장 지층의 상부에는 이산화탄소의 이동을 억제할 수 있는 저투과성의 지층이 또한 위치해야만 합니다 --> 1차적으로는 채굴이 끝난 유전이나 가스전이 대상 지층으로 고려됩니다 그렇다면 CCU는 뭐냐.. 이건 뒤에서도 살펴 보겠지만 Storage가 불가능한 즉 저장이 용이하지 않기 때문에 나온 개념인데.. 위에서 말한 이상적인 지형적 요건을 충족하는 곳이 부족하기 때문에 저장 대신에 Utilization 즉 활용하는 기술이 CCU (=Carbon Capture and Utilization) 입니다 - 포집한 CO2를 굳이 다시 운송해 저장할 필요가 없이 바로 활용해 버리면 입지조건 제약으로부터 자유롭고 - 대규모 저장소도 필요가 없고 운송, 저장 비용이 절감된다는 장점 - 전환 및 재활용 과정을 통해 자원화한 관련 제품들로부터 경제적 이익이 발생한다는 장점이 있습니다 그리고 CCUS는 이 CCS와 CCU를 모두 포함하면서 여기에 자원화 기술까지 포함하는 개념인 듯 합니다 IEA에서도 이들 용어가 혼용되다 보니 이렇게 따로 정의를 해주고 있습니다
CCS --> 이산화탄소 포집 후 영구 저장하는 개념 CCU --> 이산화탄소 포집 후 직접 활용 하던지 화학적/생물학적 전환을 통해 다른 고부가 물질로 전환 및 활용하는 기술 CCUS --> CCS + CCU + 여기에 뒤에 설명하겠지만 포집한 이산화탄소를 사용하거나 저장하는 EOR이나 자원화하는 것까지 모두 포함하는 개념 한편 IPCC에서는 CCS 기술 중에서도 NET (Negative Emission Technology, 배출 흡수 기술)을 6가지로 규정하고 있는데 여기서 단순히 Carbon Capture & Storage (CCS) 기술 그 자체는 제외시켰습니다 CCS자체만으로는 단순히 이산화탄소를 포집해서 어딘가에 저장해 둔 것일 뿐 실제로 CO2가 사라진 것은 아니기 때문입니다
대신에 NET로 인정하는 Bioenergy production with CCS (BECCS)와 Direct capture of CO2 with CCS (DACCS)에서 CCS가 critical한 요소인 것은 당연합니다
IPCC에서 NET로 인정하는 BECCS와 DACCS만 좀 더 살펴 보면 Bioenergy + CCS (BECCS): Bioenergy 즉 바이오 연료를 통해 에너지를 얻고 여기서 나오는 이산화탄소를 포집, 저장하는 것입니다
쉽게 말해 농사 지으면서 농작물이 광합성 하면서 대기 중의 이산화탄소 흡수하기 때문에 그 자체로 CO2가 줄어드는 셈이고 농작물이 다 자라면 에탄올이나 우드 연료 형태 등으로 에너지원으로 활용한 뒤 여기서 나온 이산화탄소는 저장해 버리니 배출되는 이산화탄소가 Zero 내지는 (-) 가 되는 개념입니다 그러나 이 방법은 식량 목적으로 농작물을 재배할 수가 없고 오로지 바이오에너지원으로 사용해야 하기 때문에 현재 농작이 이뤄지는 지역을 제외한 곳에 엄청난 면적의 새로운 농작물을 키워야 하는 현실적 한계가 있습니다 Direct Air Capture with CCS (DACCS): 말 그대로 대기 중에서 이산화탄소를 직접 포집하는 기술이므로 BECCS보다 이론적으로는 더 좋은 기술입니다
기본 개념은 저런 대형 fan을 이용해서 일반 대기를 빨아들여 그 중에서 CO2를 포집하는 것으로 이미 배출되어 누적되어 있는 CO2를 제거할 수 있는 이상적인 기술인데.. 일반 대기 중에 CO2 농도가 불과 0.04% 밖에 되지를 않기 때문에 현실적으로 해결해야 하는 문제들이 많습니다 다시 그러면 CCU로 돌아와서
조금 더 세분화해서 CCU는 다시 Conversion type과 Non-conversion type으로 나뉘는데
1) Conversion: 포집된 이산화탄소를 화학적 혹은 생물할적 전환 과정을 거쳐 유용한 자원 물질이나 제품으로 전환, 자원화 하는 기술로 고부가가치를 창출할 수 있는 분야입니다
2) Non-conversion: 포집한 이산화탄소를 별도의 전환 없이 그대로 사용하는 분야로 - 작물 수확량 향상 (온실이나 요소, 비료), 용제 활용 (석유 회수량 향상, 카페인 제거, 드라이클리닝), 냉장 및 냉장을 위한 열전달 유체, 식음료 생산 (탄산음료 업체), 의료용 등에 활용하는 방법과 - 화석연료의 회수를 증진시키는 기술에 활용하는 것으로 뒤에 설명할 EOR, ECBM, EGR 등이 대표적이고 현재 가장 보편적으로 운영중인 방식이기도 합니다 이산화탄소 관련 제품 시장은 2019년 기준으로 2억 3,000만 톤에 달하고 가장 큰 시장은 비료 시장으로 연간 130만 톤이 사용되고 다음으로 석유 회수 증진 분야에 7~80만 톤이 사용되고 있다고 합니다 CCUS는 크게 포집 - 압축 및 액화 - 운송 - 저장 (CCS) 또는 활용 (CCU) 단계로 구분합니다
1) 포집 공정: - 철강, 시멘트, 화석연료 발전소 등에서 발생한 가스나 일반 대기 중에서 이산화탄소를 분리하는 과정 - 전체 비용의 7~80%를 차지할 만큼 핵심 공정인만큼 가장 핵심 기술 2) 압축 및 액화 공정; 포집된 이산화탄소를 액화 또는 고밀도화 시키는 공정 3) 운송: 액화 또는 고밀도 상태의 이산화탄소를 파이프라인이나 선박 등을 통해 저장소까지 운송 4) 저장 또는 활용 (재이용) - 저장에는 지중저장 (암반층이나 퇴적층에 영구히 저장)과 해양 저장 (수심 2,500 m 이하의 심해 수중 또는 해저에 저장) 방법이 있고 특히 지중저장 방법은 비용이 많이 소모되지 않아 주로 사용되고 있습니다 - 활용: 포집한 이산화탄소를 활용하여 고부가 가치의 유용 자원 물질로 전환 이미 각국에서 화석 연료 사용을 규제하고 내연기관차를 퇴출시키고 신재생에너지 비중을 높이는 등 CO2 배출량을 감축하기 위한 노력을 부단히 기울이는데 여기에 굳이 또 CCUS까지 나온 배경은 무엇이냐..
출처: 2017 IEA 'Energy Technology Perspectives' 국제에너지기구 IEA의 2017년 보고서에서는 파리기후협약의 1.5도 목표를 달성하기 위해서는 CCUS가 목표량의 14%를 담당해야 할 것으로 제시했고 이는 단일 기술로는 가장 높은 감축 기여도 수준입니다 2018년에는 IPCC에서 다시금 레포트가 나오는데 기후목표를 1.5도로 하느냐 2도로 하느냐에 따라 얼만큼 차이가 나는지를 연구해 내놓았고
쉽게 말해 목표치를 2도로 했다가는 지구가 멸망한다.... 1.5도 목표를 반드시 달성해야만 한다!!!! 문제는 이 목표를 달성하기 위해서는 물론 신재생에너지, 수소에너지, CCS 등도 필요한 것은 당연한 얘기지만Nuclear energy 즉 원자력 발전 비중을 크게 늘려야 한다는 것과 같은 이해상충이 되는 방법들이 담겨 있었고
그래서 다시 1.5도 목표를 달성하기 위해 보다 현실적인 방안을 담은 Net Zero by 2050이 IEA에서 나오게 됩니다 한데 IEA에서는 2050년에 Net Zero Emission에 도달하더라도 여전히 화석연료 사용은 0이 될 수 없다고 말합니다
에너지원으로 화석연료를 사용하지 않더라도 non-energy goods, 예를 들면 화학 제품 원료, 윤활유, 파라핀 왁스, 아스팔트 등을 만드는데 여전히 필요하기 때문입니다
따라서 2050년이 되어서도 화석연료가 사용되는 곳의 50%에서는 CCUS가 필수로 붙어야만 한다고 말합니다
또한 2050년이 되어서도 화석 연료 사용량의 20%는 기술적으로 배출 가스 제거가 어려운 분야이고 대표적으로 항공 연료로서 쓰일 원유나 일부 산업과 에너지 생산에 필요한 화석 연료 및 천연가스가 이에 해당합니다
또한 IEA에서는 여전히 탄소 배출량을 감축하기가 어려운 섹터 (예를 들면 시멘트, 화석연료 발전, 비철금속, 철강 등)에서도 수소와 수소 기반 연료, 바이오 에너지, 그리고 CCUS가 핵심적인 역할을 할 수 밖에 없다고 말합니다
출처 : 신한금융투자
결론적으로 IEA에서는 2050년까지 Net Zero Emission으로 가기 위해서는 전체 배출가스 중 연간 7.0 Gt을 CCUS가 처리해야 하고 약 14%의 비중을 책임질 것으로 전망하고 있습니다 또 CCUS를 도입할 수 밖에 없는 이유 중에 하나는 탄소 제로 체제로 완전한 전환을 이루기까지 상당한 시간과 재원이 필요하다는 점입니다
IEA에서는 2050년까지 Net Zero로 가기 위해서 이산화탄소 배출을 저감하는 기술 중에서 태양광 + 풍력 즉 신재생 에너지의 기여도가 가장 높다고 말하고 있습니다 그 다음이 Electric cars 즉 전기차가 되겠고 그 다음이 이제 CCUS 그 뒤로 수소 에너지나 바이오에너지가 뒤따르는데 현재 아무리 신재생에너지를 빠르게 늘리고 있다 하더라도 단시간 내에 전환은 불가능할 뿐더러 신재생에너지의 생산 단가가 여전히 화석 연료나 원자력발전 등에 비해 훨씬 비싼 현실적인 제약들이 존재하기 때문입니다 마지막으로 또 하나의 이유는 현재의 탄소저감 대책들이 결국 배출량을 줄일 수는 있지만 이미 대기중으로 배출된 이산화탄소에 대해서는 해결할 방법이 없는데 이를 직접 포집해 제거할 수 있는 유일한 사후 배출 가스 감축 방안이CCUS라는 점입니다 --> 때문에 CCUS는 반드시 도입될 수 밖에 없는 기술 트렌드입니다 그럼에도 불구하고 탄소 배출 제로를 달성하기 위해서 필요한 CCUS 포집 용량은 최소한 연간 3.6기가톤에 달하는데 현재 전 세계에 운영 중인 포집 용량은 40메가톤에 불과하기 때문에 시장은 개화 단계에 불과한 수준입니다
물론 재생에너지가 주요 발전원이 될 것이기는 하지만 수요 증가율 측면에서는 CCUS가 더 가파를 전망입니다
시장 규모는 2025년 90억 달러 이상으로 커질 것으로 전망됩니다 정리하면 1. 화석연료 사용을 0으로 만들수는 없고 공정 상 탄소 배출 저감에 한계가 있는 업종들이 존재하고 2. 신재생에너지로의 전환은 시간과 비용의 제약으로 탄소제로로 가기 위한 중간다리가 필요하며 3. 현재까지 배출된 CO2는 해결이 불가능한데 이를 직접 포집할 수 있는 방안이 필요한데 이를 위해서는 CCUS의 도입은 선택이 아니라 필수이다!!
CCS/CCU 공정에서 가장 핵심 공정은 탄소를 포집하는 공정이라고 했습니다 왜 탄소 포집이 가장 핵심이고 중요할까... 우선 대기 중에 이산화탄소가 차지하는 비중은 고작 0.04% 입니다 이산화탄소가 밀집?되서 나온다고 할 수 있는 시멘트, 제철소, 화석연료발전소 같은 곳이라고 하더라도 전체 배출되는 배기 가스 내에서 이산화 탄소 비중이 2-30% 수준 밖에 되지를 않습니다 그리고 기본적으로 이산화탄소는 대기 중에 분산되는 성질이 있습니다 때문에 탄소 포집 기술을 통해서 배기가스 중에서 이산화탄소만을 따로 모아야만 1) 처리하는 가스의 양을 최소한으로 줄여서 가스를 압축하는 데 필요한 전력 소비나 비용을 절감하고 2) 또한 가스를 운반하는 비용과 에너지도 절감할 수 있으며 3) 이산화탄소만을 최대한 포집하기 때문에 순도가 높아 다양한 분야에 재활용하기도 편한 장점이 있습니다 포집 공정 기술은 포집을 하는 위치에 따라서 3가지로 구분됩니다 1) 연소 후 포집 (Post-combustion) : 연소 후 배기가스에 포함된 CO2를 흡수제를 이용해 포집하는 기술 --> 기존 화석연료 발전에 적용하기가 용이해 가장 먼저 도입된 방식 2) 연소 전 포집 (Pre-combustion) : 주로 수소 생산에 이용하는 방식 --> 천연가스의 개질반응에 의한 합성가스를 생산한 후 일산화탄소를 수성가스 전이반응을 통해 수소와 이산화탄소로 전환한 후 이산화탄소를 포집하고 동시에 수소도 생산하는 방식 3) 순산소 연소 기술 (Oxy-combustion) : 미리 질소 성분을 배제한 순도 95% 이상의 산소와 재순환된 배기가스를 사용해 미분탄을 연소시켜 이산화탄소와 물이 대부분인 배기가스로 바꾸고 물을 응축해 이산화탄소만 회수하는 기술
그리고 포집을 하는 기술에 따라서도 분류할 수 있는데 습식, 건식, 분리막, 공기 중 포집 기술이 있습니다 1) 습식 포집 기술: 현재 아민 계열의 수용액을 흡수제로 대부분 적용 중입니다 - 습식 말그대로 액체상태의 아민계 흡수제를 사용해 포집하는 기술인데 - 아민계 흡수제는 저온에서는 이산화탄소와 반응해 carbamate 형태로 바뀌고 이를 가열하면 다시 이산화탄소를 배출하는 특성을 갖는 물질입니다 - 탄소가 배출되는 곳에서는 저온 상태에서 이산화탄소를 흡수시킨 다음 운송 장치를 통해 별도의 시설로 보내고 가열을 통해 이산화탄소를 배출시킨 후 처리하고 이 흡수제는 다시 냉각시켜 회수해 재활용하는 방식입니다 - 장점: ①액체 흡수제이므로 흡수속도가 빠르고 흡수율도 높습니다 ②원하는 장소에 이산화탄소를 모을 수 있어 처리나 재활용에 용이합니다 ③사용 후에도 흡수제를 재활용 가능합니다 - 주로 화력발전소, 제철소, 시멘트 사업장, 석유화학 플랜트 등 이산화탄소 대량 발생 시설에 적합한 방법 - 아직까지 화석연료 발전 비중이 높은 우리나라에도 이 기술이 효율적일 것으로 보이고 실제로도 대부분 상용 운전 중이거나 계획 중인 곳에서 이 습식 포집 기술을 적용하고 있습니다
한전 전력연구원과 한국중부발전이 공동 개발한 KOSOL(Korea Solvent) 및 관련 포집기술을 통해 보령화력발전소에 10MW 규모의 습식 CO2 포집플랜트를 시험 설치했고 2021년 5월까지 15,000 시간 연속 운전을 달성했습니다 10MW 규모라는 것은 실제 설치된 보령화력발전소의 발전용량 500MW에서 배출되는 이산화탄소의 1/50 정도에 해당하는 양을 포집할 수 있어서 10MW 급이라고 하고 1일 최대 200톤, 연간 최대 7~8만 톤의 CO2를 포집할 수 있는 규모입니다 (국내 기술로 만든 가장 큰 규모의 CCS 설비입니다) 2017년 9월부터는 CO2압축 액화 설비까지 갖췄고 포집한 이산화탄소는 한국특수가스에서 유통을 해 50%는 하우스 시설의 농작물 생장활성제 용도로 공급하고 (공짜라 수익 창출은 되지 않습니다.....) 나머지는 용접용 가스와 음료용 탄산가스, 드라이아이스 제조용으로 판매하고 있습니다 www.epj.co.kr/news/articleView.html?idxno=28137 그리고 이제 위 기사에서처럼 본격 상용 운전을 시작했고 150MW 급으로 용량을 확대하는 R&D도 진행할 예정입니다 (참고로 전 세계적으로도 150MW급이 넘는 CCS플랜트는 단 2곳 뿐입니다) - 'KOSOL' 외에도 한국에너지기술연구원이 개발한 'KIERSOL'이 있는데 탄산칼륨을 베이스로 하는 포집제에 산소 내산화성이 강한 반응 속도 촉진제를 혼합한 액상 흡수제입니다 합성가스용 (KIERSOL-P), 천연가스 발전용 (KIERSOL-N), 석탄화력/시멘트/제철소용 (KIERSOL-C), 바이오메탄용 (KIERSOL-B)로 세분화 되어 개발된 것도 특징입니다 https://youtu.be/-VErbm4hlvc KIERSOL을 개발한 한국에너지기술연구원에서 해당 기술과 관련한 유튜브 영상이 있어서 이를 참고하면 될 듯 합니다 요약하면 기존의 아민계열 액상 흡수제에 비해 1) 20% 정도 가격이 저렴하고 2) 거품이 적게 일어나서 자동 운전 제어가 용이하고 거품 생성 방지제 사용도 덜 필요하다 현재 SK머티리얼즈에 기술이전을 하기로 했고 북미지역에서 전용실시권을 획득한 상태라고 합니다 KIERSOL이 탄산칼륨 베이스로 만들어진 포집제라 했는데 마찬가지로 습식 포집에 기존의 아민계 흡수제 대신에 탄산칼륨계로 전환된다고 하여 주목받은 기업이 유니드입니다
2) 건식 포집 기술: 화석 연료를 사용하는 발전소, 보일러, 소각로 등의 에너지 전환 시스템에서 배출되는 연소 가스 중에 포함된 이산화탄소를 고체 입자를 이용해 선택적으로 포집하는 기술 국내에서는 한국전력 전력연구원에서 탄산칼륨/탄산나트륨 기반의 고체 흡수제를 개발해 한국남부발전 하동화력본부 8호기에 10MW급 건식 포집 플랜트를 운영 중입니다 이산화탄소 제거율이 80% 이상으로 세계 최초로 상용급 '건식흡수제 이용 CO2 포집 공정' 관련 원천기술까지 확보하였습니다 3) 분리막 포집 기술: 연소 가스로부터 이산화탄소만을 선택적으로 투과시키는 분리막을 이용해 포집하는 기술입니다 이 역시 한국전력과 함께 아스트로마가 이산화탄소 포집용 분리막 원천기술을 공동 개발해 당진화력발전소와 필리핀 마우반시 케손파워 화력발전소에서 실증 플랜트를 운행 중입니다 4) 공기 중 포집 기술
출처: 한화투자증권 정리하면 1. CCUS에서 가장 핵심은 탄소 포집이고 비용 또한 7-80%를 차지한다 2. 현재 가장 상용화 단계에서 앞서 있는 기술은 연소 후 단계에서 습식 포집 기술이고 이산화탄소 대량 발생 시설에 적합하다 3. 국내에서도 해당 기술에 대한 경쟁력이 있고 대표적으로 KOSOL과 KIERSOL이 있다 현재 전 세계에는 2020년 기준 연간 40메가톤의 이산화탄소를 포집할 수 있는 대규모 CCUS 시설 28개가 가동중에 있고 이 중 절반이 미국에 위치합니다 미국은 이미 1970년대부터 CCUS 시설을 운영하기 시작해 연간 25메가톤의 이산화탄소를 포집하고 있는데 --> 앞서 살펴 본 것처럼 저장을 위해서는 지질 조건이 적합한 지역이 기본적으로 유전/가스전인 경우가 많고 포집한 CO2를 충분히 소비할 수 있는 수요처가 존재하느냐가 관건인데 미국이 그런 점에서 유리한 것으로 보입니다 그 외에도 보면 캐나다, 브라질, 사우디아라비아, 아랍에미리트 등 산유국이 많네요
출처: GCCSI (2019), The Global Status of CCS 2019: Targeting Climate Change
출처: 신한금융투자 그리고 현재 각국 정부 및 민간에서 신규 CCUS 설비 계획을 발표 중이고 30개가 넘습니다 이들이 모두 가동된다면 현재 글로벌 탄소 포집 Capacity 4천만 톤에서 1억 3천만 톤으로 3배 이상 증가가 기대됩니다 미국의 경우 건설 중인 프로젝트를 감안하면 향후에 이산화탄소 포집 역량이 71메가톤에 이를 것으로 전망됩니다 여기에 2030년 탄소배출 50% 저감 계획에서는 더욱 더 CCS 기술 적용 확대 및 CCS 없는 신규 화석연료 발전은 금지시키기로 하는 등 더욱 더 시장 확대가 예상됩니다
출처: 유진투자증권
또한 2018년부터 Section 45Q라는 이름으로 탄소산화물 격리에 대해 크레딧을 주고 있고 세액 공제 혜택을 더욱 확대할 것이라고 합니다 - 영구로 지질에 저장되는 이산화탄소 1톤 당 36$ --> 최대 50$으로, - EOR 또는 기타 용도로 재사용되는 이산화탄소 1톤당 24$ --> 최대 35$의 크레딧으로 확대 심지어 인플레이션을 고려해 가격도 조정된다고 하며 캘리포니아 주 같은 경우에는 꼭 미국 내에서 생산된 게 아니더라도 전 세계 탄소 포집 시설에서 생산된 에탄올이라면 판매 시에 크레딧을 제공하기도 합니다
현재 운영 중인 프로젝트들의 경우 CO2 source를 보면 Natural gas 생산, 석탄 발전, 철강 생산, 비료 생산, 수소 생산 등의 공정에서 나오는 CO2를 이용해 CCUS를 운용하고 있고
대부분은 천연가스 생산 과정에서 발생하는 CO2를 포집하고 있습니다 참고로 위 표에 정리된 CCUS 프로젝트 중에서 미국 Illinois Industrial CCS는 세계 최초의 대규모 BECCS 프로젝트입니다 (옥수수로부터 에탄올을 생산하는 공정에서 CO2를 포집해 대염수층에 지중저장 하는 방식 이용) 그리고 아예 일반 대기에서 CO2를 포집해서 IPCC에서 NET 기술로 인정한 Direct Air Capture with CCS (DACCS) 기술도 현재 상용화에 탄력이 붙었는데
출처: 2018, EASAC, Report on Negative Emission Technologies
Climeworks사의 스위스 취리히 상업용 DAC 공장 (세계 최초의 상업용 DAC 공장임) 스위스 Climeworks, 캐나다 Carbon Engineering, 미국 Global Thermostat 이 3개 회사가 대표적인 기업이고 이들은 이산화탄소를 포집하는 방식이 전부 다른데 - Climeworks: 대형 팬 흡입기로 공기를 빨아들인 뒤 흡착제 성분이 함유된 필터로 CO2를 포집 - Carbon Engineering: 대형 팬 흡입기로 공기를 빨아들인 뒤 수산화포타슘 용액을 사용해 CO2만을 분리 포집 - Global Thermostat: 다공성 세라믹 소재를 통해 마치 스펀지가 물을 빨아들이듯 CO2를 빨아들임 가장 먼저 DAC 기술을 상용화한 Climeworks는 20년 기준으로 15개의 DAC 플랜트를 설치했고 1억 2천만$의 투자 유치액을 받은 바 있습니다 현재 포집한 CO2를 비닐하우스에 제공한다던지 코카콜라 등 탄산음료 제조업체와 계약을 맺고 판매해 수익을 창출하고 있고 글로벌 최초로 이산화탄소제거 구독서비스 모델까지 내놨는데 1년에 960유로를 내면 이산화탄소 1톤을 제거해주는 서비스 모델입니다 - 실제로 독일 아우디가 1000톤, 미국 핀테크 Stripe는 3333톤 계약을 맺은 바 있습니다 그리고 아이슬란드에 Orca project를 진행중인데 이는 글로벌 최대 규모의 DAC 프로젝트로 - Carbfix사와 협업을 통해 포집한 CO2를 탄산염 광물로 전환할 계획이고 Carbfix2 프로젝트, 산업 경쟁력 있는 탄소 광물화 기술 개발 | Korea-EU Research Centre (k-erc.eu) - 포집과 광물화 과정에 필요한 에너지는 지열에너지 업체인 On Power와 협업으로 공급받을 계획입니다 Carbon Engineering은 연간 100만 톤의 CO2를 포집해 이를 북해 해저에 저장할 수 있는 DAC 플랜트를 설계하기시작했고 포집한 CO2는 탄소배출권으로 판매해 수익을 창출할 계획입니다 물론 여전히 DAC 방식은 경제성이 너무 떨어지는 게 가장 큰 약점입니다 - 2019년 기준으로 가장 선도 기업인 Climeworks 조차 톤 당 500~600$ 수준 (참고로 직접탄소포집의 target cost가 100$ 정도) 한편 현재 운영중인 CCUS 플랜트의 경우 포집한 CO2를 저장하는 방식은 단순 지중저장 방식 보다는 EOR이 선호되고 있습니다 (26곳 중에 17 곳에서 EOR 사용) ** EOR이 뭔지를 또 알아야 할텐데.. 원유증진회수 (EOR, Enhanced Oil Recovery) : 원유를 채굴할 수록 압력이 낮아져 채굴이 어려워지는 문제를 지층에 CO2를 주입해 압력을 높혀 해결하는 공법
안그래도 이산화탄소를 포집하는 것만으로도 돈먹는 하마인데 그냥 땅에 묻기만 하니 도저히 수지타산이 안맞고... 이를 타개하고자 나온 방법입니다
결국은 또 산유국들에게 유리할 수 밖에 없고 그래서 정유사들이 EOR 활용의 이점을 바탕으로 가장 적극적으로 CCUS 프로젝트에 투자중입니다
이러면 우리나라에서는 CCUS가 쉽지는 않은 환경이란 것을 다시 한 번 느끼게 됩니다만 그래도 희망적인 것은
현재 계획되거나 건설 중인 CCUS 시설은 EOR 비중이 절반 미만으로 다른 활용방법도 계속 해서 개발 중입니다 아래 표는 현재까지 상용화 되었거나 개발이 진행중인 CO2 활용 기술들이고
이미 상용화되어 사용되는 기술로는 CO2-EOR, 그리고 Urea나 Methanol 생산에 이용하는 방법, 그리고 탄산나트륨 생산에 이용하는 방법 등이 있습니다 대표적인 해외 사례로 EOR 외에도 독일 티센크루프社와 BASF社가 공동으로 추진중인 Carbone2Chem project는
티센크루프社 뒤스부르크 제철소에서 나오는 온실가스로부터 CO2를 포집해 메탄올, 폴리머, 에테르 등의 화학 제품을 생산하는 프로젝트로 완공 후에는 10년 내 연간 2천만 톤의 CO2 감축을 기대하는 대형 프로젝트입니다 미국 Calera社는 MAP (Mineralization via Aqueous Precipitaion) 공정을 개발해 포집된 CO2를 활용, 탄산칼슘/탄산마그네슘을 이미 성공적으로 생산 중이고 시멘트 원료로 사용하고 있습니다 네덜란드 Twence社는 배출 가스를 가성소다와 반응시켜 중탄산나트륨을 생산하는 프로젝트를 진행 중으로 연간 6천 톤의 CO2 저감 및 8천 톤 규모의 중탄산나트륨의 생산을 하고 있습니다 미국 Skyonic社는 시멘트 공장에서 배출된 가스로부터 CO2를 포집해 탄산수소나트륨 생산을 추진 중입니다 국내 사례도 살펴 보면 다양한 전환 및 자원화 방법들이 연구 개발 중인데
특히 광물화에서 실증 사업이 적극적으로 진행중인데 국내 폐광산이 많기 때문에 이 폐광을 채우는데 쓰거나 시멘트 등을 생산하는데 활용하기 적합한 방법이라 그런 것 같고
출처: 탄소광물화사업단 한국남동발전은 한국에너지기술평가원과 CO2를 화학반응을 통해 탄산칼슘으로 전환하는 파일럿 플랜트를 운영 중입니다 www.energydaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=116060 씨앤지하이테크는 한국동서발전과 협약을 통해 포집한 CO2를 활용해 중탄산나트륨을 생산하는 플랜트 개발을 계획중입니다
당진화력발전소도 CO2를 활용해 중탄산나트륨을 생산하는 탄소 광물화 플랜트를 추진한 바 있고 특이점은 별도의 포집 장치 없는 시스템을 구축하고 있습니다 www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=207779 우리나라는 시멘트 생산이 많은데 이렇게 고순도 탄산칼슘 같은 고부가가치 광물로 전환할 수 있는 모델을상용화 하기 위해 노력중이고
또한 작년에 탄소광물화 시멘트 생산기술이 온실가스 감축 방법으로 인정받기도 해서 시멘트가 천덕꾸러기에서 환골탈태 할 수도 있지 않을까 하는 생각이 듭니다
CCUS는 저탄소 수소 (흔히는 블루수소라고 하나 봅니다) 생산에 있어서 중요한 역할이 기대되기도 합니다
1) 화석연료를 활용해 촉매 반응으로 생산하는 개질 수소 2) 석유화학 (납사 분해) 공정이나 제철 공정에서 부차적으로 발생하는 부생수소 3) 물분해 방식으로 물에 전기를 가해 생산하는 수전해 수소
출처: 한국과학기술기획평가원 문제는 현재 생산되는 수소의 99% 이상이 화석연료로부터 생산된다는 점입니다 (연간 75Mt의 H2 중에서 천연가스로부터 76%가 석탄으로부터 23%가 생산되고 고작 1%만이 전기에서 생산)
촉매와 함께 메탄과 고온의 수증기를 반응시키면 수소와 탄소가 생성되고 여기서 발생한 CO와 + H2O를 다시 반응시키면 --> CO2 + H2 이렇게 수소와 이산화탄소가 만들어지게 되는 식 실제로 세계 수소 생산의 98%를 차지하는 SMR (Steam Methane Reforming) 방식은 수소 1Kg을 생산하는데 이산화탄소 10Kg이 발생한다고 되어 있습니다 ( = 이 말은 고로 1톤의 수소를 생산하는데 10톤의 이산화탄소가 발생한다는 말)
그래서 현재 이 방식으로 생산되는 수소를 '그레이 수소'라고 합니다
뻔히 CO2가 뿜어져 나오는 걸 알면서도 왜 SMR 방식으로 그레이 수소를 생산하고 있느냐? 싸기 때문입니다
출처: IEA (2020) CCUS없이 SMR 방식으로만 수소를 생산할 경우 1kg 당 1$ 초반대의 cost로 가장 생산 비용이 낮습니다 CCUS를 붙일 경우에 비용이 다소 상승하는데 아직까지는 포집 비용이 높기 때문에 2$ 내외의 비용이 듭니다 수전해 방식 (Electrolysis)은 재생에너지를 기반으로 수소를 생산하면 CO2 발생이 Zero이기 때문에 그린수소라 하여 친환경적으로 각광받지만 실제 생산 비용이 6$ 이상으로 경제성 확보가 선행되어야 합니다
출처: : Friedmann et al. 2019; IEA 다만 탄소세가 부과되는 것을 감안했을 때에는 50-60% 정도만을 포집하는 수준에서는 현재의 SMR 방식 그레이 수소와 가격 경쟁이 가능합니다 물론 탄소세를 부과한다고 해도 90% 수준의 이산화탄소를 포집하기 위해서는 여전히 그레이 수소에 비해서 가격 경쟁력이 떨어집니다 그럼에도 주목할 것은 Natural gas with CCS 즉 블루수소의 경우에 생산 비용이 그린 수소 대비로는 훨씬 낮고 2030년이 되면 $1.30까지 생산단가가 낮아져 가장 경제적인 수소 생산 방법이 될 거라는 점입니다
출처: Bloomberg NEF, 2020 Hydrogen Economy Outlook 때문에 레포트에서도 CCUS가 그린수소로 넘어가는 과도기에 중요한 역할을 해줄 것이라 말하고 있습니다
출처: 신한금융투자 1. CCUS 공정 상 CO2를 포집하거나 전환하는 과정에서 대량의 에너지가 필요해 에너지 공급을 위한 막대한 비용이 추가로 발생 앞서도 살펴 본 바 대로 대기중에 이산화탄소 함량은 실상은 고작 0.04% 밖에 되지를 않기 때문에 이를 포집하기 위해서는 그만큼 99.6%에 해당하는 공기도 함께 빨아들여야 한다는 뜻이고 아직까지는 이 포집 과정에 필요한 전력 소모량이 엄청나기 때문에 경제성이 떨어집니다 그렇다고 값싼 화석연료를 포집 과정에 사용한다면 아이러니한 상황이 연출되는 셈이고.. 아직 신재생에너지는 발전단가가 너무 높기 때문에 현재까지는 여러 제약이 있습니다 대기중에서 직접 포집이 아니더라도 현재 주로 쓰이는 습식 포집 역시 이산화탄소를 흡수한 후 다시 가열해 분리하는 과정에서 투입되는 에너지 비용이 큽니다
또한 철강이나 시멘트 업종의 경우 CCUS를 도입할 경우 비용이 크게 증가할 수 밖에 없는 구조입니다 지금까지는 탄소 의무 감축량이 크지 않았기 때문에 이들 기업 입장에서도 투자 및 비용 부담을 들여가며 CCUS 설비를 도입할 니즈가 부족했습니다 현재는 탄소 포집 비용이 대략 톤 당 60$ 수준, 여기에 운반 및 저장까지 모두 고려할 경우에는 톤 당 70$ 수준까지 올라갑니다 진정한 의미의 Negative CO2 Emission 기술로 학계에서 권장하는 BECCS 역시도 60~80$ 수준 DAC (Direct Air Capture) 방식은 한술 더 떠서 심지어 포집 비용만 300$이 넘는게 현실입니다
그래서 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 화석연료 증산에 이 CO2를 활용하는 기술들이 개발되었고 - 위에서 살펴 본 바대로 원유, 가스, 메탄 등의 회수에 적용 중입니다 ① 원유증진회수 (EOR, Enhanced Oil Recovery) 방법이 현재 가장 보편적으로 활용되는 기술이고
② 메탄회수증진 (ECBM, Enhanced Coal-Bed Methane) : CO2를 석탄층에 저장함과 동시에 메탄을 생산해 경제 효과를 발생시키는 공법 - 메탄을 함유한 석탄층으로 주입정을 통해 CO2를 주입하면 석탄 표면에 흡착되어 있는 메탄을 CO2가 선택적으로 치환해 메탄의 탈착이 촉진되어 메탄의 생산성이 증가하게 되는 원리입니다
출처: IEA --> 우리나라의 경우 이미 육상 석탄 채광 자체는 거의 개발되고 폐광인 곳이 많기 때문에 이 메탄회수 증진 공법의 적용 가능성도 검토할 필요가 있다고 합니다 같은 원리로 ③ 가스회수증진 (EGR, Enhanced Gas Recovery) ④ EGHR (Enhanced Gas Hydrate Recovery) 등도 있습니다 2. CCS의 경우 저장소의 장기 안정성 문제 한편 EOR 방식이 아닌 단순 지중저장 방식도 비용이 싸다 보니 사용될 수 밖에 없는데 이 경우에는 이산화탄소가 새어나올 수가 있는 리스크가 있고 그린피스에서도 안전성 위험을 경고하고 있습니다 그리고 결정적으로 지역 주민들의 반대가 심한 경우가 많습니다 (특히 우리나라........) - 포항 장기분지 지중 저장의 경우에 연 1만톤 급 저장을 추진 중에 지역 주민 반발로 정지된 바 있고 - 포항 영일만 해상 지중 사업도 연 1만톤 급 실증 추진 중에 역시 지역 주민 반발로 정지된 상태입니다 정리하자면 CCUS 기술이 본격적으로 적용되기 위해서는 1) 포집 과정에 투입되는 에너지 비용의 절감이 선행되어야 하고 2) 포집한 이산화탄소를 유용한 자원으로 전환할 시에 전환 공정의 효율성 또한 개선되어야 하며 3) 포집된 이산화탄소를 통해 수익을 낼 수 있는 시장이 형성되어야 합니다 4) 또한 포집한 이산화탄소를 저장하는 경우 안정성 문제도 해결되어야 합니다 때문에 당분간은 정책적 지원이 필수적일 것으로 보입니다 결국 CCUS는 화석 연료 기반 사회에서 신재생 에너지 기반의 저탄소 사회 내지는 탄소 제로 사회로 전환하는 데 있어 징검다리 기술입니다 우리나라의 경우 포집한 CO2를 저장하기에 적합한 유전이나 가스전이 희박하고 저장 공간에 제약이 많기 때문에 CCS 기술은 현실적으로 맞지 않아 보이고 추가적으로 경제성을 높일 수 있는 화석연료 증산 (EOR이나 EGR 등)에 활용하는 것 역시 여의치 않으므로 별도의 저장 장소가 필요하지 않으면서 고부가가치 물질을 생산할 수 있는 CCU 기술에 집중하는 게 맞아 보이고 관련 기업을 찾아봐야 할 것 같습니다만
아직은 상용화 기술조차 없는 상태이거나 파일럿 규모 실증단계에 머물러 있고 그나마도 대학교나 연구소와 함께 진행되는 프로젝트 들이 대부분이라 개별 종목 단에서 실질 수혜를 기대해 볼 수 있는 종목이 눈에 띄지는 않습니다
씨앤지하이테크 등이 그렇습니다 (개발을 성공하면 구매를 검토한다는데 주가는 이미 급상승하는....) 테마로 상승한다고 치부할 수도 있겠지만 신한금투의 박석중 위원님 말대로 현재는 한다고만 해도 주가가 상승하는 시기라고 하니 개인 성향에 따라서는 접근을 고려해 볼 수도 있을 것 같습니다.. 한편 포집한 이산화탄소의 활용은 앞으로도 90% 이상은 영구 저장 형태로 두고 나머지를 활용할 것으로 보이므로 시장 자체는 CCU 보다는 CCS 시장이 훨씬 클 것입니다 우리나라 입장에서 본다면 포집 단계가 비용의 70% 이상을 차지하는 가장 핵심 공정이고 이 포집 기술 없이는 이산화탄소의 저장, 이용, 전환 자체가 불가능하기 때문에 이쪽 시장을 노려보는 게 현실적일 것 같다는 생각입니다 다행히도 KIERSOL 등을 비롯해 국내 기술도 해외에 비해 크게 뒤지지는 않는 듯 합니다 그럼에도 불구하고 이산화탄소를 단순히 포집하기만 해서는 결국 반쪽짜리일 수 밖에 없으므로 포집한 이산화탄소를 저장하거나 활용하기 위한 압축/액화 공정과의 연계 시스템과 저장 설비에 대한 투자도 반드시 필요할 것입니다 관련된 종목은 이어서 다음에 정리해야 할텐데... 실적 발표도 계속 되고... 일단 이번 정리에 너무 에너지를 쏟아부어서 당분간은 좀 어려울 것도 같습니다 ㅎㅎ |
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