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[해외기술특집] 이산화탄소 회수·저장(CCS)
2008-11-19

이산화탄소 회수 · 저장(CCS)

• 개요
IPCC(기후변동에 의한 정부 간 대표 토론회)는 20세기 중반 이후의 평균 기온 상승이 인간 활동으로 인한 온실가스 증가에서 초래됐을 가능성이 크다는 제4차 보고서를 2007년 11월 17일, 스페인 발렌시아에서 개최된 총회에서 채택했다.
지구온난화 가스인 이산화탄소(이하 CO2)의 대기 중 농도 안정화를 위해서는 CO2 배출이 적은 대체·신에너지 이용 확대 및 에너지 절감 촉진, 원자력발전 도입 증가가 가장 중요하지만, 발전소 및 공장 등의 대규모 고정 배출원에서 배출되는 CO2를 분리·회수하여 격리시키는 CCS(Carbon Dioxide Capture and Storage)의 중요성 또한 국제적으로 인식되고 있다.
여기에서는 국내외 동향을 포함한 CCS에 대해 설명한다.



• CO2 분리 회수 기술

1. CCS를 위한 CO2 분리 회수법

CCS를 위한 CO2 분리방법으로 주로 화학 흡수, 물리 흡수, 흡착, 막, 순(純)산소 연소가 있다.
증류법은 순도가 높은 CO2 제조에 적합하지만 CCS에는 적합하지 않다.

⑴ 흡수·흡착 프로세스
화학 흡수법, 물리 흡수법, 흡착 분리법은 각각 반응, 용해, 흡착 조작을 활용하여 저농도 CO2를 함유하고 있는 가스에서 CO2를 분리하는 방법이다.
<그림 1>과 같이, 분리된 CO2를 넣은 반응액, 용해액, 흡착제를 반응(CO2 회수) 프로세스와는 반대로 CO2를 방산하기 쉬운 조건을 설정한 재생 프로세스로 CO2를 방출시킨다.
화학 흡수법에서는 반응액 온도를 상승시키고 용해액에서는 압력을 저하시키며 흡착제에서는 온도상승 또는 압력 저하를 활용하여 CO2를 대기로 방산시킨다. 화학 흡수법과 흡착법은 CO2 분압이 낮은 가스에서의 CO2 분리 방법으로 이용된다. CCS를 대상으로 회수 CO2 순도가 99% 정도라고 하면 그 분리·회수 에너지는 3~4GJ/톤이다. 물리 흡수법은 CO2 분압이 높은 가스에서의 CO2 분리 방법으로 이용되며, 분리·회수 에너지는 2GJ/톤 정도다. 화학 흡수법, 물리 흡수법, 흡착법에 의한CO2 분리는 소규모에서는 이미 상용화된 기술이지만, 그 분리·회수에너지는 열역학적인 이론 에너지와 비교하면 10배 이상 커지므로 개선할 여지가 있다.

⑵ 막(膜) 분리법
막을 이용해 분리하는 경우에는 압력 차, 막 구조와 분자 크기, 전계 분포, 분자에 대한 친화성 등 분자 간 상호 작용을 이용한다. 막에는 무기계와 유기계의 2종류가 있다. 무기계는 300℃ 이상의 고온에서 사용되는데, 촉매반응을 가속시키는 멘브렌 리액터로의 응용을 기대하며 기초 연구가 실시 중이다. 또 고분자계 막은 150℃ 이하의 저온에서 작동시켜야 하지만 양산이 용이하고 경제성이 우수한 막이다. 막 분리 기술은 CO2 분압이 큰 가스에서의 분리에서는 1GJ/톤 이하로 가장 분리·회수 에너지가 낮아질 것으로 기대된다.

⑶ 순(純)산소 연소법
미분탄(微粉炭) 보일러를 공기 대신 석탄을 산소와 회수·리사이클한 CO2를 이용하여 연소시킴으로써 질소가스를 함유하지 않은 연소 배기가스를 얻었다. 이 연소 배기가스를 저온에서 냉각하여 CO2 농도가 95% 정도인 배기가스를 얻는 방법이다.
<그림 2>에 순산소 연료법의 일례를 나타냈다. 남은 5%는 산소, NOx, SOx가 포함되어 있다. 현재 예비 실험이 개시된 상태며 CCS를 위해 산소, SOx, NOx를 어느 정도 저하시켜야 할지가 향후 검토 과제다.



2. CO2 분리 회수 기술 동향

⑴ 상압가스에서의 분리 회수
상압 연료 배기가스에서의 CCS를 목적으로 한 CO2 분리·회수에서는 화학 흡수법이 실용되기 쉬울 것으로 판단된다. CO2 분압이 작은 상압의 CO2 가스에서 분리하기 쉽고, 회수한 CO2 농도를 99% 이상의 고농도로 할 수 있다.
미분탄 연소 보일러, 제철소 고로(高걙), 시멘트소성로 등에서의 회수에 적용된다. 향후 화학 흡수법에서의 흡수액 개량에 의한 저에너지화 및 CO2를 흡수한 흡수액 재생으로, 기존보다 저온도 에너지를 이용하면 더욱 에너지 절감을 이룰 수 있을 것으로 기대된다.
유럽은 CASTOR 프로젝트에서 신(新)흡수액 개발을, 미국에서는 AEP와 Alstom사가 암모니아를 이용한 흡수법을 개발하고 있다. 일본에서는 연소배기가스용으로 관서( )전력·미츠비시(三겒)중공의 KS액 개발이 선행되고 있다. 일본 (재)지구환경산업기술연구기구(이하 RITE)에서는 제철소고로 가스에서의 CO2 회수용으로 신화학 흡수액 개발과 제철소 내 미(未)이용 에너지 활용에 의한 CO2 저에너지·저코스트화로 대응하고 있다.
RITE는 COCS(Cost Saving CO2 Capture System) 프로젝트라는 명칭으로, 화학 흡수법의 개발을 신일본제철㈜, 신일본제철엔지니어링㈜, 관서전력, 미츠비시전공㈜과 협력하여 개발 중이다.
COCS 프로젝트 개발 계획안을 <그림 3>으로 나타냈다.



⑵ 가압가스에서의 회수
일본의 경우, 석탄 매장량이 많은 산지가 분산되어 있어 앞으로는 조달하기 쉬운 석탄 에너지의 이용 기술이 중요해질 것으로 판단된다. 석탄가스화는 CCS와 조합하면 CO2 발생이 적은 CO와 H2를 공급할 수 있으며, 더욱이 SOx, NOx, 매진(煤塵)등의 환경 영향도 줄일 수 있어 이용이 확대될 예정이다.
석탄가스화의 경우 CO2 분압이 커서 물리 흡수법, 막 분리법이 적용된다. 물리 흡수법에서는 화학플랜트용 수천 ton/日이상의 플랜트 가동 실적이 있다. RITE는 대폭적인 에너지 저감 가능성이 있는 막 분리법 개발을 목표로 고분자막, 무기막, 탄소막등을 연구하고 있다. 그중에서도 가장 실용하기 쉬운 것이 수산화 PAMAM(폴리아미드아민) 덴드리머라는 분자를 보지(保持)시킨 고분자막이다. 이 고분자막은 동적 직경이 질소(0.36㎚)와 수소(0.29㎚)의 중간 크기인 CO2(0.33㎚)를 단 하나의 막으로 CO2에서 H2와 N2로 분리하는 획기적인 막이다.

⑶ CO2 분리 기술 전개
CO2 배출원에 대한 CO2 분리 회수 기술에는 여러 가지 선택지가 있다. 앞서 소개한 예 이외에도 대폭적인 에너지 저감을 목표로 한 이온 액체 및 고온흡착제나 클라스레이트(Clathrate)를 이용한 새로운 분리 기술의 기초 연구가 진행되고 있다. 또 화학·물리 흡수법, 순산소 연소법은 발전소 및 제철소에서의 예비 플랜트 레벨에서 개발이 시작될 예정이며 실용화 준비도 착실히 진행되고 있다.

•CO2 고정화

1. CO2 고정화 방법



화석연료의 이용에 의해 CO2가 대기 중으로 축적되면 지구온난화의 원인이 되므로, 공장 등에서 발생하는 CO2를 대기로 방출하지 않고 오랫동안 가두는 것도 대책의 한 방법일 것이다. 이 방법으로는 크게 나눠 바다에 격리시키는 해양 격리와 지하에 가두는 지중 저유가 고려되는데, 후자 쪽이 실현되기 쉬워 CCS 기술의 중요한 방법으로 평가된다.
지중 저유에는 다음과 같은 방법 등이 있다.
· 생산이 감퇴한 유전에 CO2를 압입하여 석유회수를 늘리는 석유 증진 회수(EOR)
· 고갈된 유·가스전으로 격리 · 석탄층에 CO2를 넣어 메탄을 회수하는 탄층고정(ECBM)
· 지층수(화석수)를 포함한 극간이 많은 사암 등으로 이루어진 지하 심부 염수층(이하, 대수층)에서의 CO2 저유

여기서 대수층에 저유하는 방법은 CO2가 초임계 상태가 되는 지하 800m 이심의 염수층에 압입하는 것으로, 저유층 상부에 가스 및 액체를 투과시키지 않는 덮개암라고 불리는 봉인성(封人性)이 높은 층이 존재함으로써 오랫동안 안정적으로 CO2를 가둘 수 있다.
이 기술은 천연가스 지하 저장 및 석유 증진 회수 등으로 축적된 기술을 응용할 수 있기 때문에 실용적이고 즉효적인 방법으로 평가된다.(<그림4> 참조)



2. 대수층에서의 CO2 지중 저유

가장 유망하다고 평가되는 대수층으로의 지중 저유를 실현하려면 먼저 CO2를 안전하게(누설하지않고) 저유하는 기술을 확립함과 동시에 국내에 저유 가능량이 충분히 있어야 한다. RITE는 변화가 많은 일본 지질 구조에서 안전하게 CO2를 저유할 수 있는지 확인하기 위해, 니히가타(新潟)현 나가오카(長岡)시 제국석유㈜ 남(南)나가오카 광산 이와노하라(岩野原) 기지에 있는 지하 약 1100m의 대수층으로 2003년 7월부터 2005년 1월에 걸쳐 약 1만 톤의 CO2를 압입하여 그 움직임을 관측했다. 그와 동시에 관측 결과를 토대로 새로 개발한 장기 움직임 예측 시뮬레이션(GEM-GHG)으로 CO2가 장기에 걸쳐 지하에서 안전하게 저유되는 것을 확인했다.(<그림 5> 참고)
일본에서는 지중 저유의 실제 적용을 고려하는 경우 대수층에서의 CO2 저유 가능량이 유효성 평가에서 중요한 요소가 된다. 일본의 CO2 저유 가능량은 1993년도 조사에서는 카테고리 1(대규모 유·가스전의 유·가스층), 카테고리 2(구조성 대수층), 카테고리 3(육역의 배사구조를 수반하지 않는 대수층), 카테고리 4(해역 퇴적분지 내 배사)로 총합 약 915억 톤으로 추정된다. 2005년도에는 대수층의 저유 형태와 관계되는 최신 정보 및 새로운 지질 정보를 기본으로, 새로운 카테고리 분류에 따른 재평가를 실시했다. 그 결과 <표 1>과 같이, 배사구조(밥그릇을 엎은 듯한 구조)에서‘국내 석유·천연가스 기초 조사’에 근거한 기초적인 데이터가 있는 것에 한해서만 약 52억 톤이며 그 외 구조를 포함시키면 1500억 톤으로 산정된다. 단, 향후 새로운 카테고리 분류에서 산출된 저유 가능량 중 배사구조를 가진 카테고리 A의 대부분은 대·중규모 배출원에서 부터 거리가 있어, 수송 코스트 면에서는 불리하다.



CO2 지중 저유에서 배출원 부근 연안에 있는 저유층을 이용할 수 있으면 CCS 코스트를 대폭 삭감 할 수 있지만, 일본의 연안 지역은‘국내 석유·천연가스 기초 조사’에서 조사가 거의 실시되고 있지 않다. 그 때문에 한정된 기존 자료로 대·중규모 배출원 주변의 지층 구조 및 지질 조건을 추정하여 저유 가능성 평가 및 개산(槪算) 저유 가능량의 1차식을 계산한 결과, 저유 가능한 사이트(Site)가 많다는 것이 확실해져 저유 후보지 선택지를 더욱 확대했다.

3. 향후 과제

이와노하라 기지 실증 시험 결과 안전 평가에 관계된 기초적 정보 축적은 물론, 일본에 충분한 저유 잠재성이 존재한다는 사실을 명확히 확인할 수 있었다. 향후 본격 적용을 위한 다음 단계 검증으로 더욱 규모가 큰 실증 실험이 이루어질 것으로 기대된다. 또 CO2 지중 저유 적용에서는 대·중규모 배출원 주변의 저유층을 이용하는 것이 현실적이라고 생각되는데, 이를 위해서는 대수층에 압입되는 CO2의 장기 이행 해석 및 시추 데이터 등에서 저유 가능량의 정밀도를 높이면서 특정 후보 사이트에 관해서는 3D 지진 탐사 및 보링 조사 등의 실조사를 행하는 것이 과제다.

• CCS 해외 동향

1. 해외 CCS 프로젝트 동향

해외에서는 이미 일부 상업 규모의 화석·천연가스 생산에 관계된 CCS 실증이 실시됐으며, 한편에서는 연구 목적의 소규모 저유 프로젝트도 실시되고 있다. 향후 대규모 발생원을 대상으로 한 CCS가 주목되는 가운데, 최근에는 발전소를 대상으로 한 CCS 실증 프로젝트가 다수 계획되어 있어 각국에서 연구 개발이 가속되고 있다.
⑴ 실시 중인 CCS 프로젝트 해외에서는이미연간100만톤규모의상업CCS가 실시되고 있는데, 이는 모두 석유와 천연가스 생산에 관계된다. 그 대표적인 예가 1996년부터 노르웨이의 Statoil사가 실시 중인 Sleipner 프로젝트로, 북해 천연가스 생산기지에서 수반 CO2를 분리하여 약 1000m 심도의 대수층에서 저유한다.
이와 같은 대수층에서의 지중 저유(육역) 예로, 알제리 IN Salah 천연가스 생산 기지에서 BP 외 공동 사업체가 실시하는 것도 있다. 이런 사례에서는 CO2의 회수 코스트가 천연가스 생산 코스트에 포함되기 때문에 CCS가 비교적 저코스트로 실시된다.
한편 유전에 CO2를 압입하여 석유를 증진 회수하는 EOR(Enhanced Oil Recovery)은 미국을 중심으로 30년도 전에 각지에서 실시되고 있는데, 캐나다의 웨이번(Weyburn)에서 처음 온난화 대책으로 실시됐다. 본 프로젝트에서는 미국 화석가스화로에서 분리된 CO2를 파이프라인으로 수송하여 유전에 압입함으로써 석유를 증진 회수한다. 이와 함께 지중에서의 CO2 움직임을 예측·모니터링하는 국제 공동 연구 프로그램도 진행 중이다.(<그림 6> 참고)



이러한 석유·천연가스 생산에 관계된 CCS는 경제적 면에서 유리하므로 이미 상업 규모에서는 실시되고 있으며, 한편으로는 지중에 저유된 CO2 움직임을 파악하는 것을 주목적으로 한 소규모 연구프로젝트도 일본 나가오카를 포함한 여러 나라의 사이트에서 실시되고 있다.

⑵ 계획 중인 CCS 프로젝트
향후 프로젝트 동향은 석유·천연가스 생산에 관한 대규모 프로젝트가 연이어 계획돼 있는 한편, 최근에는 대규모 배출원인 발전소의 CO2를 회수하여 지중 저유하는 실증 프로젝트도 다수 계획되어 있다.
노르웨이에서는 천연가스 화력발전소에서 회수한 CO2를 북해 해저에 저유하는 3개의 대규모 프로젝트를 계획하고 있는데, 최근 사업성에 대해 엄격한 평가 결과가 공표되어 투자 판단 하에 있는 상태다.
미국에서는 Regional Carbon Sequestration Partnership 프로젝트에 의해 다수의 필드 시험이 실시되고 있으며, 다음 단계로는 전미 7개의 지역에서 대규모 실증 시험이 준비되어 있다. 한편 DOE 추진으로 세계적으로 더욱 주목 받고 있는 석탄가스화발전과 CCS를 조합한 FutureGen 프로젝트는 2008년 1월에 재검토됐다. 다수의 300㎿ 이상 석탄가스화발전에 CCS를 조합한 프로젝트로 CCS 부분을 대상으로 자금 원조를 행하는 방법이 재검토됐다. 미국에서는 이 외에도 미분탄 보일러 배기가스에서 나오는 CO2를 회수·저유하는 기술도 대규모 실증 계획을 준비하는 등 다수의 프로젝트를 계획 중이다.
호주 역시 CCS에 대한 연구 개발에 매우 적극적이어서 화석가스화 발전+CCS 기술의 실증인 ZeroGen 프로젝트를 비롯해 10건이 넘는 프로젝트를 준비하고 있다. 또한 앞으로도 석탄을 계속적으로 사용해야 하는 대기업 석탄 회사가 적극적으로 관계하고 있는 것이 특징이다.



<그림 7>과 같이, 발전소에서의 CCS 프로젝트는 현시점에서는 코스트 때문에 상업적으로 성립되기 어렵지만 정부의 투자 지원을 전제로 한 실증 프로젝트로는 계획되고 있다. 정부의 지원 동향 등에 따라 일부는 도태되겠지만, 향후 탄소 가격 급등에 대한 준비를 원동력으로 각국에서 실증 계획이 진행 될 것으로 생각된다.

2. 법 정비 등과 관련된 향후 동향

CCS 실시에 있어 법적인 틀이 요구되면서 국제기관 및 각국에서 법에 대한 정비가 이뤄지고 있다.
우선 CCS가 온난화 대책으로 인지될 필요가 있다. 이에 관해서는 국가별 배출량 보고에 관한 IPCC의 Inventory Guideline 개정(2006년 4월)에 반영된 바 있으며, 향후 각국의 배출량에 있어서도 반영될 것으로 예상된다. 또 CDM에서 CCS 사업은 2006년 COP/MOP2에서 문제가 제기되어 2008년 COP/MOP4에서 가이던스(Guidance) 채택을 목적으로 국제적인 의논이 진행되고 있다.
한편 해양 환경 보전을 목적으로 하는 런던 조약에서 CO2의 해저 지중 저유를 대상으로 하는 의정서 개정이 이뤄졌다.(2006년 11월) 이로 인해 일본에서는 해양 오염 방지법 개정되어(2007년 5월) 해저 지중 저유가 가능해졌다.
유럽에서는 2008년 1월에 유럽위원회가 CO2 지중 저유에 관한 지령안을 공표하고, 지중 저유 허가에 관한 포괄적인 제도 틀을 발표했다. 2008년 안에 채택한 후 각국에서 법 정비가 이뤄질 것으로 전망된다.

교토의정서 기후변화협약은 전 세계 국가들이 지구 기후 변화 방지를 방지하고자 국가 간 맺은 협약을 말하며, 이를 실행하는 구체적인 내용 즉, 어느 나라가 얼마만큼, 어떻게 줄일 것인가에 대한 문제를 결정한 것이 '교토의정서'다. 교토의정서에 따르면 기후 변화협약 부속서 1 국가들은 2008년부터 2012년 기간 중 자국 내 온실가스 배출 총량을 1990년대 수준 대비 평균 52% 감축해야 하며, 감축대상 온실 가스는 CO₂,CH₄, N₂O, HFCs, PFCs, SF6 등이 있다.

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