이산화탄소 활용 기술 - isanhwatanso hwal-yong gisul

에너지신산업의 토대, 10대 전력기술⑧

[에너지신문] 한전은 에너지신산업의 상용화와 수출사업화를 적극 추진하고 있다. 이를 위해 한전 산하 연구기관인 전력연구원은 에너지신산업에 적용되는 10대 전력기술 개발에 주력하고 있으며, 그 성과물이 속속 모습을 드러내고 있다. 본지는 한전 전력연구원과 공동으로 10주간 10대 전력기술을 소개하는 코너를 마련했다.

①에너지저장기술 ②마이크로그리드기술 ③초전도기술 ④해상풍력기술 ⑤신송전기술(HVDC) ⑥스마트그리드기술 ⑦청정화력기술 ⑧CO2 회수, 이용, 저장(CCUS)기술 ⑨전력신소재기술 ⑩ICT융복합기술

이산화탄소 활용 기술 - isanhwatanso hwal-yong gisul
▲ CCS와 CCU의 기술 비교(자료제공: 한전 전력연구원)

이산화탄소 활용기술(CCU, Carbon Capture & Utilization)은 화력발전소, 시멘트 및 석유화학공장 등과 같은 대규모 배출원에서 발생되는 온실가스를 산업적인 용도로 직접 이용하거나 고부가가치 제품으로 전환, 활용하는 기술이다.

이 기술은 기존의 이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS, CO2 Capture & Storage)과 비교해 처리 할 수 있는 이산화탄소의 양은 적지만 이산화탄소 활용에 따른 경제적 이익창출과 온실가스 감축의 두 가지 목표 달성이 가능한 장점으로 최근 에너지 신산업 측면에서 많은 주목을 받고 있다.

◆산업적 활용 기대
이산화탄소는 다른 물질과 비교해 열역학적으로 매우 안정한 물질이기 때문에 이를 산업적으로 유용한 물질로 전환하기 위해서는 추가의 에너지 공급과 별도의 공정이 필요하다. 이러한 문제점들로 인해 기술이 가지는 가치에도 불구하고 이산화탄소 활용기술은 그동안 상용화 사례가 많지 않았다.

그러나 최근 온실가스 저감을 위한 다양한 기술적 방안이 요구되는 가운데 종래 CCS 기술이 포집, 수송 및 저장 등 일련의 공정이 필요한 반면 이산화탄소 활용 기술은 산업현장에서 발생되는 이산화탄소의 직접 활용이 가능하므로 산업적으로 활용성이 높은 것으로 평가되고 있다.

또한 우리나라와 같이 포집된 이산화탄소의 격리를 위한 대규모 저장소 확보에 어려움이 있는 상황에서 기존 이산화탄소 포집 및 저장기술의 기술적 대안이 될 수 있을 것으로 기대된다.

이와 관련, 최근의 이산화탄소 활용기술은 타 분야 다양한 기술과의 융합 및 촉매, 나노 기술 등과 연계된 기술개발을 통해 기술 상용화에 근접한 다양한 사례가 국제적으로 보고되고 있다.

중요 상업화 사례로는 이산화탄소를 활용한 고분자 합성, 합성가스, 메탄 및 메탄올들의 연료 생산, 콘크리트 등의 건축자재 생산 등 매우 다양하며 실제로 미국에서는 시멘트 공장에서 발생되는 이산화탄소를 주요 원료로 활용하는 화학플랜트가 상업운전 중에 있다.

이산화탄소 활용 기술 - isanhwatanso hwal-yong gisul
▲ 이산화탄소 고부가화 기술 개념도.

◆글로벌 CCU산업 동향은?
미국의 Skyonic사는 2010년부터 미국 에너지부(DOE)의 지원을 받아 이산화탄소 활용기술을 개발 중에 있다.

2014년 미국 텍사스 주에 위치한 시멘트 공장(Capitol Aggregate)에서 발생되는 연간 약 8만톤 규모의 이산화탄소를 활용해 중탄산소다, 수소 및 염소 등을 생산할 수 있는 플랜트를 구축했으며 2016년 현재 상업운전 중에 있다.

또한 미국의 Calera사는 샌프란시스코 주의 모스랜딩 발전소에 발생되는 배가스를 이용, 콘크리트 및 시멘트 원료를 생산하는 기술을 개발 중에 있으며 실제로 이산화탄소를 활용해 제조된 콘크리트에 대한 고객 테스트를 진행 중이다.

아이슬란드에서는 연간 1800톤 규모의 이산화탄소를 활용, 1300톤 규모의 메탄올을 생산할 수 있는 플랜트를 2012년부터 운전 중에 있다.

◆한전이 진행하는 기술개발 현황
현재 한전을 중심으로 하는 전력그룹사는 이산화탄소를 활용한 탄소 자원화기술에 대한 중요성이 증대됨에 따라 2013년 이후 관련 기술개발을 위해 많은 투자를 하고 있다.

이중 한전이 진행 중인 이산화탄소 활용기술로는 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 활용한 고부가화합물 생산기술과 산업체에서 발생하는 부산물과 이산화탄소를 활용한 탄산칼슘 제조기술 등을 들 수 있다.

이산화탄소를 활용한 고부가화합물 생산기술은 이산화탄소 탄산화 공정과 염수 전기분해 공정을 결합, 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 별도의 포집설비 없이 바로 중탄산소다 등의 화합물로 전환시키는 기술이다.

이를 위해 한전 전력연구원에서는 자체 개발한 고효율 이산화탄소 탄산화공정 및 저에너지형 염수 전기분해 기술을 바탕으로 일일 10kg의 이산화탄소를 포집, 20kg의 중탄산소다를 생산할 수 있는 공정에 대한 성능시험을 완료했다.

또한 이러한 성과를 바탕으로 지난 8월부터 일일 200kg의 이산화탄소 처리를 통해 연간 약 150톤 규모의 중탄산소다를 생산할 수 있는 이산화탄소 활용 고부가화합물 생산기술 개발에 착수했다.

저작권자 © 에너지신문 무단전재 및 재배포 금지

    • 가나다라마바사
    • 가나다라마바사
    • 가나다라마바사
    • 가나다라마바사
    • 가나다라마바사
    • 가나다라마바사

탄소 연료 전환·사용 때 또 배출, 영구 저장 방안 찾아야

이산화탄소 활용 기술 - isanhwatanso hwal-yong gisul

CCU 기술의 한계를 보여주는 그림

(서울=연합뉴스) 제련소에서 철강을 생산하는 과정에서 CCU 기술로CO₂를 포집하고 에탄올로 전환하지만 전환과 사용 과정에서 다시 배기가스 나오는 과정을 설명해 주고 있다. 2022.2.19. [Kiane de Kleijne 제공/ 재판매 및 DB 금지]

(서울=연합뉴스) 엄남석 기자 = 산업현장에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 포집해 연료 등으로 재활용하는 '탄소포집활용'(CCU) 기술이 기후위기 시대의 해결책으로 제시되고 있지만 현재 수준에서는 파리협정의 감축 목표를 달성하는데 별 도움이 안 된다는 연구 결과가 나왔다.

'꿩도 먹고 알도 먹는' 기술로 포장돼 있지만 CCU 기술이 적용되는 전체 과정을 따져보니 CO₂ 감소 효과가 없다는 것이다.

네덜란드 라드바우드대학 기후 연구원 키아네 드 클라이네가 이끄는 연구팀은 현재까지 개발된 CCU 기술을 종합적으로 분석해 실효성에 의문을 제기한 결과를 월간 과학 저널 '하나의 지구'(One Earth)에 발표했다.

저널 발행사 '셀 프레스'(Cell Press)에 따르면 연구팀이 총 74개 CCU 기술을 검토했지만 2030년까지 CO₂ 배출을 절반으로 줄일 수 있는 것은 8개에 그쳤으며, 한 단계 더 나아가 2050년까지 탄소 중립을 실현할 수 있는 기술은 4개에 불과했다.

산업현장에 보급할 준비가 돼 있는지를 나타내는 기술적 성숙도도 미흡한 것으로 평가됐다.

연구팀은 CCU 기술이 발전소나 공장에서 배출되는 CO₂을 포집한 뒤 열이나 전기, 촉매 등을 이용해 메탄올과 같은 연료나 새로운 상품을 생산하는 것이라면서 "문제가 있는 폐기물을 가치 있는 상품으로 바꾸는 것이라 훌륭하게 들리지만, 배기가스를 지속해서 줄이지는 못하는 것으로 나타났다"고 했다.

연구팀은 CCU 기술 대부분이 CO₂를 포집해 유용한 상품으로 전환하는 과정에서 많은 에너지가 필요하고 메탄올과 같은 최종 상품을 소비하는 과정에서도 CO₂가 배출돼 전체 과정을 따지면 실제 감소 효과는 크지 않다고 설명했다.

드 클라이네 연구원은 "재래식 상품과 비교해 배기가스가 줄지 않는 사례가 많았다는 점이 문제"라며 "배기가스를 많이 줄이지 못하고 상업화도 여전히 요원하다면 배기가스를 대폭 줄일 수 있는 잠재력을 가진 다른 방안으로 자원을 돌리는 것이 더 나을 수 있다"고 했다.

연구팀은 특히 실질 효과가 거의 없는 CCU 기술이 탄소 포집·영구 저장이나 에너지 소비 감축 등과 같은 더 효율적인 방안에 대한 관심을 뺏어갈 수 있다고 경고했다.

연구팀은 그러나 CCU 기술이라도 광석에서 금속을 빼고 난 찌꺼기인 슬래그를 탄화시켜 건축자재로 활용하는 것처럼 탄소를 장기간 저장할 수 있거나 대기에서 직접 탄소를 포집하는 방식은 드물지만 유용할 수 있다고 평가했다.

이산화탄소 활용 기술 - isanhwatanso hwal-yong gisul

코펜하겐의 탄소포집 시섬 공장

[Ritzau Scanpix/Ida Guldbaek Arentsen 제공. 로이터 연합뉴스 자료사진]


제보는 카카오톡 okjebo <저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2022/02/19 12:16 송고

초록 1. 서론

오늘날, 급격한 경제성장으로 에너지 수요가 점점 증가하고 있다. 이는 석탄, 석유, 천연가스 같은 화석연료의 사용을 증가시킴으로써, 이산화탄소(carbon dioxide, CO2) 같은 온실가스의 막대한 배출을 초래하고 있다. 또한 기후변화에 대한 저감 대책을 수립하지 않으면, 전 세계 온실가스 배출량이 2000년 기준보다 25~90% 증가하고, 대기 중의 CO2 농도는 600~1550ppm에 육박할 것으로 예상된다. 이러한 CO2 배출 감소를 위해서 다음과 같은 다양한 접근법이 있다.

―에너지효율 개선과 에너지전환 반응 촉진

―천연가스나 수소, 핵발전 같은 저탄소 연료의 사용

―태양광, 풍력, 수력, 그리고 바이오에너지 같은 신재생에너지 사용

―산림 조성 같은 지구공학적 접근

―CO2 포집, 저장 및 활용(carbon dioxide capture, storage, utilization, CCSU)

이러한 접근법들은 각각 이점과 한계를 가지고 있다. 2050년까지 2000년도 CO2 배출량의 50~ 85%까지 감축이라는 국제기후변화패널(intergovernmental panel on climate change, IPCC)의 목표를 달성하기 위해서는 한 가지 접근법보다는 이러한 접근법들의 다양한 포트폴리오 구성이 바람직할 것으로 생각된다. 이 중에서, CCSU 방법은 배출(또는 연료)에 함유된 CO2를 분리 포집한 후 수송을 거쳐 저장하거나 산업적으로 재활용하는 것이며, 발전소 설비, 에너지 다량 배출시설(예: 시멘트가마 공장) 같은 대량 점 배출원(point emission source)으로부터의 CO2를 보통 85~90%까지 감축시킬 수 있다. 본 보고서에서는 최신의 CO2 포집 저장 활용(carbon dioxide capture, storage, and utilization, CCSU) 기술에 대한 전체적인 검토와 개별 CO2 포집, CO2 수송(transport), CO2 저장, CO2 활용 기술 등을 알아볼 것이다.

2. CO2 포집 기술

CO2는 연소 과정에서 생성되며, 이러한 연소공정의 유형은 적당한 포집 공정 선택에 직접 영향을 끼친다. CO2 포집 기술은 기술시장에서 직접 구입이 가능하며, 비용이 많이 든다. 전체 CCSU 비용에서 CO2 포집 공정이 약 70~80%를 차지하며, CO2 포집 공정의 운전비용과 에너지절감에 초점을 맞추어 많은 연구개발이 이루어지고 있다. 일반적으로 CO2 포집 공정은 크게 세 가지, 즉 연소 후(post-combustion) CO2 포집 공정, 연소 전(pre-combustion) CO2 포집 공정, 그리고 순산소연소(oxy-fuel) CO2 포집 공정으로 나누어지며(그림 1 참조), 다음과 같다.

그림 1. CO2 포집 기술의 종류(참고문헌 1 변형)

2.1. 연소 후 CO2 포집

연소 후 CO2 포집은 연소 후 배출되는 배기가스에서 CO2를 제거하는 것이며, 특히 기존의 발전소(power plant)에서 CO2 제거장치로서 선호된다. 이때, 배기가스 내의 CO2 조성은 매우 낮으므로(예: 석탄연소 7~14%, 가스연소 약 4%), CO2 수송 및 저장을 위해 농축(조성: 약 95.5%)을 위한 비용이 추가된다. 최근의 연구 결과에 의하면, CO2 포집장치를 추가하면 가스 및 석탄연소 발전소의 전력 생산비용이 32~65% 정도 증가한다고 보고되었다.

2.2. 연소 전 CO2 포집

연소 전 CO2 포집은 연소 전에 연료를 미리 처리하여 CO2를 포집하는 것이며, 공정반응은 다음과 같다.

연료(예: 석탄) -------------> CO + H2

가스화[예: CH4 + H2O ---------> CO + H2 수증기 개질반응(steam reforming reaction)

CO + H2O -----------> CO2 + H2 수성가스 전환반응(water-gas shift reaction)]

즉, 연료를 가스화시켜서 합성가스(syngas)인 일산화탄소(carbon monoxide, CO)와 수소를 만든다. 이후 CO 연료를 수성가스 전환반응을 통해, 탄소를 포함하지 않는 수소 연료로 변환시키고, CO의 탄소 성분은 CO2의 형태로 존재한다. 전제적으로는, 연료가 모두 수소 형태로 전환되어 연소 시 이산화탄소가 생성되지 않고 배기가스가 질소와 수증기만 있게 된다. 또한 이 과정에서 생성된 CO2를 포집하여 제거하는데, CO2 농도가 높기(20% 이상) 때문에 분리가 용이한 장점이 있다. 이러한 연소 전 CO2 포집 기술은 주로 석탄가스화발전소에서 사용되며, 천연가스인 메탄(CH4)발전소에도 사용 가능하다.

2.3. 순산소연소 CO2 포집

순산소연소 CO2 포집은, 연소 시 공기 대신에 산소를 사용하는 것이다. 이렇게 되면, 배기가스에서 분리가 어려운 질소화합물(예: NOx)의 저감이 이루어지며, 따라서 배기가스는 CO2, 수증기, 입자성 물질(particulate material, PM)과 이산화황(sulfur dioxide, SiO2)으로만 구성된다. 이때, PM과 이산화황은 각각, 전기집진기(electrostatic precipitator)와 재래적인 배기가스 탈황 방법으로 제거하며, 남아있는 CO2 농도가 높은 기체는 압축하여 수송 및 저장한다. 이 공정은 기술 자체는 그럴듯하나, 필요한 많은 양의 산소를, 에너지소비가 많은 공기 분리를 통해 공급하므로 비용이 많이 든다. 따라서 1000~2000MW급 공장 건설은 아직 이루어지지 않고 있으며, 약간의 소규모 발전시설이 운영되고 있다. 순산소연소 CO2 포집은, 산소 운반체로서 금속산화물(metal oxide)을 사용하는 화학적 루핑 연소(chemical looping combustion) CO2 포집 방법을 사용하기도 하는데, 저가이면서도 사용에 적합한 금속산화물로는 Fe2O3, NiO, CuO, Mn2O3 등이 있다.

3. 연소 후 CO2 포집에서의 CO2 분리 기술

3.1. 흡수법

흡수법(absorption)은 배기가스의 CO2를 용액 흡수제에 선택 흡수하여 분리시킨다. 이후, 탈거(stripping)나 재생(regeneration) 공정을 통해 CO2를 다시 탈거시켜서 수송 및 저장하고, 재생된 흡수제는 재사용한다. 이 방법은 CO2 분리 방법 중 가장 많이 사용되며, 흡수제로는, 알칸올아민 계열인 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA), 다이에탄올아민(diethanolamine, DEA), 그리고 탄산칼륨(potas-sium carbonate) 등이 있다. 이 중에서 MEA가 CO2 흡수효율이 가장 높으며(90% 이상), 가장 많이 사용된다. 하지만 MEAs는 탈거 에너지가 많고 부식 등의 문제점도 있어서, 고리형 다이아민(diamine)인 피페라진(piperazine), 음이온 기능기가 부착된 이온 액체(ionic liquid) 등이 대안 흡수제로 연구되고 있다.

3.2. 흡착법

흡착법(adsorption)은 고체 흡착제를 사용하여 배기가스 내 CO2를 흡착 분리하는 것으로서, CO2 흡착제의 조건은 넓은 비표면적, 높은 선택도와 재생 능력 등이며, 분자체(molecular sieve) 물질, 활성탄, 제올라이트, 칼슘산화물, 하이드로탈시트(hydrotalcite), 지르코늄산 리튬 등이 있다. 또한 흡탈착 방법에 따라 고압에서 흡착, 상압에서 탈착하는 압력교대흡착법(pressure swing adsorption)과 흡착된 CO2를 고온에서 탈착하는 열교대흡착법(thermal swing adsorption)이 있다.

3.3. 막분리

막분리(membrane separation)는 CO2를 선택적으로 막통과시켜 분리하는 방법으로, 특히 에너지소비가 적고 흡수법보다 막분리 효율이 높지만, 막오염(fouling)의 문제와 대량 공정에 부적합한 단점이 있다.

3.4. 액화 분리

일반적으로, 액화 증류(cryogenic distillation)는 기체 혼합물을 저온 고압에서 액상으로 만든 후, 증류 분리를 수행하는 것이다. CO2의 액화 증류 분리는, 배기가스를 CO2의 승화 온도(-100~-135℃)로 냉각시켜 CO2를 고체상으로 만든 후 제거하며, 100~200기압으로 압축한다. 이후 증류 공정을 통해 남아 있는 가스를 성분 분리한다. 에너지소비가 많기 때문에 많이 사용하지는 않는다.

4. CO2의 수송 및 저장

분리된 CO2는 저장소까지 수송되어 영구 저장된다. CO2의 대용량 장거리 수송장치로는 파이프라인(pipeline)이 가장 선호되며, 특히 내구연한이 23년 이상인 발전소로부터의 CO2 수송에 가장 효과적이다. CO2 수송 시, 질량/부피 비의 최적화를 위해, 액상이나 초임계(supercritical) 상태에서 고밀도로 수송한다. 특히, 초임계 상태는 점성도가 기체와 같이 낮으면서도 액상과 밀도가 유사하여서, CO2의 수송에 적합하다. CO2의 저장은 다른 용도가 없는, 염류 대수층(saline aquifer), 석탄층(coal bed), 해저나 폐기된 오일/가스 저장소에 저장할 수 있으며, 이러한 지질학적(geological) 저장은 현재 대용량의 CO2 저장을 위한 가장 실현 가능한 방법이다. 바람직한 지질학적 저장소의 조건은 적절한 기공도(porosity)와 두께, 저장소 암반의 낮은 투과도, 덮개암(cap rock)의 높은 밀봉능(sealing capability) 등이 있다. 특히, 염류 대수층은 지상에서 700~1000m 아래에 존재하는데, 연안이나 앞바다에 매우 넓게 분포되어 있어서, 막대한 양의 CO2 저장소로서 가장 적당한 장소로 간주되고 있다. 그 밖에, CO2를 거의 고갈된 오일/가스 저장소에 주입시켜 CO2를 저장함과 동시에, 남아 있는 오일/가스를 뽑아내는 향상된 오일 회수(enhanced oil recovery, EOR) 방법이 있다.

5. CO2의 활용

포집된 CO2는 영구 저장되기도 하지만, 상업적 생산물로 재사용할 수도 있다. 즉, CO2는 식음료산업에서 탄산제(carbonating agent), 방부제, 패킹가스, 디카페인 공정에서의 추제(solvent) 등으로서 직접 사용될 수 있다. 또한 CO2를 전구체로 한 카복시화 반응을 통해 탄산, 아크릴산 같은 유용한 화합물로 전환될 수 있으며, 환원반응을 통해 C=O 결합을 깨트려서 메탄, 메탄올, 합성가스 우레아(urea), 포름산 등을 합성할 수 있다. 그 밖에, Fischer-Tropsh 공정의 공급 원료로도 사용 가능하다. CO2를 마그네슘이나 칼슘을 함유한 광물과 반응시켜 광물탄산 화합물을 생성하면, CO2의 장기 보관이 가능하며, 필요할 때 CO2를 사용할 수 있다. 마그네슘과 칼슘은 주로 실리카 광물에서 발견되는데, 이러한 광물로는 사문암(serpentine), 감람석(olivine), 규회석(wollastonite) 등이 있다.

6. 결론

온실가스 배출로 인한 지구온난화를 방지하기 위해서는, 각각의 단계에 대한 세부 연구도 필요하지만 포괄적인 CO2의 포집, 저장 및 활용에 대한 검토 및 연구가 필요하며, 이런 맥락에서 본 보고서에서는 이에 대하여 알아보았다. 아직 실제로 효과적으로 적용 가능한 CCSU 공정은 완성되지 않았으며, 앞으로 이와 관련한 많은 심도 있는 연구가 있기를 기대한다.

References

1. Leung, D., Caramanna, G., & Maroto-Valer M. An overview of current status of carbon dioxide capture and storage technologies. Renew Sustain Energy Rev, 39, 426-443, 2014.

2. Cuéllar-Franca, R. & Azapagic, A. Carbon capture, storage and utilisation technologies: A critical analysis and comparison of their life cycle environmental impacts. J CO2 Util, 9, 82-102, 2015.

3. Olajire, A. CO2 capture and separation technologies for end-of-pipe applications - a review. Energy, 35(6), 2610-2618, 2010.

4. Nord, O., Anantharaman, R., & Bolland, O. Design and off-design analyses of a pre-combustion CO2 capture process in a natural gas combined cycle power plant. Int J Greenh Gas Control, 3(4), 385-392, 2009.

5. Buhre, B. et al. Oxy-fuel combustion technology for coal-fired power generation. Prog Energy Combust Sci, 31(4), 283-307, 2005.