진화하는 온실가스 해결방안, 지구온난화의 주범을 미래 자원으로 바라보다!

진화하는 온실가스 해결방안, 지구온난화의 주범을 미래 자원으로 바라보다!

 

대학생신재생에너지기자단 15기 김혜림

 

 산업혁명 이후 꾸준히 증가한 지구의 온도는 해수면 상승과 이상기후 현상을 동반시키면서 우리를 위협하고 있다. 이를 해결할 수 있는 가장 확실한 방법은 지구 온도 상승의 원인인 온실가스 배출을 줄이는 것이다. 그러나 온실가스 배출이 많은 산업분야가 주를 이루고 있는 상황에서 온실가스 감축이란 말처럼 쉽지 않다. 따라서 세계 각국은 기존의 화석연료 중심 사회에서 신재생에너지와 같은 친환경적인 방법의 에너지 전환을 이루며 온실가스 감축 노력을 계속하되, 이미 대기 중에 축적된 양을 줄이는 방안에 더 주목하고 있다. 그 중에서도 온실가스의 비중이 가장 큰 이산화탄소에 초점을 맞추며 이산화탄소를 잡을 수 있는 새로운 기술의 필요성이 대두되고 있는 가운데 'CCU' 기술이 획기적인 방안으로 떠오르고 있다.

 

CCS에서 CCU로의 전환

 

CCU 기술은 CCUS(Carbon Capture, Utilization & Storage, 이산화탄소 활용 및 저장) 기술 중 CO2를 다른 유용한 물질로 전환하여 활용하는 기술로 정의된다. 즉, 화력발전소나 시멘트 및 석유화학공장 등과 같은 대규모 배출원에서 발생되는 CO2를 산업적인 용도로 직접 이용하거나 고부가가치 제품으로 전환하여 활용하는 기술이다.

CCUS는 CCU와 CCS 기술로 이루어져 있는데, 이 중 CCS는 산업체나 발전소에서 배출하는 이산화탄소를 포집한 뒤 지하에 저장하는 기술로 수많은 이산화탄소를 단번에 제거할 수 있는 효과적인 기술이다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 현재 CCU가 더 주목을 받고 있으며 CCS 기술에서 점차 전환되고 있다.

 

[CCS, CCU 기술 개념 비교]

출처 : KEPCO Journal

1) 수송, 압축 및 저장 공정 필요 2) 저장 능력 및 안정성 측면에서 적합한 저장 공간 부족 3) 저장시설 및 수송관 건설 비용 문제가 그러한 원인이 된다.

CCU는 배출된 CO2를 산업적인 용도로 직접 활용하기 때문에 일련의 공정(수송, 압축 및 저장)이 불필요하여 CCS 대비 공정 규모가 크게 줄어드는 장점이 있고, 입지 조건에 대한 제약이 적다. 이 점은 특히 저장소 확보가 어려운 우리나라에서 CCU를 CCS의 대안으로서 역할이 가능하다고 기대할 수 있다.

더불어 CCS는 CO2를 단순 포집하여 저장하기 때문에 실제적으로 CO2를 제거할 수 없다는 한계를 지녔지만, CCU는 재활용을 통해 부가가치를 실현할 수 있다는 점에서 한층 진화된 기술로 평가받는다. 결과적으로 이산화탄소를 쓰레기처럼 묻어버리는 것이 아닌 경제적으로 유용한 물질로 재탄생시키며 이산화탄소를 새로운 자원으로 이용한다는 점에서 CCU가 더욱더 주목받게 된 것이다.

 

이산화탄소를 자원으로 활용하다

1. CO2 발생이 적은 건축자재

 

시멘트 산업은 발전분야에 이어 두 번째로 이산화탄소를 많이 배출하는 분야이다. 그러나 이산화탄소를 규산염암등에 포함된 마그네슘 산화 물(MgO), 칼슘 산화물(CaO)과 반응시켜 시멘트를 생산하는 공정은 생성된 탄산염이 장기간 안정 상태로 유지되므로 CO2 누출에 대한 우려 없이 건설자재, 탄광 매립 등에 이용하거나 안정적으로 폐기할 수 있다. 이는 생산 과정에서 CO2가 많이 배출되는 시멘트를 일부 대체할 수 있어서 친환경적인 건축 자재를 만들어낸다.

영국의 Novacem은 세계 최대 석탄 기업 Rio Tinto 및 영국 최대의 건설사 Laing O’rourke와 파트너십을 통해 이산화탄소 시멘트 개발 및 상용화에 앞장서고 있다.

 

[영국 Novacem의 이산화탄소를 원료로 만든 시멘트 제품]

출처 : LG Business Insight

 

2. 미세조류 광합성, 인공 광합성

 

대기 중 이산화탄소를 제거하는 가장 대표적인 방법은 광합성이다. 그러나 자연적인 광합성으로는 한계가 있기 때문에 광합성 효율과 세포 성장 속도가 높은 클로렐라, 플랑크톤 등과 같은 미세 조류를 통해 대규모 광합성 시스템을 구축하기 시작했다.

미세조류가 광합성을 하면 바이오 디젤을 만들어낸다. 바이오 디젤은 경유를 대체할 친환경 연료로 주목받고 있기 때문에 이러한 연료 전환 방식의 CCU는 더욱더 각광받고 있다.

 

[미세조류 바이오디젤 생산 및 활용 메커니즘]

출처 : KDI 경제정보센터

 

현재 미세조류 1톤의 이산화탄소 흡수 능력은 1.8톤에 달하지만 이산화탄소 순감축량은 0.5톤 수준으로 추산된다. 이산화탄소 순감축 효과를 향상하기 위해 생산능력이 높은 미세 조류 균주 개발, 필요 부지 면적을 획기적으로 줄일 수 있는 광생물 반응기 등 미국, 유럽을 중심으로 연구가 활발히 진행되고 있다.

자연의 광합성을 착안한 인공광합성 방식으로도 연료 생산이 가능하다. 즉, 더 이상 식물만이 광합성을 하는 게 아니라는 것이다. 인공광합성은 나노구조의 광촉매를 활용해 물을 분해하고 이를 통해 얻어진 수소를 이산화탄소와 반응시킴으로써 포도당 대신 자동차 연료로 사용될 수 있는 메탄올과 연료전지나 고무제품의 원료로 사용될 수 있는 포름산 등의 물질을 합성하는 기술이다. 이 과정은 외부로부터의 추가적인 에너지 투입 없이 태양 에너지와 물, 이산화탄소만으로 이루어지며 화석연료의 사용없이 수소, 산소, 포름산, 메탄올 등을 생산해 낼 수 있다. 그러나 아직 자연의 광합성 효율에는 미치지 못하여 상용화에 어려움이 있지만, 관련 공정 개발과 실증화가 급속도로 진전되고 있어서 친환경적인 미래 기술로써 기대가 된다.

세계 최대 화학기업 BASF는 광촉매 과정을 통해 태양에너지로 이산화탄소를 물과 반응시켜 메탄올을 생산하는 ‘Solar2Fuel’ 프로젝트를 추진하고 있다. 발전 및 석유화학 플랜트에서 배출되는 이산화탄소를 재활용해 재생에너지로 전환하는 혁신 공정을 개발 중이다.

 

3. 화학제품의 원료

 

이산화탄소의 구조가 카보네이트 구조와 유사하기 때문에 카보네이트 계열의 화학제품의 원료로 활용될 수 있다. 이산화탄소를 활용한 카보네이트 제품 생산 공정은 이산화탄소 배출량을 줄일 뿐만 아니라 대부분의 화학제품의 원료로 쓰이기 때문에 석유 사용량도 줄일 수 있다. 또 기존 공정 대비 폐수 및 부산물 발생이 거의 없어 더욱 친환경적이다. 이는 2차 전지와 연료전지용 전해질 물질로 사용되거나 단열재, LCD 공정 등에 사용될 수 있어 높은 부가가치 창출을 기대할 수 있다.

 

정부와 기업들의 적극적인 참여

 

산업화가 활발해지면서 이산화탄소는 현대사회의 매우 골치 아픈 문제 중 하나가 되었다. 이산화탄소로 인해 나타나는 각종 환경문제와 기후문제를 해결하고자 전 세계적으로 온실가스 감축 의무가 현실화되었고, 각 국은 이를 지키기 위해 활발한 기술 개발을 하고 있다. 이러한 상황에서 이산화탄소 감축과 신산업 창출을 이끌어낼 수 있는 CCU는 획기적인 방안이 된다. 신재생에너지와 더불어 발전, 제철, 화학, 시멘트 등 다양한 방식으로 많은 산업 분야에 적합한 이산화탄소 저감방안으로 채택될 가능성이 높기 때문에 많은 기업들은 이를 증명하듯 CCU 사업에 적극적인 태도를 보이며 기술 개발에 노력하고 있다.

우리나라의 경우 한국전력에서 진행중인 CO2 활용 고부가 화합물 제조 기술이 있다. 저가의 소금을 전기 분해하여 얻어진 가성소다와 화력발전소에서 발생되는 다량의 CO2를 반응시켜 중탄산소다(NaHCO3) 및 차아염소산나트륨(NaOCl) 등을 생산하여 세제 및 철강산업 배가스 처리, 화력발전소 및 정수장 수처리 등 다양한 산업분야에서의 활용을 높이고 있다.

또 최근에 CO2 600만 톤 감축을 위한 원천기술 개발과 기술이전, 저감효과 평가 플랫폼 구축 등을 목표로 'ECC(Energy Chemical Coupling) 2030 기술개발‘ 사업을 추진하기 시작했다. 추진과제로는 ▲이산화탄소 역 배출(Negative Emission) 구현 바이오 에너지 CCUS 기술 개발 ▲재생에너지 활용 융복합 화학적 에너지 저장 ▲산업 맞춤형 CCU 기술 개발 등이 있다.

이처럼 우리나라 뿐만 아니라 전 세계가 이산화탄소 감축을 위해 지원을 아끼지 않고 다양한 탄소 자원화 방안을 연구하고 있지만 CCU의 상업화 추진을 위해서는 아직 해결해야 할 과제들이 많이 남아있다. 얼마나 많이 이산화탄소를 감축하고 얼마나 경제성을 확보할 수 있을지가 CCU 상업적 이용의 큰 요인이 될 것이기 때문에 이 두 가지 요인을 만족시킬 다양한 기술 기반이 확립되어야만 한다.

 

남은 과제 해결을 통해 빠르게 확산될 CCU

 

단순히 감축의 대상으로만 인식돼 오던 이산화탄소를 바라보는 시각이 달라지면서 이를 연료나 원료 등과 같은 자원으로 재활용하는 등 이산화탄소 문제 해결을 위한 방안들이 점차 발전되고 있음을 알 수 있다. 아직은 고려해야할 사항들이 많지만 조건이 충족된다면 CCU 기술은 이산화탄소 문제의 획기적인 방안이 될 것이다. 더불어 이와 같은 CO2 활용 기술개발이 활발히 진행되어 효율성과 안전성, 경제성 및 가치성을 모두 만족시키며 발전한다면 머지않아 석유화학 산업의 대안으로도 자리 잡을 수 있지 않을까? 개발기술의 검토와 확실한 발전방향 수립이 필요할 것 같다.

 

 

 

 

참고문헌

1. 한국전력공사 전력연구원 심재구, CCU 기술개발 국내외 기술동향, 2016.02.04

2. LG 경제연구원 문상철 선임연구원, 이산화탄소 재활용하는 CCU 기술의 개발 빨라지고 있다, 2011.10.23

3. 이재성 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수, 지구 열 받게 하는 이산화탄소, 미래 자원으로 대변신, 조선일보, 2017.05.01

4. CCU, 이산화탄소 전화 기술의 상용화, https://blog.naver.com/cik1220/220842954839

5. 한효정, CO₂ 활용 기술로 온실가스 줄이고 신산업도 잡는다, 헬로디디, 2018.04.26

6. 인공광합성 https://blog.naver.com/kma_131/221678483647