탈탄소 핵심기술 CCUS, 넷제로 달성 수단 ‘부상’ 

[에너지신문] 기후변화 대응을 위해 전세계적으로 넷제로 선언이 확산되며 온실가스 배출 관련 규제와 정책도 강화되는 추세다. 

가장 큰 탄소 배출원이 화석연료이고 중장기적으로도 화석연료 의존도가 여전히 높게 지속될 전망이기 때문에 제28차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP28)에서도 진통 끝에 화석연료를 기후변화의 원인인 지구온난화를 일으키는 주체로 공식 지목했다.

2년전 COP26에서 화석연료 가운데 석탄의 단계적 감축에 합의했을 뿐 석유와 가스는 합의문에 넣지 못했지만 이번 회의에서는 2050년까지 탄소중립(넷제로)을 달성하기 위해 ‘2030년까지 공정하고 질서정연하고 공평한 방식으로 에너지 체계에서 화석연료에서 벗어나는 전환을 개시할 필요가 있다’는 규정을 넣은 것이 눈에 띈다.

퇴출까진 이르지 못했지만 화석연료 시대를 끝내고 재생에너지로 전환해야 한다는 큰 방향을 공식화한 셈이다.

이 때문에 이산화탄소 배출이 불가피한 탄소를 저감하는 기술에 대한 관심이 앞으로 더 높아질 수밖에 없게 됐다. 

탈탄소를 위한 핵심기술로 CCUS 기술이 부상하면서 미국을 포함한 주요국가에서는 CCUS 기술개발 로드맵 마련 등 기술력 강화에 주력하며 글로벌 기업들도 시장 선점을 위한 R&D 투자를 확대하고 있다. 

대부분의 국가에서 ‘넷제로 배출(Net-zero emission)’을 국정 과제로 채택하고 국제에너지기구(IEA)에서는 CCUS 기술 없이 온실가스 배출량 제로 도달이 불가능하다고 밝히기도 했다.

특히 CCUS 기술은 최근 탄소 감축이 어려운 철강, 시멘트, 석유화학산업 등 산업부문의 탄소제거 방법으로도 주목받고 있다.

전 세계에서 배출되는 탄소의 절반 이상이 발전설비, 중공업 플랜트에서 발생하고 있으며 산업 현장에서 나오는 대규모 탄소를 경감 가능한 거의 유일한 해결책이 CCUS 기술이 될 것으로 기대된다. 

IEA는 발전소, 중공업 부문에서 화석연료를 대체하는 것이 비싸고 비효율적이어서 당장 화석연료 사용을 낮추기 어렵기 때문에 이러한 부문에서의 화석연료 사용으로 인해 발생하는 탄소를 CCUS 기술을 통해 일정 부분 해결할 수 있다고 강조했다.

한편 CCS(Carbon Capture and Storage)는 산업시설 등에서 발생하는 이산화탄소를 포집하고 지중 등에 저장하는 기술이며 CCU(Carbon Capture and Utilization)는 CCS 기술에서 저장을 제외하고 이산화탄소를 투입요소로 활용(Utilization)하는 생산 공정을 일컫는다.

CCUS는 CCS와 CCU를 통합하는 기술로서 이산화탄소를 포집하고 저장하는 기술과 함께 이산화탄소를 활용해 부가가치가 높은 유용 자원 물질로 전환하는 기술까지 포함한다.

CCUS 시장 동향 및 전망

CCUS는 산업, 발전, 에너지 부문 등에서 발생하는 이산화탄소를 포집하고 이를 지중 등에 저장(geological storage)하는 기술과 이산화탄소를 활용해 부가가치가 높은 물질로 전환하는 기술을 포함한다.

미국은 이미 CCUS 기술을 석유·가스 업스트림 부문에 국한해 사용 중이지만 본격적인 상용화 및 대규모 사업화를 위한 추가적인 연구개발이 필요한 상황이다. 

국내 온실가스 배출 비중이 높은 업종인 SK이노베이션, GS칼텍스, S-OlL은 물론 한전 등 에너지 공기업이 연구기관·대학 등과 함께 기술개발 및 상용화를 위해 만든 컨트롤타워인 K-CCUS 추진단에 참여하는 등 탄소배출 저감사업을 추진중이다. 

K-CCUS 추진단은 2025년까지 이미 개발된 기술에 대한 실증 투자를 확대해 분야별 상용화 가능한 기술을 확보한 뒤 2030년까지 CCUS 기술을 탄소중립 신산업으로 육성할 예정이며 CCUS 법률안 등 제도적 기반을 마련해 기술개발을 뒷받침할 계획이다. 

우리나라는 에너지 다소비 중심의 제조업 구조, 화석연료 중심의 발전과 낮은 재생에너지 비중 등의 한계 때문에 2020년 기준 탄소중립 기술이 선도국 대비 80% 수준에 머물고 있으며 미국과 기술격차는 3년(녹색기술센터)으로 추정된다. 

CCUS 중에서 탄소를 잠재적 시장가치가 있는 새로운 자원으로서 응용할 수 있는 분야는 탄소를 활용하는 CCU로 이 기술은 크게 비전환 직접활용 기술과 전환기술로 분류할 수 있다. 

‘비전환 직접활용 기술’은 포집한 이산화탄소를 석유 회수 시 생산성을 향상하기 위해 활용(EOR)하거나 용제나 열전달 유체 등으로 그대로 사용하는 방법을 말한다. 

‘전환 기술’은 탄소를 새로운 연료, 화학 물질, 건축 자재물 등 타 제품으로 바꿔 사용하는 방법으로 비전환 직접활용 기술 대비 전환 기술의 경우 신규시장 창출 가능성이 높다는 점에서 과학기술정보통신부, 환경부 등 관계부처는 지난 2021년 6월 공동으로 ‘CCU 기술혁신 로드맵’을 마련해 ‘전환 활용’ 관련 기술개발에 집중하고 있다. 

로드맵에 따르면 2025년까지 기술개발을 선진국 대비 90% 수준까지 높이고 2028년까지 14개의 CCU 상용제품을 확보한다는 계획이다. 

정부에서는 2030년 NDC(Nationally Determined Contribution, 온실가스감축목표) 달성 및 2050년 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술개발 과제를 선정하고 개발 일정 및 지원방안을 마련 중이다. 

지난 2021년 11월 정부가 발표한 ‘탄소중립 산업·에너지 R&D 전략’에서는 2050년까지 중장기적인 R&D 목표를 제시한 바 있다. 

2030년까지 단기적으로는 조기 상용화가 가능하고 2030년 NDC 달성을 위해 시급한 기술 위주로 신속하게 개발하며 2050년까지 중장기적으로는 공정 등 생산방식을 근본적으로 혁신하는 원천기술로 2050년 탄소중립 실현에 필수적인 기술의 추적 및 확산에 주력할 계획이다.

기술개발 1단계 2030년까지 투자 확대 

지난 2022년 기준 탄소중립 R&D 예산은 2021년 8000억원이던 것을 1조 2000억원으로 대폭 확대하고 2030년까지 산업부 R&D의 30% 이상을 탄소중립에 전략적으로 투자한다는 방침이다. 

기후대응기금·산업기술 진흥 및 사업화 촉진기금 등을 활용해 탄소중립 R&D에 재투자하고 탄소중립 기술혁신 펀드를 조성해 민간의 탄소중립 투자을 촉진시켜 나갈 계획이다.

또한 기업의 투자부담 완화를 위해 세액공제, 기술료 면제 등의 인센티브 방안을 검토해 제공하며 2050년까지 탄소중립 시나리오안에 제시된 기술을 중점 개발·상용화하고 2030년까지 1단계로 착수한 선행기술의 실증 프로젝트를 본격화시켜 나간다는 방침이다. 또한 개발 기술의 사업화 및 현장 적용을 위한 R&D 후속 지원을 강화할 방침이다. 

CCUS는 탈탄소화를 위한 도구로서 넷제로 흐름과 맥을 같이 하며 넷제로 도달에 CCUS가 필요하다는 과학적 인식 아래 다양한 프로젝트들이 발표되고 있다. 

지난 2022년 9월까지 발표된 CCUS 프로젝트 규모는 이미 전년대비 40% 증가한 수준이며 추가로 더 많은 프로젝트가 발표될 예정이다. 

DAC 스타트업이 10억달러 이상의 자금을 조달하는 등 미국의 신규 세액 공제는 이미 세계 최대 탄소포집 시장인 미국 시장의 발전을 가속화할 전망이다. 

CCUS 프로젝트 발표의 급증에도 불구하고 2050년 넷제로 달성을 위해서 필요한 탄소포집 용량은 지금까지 발표된 용량의 6배 이상이 필요하다는 분석 제기됐다. 

Global CCS Institute에서도 넷제로 도달을 위해 2050년까지 필요한 전 세계 CO2 포집·저장 용량은 3600Mtpa으로 분석했는데 이는 현재의 CO2 포집·저장 용량의 약 100배 수준이다. 

지난 50년간 CCUS 프로젝트는 포집, 운송 및 저장 전 분야에 관련해 소수 업체가 모두 개발했으나 현재 탈탄소화를 위한 CCUS 산업은 매우 복잡해 협업 및 파트너십이 중요하다. 

유럽에서 발표된 프로젝트 대부분은 산업 허브에 위치하고 일종의 공유 기반시설을 포함하기 때문에 다양한 이해 관계자를 포함하며 특히 배출원의 탄소 농도가 낮은 산업 및 전력 분야에서 CCUS 확장을 위한 파트너십이 필요한 실정이다.

고농도 배출원에서 CO2를 포집하는 기술은 잘 알려져 있고 비용이 저렴하며 이미 대규모로 적용 중인 반면 시멘트나 석유화학 등 탄소저감이 어려운 산업의 대규모 상업 프로젝트는 아직 건설되지 않았으며 필요한 규모로 운영되기까지 일정 기간동안 테스트와 시범 프로젝트가 필요한 상황이다. 

각 산업의 배출원의 탄소 농도에 따라 파트너십에 대해 다소 다른 방식으로 접근하기 때문에 고농도 배출원은 한 회사가 전체 CCS 프로젝트를 개발하는 것이 가능하지만 저농도 배출원의 경우 포집기술 제공업체 선택 및 파트너십이 중요하기 때문이다. 

천연가스 처리, 에탄올 및 비료 생산은 모두 고농도 배출원에서 메가톤 규모의 프로젝트로 개발되고 이러한 프로젝트는 복잡한 포집기술에 의존하지 않고 신속하게 구축할 수 있고 일반적으로 관련된 이해 관계자가 적은 것으로 알려져 있다. 

인도네시아에 있는 BP의 Tangguh 공장(4MtCO2/yr), Repsol Sakakemang 공장(2MtCO2/yr) 등 동남아시아의 천연가스 처리 작업에서 발표된 대규모 포집 프로젝트가 대표적이다. 

또 미국 중서부 에탄올 생산에서 CO2를 포집하는 Summit Carbon Solutions의 프로젝트도 한 회사가 전체 CCS 프로젝트 개발하고 있다. 

반면 탄소저감이 어려운 산업의 프로젝트는 이해 관계자가 많고 개발 시간이 훨씬 더 오래 소요되며 포집 비용이 전체 CCS 비용의 대부분을 차지하기 때문에 포집 기술 제공업체를 선택하는 것이 매우 중요하다. 

시멘트는 대규모 프로젝트를 발표한 최초의 산업 부문 중 하나이지만 Calix와 Heidelberg Cement가 개발한 유럽의 Leilac project 등은 여전히 파일럿 공장 수준이며 대규모 프로젝트의 경우 시멘트 생산자는 2세대 기술을 평가 중에 있는 것으로 알려졌다.

동해가스전, 국내 CCS사업 확대 최적 실증 플랫폼 ‘주목’
2027년 주입 시작해 2030년 이후 매년 120만톤 CO2 주입
기술개발 동향·정책 모니터링 필요…협업·파트너십 ‘중요 과제’ 

하지만 단기간 내에 건설해야 하는 공장의 경우 업체들은 기존 포집기술 제공업체에 의존하고 있다. 

탄소포집 프로젝트가 더 복잡해짐에 따라 각 프로젝트에 여러 이해관계자들이 참여할 것으로 예상되며 신기술이 10년내에 시연되기 위해 기술 제공자와 배출자 간 긴밀한 협력이 필요한 실정이다. 

향후 10년간 연안 저장 장치가 시장에 출시되고 광물화가 확장되는 등 활용 시장이 성장할 전망이며 이를 위해 각 가치사슬의 전문 지식을 가진 회사 간 긴밀한 협력이 필수적이다. 

CCUS 기술은 지난 1970년대부터 사용된 오래된 기술이나 향후 시장 잠재력이 매우 크고 혁신적인 신기술 등장이 기대되는 분야로 국내업체의 기술개발 노력과 정책적 지원이 필요한 실정이다. 

모든 기업의 넷제로 달성이 필수적인 시대가 도래했으며 CCUS 기술은 산업설비뿐만 아니라 일상생활에서 공기 중 탄소를 포집하는 기술을 개발하는 데까지 확대돼야 한다. 

CCUS 기술은 현재 전 세계에서 넷제로 달성을 위한 가장 중요한 기술 중의 하나로서 국내 기업들이 CCUS 분야에 관심을 가지고 세계 기술개발 동향과 주요 국가들의 정책에 대해 지속적인 모니터링이 필요한 실정이다. 

이를 통해 글로벌 핵심 플레이어들과의 협업 기회를 모색하고 CCUS 혁신기술 개발 기회를 포착할 필요가 있다. 

정부는 2030년 NDC 달성 및 2050년 탄소중립 실현을 위한 핵심기술개발 과제를 선정하고 개발일정 및 지원방안을 마련했는데 향후에도 지속적인 지원강화가 필요해 보인다.

국내 최대 규모 CO2 저장소 ‘동해가스전’ 

한국석유공사는 지난 2021년말 생산이 종료된 동해가스전에서 천연가스가 차지했던 지하공간을 이산화탄소 저장소로 활용할 계획이다.

석유공사는 동해가스전 생산종료와 함께 국내 CCS사업의 범위를 확대할 수 있는 최적의 실증 플랫폼으로 주목하고 있다. 

국내 최초로 CCS 상용화가 시도되는 이번 사업은 2025년부터 2030년까지 진행될 예정이며 석유공사는 동해가스전 지하공간에 오는 2027년부터 주입을 시작해 2030년 이후 매년 120만톤의 CO2를 주입할 계획이다. 

상세설계를 거쳐 2025년부터는 주입설비 설치 공사(EPC)를 수행할 계획이다. 이를 통해 약 1200만톤의 온실가스 저감효과를 달성할 수 있을 것으로 전망했다. 

현재 우리나라 CCS사업은 저장소 확보 문제라 할 수 있으며 포집한 온실가스를 저장할 공간이 충분치 못하다면 사업의 성공을 담보할 수 없기 때문이다.

지하 빈공간을 저장소로 활용해 온실가스를 저장하는 방안이 경제적 측면에서 각광을 받고 있는 가운데 지난 40년간 국내대륙붕 및 해외 유전 탐사·시추·생산 활동을 통해 축적된 자료와 기술력을 확보한 석유공사가 CCS 저장소 탐사·건설·운영사업 수행의 적임자라는 것이다. 

특히 정부가 2030년 연간 480만톤급 CCS 통합 실증사업 수행 목표를 수립한 가운데 석유공사가 이런 정부의 정책목표 달성에 선결 조건인 국내 대규모 저장소 확보를 위해 국내 대륙붕을 대상으로 탐사 작업을 개시할 계획이다. 

국책과제 주관 기관인 석유공사는 지난 2월부터 국책과제 선정 및 평가를 마치고 SK이노베이션 등 3개 민간업체 및 공주대, 이화여대 등과 과제를 확정, 협약을 체결한 바 있다.

국책과제에 참여하게 된 SK이노베이션은 SK에너지와 함께 노르웨이 국책연구소 주관으로 진행되는 유럽연합의 CCS를 위한 연구 협력에 참여한다고 밝힌 바 있으며 내부적으로 차세대 이산화탄소(CO2) 포집 흡수제 개발에 역량을 집중해 나갈 방침인 것으로 알려졌다.

향후 CCS 사업 진행 시 참여 파트너사와 협의를 통해 탄소배출권 확보도 가능할 것으로 예상하고 있다. 

또한 최적 CCS 기술을 SK에너지 울산Complex의 수소 플랜트에 적용할 경우 공정상 발생하는 이산화탄소를 감축하는 등 공정 효율 개선에 기여할 수 있을 것이라는 기대다. 

석유공사는 지난해 8월에는 말레이시아 셰퍼드 CCS프로젝트에 참여를 공식적으로 밝히기도 했다. 

이 사업에는 (주)한화, 에어리퀴드코리아(Air Liquide Korea), 쉘(Shell Gas & Power Developments B.V) 등과 함께 셰퍼드 프로젝트에 참여해 국가 간 탄소저감 사업인 한국-말레이시아 간 CCS 프로젝트도 본격 추진하게 됐다. 

셰퍼드 프로젝트는 삼성엔지니어링, 삼성중공업, 롯데케미칼, SK에너지, SK어스온, 말레이시아 페트로나스(Petronas) 등이 공동으로 참여해 추진해 온 이산화탄소 포집 및 저장사업으로 국내 산업단지에서 발생한 이산화탄소를 포집해 허브(hub) 터미널에 집결시킨 후 전용 운송선으로 이를 이송해 말레이시아 내 고갈 가스전 또는 대염수층에 저장하게 된다. 

아시아 국가 간 CCS 허브 프로젝트인 이 사업은 이산화탄소 포집-수송-저장 단계로 구성되는 밸류체인(Value Chain) 전주기에서 우리나라 기업들이 주도적인 역할을 하게 된다는 점에서 의미가 크다.

정부가 발표한 제1차 국가 탄소중립·녹색성장 기본계획에도 CCS를 통한 국가 온실가스 감축목표가 2030년 연간 400만톤에서 480만톤으로 상향하는 등 그 역할이 한층 부각되고 있는 상황을 고려할 때 앞으로 셰퍼드 프로젝트에 대한 관심도 뜨거워질 전망이다. 

석유공사는 약 40년간 축적한 기술력과 국내외 유가스전 및 비축기지 운영경험을 살려 셰퍼드 CCS 프로젝트의 성공적 결과 도출에 활용한다는 계획이다. 

석유공사는 국내 참여 컨소시엄 기술력 및 전문성 강화에 기여하게 되는 것은 물론 사업영역을 해외 CCS사업으로 확대해 세계 CCS 시장에도 본격 나설 수 있을 것이라는 판단에 따른 것으로 알려졌다. 

석유공사의 관계자는 “셰퍼드 프로젝트 뿐 아니라 공사가 산업부·해수부와 함께 진행하고 있는 동해가스전 CCS 실증사업 및 광개토(廣開土) 프로젝트 등은 우리나라 CCS 산업부문 활성화를 위한 중요한 시발점이 될 것”이라고 강조했다.