CCUS, 에너지 전환의 단단한 징검다리

CCUS, 에너지 전환의 단단한 징검다리

 

 

대학생신재생에너지기자단 18기 이지수

 

CCS의 정의와 필요성

 이산화탄소 포집, 활용, 저장 기술(CCUS)은 (Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) 탄소 중립에 대한 이야기를 할 때 CCS라는 용어로 익숙할 것이다. 화석연료 발전 과정에서 발전소, 철강, 시멘트 공장 등 대량 배출원으로부터 배출되는 이산화탄소를 대기로부터 격리시키는 기술이 CCS이다. 발생한 이산화탄소를 포집하여 압축과 정제 과정을 거친 후 수송해서 육지나 해양(지중)에 저장하거나 산업원료, 제품으로 활용하기도 한다. CCS 기술은 탈탄소화의 핵심 기술로써 주목받고 있어 현재 미국은 물론 독일, 스위스, 영국, 프랑스 등 EU의 주요국가와 일본, 중국까지 CCS 기술의 중요성을 인지하고 탄소 중립 선언 이후 CCS 로드맵을 발표하였다. 화석연료발전에서 신재생에너지 개발로 에너지 전환이 일어나는 지금 갑작스러운 전환이 아닌 지속 가능한 에너지 전환을 위해 화석연료를 사용하는 동안 CCS 기술이 필수적이다.

 

CCS에서 CCU까지

 CCS가 이산화탄소를 포집해서 저장하는 기술이라고 하면 CCU는 포집한 이산화탄소를 유용하게 활용하는 기술이다. 현재 가장 만연하게 이용되고 있는 기술은 이산화탄소 지중 저장이고 탄소 포집은 연소를 기준으로 보통 세 가지 과정으로 나눈다.

[자료1 . 이산화탄소 이용 및 저장 과정]

출처 : 선박해양플랜트연구소

 

연소 전 포집 : 탄소 성분만 분리해서 포집

연소 중 포집 : 순산소를 주입해 이산화탄소를 포집

연소 후 포집 : 발생된 이산화탄소를 흡착제나 흡수제를 이용해 포집

 

 이산화탄소를 포집한 다음에 저장하기 위해 다른 지역까지 파이프나 트럭, 선박으로 수송한다. 적합한 지역으로 가서 땅속의 비어있는 공간에 저장된다. 또는 해양에 저장할 수 있는데 지하에 저장하게 되면 시간이 지난 후 천연가스, 석유 등 화석연료로써 회수해 사용할 수 있기 때문에 현재 주로 이용되는 방법이다.

 이산화탄소를 포집하고 운송하는 과정에서 초임계 상태의 조건이 필요하다. 운송에 최적화된 상태의 이산화탄소는 밀도가 높고 점성이 낮아 많은 양의 이산화탄소를 빠르게 이동시킬 수 있어야 한다. 초임계상태(Supercritical Fluid)는 액체와 기체를 구분할 수 없는 시점인데 이 상태인 이산화탄소는 밀도가 높은 액체와 빠르게 흐르는 기체의 성질을 동시에 가지고 있기 때문에 밀도가 높고 순수하게 물이 없는 상태의 이산화탄소가 필요한 운송 과정에 적합한 상태이다. 이산화탄소의 초임계점은 31℃로 그 이상의 구간이 초임계상태로 이 조건 하에 이산화탄소를 운송한다.

[자료2 . 이산화탄소 상변화 그래프]

출처 : Chemistry Libre Texts

 

매체순환연소 기술

 

 현재 사용되는 CCS 말고도 많은 관련 이산화탄소 분리 연소 기술이 개발되고 있다. 첫 번째로 매체순환연소 기술로 금속 산화물의 산화 환원 반응을 이용한 순산소 연소기술이다. 공기 중에서 질소와 산소가 고온에서 접촉하지 않게 하기 때문에 미세먼지를 유발하는 질소산화물을 거의 발생시키지 않기 때문에 따로 질소산화물 저감 설비나 포집 설비를 설치할 필요 없이 공정 내에서 이산화탄소를 애초에 분리하고 미세먼지 저감에 크게 기여할 수 있는 친환경 발전 기술이다. 화력 발전소에서 발생하는 유해 기체가 80% 감소하여 각종 대기오염 물질을 감소시킬 수 있다.

[자료3. 매체순환연소 기술 메커니즘]

출처 : 에너지데일리

 매체순환연소 기술 메커니즘은 공기 반응기에서 산소전달입자에 포함된 금속 성분이 공기 중 산소를 만나 금속산화물로 산화되어 환원반응기로 가면 연료반응기에서 입자의 순산소와 연료가 반응해서 이산화탄소와 물을 생성한다. 환원된 금속산화물은 다시 산화반응기로 재순환할 수 있는데 이렇게 이산화탄소를 밖으로 배출하지 않고 다시 발전기 내부로 들이기 때문에 연료로 재사용이 가능하다. 매체순환연소 기술을 적용하게 되면 발전량 1MWe 기준으로 연간 약 5000톤의 온실가스 배출을 감출 할 수 있을 것으로 예상한다. 이에 한국전력과 한국서부발전은 울산에 2023년까지 3MWth의 매체순환연소 시범 플랜트를 구축할 예정이고 분리된 이산화탄소는 같은 부지에 설치할 예정인 이산화탄소 활용공정에 활용하여 CCS에서 CCU까지 적용되어 온실가스 저감에 기여할 것이다.

 

CCS 기술의 전망

 

 현재 정부에서 추진 중인 2050 탄소 중립에 한국은 UN에 국가 온실가스 감축 목표 INDC와(Intended Nationally Determined Contribution) 장기 저탄소 발전전략 LEDS를(Long-term low greenhouse gas Emission Development Strategies) 제출했는데 LEDS에 화석연료를 기반으로 하는 석탄과 천연가스 발전과 제조업이 만연한 국내의 산업 현장에서 CCUS 기술을 적용해 온실가스를 줄인다고 되어있다. 화력발전, 철강, 시멘트, 석유화학, 정유 등 이산화탄소를 대량 배출하는 산업에서 CCUS 기술을 국가에서 필수적으로 사용하도록 장려하는 인센티브 정책을 시행해야 한다.

[자료4 . OECD, 전 세계 에너지 발전 비중]

출처 : 대한민국 정책 브리핑

세계적으로 재생에너지 발전이 확대되어 감에 따라 온실가스 배출을 줄이고 신재생에너지로의 에너지 전환이 이제 막 시작된 이 시점에서 CCUS는 연결 기술로써 현재도 활발히 연구되고 있는 사업으로 주목해야 할 기술이다.

 

참고문헌

 

1. 꿈틀E, 신재생에너지사회로 가는 연결고리 CCUS 기술로 “화력발전, 철강, 시멘트, 석유화학, 정유도 살리자!”, 한국에너지기술연구원, 2021.05.24., https://blog.naver.com/energium/222363829027

2. 대한민국 정책브리핑, 에너지전환 정책, 정책위키, 2020.03.11., https://www.korea.kr/special/policyCurationView.do?newsId=148864795

3. 송병훈 기자, 한전-서부발전, 온실가스·미세먼지 없는 가스발전 개발한다, 에너지데일리, 2021.03.18., http://www.energydaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=116855

4. 오일드림, 이산화탄소 포집 및 저장 기술, 한국석유공사, 2020.02.11., https://blog.naver.com/knoc3/221802958219

5. 이강원, 손호웅, 지형공간정보체계 용어사전, 네이버 지식백과, 2016.01.03., https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3474028&cid=58439&categoryId=58439

6. 천승현 기자, 이산화탄소 잡는 호랑이! ‘CCU, CCS’ 기술은?, 한국동서발전, 2019.10.07., https://blog.naver.com/iamewp/221670462357

7. 한국전력신문, 한전, 3MW 매체순환연소 증기생산 기술개발 착수, 전력신문, 2021.03.19., http://www.epnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=60075