◎저탄소 경제로 가기 위한 교두보, CCS

LG경제연구원 '저탄소 경제로 가기 위한 교두보, CCS'

최근 구미 선진국을 중심으로 CCS에 대한 관심이 높아지고 있다.  에너지 사용은 지속적으로 증가하고 이산화탄소는 서둘러 줄여야 하는 상황에서, CCS는 이산화탄소를 효과적으로 감축할 수 있는 대안이 될 수 있다. 
 
현재 일상생활이나 산업현장에서 발생하는 대량의 폐기물을 처리하기 위해 사용하는 주된 방법은? 바로 매립이다. 폐기물을 선별하여 모은 다음 관리가 가능한 특정 지역에 묻고 통제하는 것이다. 물론 환경측면에서 완벽하지는 않다. 근본적으로 가정 및 공장에서 폐기물 발생을 없애거나 줄이는 것이 최선의 방법이다. 차선으로는 재활용, 열병합 등 폐기물을 재사용하는 방법 등이 있다. 그러나 나날이 증가하고 있는 쓰레기를 처리하기에는 한계가 있기 때문에, 안전하고 현실적인 대안으로 매립이 사용되고 있는 것이다. 
 
최근의 이산화탄소도 비슷한 상황이다. 발전 및 산업시설에서 발생하는 이산화탄소를 모아서 통제가 가능한 곳에 격리, 저장하는 방법이 관심을 받고 있다. 경제성이 부족하거나 뚜렷한 대안 기술이 아직 없어 부득이하게 화석연료를 사용하는 화력발전소, 제철소, 석유화학공장 등의 시설에서는 대량의 이산화탄소를 배출할 수 밖에 없기 때문이다. 따라서 화석연료를 사용할 때 배출되는 이산화탄소를 포집 및 압축하여 안전한 곳까지 수송한 후 저장하는 이산화탄소 포획 및 저장(CCS, Carbon Capture and Storage) 기술이, 현재의 경제 및 기술환경에서 이산화탄소를 배출을 효과적으로 줄일 수 있는 대안으로 주목을 받고 있다(<그림 1> 참조). 
 
CCS의 이산화탄소 감축 능력이 부각되면서 개발 지원도 활발하다. 미국은 기후변화 기술프로그램(CCTP, Climate Change Technology Program)의 하나로 2015년까지 실용화 테스트를 계획 중이고, EU도 R&D 프로그램인 FP7(Framework Program 7)의 ZEP(Zero Emission fossil fuel Power plant) 프로젝트를 통해 2020까지 CCS를 적용한 화력발전소를 가동할 예정이다. 또한 2009년 7월 G8 정상회의에서는 대규모 CCS 프로젝트 개발을 지원하기 위한 단체로 국제탄소포집저장연구소(GCCSI, Global Carbon Capture and Storage Institute)를 출범시켰다. GCCSI의 경우 약 20여개의 국가와 60여개의 선두기업 및 다수의 연구기관이 참여할 정도로 국제적인 관심이 높다. 
 
이산화탄소의 효과적 감축 위해 CCS가 필요 
 
이처럼 CCS가 저탄소 녹색경제를 위한 대안기술로 국제적인 관심과 지지를 받는 이유는 무엇인가? 바로 신재생에너지, 전기자동차, 에너지 효율화 같은 기존 녹색기술의 한계 때문이다. 이들 녹색기술만으로는 온실가스 감축 계획을 효과적으로 달성하기 어렵고, 에너지 수요의 빠른 증가에 대응하기도 힘들며, 화석연료를 사용하는 기존 시설을 단기간에 대체하기 불가능하기 때문이다. 
 
우선 글로벌 각국의 이산화탄소 감축 계획을 예상대로 달성하기 위해서는 대량의 이산화탄소를 단기간에 줄일 수 있는 CCS 기술이 필요한 상황이다. 온실가스 감축에 대한 글로벌 합의가 진행되면서, 구미 선진국을 중심으로 장기적인 목표를 설정하고 강력한 정책 드라이브를 계획하고 있다. 미국은 온실가스를 2020년까지 2005년 대비 17% 감축 목표를, 한발 더 나아가 EU는 1990년 대비 20%의 감축 목표를 제시하였다. 또한 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)가 지구온난화를 막기 위해 제안한 2050년까지 50~85%의 감축안을 참고로, 2009년 7월 G8 정상회의에서는 2050년까지 80%의 이산화탄소 감축안에 동의하였다. 그런데 기존의 녹색기술만으로는 장기적 이산화탄소 감축 목표의 달성이 쉽지 않은 상황이다. 그린피스의 경우 긍정적 시각에서 신재생에너지, 에너지 효율화 기술로 2050년까지 최대 50%까지 이산화탄소 감축이 가능하다고 주장하지만, 나머지 30%의 이산화탄소 감축을 위해서는 여타의 기술이 필요한 상황이다. 따라서 이산화탄소 감축 능력이 탁월한 CCS 기술이 중요한데, 국제 에너지 기구(IEA)에 따르면 2050년 글로벌 온실가스 감축의 약 19%를 CCS가 담당할 것으로 전망하고 있다(<그림 2> 참조). 다양한 녹색기술 가운데에서도 단일기술로는 가장 큰 비중을 차지하게 될 것으로 보여진다. 
 
두 번째로 글로벌 에너지 수요의 증가세를 신재생에너지가 뒷받침하기 어렵기 때문이다. IEA는 2030년 글로벌 에너지 소비가 2006년에 비해 35%~50% 정도 상승할 것으로 보고 있다. 수력을 포함한 신재생에너지 분야는 빠른 성장에도 불구하고 2030년 전체 에너지 소비의 20%를 넘지 못할 것으로 예상하고 있다. 반대로 공급이 손쉬운 화석연료의 사용이 늘어날 것으로 전망된다. 화석연료 가운데에서도 석유의 비중은 줄어드는 대신, 상대적으로 매장량이 풍부한 석탄과 천연가스의 소비가 증가할 것으로 보인다. 따라서 화석연료를 친환경적으로 사용하기 위한 방법으로서 CCS에 대한 관심이 높아지는 상황이다. 
 
세 번째로 화석연료를 사용하는 기존 발전 시설을 단기간에 대체하기 힘들기 때문이다. 미국 에너지 정보국(EIA)의 보고서에 따르면 2010년 20.6조 kWh의 글로벌 발전량 중에서 석탄의 비중은 40% 이상을 차지하는 반면, 수력을 포함한 신재생에너지와 원자력에너지의 발전량은 둘을 합해도 석탄에 미치지 못할 것으로 보고 있다. 발전소 건설에만 5년 가까이 걸리는 원자력이나, 전력 생산이 지역 환경에 따라 편차가 큰 신재생에너지가 단기간에 지난 수십 년 동안 전기를 생산해 왔던 화력발전소를 대체하기는 어려울 전망이다. 게다가 석탄 화력 발전소에서 배출하는 이산화탄소의 양은 전체 포집 가능한 이산화탄소의 60%를 차지할 정도로 많기 때문에, 발전소에서 직접 대량의 이산화탄소를 줄을 수 있는 CCS 기술이 각광받고 있는 것이다. 
  
CCS 기술의 발전 가시화 
 
CCS에 대한 관심이 증가하면서 이산화탄소 포집, 운송, 저장의 각 단계별로 기술 개발이 한창이다. 전체 CCS 과정의 70~80% 비용을 차지하는 포집 단계에서는 배출가스에서 이산화탄소를 분리하는 공정의 연구가 활발하다. 운송 단계의 경우 거리에 따른 수송 방식의 경제성이 검토 중이고, 저장 단계에서는 이산화탄소 누출 및 환경오염이 없는 안전한 지형의 탐색이 이루어지고 있다. CCS는 2010년 이후 구미 선진국을 중심으로 대규모 실증 파일럿 프로젝트를 거친 다음, 2020년부터 화력발전소에 본격적으로 운영되기 시작할 것으로 전망된다. 
  
1. CCS의 핵심 기술, 이산화탄소 포집 
 
이산화탄소 포집 기술을 살펴보면 크게 연소 후 포집, 연소 전 포집, 순산소 연소의 3가지 방법이 개발되고 있다. 연소 후 포집 기술은 화석연료의 연소 후 발생하는 배출가스에서 이산화탄소를 포집하는 기술로, 다른 기술에 비해 연구가 가장 오래 진척되어 이미 파일럿 플랜트에서 가동되고 있다. 반대로 연소 전 포집기술은 화석연료를 연소 전에 수증기 개질을 통해 가스화시켜 이산화탄소와 수소의 합성가스로 변환한 다음, 분리 또는 연소를 통해 이산화탄소를 포집하는 방법이다. 순산소 연소는 공기 중의 질소를 제거한 95% 이상의 고농도 산소를 연소에 사용하여 배기가스의 이산화탄소 농도를 높여 포집하는 기술이다(<그림 3> 참조). 연소 전 포집기술과 순산소 연소기술은 연소 후 포집기술에 비해 이산화탄소 포집이 이론적으로는 용이하나, 아직 테스트 단계이거나 기술 발전이 뒤쳐진 상태이다.  
 
CCS 포집 방식에서 가장 중요한 과정은 이산화탄소 분리 공정이다. 화석연료를 연소시킨 후 나오는 배출가스에서 이산화탄소만을 흡수하는 과정으로, 이 때 많은 에너지 및 비용이 소모되기 때문이다. 일례로 현재 가장 많이 사용되고 있는 연소 후 포집의 습식 아민(Amine)계 흡수 방식을 들 수 있다. 이 방식은 이산화탄소 흡수제로 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA) 등을 활용하여 배출가스에서 이산화탄소를 화학 흡수한 후 이산화탄소를 분리하기 위해 흡수제를 재생장소로 옮긴다. 재생장소에서는 흡수제에 열, 압력, 기타 다른 가스 등을 가하여 이산화탄소를 다시 분리해 낸다. 이 때 많은 양의 에너지가 소모되고, 기능을 상실한 흡수제를 다시 보충하는 등 추가적인 비용이 발생하는 것이다(<그림 4> 참조).  
 
따라서 효율적이고 비용이 저렴한 이산화탄소 분리 기술을 개발하는 것이 당면과제가 되고 있다. 특히 흡수제 재생시 에너지 소비가 적고 산성가스에 의한 부식문제가 없으며 폐수가 발생하지 않는 건식흡수 방법, 배출가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 투과시켜 이산화탄소 회수 비용을 대폭 줄이는 분리막 기술 등이 집중적으로 연구되고 있다. 이 밖에 금속 계열인 MOF(Metal Organic Framework), 효소, 이온 화합물 등을 활용한 혁신적인 이산화탄소 분리기술에 대한 연구도 진행 중에 있다. 
  
2. 운송 및 저장의 다양한 방법 연구 
 
산업 및 발전시설에서 이산화탄소를 포집한 다음에는 저장 장소까지 운반하여 격리시키는 과정이 필요하다. 대표적으로 운송 단계에서는 파이프라인 및 LNG 운반선 등의 방법이 연구되고 있고, 저장 단계에서는 지질 특성에 따라 지중 및 해양 저장의 방식이 검토되고 있다. 
 
이산화탄소의 운송에서는 저장장소까지의 거리가 이슈다. 이산화탄소 저장이 가능한 지역은 한정되어 있어서, 운반하지 않고 이산화탄소를 포집한 장소에 바로 묻는 것이 어렵기 때문이다. 운송거리 외에도 기온, 이산화탄소 운송량 및 압력과 같은 다른 변수도 영향을 줄 수는 있지만 미미한 편이다. 일반적으로 1,000 km 내에서는 이산화탄소를 100~150 bar의 임계압력까지 압축시킨 다음 파이프라인으로 운송하는 방법이 가장 경제적이다. 미국의 경우 유전채굴에 사용되는 이산화탄소를 전달하기 위해 이미 2,500km의 파이프라인이 사용되고 있다. 그러나 소량의 이산화탄소 운반이나 1,000km 이상의 원거리 운송에는, 탱크 트럭이나 대형 가스운반선을 이용한 방법이 사용될 수 있다. 
 
이산화탄소 저장이 가능한 지형의 탐색도 활발하다. 1990년대부터 석유 및 천연가스의 개발사업에서 자원 회수를 증진시키기 위해 이산화탄소 저장 방법(EOR, Enhanced Oil and Gas Recovery)이 사용되어 왔지만, 최근에는 CCS를 위해 폭넓은 장소 탐색이 이루어지고 있다. 특히 내륙 및 해양 지층이 저장 장소로 각광받고 있다. 해수 심층 저장, 광물 저장 등의 방법도 있지만 생태계 파괴와 반응 시간이 오래 걸리는 한계가 있기 때문이다. 지층 저장이 적합한 장소로는 지하 약 1,000m 깊이의 대염수층(saline aquifers), 석유 가스층, 석탄층 등이 있다(<그림 5> 참조). IPCC에 따르면 대염수층의 잠재 저장 능력은 1,000 GtCO2(giga ton CO2)로 2005년 글로벌 연간 이산화탄소 배출량 7 GtCO2에 비교하였을 때 충분한 것으로 평가되고 있다. 
  
3. 2010년 이후 대규모 실증 프로젝트 계획 
 
CCS는 설비산업이기 때문에, 기술의 신뢰도를 높이기 위해 대규모 실증 프로젝트가 중요하다. Sleipner West(1996), Weyburn-Midale Project(2000), The Southwest Regional Partnership(2004), In Salah(2004) 등 이미 300MW 미만의 소형 발전에 운영중인 연소 후 포집 방식은 2010년 이후 대규모 플랜트에 확대 적용될 예정이다. 아직 기술이 부족한 연소 전 포집 및 순산소 연소 방식 등도 실증 테스트 계획이 수립되고 있다.  
 
2010년 이후 계획된 1 MtCO2 이상 규모의 CCS 실증 프로젝트를 통해 각 국가별, 기술별 동향을 살펴볼 수 있다(<그림 6> 참조). 약 30여 개의 프로젝트 중에서 유럽이 전체의 절반 이상인 18개, 미국이 10개의 프로젝트를 실시할 예정으로 구미 선진국들의 관심이 높다. 호주의 Monash CTL Project와 미국의 PURGeN를 중심으로 2015년을 전후해서 대다수의 프로젝트가 집중되어 있다. 특히 순산소 연소보다는 연소 후 포집과 연소 전 포집 기술의 프로젝트가 많은 상황이다. 시기별로 살펴보면 초기에는 연소 후 포집 분야가, 중장기에는 IGCC와 연계가 가능한 연소 전 포집과 이산화탄소 분리가 수월한 순산소 연소 분야가 확산될 것으로 전망된다.  
 
이에 따라 CCS의 장기적인 시장 전망도 밝은 편이다. 단기에는 정부 지원을 바탕으로 실증 플랜트 건설, 포집 기술 개발, 파이프라인 인프라 건설 등의 분야가 활성화되겠지만, 중장기에는 경제성이 확보되면서 민간 주도의 탄소배출권 거래, 이산화탄소 저장 및 모니터링 등의 분야가 활발해질 가능성이 크다. IEA의 CCS 로드맵을 보면 2020년까지 20여 개의 데모 플랜트 건설에 250억 달러의 투자가 이루어지고, 2015~2030년에는 이산화탄소 운송을 위한 인프라 건설이 예상되는 등 CCS 초기에는 기술 검증과 시설에 많은 투자가 예상된다(<그림 7> 참조). CCS는 수많은 검증을 거친 후 2020년부터 발전소에서 본격적으로 운영되기 시작할 것으로 전망되는데, 장기적으로 CCS를 통한 이산화탄소 감축이 활성화되는 2030년경에는 시장규모가 최대 약 2,000억 유로에 달할 것으로 보인다. 만약 포스트 교토협상의 타결 등으로 탄소배출권 가격이 크게 상승하거나 혁신적인 기술이 개발된다면 CCS의 상업화 시기는 더욱 앞당겨질 전망이다. 
  
혁신 기술을 통한 CCS의 경제성 확보가 중요 
 
그러나 CCS가 해결해야 할 문제는 아직 많이 남아 있다. CCS의 경제성 확보를 위해 기술 개발 및 대규모 파일럿 시설의 검증이 필요하고, CCS 인프라를 위해 이산화탄소와 관련된 정부 제도 및 지원도 뒷받침돼야 하며, CCS가 상업화되기까지 실증 프로젝트를 위한 중장기적인 개발 투자도 지속돼야 한다.  
 
첫 번째로 CCS의 경제성을 확보해야 한다. CCS는 EOR을 이용하여 5~15 달러/tCO2의 추가적인 이득을 더한다 하더라도 처리 비용이 50~60 달러/tCO2에 달한다(<표> 참조). 현재 유럽의 탄소배출권 시장에서 이산화탄소가 톤당 20유로(28달러) 미만으로 거래되는 상황을 고려하면 2배가 넘는 비용이 필요한 것이다. 게다가 CCS를 화력발전소에 설치할 경우 이산화탄소를 흡수할 때 에너지가 추가적으로 소모되기 때문에 발전효율이 최대 11%까지 하락하는 상황이다. 따라서 혁신적인 비용 절감을 위해서는, CCS 대부분의 비용을 차지하고 있는 포집 분야의 기술개발과 대규모 실증사업을 통해 처리비용을 낮추는 것이 필요하다.  
 
두 번째로 CCS와 관련한 정부 제도의 구축 및 지원이 이루어져야 한다. CCS는 탄소배출을 줄이는 기술로 탄소감축 의무대상이 아닌 국가에서는 효용이 떨어진다. 즉 CCS와 탄소배출권은 서로 연동되어 돌아가야 하기 때문에, 탄소배출권 거래 시장과 관련한 제도 마련이 필요하다. 이산화탄소의 저장과 관련하여 저장소 선정시 또는 해외 저장시 문제가 될 수 있는 법적 규제도 뒷받침돼야 한다. 이산화탄소 누출에 대비하여 제도적 안정성을 확보하고, 폐기물로서 이산화탄소를 해외에 저장하기 위한 정부 간 협정이 필요하기 때문이다. 또한 CCS의 상용화를 위해서 파이프라인 건설과 같이 개별기업이 감당하기 힘든 사항은 정부차원의 지원이 긴요하다. 
 
세 번째로 CCS의 상용화까지 적어도 10년 정도의 시간이 필요할 것으로 예상되기 때문에 투자가 지속적으로 이루어져야 한다. CCS 프로젝트의 경우 테스트 비용도 많이 들고 기간도 길어 사업 리스크가 크다(<그림 8> 참조). 따라서 정부의 지원 및 여러 기업들의 합작을 통해 기업의 리스크를 줄여나가야 한다. 일례로 BP와 Rio Tinoto에 의해 2011년 실행 예정이었던 Kwinana 프로젝트의 경우 2년 이상의 조사기간과 수백만 달러의 연구 비용, 지층 저장상의 불안전성을 이유로 2008년 계획을 돌연 취소하였다. 이 밖에 FutureGen, Peterhead, Tjeldbergodden, Moomba 등의 CCS 프로젝트도 취소되는 등, CCS 상업화 시기가 지연되는 것을 막기 위해서라도 사업 리스크를 줄이기 위한 방법이 모색돼야 할 것이다. 
  
저탄소 경제를 위한 연결고리, CCS 
 
CCS는 환경적으로 완벽한 기술은 아니다. 지하에 저장되는 이산화탄소가 분해되거나 어디로 사라지는 것이 아니기 때문에, 후손들에게 책임을 전가한다는 비판을 받을 수 있다. 그러나 에너지 사용은 나날이 늘어만 가고 이산화탄소 배출은 서둘러 줄여야만 하는 지금, CCS가 미래 저탄소 녹색경제로 발전하기 위한 연결고리가 될 가능성이 높다. 신재생에너지의 전기 생산량이 늘고 수소경제가 도래하기 까지는 앞으로 수십 년이 걸릴 것으로 예상되기 때문에, 2020년부터 시작해서 최대 2100년까지 CCS가 이산화탄소를 효과적으로 감축하기 위한 가장 효과적인 대안으로 사용될 것으로 예상된다. 따라서 유망 녹색산업으로서 CCS에 관심을 두고 그 가능성을 확인해보는 것이 필요한 시점이다.  <끝>