[가스신문 = 양인범 기자] CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage)는 온실가스 배출원에서 발생하는 이산화탄소(CO₂)를 포집 후 저장하거나 직접 사용 혹은 전환해 활용하는 기술로 포집한 CO₂를 통해 자원화하는 것까지 포괄적으로 포함한 기술을 말한다. 지중에 저장하는 CCS와 부가가치 재료로 활용하는 CCU로 구분할 수 있다.

CCUS의 필요성은 이미 전 세계 정부와 산업계가 인정하고 있으며, 세계 CCUS기술은 2050년 온실가스 감축량의 약 9~19%를 담당할 것으로 전망된다. 한국도 2030 NDC 상향에 따른 CCUS기술의 중요성이 확대되어 2030년 CCUS감축 목표량을 1,030만톤(CCS는 연간 400만톤)으로 잡고 있다.

본지는 최근 세미나허브의 ‘2023년 하반기 CCUS기술 동향 및 사업전략 세미나’에서 발표된 CCUS 기술 동향과 지원 정책 등에 대해 자세히 살펴봤다.

세계 탄소포집 시장 2030년 440억 달러 이상

CCUS 기술의 중요성은 모든 국가가 알고 지원도 늘어나고 있지만 효율성을 높이기 위해서는 규모의 경제가 실현되어야 한다는 것이 공통 의견이다.

현재 전 세계에서 노르웨이의 Longship과 같은 40여개의 허브가 개발 중이다. 허브 개발과 더불어 일정 수준 이상의 자본금 지원이 필요한데, 해외의 주요 CCS사업은 총 사업비의 51~67%가 포집에 들어가고, 수송·저장에 47~80%의 자본금을 지원한다. 현재 국내의 관련 법 지침은 CCS 포함 저탄소 혁신 사업에 시설투자비를 지원할 수 있으나, 세부규정이 부재한 상황이다.

IEA는 CCUS 지원정책을 8가지로 분류했다. △자본금 지원 △운영 보조금 △탄소가격제 △수요 측 수단 △시장 메커니즘 △규제/의무화 제도 △리스크 저감 △R&D 지원이다.

자본금 지원에 대한 중요성이 높기에 미국, EU, 호주 등은 CCS 인프라 구축을 위해 관련 법령을 제정하고 지원하고 있다. 미국의 SCALE법은 CO₂수송 인프라 구축을 지원하고 5년간 7조원 지출을 승인한다. 여기에는 비용 분담과 저금리 대출이 포함된다. EU는 EERP(Europe Economic Recovery Plan)의 총 사업비 280조원에서 1조4천억원을 들여 6개의 CCS 포집 시범사업을 지원 중이다. 호주는 저탄소기술 상용화 기금을 정부와 민간 투자자가 공동으로 자금을 조달해 1조원을 마련했다.

IEA는 2050 넷제로 달성을 위해서는 2021년 기준 4500만톤의 CO₂ 포집을 2030년에는 12억톤(발전 분야 3억톤), 2040년 44억톤, 2050년 62억톤(발전 15억톤)까지 늘려야 한다고 언급했다. 이를 위해 올해 4월 기준 2050 장기저탄소개발전략 제출 58개국 중 43개국이 CCS를 감축수단에 포함시켰다.

이러한 상황에서 세계 탄소포집 시장 매출과 용량은 2022년 약 17억달러 수준에서 2030년에는 440억 달러 이상으로 성장할 것으로 예상된다. 2030년 지역별 분포에서 아메리카 지역이 38.2%, 유럽이 30.3%, 아시아·태평양 지역이 22.3%를 차지할 것으로 보인다.

우리나라는 온실가스 감축 정책 내에 CCUS 역할 및 목표를 명시했다. 2020년 12월 ‘2050 탄소중립 추진전략’에서 2030년까지 대규모 전환, 활용, 지중저장 등을 통해 연간 1,030만톤의 CO₂를 감축할 계획이었으나, 올해 연간 1120만톤으로 목표치를 상향 조정했다.

CO₂습식 포집 기술, 현재 가장 많이 쓰여

CO₂ 포집기술은 포집 위치와 기술별로 분류할 수 있다. 먼저 포집 위치는 연소 후, 연소 전, 연소 중으로 나눌 수 있다. 연소 후 포집은 연소·발전 산업에서 발생하는 CO₂를 포집하는 것을 뜻한다. 연소 전 포집은 연료 자체에서 CO₂를 포집해 고순도 CO₂를 저장·활용하고, CO₂를 제거하고 남는 수소를 연소·발전에서 사용할 수 있다. 수소는 연소 시 배기가스로 수증기만 나오기에 친환경적이다.

연소 중 포집은 대기 중의 공기를 연소·발전에서 연소할 때 CO₂와 수증기가 함께 발생하는데, 이 때 수증기만을 분리하는 것을 말한다.

기술별로 살펴보면 연소 전·후에 사용되는 기술은 습식, 건식, 분리막 기술이 있고, 연소 중에 사용되는 기술은 순산소연소 방법이다.

CO₂ 습식 포집은 산업현장에서 50년 이상 사용된 기술로, CO₂가 액체와 접촉했을 때 기체 용해도의 차이 또는 액상흡수제와 CO₂ 사이의 산-염기 중화 반응을 활용해 기체 내 포함되어 있는 CO₂를 액체 쪽으로 분리하는 기술이다. 습식 포집은 화력발전, 제철소, 시멘트사업장, 석유화학산업 등 CO₂가 대량으로 발생하는 시설에서 쓰인다.

습식 포집은 물리·화학적 흡수법을 이용할 수 있는데 현재 상용급으로 가동되는 곳은 대부분 물리 흡수법을 이용한다. 국내에서는 습식 포집을 활용해 연소배기가스를 대상으로 보령 화력발전소에서 10MW급 실증을 수행했다. 습식 포집은 기술 신뢰도가 높고 낮은 투자비와 대용량화가 가능하나 흡수제 재생을 위한 에너지 소모가 상대적으로 많은 단점이 있다.

건식 포집은 연소 배기가스에 포함된 CO₂를 고체입자를 이용해 선택적으로 포집하는 기술로 화학 흡수와 물리 흡착법으로 나눌 수 있다. 화학 흡수는 배기가스에서 CO₂를 흡수 반응기에서 선택 반응시켜 포집하고 고체 입자를 재생 반응기로 보내 CO₂를 고농도로 회수하는 기술로 보통 알칼리 금속을 주재료로 쓴다. 물리 흡착은 고체 입자(제올라이트, 활성탄, MOF 등)를 사용해 CO₂를 분리하는 기술로 압력순환식과 온도순환식 흡착으로 구분된다.

국내에서는 한국에너지기술연구원과 전력연구원이 협업해 하동화력발전소에서 세계 최대 규모의 10MW급 건식 포집 공정을 실증했다. 건식 포집은 습식 대비 폐수 발생 문제는 없으나, 재생에 필요한 에너지가 다소 높으며 고체흡수제의 마모, 포집한 CO₂의 고순도화 등 공정 운영에 해결해야 할 문제가 존재한다.

분리막 포집은 연소 전·후 과정에서 CO₂를 선택적으로 투과시키는 분리막을 이용하는데, 분리막 소재의 성능은 CO₂와 타 기체 성분과의 선택도와 분리막을 지나가는 유량을 나타내는 투과도에 의존한다. 국내에서는 전력연구원과 아스트로마가 공동 연구로 당진화력발전소에서 1MW급 분리막 공정을 실증했고, 포집 성능(포집률 90%, 포집농도 95% 이상)을 확인했다. 분리막 포집은 낮은 에너지 소모 및 운영비, 소규모 설비의 장점이 있으나 높은 초기 투자비 및 낮은 선택도로 인해 연구가 더 진행 중에 있다.

이외에도 케미컬루핑 순산소연소 포집기술이 있는데, 이 기술은 산소전달입자(금속산화물)가 제공하는 순산소로 연료를 연소하는 연소 중에 포집을 한다.

한국형 CCUS 지원제도 확립 위한 다양한 지원 중요

최근 CCUS 분야 주요 전문가들은 단계적인 한국형 CCUS 지원방안의 필요성을 지속적으로 제기하고 있다. CCUS 산업 확장 단계에서 수반되는 위험요소는 초기 지원을 통해 제거하고, 시장 활성화 정도에 따라 직·간접 재정지원을 점진적으로 축소하자는 것이다.

한국형 CCUS 지원제도는 크게 3단계로 구분할 수 있는데, 1단계는 CO₂ 주입 실증을 통해 기술을 확보하는 단계로, 실증사업 직접 지원과 운영비 지원이 필요하다. 예를 들어 네덜란드는 SDE++Scheme 제도를 통해 저탄소 기술 비용과 감축한 CO₂의 시장가치 간 차이를 톤 당으로 계산해 보조금 형식으로 지원한다.

2단계는 인프라 구축 지원을 통한 민간참여를 유도하는 것으로 CCUS 진흥기금과 자본금 지원, 탄소가격제 등이 있다. 현재 국내 CCUS 통합법이 제정 중이지만, 여기에 진흥기금 조항이 추가로 필요하다는 의견이다. 유럽연합은 2030년까지 CCS분야에 총 25억 유로의 투자를 진행할 예정이다.

3단계는 운영비 지원을 통해 민간주도형 CCS를 활성화시키자는 것이다. CCS 프로젝트는 대형화 효과를 기반으로 경제성이 발생하므로, 일정 규모 이상의 CO₂ 포집 기업에게 혜택을 늘려야 한다. 더불어, 소규모 영세기업에 CCU 사업기회를 제공하는 것이 필요하기에 저금리 대출, 시장개입 제도 도입도 검토해야 한다.

세미나허브에 참가한 한 전문가는 “CCUS는 수익사업이 아닌 비용손실 사업으로 민간의 자발적 투자는 기대하기 어려우며, CCUS 전주기 인프라 구축과 설비 운영에 따른 손실 보상 등에 정부의 직간접 지원이 반드시 필요하다”며, “국내 CCUS 사업 활성화를 위해 우선 국내외 저장소 확보가 최우선이다”고 말했다.