[미래기술25]굴뚝산업 탄소 줄일 '게임체인저' CCUS 기술

[이데일리 함정선 기자] 테슬라의 일론 머스크가 1억 달러의 상금을 기부금으로 내놓은 기술 경연대회가 있습니다. 바로 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS) 기술입니다. 인공지능(AI)과 같은 정보기술(IT)도 아닌 탄소 포집과 관련한 기술에 머스크가 기부금을 던지며 CCUS에 대한 관심은 뜨겁게 달아올랐습니다.

CCUS는 단어 그대로 탄소를 포집(capture), 활용(utilization), 저장·격리(storage·sequestration)하는 기술을 뜻합니다. 전 세계가 탄소중립을 향한 속도를 가속화하고 있는 가운데 CCUS는 온실가스 문제를 획기적으로 해결할 ‘게임체인저’로 불리기도 합니다.

전 세계에서 배출되는 이산화탄소의 50% 이상이 발전 시설과 중공업 공장 등에서 발생하는 데 CCUS가 해당 시설에서 나오는 대규모 이산화탄소를 줄일 수 있는 거의 유일한 해결책이기 때문입니다.

특히 우리나라의 경우 지리적 여건상 숲을 조성하거나 재생에너지를 확대하는 것이 쉽지 않은 상황이다 보니 누구보다 CCUS를 활용하는 것이 필요하다는 얘기가 나옵니다. 최근 탄소중립 흐름에 따라 CCUS가 더 큰 주목을 받고 있지만 CCUS는 이미 약 50년 전부터 개발되고 있던 기술입니다. 1970년대 미국에서는 천연가스 발전소에서 해당 기술을 활용한 예가 있습니다.

[이데일리 김정훈 기자]

탄소 공기 중 배출 않고 잡아 저장하고 활용

CCUS는 화석연료의 사용으로 대량의 이산화탄소가 발생하는 곳에서 이산화탄소가 공기 중으로 방출하는 것을 막고 탄소를 포집해 이를 압축·수송한 후 저장하거나 활용하는 것을 뜻합니다. 이를테면 제철소나 시멘트 공장 같은 곳에서 생성되는 이산화탄소를 모아서 천연가스를 추출한 심해 공간에 다시 그대로 저장하는 방식이라고 볼 수 있습니다.

CCUS 기술은 3가지 단계로 진행됩니다. 이산화탄소를 분리하는 포집과 이산화탄소를 이동시키는 운송, 그리고 수송한 이산화탄소를 저장·사용하는 단계입니다. 먼저 포집 단계는 화력발전소나 시멘트, 제철소처럼 대규모 산업 시설에서 생산되는 불순물 중 이산화탄소를 분리하는 단계입니다. 흡수제나 흡착제를 설치해 이산화탄소만을 걸러내는 작업을 해야 합니다.

두 번째 단계인 압축 및 수송에서는 분리한 이산화탄소를 액화합니다. 고온의 스팀가열기로 80에서 100기압의 압력을 가하면 이산화탄소를 액화할 수 있는데 이 때 열을 적게 사용하는 것이 핵심입니다. 전기를 더 적게 사용해 이산화탄소를 액화하느냐에 기술력의 우위를 가늠할 수 있다는 얘기가 나옵니다. 마지막 단계는 탄소의 저장과 사용인데 이 때 탄소를 어딘가에 저장하면 CCS가 되고 탄소를 다른 목적으로 사용하면 CCU가 됩니다.

CCS의 경우 액화한 이산화탄소를 지하 퇴적층에 매립합니다. 얼마나 깊이 또 얼마나 멀리 안전하게 이산화탄소를 매립하느냐에 따라 비용이 달라집니다. CCU는 이산화탄소를 그대로 사용하거나 전환해 사용하는 두 가지 방식으로 나뉩니다. 다만 CCS에 비해 기술적 난이도가 높고 CCU 제품의 경우 생산단가가 높아질 수밖에 없어 아직 이 기술에 참여하는 기업이 적은 상황입니다.

CCU 기술에 미래 경쟁력 달려

이 때문에 앞으로 CCUS 기술에서 경쟁력은 CCU 기술에 달렸다 해도 과언이 아니라는 얘기가 나옵니다. 이산화탄소를 전환하는 기술적 경로와 제품군이 다양하고 투입 에너지와 부가원료, 인프라 등에 따라 사업화할 수 있는 가능성도 달라지기 때문입니다.

이 때문에 미래 시장 전망도 기술혁신 속도나 인프라에 따라 달라집니다. 글로벌 Co2 이니셔티브의 조사에 따르면 2030년 CCU 관련 시장 규모는 최대 약 8400억 달러(약 1000조4400억원)로 예상되고 CCU 제품의 최대 수요는 70억톤(t)에 이를 것으로 전망됩니다. 민간 조사기관인 BCC리서치는 올해 2025년 CCUS 관련 시장이 33억 달러(약 3조9300억원)에 이르고 같은 해 CCUS 합계 수요가 3700만t에 이를 것으로 내다봤습니다.

CCU 기술의 핵심으로 분류되는 이산화탄소 전환방법은 수많은 기술 중 기술발전 상황이나 잠재적 성장성 등을 고려할 때 3가지 분야가 성장할 것으로 예상되고 있습니다.

먼저 이산화탄소에 촉매 반응을 일으켜 메탄올과 우레탄 등 화학제품의 원료로 바꾸는 화학적 전환이 한 가지입니다. 또 광합성률이 높은 미세조류를 이용해 이산화탄소를 화학물질로 전환해 바이오 자원으로 만드는 생물학적 전환도 유용한 기술로 손꼽힙니다. 다만 광합성으로 이산화탄소를 전환하는 것이다 보니 속도가 느리다는 단점이 있습니다. 마지막으로 칼슘염과 같은 광물질과 이산화탄소를 반응해 건축자재 등을 만들어내는 광물학적 전환 방식이 있습니다.

이산화탄소를 전환하지 않고 그대로 사용하는 방안은 지하 퇴적층에 액화한 탄소를 매립해 원유를 쉽게 채굴하는 방법에 활용하는 것입니다. 단순히 탄소를 지하에 저장하는 CCS와 달리 원유를 쉽게 채굴하기 위한 방도로 탄소를 매립하는 것이기 때문에 CCU로 분류됩니다. 이 외에도 비닐하우스 등에 주입하거나 음료수에 주입하는 방안 등도 있으나 기존 제품에 비해 가격 경쟁력 등이 떨어져 활용도는 크지 않은 상황입니다.

자료=산업통상자원부

수소경제에도 꼭 필요한 기술로 손꼽혀

CCU 기술은 최근 주목을 받고 있는 수소경제에서도 꼭 필요한 전략과 기술로 거론되고 있습니다. 수소는 그레이 수소와 블루 수소, 그린 수소 등 생산 방식에 따라 3가지로 분류됩니다. 그레이 수소는 화력발전소와 석유화학 공정이나 철강 등을 생산할 때 발생하는 부산물로 나오는 수소인 부생수소 등을 일컫습니다. 그레이 수소를 만드는 과정에서 CCU 기술을 활용해 이산화탄소 배출을 줄이고 수소만 걸러낸 것이 블루 수소입니다. 그린 수소는 재생에너지로 생산하는 수소로 이산화탄소 배출이 없는 수소를 말합니다.

우리나라의 경우 재생에너지를 충분히 만들어낼 수 없는 지리적·환경적 여건 때문에 현재 생산하는 대부분의 수소는 그레이 수소이며 그린 수소 생산도 쉽지 않을 전망입니다. 이 때문에 CCU 기술을 활용하는 블루 수소 기술 개발이 필수라는 지적이 나옵니다.

CCUS가 탄소중립 시대의 핵심 기술로 손꼽히며 관련 연구개발과 산업에 대한 투자도 확대되고 있는 상황입니다. 영국에서는 2020년 12억 달러(1조4292억원) 규모의 CCUS 인프라 신규 투자를 발표했고 미국 역시 같은 해 2억3000만 달러(약 2740억원)를 CCUS 기술개발과 보급에 새롭게 투자하겠다고 밝혔습니다. 국내에서도 연구개발 투자 규모는 지난 2011년 104억원에서 2020년 267억원으로 2배 이상 확대됐으나 그 규모가 여전히 적은 수준입니다.