탄소포집활용저장기술

탄소포집활용저장기술이란 무엇인가?

근래 들어서 친환경 기술, 친환경 산업이라는 용어들을 자주 접하게 됩니다. 폭우나 가뭄, 그리고 여름에는 폭염이나 겨울에는 한파와 같이 극단적인 기후변화를 실생활에서 겪게되면서 관심이 높아진 것이 가장 클텐데요.

 그중, 기후변화를 직접적으로 일으키는 주범인 이산화탄소의 발생을 줄이거나, 아예 이산화탄소 자체를 발생시키지 않을 수 있는 기술 및 산업에 초점이 모이고 있습니다. 그 중 가장 이산화탄소를 직접적으로 줄이면서도 기존 산업구조를 유지시킬 수있는 기술이 바로 탄소포집활용저장기술인데요.

 탄소포집활용저장기술은 말 그대로 탄소를 포집(Capture)하여 이를 활용(Utiliztion)하거나 저장(Storage)및 격리(Sequestration)하는 기술을 지칭하는 말(이하 CUSS)로써, 궁극적으로 포집한 이산화탄소를 '자원화'하는 기술을 일컫습니다. 

왜 탄소포집활용저장기술이 필요한가?

 탄소포집활용기술 개발이 전 세계에 주목을 받는 이유는 아래와 같이 크게 2가지 이유를 들 수 있습니다.

 

 1. 기후변화에 대한 빠른 대응, 그러나 현재의 산업구조를 유지시킬 수 있는 현실적인 방법

 파리기후협정에서 약속한 대로 2050년까지 지구 온도 상승폭을 1.5°C까지 낮추려면 재생에너지의 사용을 증가시키거나 에너지 효율화 그리고 에너지 사용의 전기화등이 필수적입니다. 하지만 현실적으로 당장 발전을 위한 전력생산이나 기본 사회 인프라를 구축하기 위해 필요한 석유화학, 철강, 시멘트 산업 등 이산화탄소를 많이 배출하는 산업들은 사회기반 산업이기 때문에 이들 산업을 유지시키지 않고서는 경제를 지탱할 수 없다는 현실적인 문제가 있습니다. 이렇듯, 당장 탄소중립사회로 이행한다는 것은 산업구조를 근본적으로 개편해야 가능한 것으로 현실적으로 실행불가능한 부분들이 많기 때문에, 탄소저감목표를 단계적으로 개편하는 과정에서 탄소포집활용저장기술이 효과적인 방안으로 사용될 수 있기 때문입니다. 

 

 

2. 탄소업사이클링을 통한 자원순환체인 완성

향후 글에서도 다시 한번 소개할예정이지만, 탄소를 효율적으로 포집하고, 안정적으로 저장할 수 있다면, 탄소를 통해 전력생산부터, 시멘트나 콘크리트같은 대체 건설소재까지 생산할 수 있는 업사이클체인을 만들 수 있습니다.

특히 우리나라의 경우, 자원과 에너지의 빈국으로 향후 탄소포집저장활용기술이 고도화된다면, 탄소를 통해 에너지자립화를 일정정도 달성할 수있을만큼 그 자체로도 가장 큰 자원이 될 수 있습니다.  

CCU기술 기반 탄소순환 미래사회(출처 : 이산화탄소 포집 활용 기술혁신 로드맵 자료)

탄소포집은 어떻게 이루어지는가?

연소 후 포집기술

흡수제를 이용하여 연소 후 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡,탈착하여 분리하는 기술로, 전 세계적으로 자원을 연소시켜 최종품을 생산하면서 대량의 이산화탄소가 만들어지기 연소 후 포집기술을 통한 탄소포집기술이 집중되어 개발되고 있습니다. 

 

1) 습식 포집 기술

 연소 배기가스 중의 이산화탄소를 액체 흡수제(아민계)를 이용하여 이산화탄소를 분리하는 방법으로 이산화탄소와의 반응이 빨라 건식보다 이산화탄소의 제거율이 높다고 알려져있습니다. 최근 보도에 따르면, 작년부터 시범적으로 습식 탄소포집기술을 적용한 한국중부발전의 500MW급 보령화력발전소에 대하여, 1여년간의 시범운영을 마치고, 본격적인 상용운전에 들어갔다고 하는데요. 본 습식 포집기술이 적용된 이산화탄소 포집성능은 2.2~2.3GJ/Ton-CO2의 낮은 에너지 소비량을 보이면서 99.9%이상의 이산화탄소 순도를 보였다고 합니다. 현재 일일 이산화탄소 포집량은 190톤 정도로 알려졌습니다. 

한국 전력연구원의 습식 탄소 포집공정(출처 : 한국 전력연구원 홈페이지 캡쳐)

 습식포집을 통한 탄소포집에 대한 핵심 기술은 높은 이산화탄소 흡수능력과 낮은 재생열, 그리고 고내구성 특성을 갖는 액상 흡수제 개발이라고 볼 수 있습니다. 현재 차세대 습식포집 기술로는 Precipitating solvents, Two phase liquid system, Enzymes, Ionic fluids, Encapsulated solvents, Electrochemical solvents 등이 있습니다. 

 우리 나라에서는 차세대 흡수제인 MAB(Modulated Amine Blend) 흡수제 기반 포집기술을 보유 중인데요. 

MAB 흡수제는 비수계 흡수제로, 기존 상용 흡수제(MEA)대비 이산화탄소 흡수용량 및 속도가 약 2배 향상된 것으로 알려져있습니다. 

 

 

2) 건식 포집 기술

- 건식 탄소포집기술은 연소 배기가스 중의 이산화탄소를 고체 흡수제를 통해 빠르게 흡수하고 고농도로 분리 및 포집하는 공정으로 배출되는 배기가스 중에 이산화탄소 흡수제 성분이 포함되지 않아 2차 오염에 대한 영향이 거의 없는 친환경 기술로 비교적 가볍게 이산화탄소와 흡착되기 때문에 분리가 쉽고 설치 구축비와 운영비용이 습식에 비해 저렴하여 경제적으로 우수성을 가지고 있습니다. 그러나 이산화탄소와의 반응속도가 느리고 제거율이 습식에 비해 낮다는 단점이 있습니다.

 2014년에 한국 남부발전의 화동화력발전소에 10MW급 화력발전소에 실증 생산시설을 설치해 운영하고 있으며, 일일 기준 50톤 규모의 액화 이산화탄소를 공급하고 있습니다. 

한국남부발전 하동화력발전소(출처 : 한국남부발전 하동화력발전소 홍보동영상 캡쳐)

 

분리막 포집 기술

멤브레인 분리막을 이용하여 기체혼합물이 분리막 표면에 접촉하였을 때, 각 기체성분들마다 흡수와 확산 속도가 다른 점을 이용하여, 이를 선택투과시켜 이산화탄소를 분리,포집하는 기술로, 설비장치 구조가 단순하고 환경친화적이며, 비교적 작은 공간에서도 설치가 가능하다는 장점이 있습니다. 현재 이기술은 에어레인이라는 회사에서 실제로 롯데케미컬과 함께 협업하여, 롯데케미컬 여수공장에 실증설비를 설치하고 운영중에 있습니다.

 

https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=03548966629018416&mediaCodeNo=257

[르포]年20만톤 CO2 잡는 화학공장…롯데케미칼 ‘ESG’ 첨병 나선다

 

연소전 포집기술

연소 전 포집기술은 화석연료의 가스화(Gasfication) 또는 천연가스의 개질반응(Reforming)을 통해 수소와 일산화탄소등의 합성가스를 생산한 후, 수소의 수율을 높이고자 일산화탄소와 수증기를 이용한 수성가스전이반응(Water gas shift reaction)을 통해 H2와 CO2로 전환하여 이산화탄소를 포집하는 동시에 H2를 생산하는 방법입니다. 

본 연소 전 포집기술은 이산화탄소를 포집할 뿐만 아니라, 수소도 동시에 생산할 수 있는 기술로 Blue 수소생산에 가장 적합한 기술이라고 볼 수 있습니다.

 

연소전 포집기술(출처 : 한국이산화탄소포집및처리연구개발센터 홈페이지)

 

 

순산소 연소발전

질소 성분을 미리 배제한 순도 95% 이상의 산소와 재순환된 배기가스를 사용하여 미분탄을 연소시켜 이산화탄소와 물이 대부분을 차지하는 배기가스를 생성한 후, 물의 간단한 응축과정을 통해 고농도의 이산화탄소를 포집하는 방식입니다.

순산소 연소포집기술 (출처 : 한국이산화탄소포집및처리연구개발센터 홈페이지)

순산소 연소발전은 공기 대신 순수한 산소를 산화제로 사용하기 때문에, 연소 후에 배출되는 성분의 대부분이 이산화탄소와 물로 이루어지기 때문에 이산화탄소 포집율도 90% 이상으로 높을 뿐더러, 기존 발전소에 산소공급장치와 배기가스 재순환 설비만 추가하면 되기 때문에 건설비와 운영비도 절감할 수 있다는 장점이 있습니다. 

우리 나라에서는 에너지기술연구원에서 국내 최초로 배가스 재순환설비를 이용한 '순산소 순환유동층 연소기술 개발'에 송공하여, 작년에 미국 에너지부 산하 국립에너지기술연구소와 공동 연구개발협정을 맺고 순산소 연소발전기술 개발을 하기로 하였습니다. 

 

에기연, 순산소 연소 발전 기술 박차

직접 공기 포집 및 저장(Direct air capture and storage)

흔히 DAC라고 불리는 직접 공기 포집 및 저장 방법은 앞에서 서술한 방법들처럼, 화학,철강등의 플랜트에서 배출되는 물질로부터 이산화탄소를 포집하는 것이 아닌, 말 그대로 우리가 숨쉬는 공기 중의 이산화탄소를 흡수, 포집하는 기술입니다. 현재까지 일반적인 직접 공기 포집 및 저장방법은 공기를 빨아들이기 위해 거대한 팬이 설치되어 있는 구조물을 통해 대량의 공기를 흡입한 후, 이를 화학적 처리를 통해 이산화탄소만 따로 모으는 방법입니다.

 

직접 공기 포집 및 저장기술은 마찬가지로 앞에서 서술한 기술들과는 또 다른 차이점이 존재하는데요.

그것은 바로, 탄소 네거티브 기술이라는 부분입니다. 탄소 네거티브란 이산화탄소를 배출시키는 물질로부터 이산화탄소를 따로 모아 처리하는 탄소중립과는 다르게 이미 배출된 이산화탄소를 포집하여 이를 저장,활용함으로써 실질적으로 대기 중의 이산화탄소를 감소시킨다는 것을 의미합니다.

 

실제로 캐나다의 카본엔지니어링 같은 회사는 본 직접 공기 포집 및 저장기술을 활용하여, 모아진 이산화탄소와 재생에너지, 그리고 물을 이용하여 저탄소 항공유등을 하루 1배럴을 생산하고 있습니다.