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▶ 이 책은 이산화탄소 포집 및 활용기술을 다룬 이론서입니다. 이산화탄소 포집 및 활용기술의 기초적이고 전반적인 내용을 학습할 수 있도록 구성했습니다.

인구 증가와 산업화, 그로 인한 화석연료 사용의 증가는 온실가스(대부분 CO2)농도의 증가로 이어진다. CO2 배출량 증가는 지구 온난화, 가뭄, 열대우림 파괴 같은 환경변화에 막대한 영향을 미친다. CO2가 줄어들지 않고 계속해서 증가하기만 한다면 인류 또한 그 피해를 벗어날 수 없다. 따라서 전 세계적으로 CO2 배출을 줄이기 위한 막대한 노력이 필요한 시점이다.

지금 전 세계적인 화두는 단연 ‘온실가스 감축’이다. 지난 제 21차 파리 유엔 기후변화협약 당사국총회(COP21)에서는 2020년 이후를 대비한‘신 기후 변화 체제’를 선포하고, 지구온도 상승을 1.5 ℃ 이하로 억제하기 위해 전 인류의 공조와 협력을 촉구하는 파리협정이 채택됐다. 그야말로 화석연료의 종말을 예고하고 있다. 석탄 화력이 변화의 시대에 직면해 있다는 점은 맞다. 그러나 저렴하고 안전하고 안정적으로 전력공급이 가능한 석탄 화력이 갖는 매력을 포기할 수도 없는 실정이며, 시대상황에 맞는 신기술이 필요할 때이다. 더구나 석유나 석탄 등 화석에너지를 대체할 태양열, 풍력, 수소 등 대체 에너지에 대한 기술 개발이 더딜 뿐 아니라 신재생에너지는 경제성이 떨어질 수밖에 없다. 에너지혁명을 가져온 원자력처럼 신재생에너지도 기술적인 변혁이 있어야만 화석연료를 대체할 에너지원이 될 수 있다. 화력발전에 의존할 수밖에 없는 이유가 여기에 있다.

그렇다면 석탄 화력이 살아남기 위한 묘수는 무엇일까? 화력발전이 지구온난화의 주범이라는 낙인을 떼어내고 계속해서 검은 돌로 빛을 만들어 내기 위한 기술 그 묘수가 곧 CCS(이산화탄소 포집 저장기술, carbon capture & storage)이다. CCS야 말로 석탄 화력에 새로운 생명을 불어넣을 기술로 평가 된다.

국제에너지기구(IEA)의 2DS(지구온난화를 2℃이하로 억제하는 시나리오)에 따르면 2020년부터 2050년 사이 화력발전의 60%, 산업부문에서 57.9 Gt CO2의 누적 저감을 위해 CCS 기술이 적용될 것으로 예상된다. 또 관련전문조사기관인 비전게인(Visiongain)의 리포트에서는 2024년까지 연평균 성장률 4.8%, 누적시장규모 약 100조원으로 평가하고 있다. 국내시장은 2020년경에 2조 6000억 원 정도의 시장 형성 잠재력을 가진 것으로 평가했다. 아울러 WEO의 2012년 보고서에서 CCS시장은 2020~2050년 기간 동안 탄소규제 등으로 인해 본격적인 시장 형성이 될 것으로 전망하고 2050년에는 누적 투자비가 약 3100조에 이를 것으로 전망하고 있다.

CCS는 포집과 저장기술이 가장 핵심사항이다. 포집기술은 연소 후 포집, 연소 전 포집, 순산소연소 등 3 가지로 나뉜다.

◇ 포집 = 연소 후 포집은 기존 발전소 등에서 연소 후 배기가스로 배출되는 혼합가스 중에서 이산화탄소만 물리, 화학적 방법으로 선택적으로 분리해 내는 기술로 분리매체에 따라 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등으로 나눌 수 있다. 현재 산업적으로 널리 사용되어 온 기술은 흡수법을 이용한 공정이다.

연소 전 포집은 가스화 공정을 통해 연료 가스를 수소와 이산화탄소의 혼합물로 개질한 뒤 이산화탄소를 분리하는 방식으로 IGCC나 NGCC 등의 차세대 발전기술과 병합해 응용 가능한 기술이다.

순산소 연소는 연소시 산화제로 공기대신 순수한 산소를 사용해 불순물의 생성을 막고 분리과정을 거쳐 이산화탄소를 포집하는 기술이다. 연소효율이 높고 이산화탄소의 농도가 높아 별도의 고비용 회수기술이 필요하지 않다는 장점이 있다. 반면 산소제조비용을 절감해야 한다는 문제점을 안고 있다.

◇ 수송 = 포집된 이산화탄소는 저장소로 수송해야 한다. 파이프라인으로 할 수도 있고 선박이나 차량을 이용할 수도 있다. 일반적으로 1000∼2000 km 이내의 내륙 소송에는 파이프라인 수송이 유리하다. 그 이상의 해양 장거리 수송은 선박수송이 경제적인 것으로 알려져 있다.

◇ 저장 = 수송되어진 이산화탄소는 땅속이나 해양, 그리고 광물 등에 저장된다. 그러나 해양저장과 광물저장은 각각 해양생태계에 미치는 영향 우려와 느린 반응속도 및 저장용량 확보 등의 문제로 아직 연구단계에 있다.

지중저장을 위해서는 암석층과 저장된 이산화탄소가 대기 중으로 다시 방출되지 않도록 하기 위한 덮개암이 존재하는 지층구조를 가지고 있어야 한다. 압력에 따라 초임계 상태에 근접해 밀도가 급격히 증가하는 이산화탄소의 특성을 감안, 지하 800 m 이상의 깊이를 가진 공간이 적합하다. 폐 유전, 폐가스 전, 염대수 층, 폐석탄 층 등이 적합한 저장 후보지로 꼽힌다.

우리나라의 경우 해양지중저장소에 대한 탐사 결과 군산분지에 약 50억 톤 이상 저장이 가능하다는 석유공사의 조사가 있었다. 또 2012년 4월 정부 발표에 따르면 울릉분지에 51억 톤 규모의 저장소가 있는 것으로 조사됐다.

실제로 해양수산부는 2014년 11월 140대 국정과제의 하나로 추진해온 해양 이산화탄소포집저장(CCS) 기술개발 연구 성과를 발표하고‘100만 톤급 해양 CCS 실증사업(2015.4 ~)’을 적극 추진한다고 밝혔다. 해양부는 2005년부터 해양 CCS 기술개발을 추진해 동해 가스전 등이 포함된 울릉분지 대륙붕 주변해역(울산 동방 60 ㎞)을 CO2 저장 후보지로 도출해 대규모 저장 실증사업 추진 위치를 구체화했다.

최근 들어 CCS에서 한 걸음 나아간 CCU(이산화탄소 포집ㆍ활용) 기술도 주목받고 있다. 포집된 이산화탄소에 화학반응을 일으켜 다른 물질을 만드는 것이다. 국책 연구원 관계자는“CCS나 CCU는 설비가 설치되면 교체까지 적어도 몇십년은 사용이 가능하기 때문에 기술의 신뢰성이나 경제성에 가장 앞선 국가(업체)가 시장을 독식할 것”이라고 예상하였다.“전 세계적으로 아직 기술 개발 단계인 만큼 상용화의 성공이 관건”이라고 전망했다. 포집된 이산화탄소 중 일부를 재활용하는 방안도 추진 중에 있다. 포집된 이산화탄소 가운데 극히 일부지만 비닐하우스에 공급하여, 작물 성장 기간을 줄이거나 신재생에너지의 원료로 쓰이게 된다.

1장. 지구온난화 가스의 종류와 감축기술 소개 1
1.1. 주요 온실가스 1
1.2. 온실가스 감축 기술 5
1.3. CO2 포집 기술의 유형 6
1.4. 포집 CO2 활용 10

2장. 이산화탄소 포집기술 소개 13
2.1. 연소 후 포집기술 14
2.1.1. 연소 배가스의 특성 16
2.1.2. 연소 후 포집기술의 특성 19
2.1.2.1. 습식 흡수기술(액체 흡수제) 20
2.1.2.2. 건식 흡수기술(고체 흡수제) 36
2.1.2.3. 막 분리기술(멤브레인) 44
2.1.2.4. 심냉 분리기술(증류법) 50
2.1.3. 연소 후 포집기술의 선정 51
2.1.4. 연소 후 포집기술의 발전방향 52
참고문헌 55

2.2. 연소 전 포집기술 57
2.2.1. 정제 기술 59
2.2.1.1. 석탄가스화 공정 60
2.2.1.2. 가스정제 공정 62
2.1.2.3. 수성가스 전환반응 63
2.1.2.4. H2/CO2 분리 기술 75
2.2.2. 연소 전 포집기술의 특징 76
2.2.2.1. 습식 물리 흡수 공정 76
2.2.2.2. 화학 흡수 공정 86
2.2.2.3. 이온성 액체 88
2.2.2.4. 분리막 공정 90
2.2.3. 국내ㆍ외 기술개발 현황 93
참고문헌 99

2.3. 순산소 연소기술 102
2.3.1. 연소기술 개요 103
2.3.2. 산소 부화 및 순산소 연소 108
2.3.3. 순산소 연소기술 분석 112
2.3.4. 순산소 연소기술의 적용분야 117
2.3.5. 에너지 절약성 및 CO2 회수 경제성 119
2.3.6. 에너지 절약 측면에서의 경제성 123
2.3.7. 순산소 연소기술의 현황 127
2.3.8. 국내ㆍ외 기술개발 동향 132
참고문헌 135

3장. 이산화탄소 전환기술 소개 137
3.1. 오일 회수 증진(CO2 EOR) 기술 137
3.2. 화학 원료로 이용 139
3.3. 조류 재배에 이용 145
3.4. 바이오 연료의 제조 150
3.5. 광물의 탄산염화 153
3.6. 국내ㆍ외 산업적 응용 기술개발 동향 155
참고문헌 158