탄소 중립 핵심기술 CCUS 없이는 탄소 중립 불가능?

“탄소 중립 에너지전환 실현” 정책토론

국회 김진표·조정식·이원욱·안호영·조승래·김주영·김회재·서동용·윤준병·전용기·황운하·양정숙 등 12명의 의원실은 지난 5월 13일 국회 제2세미나실에서 ‘탄소 중립 핵심기술 CCUS 정책토론회’를 공동 주최했다. 환경부, 산업통상자원부, 과학기술정보통신부 등이 후원한 이번 행사는 K-CCUS추진단(한국 탄소 포집저장활용 추진단)이 주관했다.

김진표 국회의원(더불어민주당)은 환영사에서 “일론 머스크 테슬라 CEO는 지난해 트위터에 ‘10는억 톤 규모 탄소 포집 기술을 가진 분에게 1억 달러를 드리겠다’라는 글을 올렸다. 그의 제안에는 배경이 있다”라며 “세계 각국이 2050년까지 이산화탄소 배출량을 ‘제로(0)’로 만드는 탄소 중립에 나섰기 때문이다.

이를 위해 필요한 핵심기술이 바로 머스크 CEO가 언급한 이산화탄소를 포집·저장·활용하는CCUS(Carbon CaptureUtilizationStorage) 기술이다”라고 전했다.

CCUS 기술은 화석연료 사용으로 방출된 대기 중 이산화탄소와 산업공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집해 저장하거나 자원으로 활용하는 기술을 통합적으로 이른다. 탄소 포집저장활용 기술은 미래산업으로서 향후 전망도 밝다. 국제 시장조사기관 인더스트리아크에 따르면 ‘2026년 글로벌 CCUS 시장 규모는 253억 달러(약 30조 9000억 원)에 이를 것으로 보인다. 

국제에너지기구(IEA)는 “CCUS 기술 없이 기후 목표를 달성하는 것은 불가능하다”라고 강조했다. 특히 전 세계 이산화탄소 발생량의 절반 이상을 차지하는 고 탄소 집약산업들은 CCUS 없이는 탄소 중립이 불가능하다고 평가받는다. 그런데 CCUS 기술이 실효성 있는 실현 방안이 되기 위해서는 선결과제가 많다.

김진표 의원은 “탄소 중립을 실현하기 위해서는 CCUS 기술의 이산화탄소 포집저장 역량이 100배 이상 늘어야 한다고 분석한다. 포집한 탄소를 저장할 공간을 확보하고, 국민에게 기술의 안전에 대한 확신을 주는 것도 필요하다”면서 “한국의 탄소 중립 연구개발(R&D) 예산은 1조 9000억 원 수준으로, 전체 R&D 예산의 6.5%에 그친다. 선진국에 비교하면 기술 수준도, 연구 현황도 한참 부족한 수준”이라고 지적했다.

탄소중립기본법 국회 통과

이원욱 국회의원(더불어민주당)은 환영사를 통해 “기후변화 문제가 점차 심각해지며 전 세계적으로 탄소 중립 실현을 이루기 위한 정책안 모색이 계속 진행되고 있다. 우리도 이러한 흐름에 발맞춰 정부 차원에서 2050년 탄소 중립을 선언했고, 국회에서는 오랜 법제화 시도 끝에 ‘탄소중립기본법’이 통과되어 기후위기 대응을 위한 법체계가 갖춰졌다”라고 전했다.

새 정부가 출범하는 상황에서 탄소 중립 실현을 위한 정책 운용은 변함없이 유지되어야 한다는 게 이원욱 의원의 설명이다. 특히 점차 심각해져 가는 기후위기에 대응하기 위하여 국제사회의 연대에 적극적으로 동참하며 관련 제도 구축에 더욱 힘을 써야 한다고 덧붙였다.

김주영 국회의원(더불어민주당)은 환영사에서 “정부는 강력한 의지를 반영해 2030년까지의 국가 온실가스 감축목표(NDC)를 40%로 상향했고, 2050 탄소 중립 실현을 위해 ’탄소중립기본법‘을 세계 14번째로 법제화하는 등 전 세계 국가들과 협력하며 탄소 중립을 선도하고 있다”고 전했다.

김주영 의원은 또 “하지만 탄소 중립을 위한 길이 순탄치만은 않다. 우리나라 온실가스 배출량은 2018년 기준 7억 2700만 톤에 달한다. 40%를 감축 목표로 한다면 연평균 4% 이상 감축해야 하고, 2018년 대비 2억 9000만 톤을 감축해야 하는 상황이다. 숫자에 다 담기지 않은 수많은 변화가 필요한 것 또한 사실이다”라고 전했다.

‘현실’과 ‘탄소 중립 실현 이상’을 잇는 교량

글로벌CCS연구소(Global CCS Institute)에 따르면 2050 탄소 중립을 위해서는 현재 수준보다 100배가량의 이산화탄소 포집저장 역량이 필요하다고 한다. CCUS 기술의 시장 확장 가능성과 기술혁신 가능성이 무궁무진한 이유에서다.

전 세계에서 가장 중요한 기술 중 하나로 자리 잡은 만큼, 신속한 기술 동향 파악과 정책적 지원으로 글로벌 주도권을 쟁취해야 하는 분야이기도 하다.

이와 관련, 김주영 의원은 “저는 늘 ‘정의로운 전환’을 추구한다. 탄소 중립이라는 범지구적 과제 추진에 따르는 산업구조와 노동환경의 변화에 있어, 국민의 고통과 희생은 최소화하고 국민 수용성을 높이는 방안을 최우선순위로 두고 있다”며 “이 과정에서 CCUS 기술이 우리나라 산업구조라는 현실과 탄소 중립 실현이라는 이상을 잇는 튼튼한 교량이 될 수 있다고 생각하다”고 전했다.

양정숙 국회의원(무소속) 역시 환영사를 통해 “글로벌 CCS연구소가 탄소 배출 제로를 달성하기 위해서 이산화탄소를 얼마나 많이 포집하고 저장해야 하는지 90개의 시나리오를 분석한 결과, 2050년까지 전 세계 이산화탄소 포집 및 저장 용량이 연간 3.6기가 톤에 달해야 한다는 조사결과가 도출됐다”며 “그러나 전 세계적인 CCUS 시설의 포집 용량은 약 40메가톤에 그쳐, 앞으로 이산화탄소 포집 및 저장 역량이 약 100배 이상 늘려야 한다”고 알렸다.

아울러 탄소 중립 에너지전환 실현을 위한 CCUS 기술의 동향과 국가 정책 방향을 모색해야 하는 이유가 여기에 있음을 전했다.

CO2 포집기술 현황 및 개발 방향

이날 발제자로 나선 한국에너지기술연구원 류호정 박사는 ‘CO2 포집기술 현황과 그 개발 방향’에 대해 발표했다. 이에 따르면 탄소 포집 및 저장(CCS; Carbon Capture and Storage)은 화석연료 사용으로 인해 발전소, 철강, 시멘트 공장 등 대량 배출원에서 배출되는 이산화탄소를 대기로부터 격리하는 기술이다.

최종 제품을 생산하기 위해 CO2를 제거하여 부가가치를 향상시키는 공정은 1970년대부터 활용(천연가스, 비료, 에탄올, 화학제품, 수소 생산)되고 있었다. 발전 분야는 2010년대 중반부터 대형 실증을 시작했고, 2025년 이후에도 대형 실증을 계획 중이다(기저부하 역할 및 잔존 가동시간).

류호정 박사는 “CCUS 분야에 대한 기술 수준 분석 결과, 선도국가는 미국과 EU로 나타났으며, 한국은 선도국가 대비 약 80% 수준”이라고 전했다. 아울러 한국은 선도국가 대비 분야별 기술 수준은 CO2 ▷포집의 경우 약 85% ▷저장의 경우 약 75% ▷활용의 경우 약 78% 수준이라고 밝혔다. CO2 포집기술은 크게 연소 전, 연소 중, 연소 후로 나뉜다.

국내 개발은 연소 후 포집기술의 경우 습식(석탄&시멘트), 건식(석탄), 분리막(석탄) 등이 적용되고 있다. 연소 중 포집기술의 경우엔 매체 순환 연소(가스), 순산소연소(석탄, 가스) 등이 적용되고 있다. 연소 전 포집기술은 건식(IGCC)이 적용되고 있다.

또 국내 실증연구의 한계는 ▷규모의 한계(10MWe급 포집 실증이 최대, 규모 격상 과정의 문제점, 비용감소 효과 확인 못 함) ▷연계 실증 경험 부족(포집-활용, 포집-저장 연계를 통한 full chain 실증 경험 없음) ▷국가 로드맵 부재(2010년 이후 국가 로드맵 부재→연구지원 축소→일부 기술만 개발 진행) ▷포항지진(주민 반대로 인해 저장 분야 실증 중단, 연구지원 축소) ▷민간투자 제한(현재 상황에서 경제성, 시장성 확보가 어려운 CCUS 기술에 대한 민간투자 제한적) 등이다. 2050 탄소 중립 에너지기술 로드맵에 따른 탄소 포집 핵심기술은 ▷발전 및 연소 배가스 중 포집기술 ▷산업공정 배출 포집기술 ▷연료 연소 중 포집기술 ▷저농도 포집기술 ▷기타 가스자원 포집기술 ▷포집 비용 저감을 위한 차세대 기술 개발 등으로 나뉜다.

기업이 원하는 정책

그렇다면 어느 분야부터 기술 개발/보급이 필요할까? 류호정 박사는 이와 관련해 원료에 탄소나 이산화탄소가 포함된 산업(시멘트, 정유, 석유화학), 제품의 품질이 향상되는 산업 분야(수소, 암모니아), 이산화탄소 농도가 높은 분야(포집 비용이 적은 분야), 이산화탄소 포집 후 활용/저장할 수 있는 분야(시멘트, 정유, 석유화학, 수소, 암모니아, IGCC, 제철) 등을 꼽았다. 또한 기업이 원하는 정책에 대한 설문 조사(조사 기간: 2022.04.11∼22, 조사대상: CCUS 기술에 관심이 있는 기업 담당자, 응답률: 31%) 결과, 응답자 중 83%가 CCUS 기술의 실행 능력이 있는 대기업/중소기업이었고, 자체연구개발로 사업장에 맞는 독자기술 확보를 원하고 있었다.

CO2 포집기술을 적용하는 이유(무엇 때문에 시장이 형성될지?)는 정부 정책(CO2 감축 의무화, 탄소세, 탄소배출권 거래제)에 의한 시장형성이 49.5%, 경제적 이익에 의한 시장형성이 29.1%에 달했다. CO2 포집기술의 사업장 적용을 위해 필요한 정부 지원 방향에 대해선 실질적인 ‘가치’를 지닌 탄소배출권 거래제에 연동한 정부 지원 방안이 필요하고, CCUS 설비투자 확대와 설비운전을 통한 장기적인 탄소 감축이 가능하다고 답했다.

탄소 중립을 위한 CCU 기술

발제자로 나선 한국화학연구원 장태선 단장은 ‘탄소 중립을 위한 CO2 활용기술’에 대해 발표했다. ‘탄소 중립’이란 인간의 활동에 의한 온실가스 배출을 최대한 줄이고, 남은 온실가스는 흡수 및 제거를 통해 실질적인 배출량을 0(zero)으로 만든다는 개념으로, 넷 제로(Net-Zero)라고 하기도 한다.

탄소 국경세(Carbon border tax)는 이산화탄소 배출 규제가 약한 국가가 규제가 강한 국가에 상품이나 서비스를 수출할 때 부과하는 무역 관세를 말한다. 탄소 국경제의 도입 목적은 ▷탄소 중립 목표 달성을 위한 지구적 차원의 동참을 독려 ▷공정한 경쟁 환경을 조성 ▷탄소누출 현상 방지 등이다. 그린피스 한국사무소 자료에 따르면 한국이 지불해야 하는 탄소 국경세 전망치(2023년→2030년, 단위: 억 원)는 EU(2900→7100), 미국(1100→3400), 중국(6100→1만 8700) 등이다.

장태선 단장에 따르면 탄소 중립과 이산화탄소의 활용은 국내로 수입되는 탄소는 효율적으로 사용(최소화)하고, 국내 축적된 미활용 탄소 원은 자원으로 사용(수입대체)해 탄소계 온실가스(CO2)를 감축하는 것이다. CCU(Carbon Capture Utilization) 기술은 각종 산업활동에서 발생하는 이산화탄소를 그대로 자원으로 직접 활용하거나 현재 사용되는 연료, 화학제품과 같이 부가가치가 있는 유용한 물질로 재전환하는 기술이다.

그리고 CO2를 반응원료로 활용하여 화학적 전환을 통해 연료기초화학제품 등의 다양한 탄소화합물로 전환하는 화학적 전환 기술, CO2를 탄산염 형태로 전환해 광물화하는 광물 탄산화 기술, CO2를 생물학적으로 고정하여 미세조류 바이오매스를 생산하고, 이를 바이오연료바이오소재 등으로 제품화하는 생물학적 전환 기술이 있다.

미래 시장을 위한 핵심 고려요소

사업은 ▷(COVESTRO) 폴리머 생산 ▷(CRI) 재생 메탄올 생산 ▷(Sunfire) 합성 연료 생산 ▷(CarbonCure) CO2 함유 콘크리트 생산 ▷(화학연) CO2 유래 윤활기유 생산 기술 실증 ▷(부흥산업사/화학연) 일산화탄소, 초산 제조기술 실증 ▷(테크원/남부발전) 개미산 생산 기술 실증 등이 추진되고 있다. 미래 시장을 위한 핵심 고려요소는 확장성(공급 제약, 제품의 수요), 가격경쟁력(기술 비용, 투입물 비용, 저탄소 제품과의 경쟁 비용, 시장 가격), 환경성(CO2의 발생원, 제품의 대체품, 에너지 투입량, 제품의 탄소 보존 시간) 등이다.

장태선 단장은 또 신산업 육성을 위한 필요사항을 경제성, 법규제, 기타 분야로 나누고, 시장 경쟁력 확보를 위한 지원 관련법 제정과 탄소세 최저가 예고제(경제성), 규제 free zone과 개발 단계 인허가 유예(법규제, 제품 판매 시 인허가 必), 제품 탄소 발자국(기타)을 각각 제안했다.

CO2 지중저장

발제자로 나선 한국지질자원연구원 김구영 센터장은 ‘CO2 지중저장 기술현황 및 전망’에 대해 발표했다. 이산화탄소 지중저장(Carbon geosequestration)은 발전소나 산업체에서 발생하는 이산화탄소가 대기 중에 배출되기 전에 포집해 지층에 저장하는 것으로 대용량 이산화탄소를 처리할 수 있는 현실적 대안이다. 하지만 대규모 저장소가 필요하다.

김구영 센터장에 의하면 IPCC(2018) P3, P4 시나리오에 따른 2100년 저장목표치인 687Gt, 1218Gt 저장을 달성하기 위해서는 저장량 성장률이 연간 9∼10%가 요구된다. 슬라이프너 프로젝트 이후 1996년부터 현재까지 저장량 성장률은 약 8.6%/year(이 추세로는 2100년에 441Gt)이며, 2030년경부터는 성장률을 높일 필요가 있다.

국내 저장 유망구조 및 저장 용량 산정을 위해서는 불확실성 수준에 따라 1∼4단계로 구분하여 평가되고, 2050 탄소 중립 시나리오를 위해서는 약 10억 톤의 저장소 확보가 필요하다. 현재 약 7억 3000만 톤의 저장소가 확보된 상태다. 현재 진행 중인 CCS 기술 개발에는 효율 향상 기술(초임계 이산화탄소/염수(2-phase flow), 주입성 향상을 위해 첨가제 활용), 압력관리 기술(지중에 CO2 주입 시 압력 상승, 저장 층과 덮개암 균열 발생, 단층 재활성(지진), CO2 누출, 생산정을 활용한 저장층 내 압력관리) 등이 있다.

김구영 센터장은 “우리나라는 2030년까지 1040만 톤의 이산화탄소를 포집해 활용 및 저장해야 하는 목표를 가지고 있다”며 “국내 CCS 성공을 위해서는 이산화탄소를 저장할 대규모 저장소 확보가 급선무다”라고 밝혔다.

그리고 대규모 CCS 사업 진행과 함께 효율 향상, 안전성 확보, 비용 효율적인 모니터링 기술 개발이 진행 중이며, 배출흡수기술(NET) 관련하여 BECCS, DAC 등의 기술은 아직 개발 초기 단계에 있지만, 경제적인 사용 사례 또는 정책 인센티브와 연결되면 대규모 BECCS, DAC 배포가 가속화될 수 있다고 덧붙였다.

김구영 센터장은 또 “CCS 사업의 경우 대형화가 중요, 즉 규모의 경제를 통해 비용을 절감할 수 있다”라면서 “대규모 CO2 지중저장을 위해서는 기술혁신, 정부 차원의 지원, 민간기업 참여를 유도하는 인센티브 정책 등이 필요하다”고 강조했다.

<국회=조혜영 기자>