탄소 포집 및 활용

연소 후 포집은 화력발전소, 시멘트 공장, 제철소 등에서 연료를 태운 후 배출되는 배가스에서 이산화탄소를 분리해내는 기술이다. 가장 상용화가 진전된 포집 방식으로, 기존 산업 시설에 부착 설치가 가능하다는 장점이 있다. 이 방식은 주로 배가스 중 이산화탄소 농도가 상대적으로 낮고, 질소나 수증기 등 다른 기체가 다량 포함되어 있는 환경에서 적용된다.

기술의 핵심은 흡수제를 이용한 화학적 흡수법이다. 가장 일반적으로 사용되는 흡수제는 아민계 용액으로, 배가스와 접촉시켜 이산화탄소를 선택적으로 흡착한다. 이산화탄소가 흡수된 용액은 가열하여 순수한 이산화탄소를 다시 방출하고, 재생된 흡수제는 시스템으로 순환된다. 이 외에도 물리적 흡착법, 막 분리법, 저온 분리법 등 다양한 분리 기술이 연구 개발 중이다.

이 기술의 주요 적용처는 대규모 점오염원이다. 석탄이나 천연가스를 연소하는 발전소가 대표적이며, 이산화탄소 배출이 집중되는 산업 공정에도 적합하다. 시스템을 기존 플랜트에 후처리 공정으로 추가할 수 있어, 시설 전체의 대규모 개조 없이 탄소 포집을 도입할 수 있다는 점이 실용성으로 평가받는다.

그러나 연소 후 포집은 에너지 소비가 크다는 한계를 지닌다. 흡수제 재생을 위한 증기나 열에너지가 상당히 필요하여, 발전소의 순 출력 효율이 감소한다. 또한 배가스 중 이산화탄소의 부분 압력이 낮아 분리에 드는 비용이 상대적으로 높은 편이다. 따라서 에너지 효율을 높이고 비용을 절감하기 위한 흡수제 개선 및 공정 최적화 연구가 활발히 진행되고 있다.

연소 전 포집은 화석 연료를 연소시키기 전에 그 안에 포함된 탄소 성분을 제거하는 기술이다. 이 방식은 주로 석탄 가스화 복합발전(IGCC) 플랜트와 같은 시설에 적용된다. 연소 전 포집의 핵심은 연료를 먼저 가스로 전환하는 과정에 있다.

먼저, 석탄이나 바이오매스와 같은 연료를 고온 고압의 환경에서 산소나 수증기와 반응시켜 합성가스(일산화탄소와 수소의 혼합물)를 생성한다. 이어서 생성된 합성가스에 수성가스전환 반응을 적용하여 일산화탄소를 이산화탄소로 추가로 전환한다. 최종적으로 흡수제를 이용해 혼합 가스에서 이산화탄소를 분리해내고, 남은 수소가 풍부한 연료를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산한다.

이 기술의 주요 장점은 포집해야 할 가스 흐름의 압력이 높고, 이산화탄소 농도가 연소 후 포집 방식에 비해 상대적으로 높다는 점이다. 이로 인해 포집 과정의 에너지 소비가 줄어들고 포집 효율을 높일 수 있다. 또한, 분리된 수소는 탄소 배출이 매우 적은 청정 연료로 활용될 수 있다.

그러나 연소 전 포집 기술은 초기 설비 투자 비용이 매우 높으며, 기존의 많은 화력발전소를 개조하여 적용하기 어렵다는 한계를 가진다. 따라서 이 기술은 주로 신규로 건설되는 발전소나 대규모 화학 공정에 도입이 검토되고 있다.

산소 연소 포집은 공기 대신 순수 산소를 사용하여 연료를 연소시키는 기술이다. 이 방식은 배기가스 중 질소 농도를 크게 낮추고, 이산화탄소 농도를 80% 이상으로 높여 포집 공정을 단순화하고 효율을 높이는 것이 핵심 원리이다. 일반적으로 공기 분리 장치를 통해 산소를 생산한 후, 연소실에서 연료와 반응시킨다. 이렇게 생성된 배기가스는 주성분이 이산화탄소와 수증기이므로, 수증기를 응축시키는 비교적 간단한 과정만으로도 고농도의 이산화탄소를 얻을 수 있다.

이 기술의 주요 장점은 연소 후 포집 방식에 비해 포집 효율이 높고, 포집에 필요한 에너지 소비가 상대적으로 적다는 점이다. 또한 배기가스 처리량이 줄어들어 포집 설비의 규모와 비용을 절감할 수 있다. 그러나 공기에서 산소를 분리하는 공기 분리 장치는 자체적으로 많은 에너지를 소비하며, 고온의 순수 산소 환경에서 연소실과 보일러를 운영하기 위해서는 재료 및 운전 기술에서 추가적인 과제가 존재한다.

산소 연소는 특히 석탄 화력발전소에 적용할 때 잠재력이 큰 기술로 평가받는다. 기존 발전소를 개조하여 적용할 수 있는 옵션이 연구되고 있으며, 순수 산소 대신 공기와 산소의 혼합기를 사용하는 희석 산소 연소 방식 등 변형 기술도 개발되고 있다. 이 기술은 포집된 이산화탄소를 지중 저장하거나 활용하는 전 과정과 결합하여, 화력발전의 탄소 배출을 극적으로 줄이는 데 기여할 수 있다.

직접 공기 포집은 대기 중에 이미 희석되어 존재하는 이산화탄소를 직접 포집하는 기술이다. 연소 배기가스와 같은 고농도 배출원에서 포집하는 기존 기술과 달리, 공기 중의 낮은 농도(약 0.04%)의 이산화탄소를 대상으로 하기 때문에 기술적 난이도와 에너지 소비가 상대적으로 크다. 이 기술의 핵심은 대량의 공기를 효율적으로 통과시켜 이산화탄소만 선택적으로 흡착 또는 흡수하는 소재와 공정 설계에 있다.

주요 방식은 크게 고체 흡착제를 사용하는 방식과 액체 흡수제를 사용하는 방식으로 나눌 수 있다. 고체 흡착제 방식은 공기를 필터 형태의 흡착제 층으로 통과시켜 이산화탄소를 붙잡은 후, 열이나 진공을 가해 다시 농축된 이산화탄소를 방출하는 과정을 반복한다. 액체 흡수제 방식은 공기를 화학적 용액에 접촉시켜 이산화탄소를 포집한 후, 가열 등의 과정을 통해 순수한 이산화탄소를 회수한다.

이 기술의 가장 큰 장점은 배출원의 위치와 무관하게 전 지구적 규모로 적용 가능하다는 점이다. 따라서 과거의 누적 배출량을 줄이는 '음의 배출'을 실현하는 핵심 수단으로 주목받고 있다. 또한, 소규모 모듈형으로 제작되어 재생에너지 발전소 옆이나 도시 지역 등 다양한 장소에 설치할 수 있는 유연성을 가진다.

그러나 경제성은 여전히 주요 과제이다. 공기 중 이산화탄소 농도가 매우 낮아 포집에 드는 에너지 비용이 높으며, 이로 인해 포집된 이산화탄소의 단가가 다른 포집 방식에 비해 훨씬 비싸다. 현재는 기술 실증 단계에 있으며, 재생 에너지와의 결합을 통한 에너지 비용 절감, 흡착제/흡수제의 성능 및 내구성 향상 등의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

화학적 전환 및 연료 생산은 포집된 이산화탄소를 화학 반응을 통해 가치 있는 화학물질이나 연료로 변환하는 기술 분야이다. 이산화탄소 자체는 화학적으로 안정한 분자이므로, 이를 유용한 물질로 전환하려면 일반적으로 에너지 투입이 필요하다. 이 과정에서 재생 가능 에너지원을 사용하면 전환 과정의 탄소 배출을 최소화할 수 있어, 순환형 탄소 경제 구축에 기여할 수 있다.

주요 전환 경로는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 이산화탄소를 직접 환원시켜 일산화탄소, 메탄올, 포름산, 또는 합성가스(일산화탄소와 수소의 혼합물)와 같은 C1 화합물을 생산하는 것이다. 둘째는 더 복잡한 탄화수소 연료나 화학물질을 만드는 과정으로, 예를 들어 메탄올을 중간체로 사용하여 가솔린, 제트연료, 올레핀 등을 생산하는 간접 전환법이 포함된다. 이러한 연료는 기존 화석 연료 인프라와 호환될 수 있어 에너지 전환기의 대체 연료원으로 주목받고 있다.

이산화탄소의 화학적 전환을 위한 핵심 기술로는 촉매를 이용한 열화학적 환원 반응, 전기화학적 환원 반응(전기분해), 그리고 광촉매를 이용한 광화학적 환원 반응 등이 활발히 연구되고 있다. 특히 재생 가능 전기를 이용한 전기화학적 전환은 반응 조건이 비교적温和하고 모듈화가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 대부분의 기술은 여전히 촉매의 효율성과 내구성, 전체 공정의 경제성 등에서 상용화를 위한 과제를 안고 있다.

이러한 기술을 통해 생산된 합성 연료는 탄소 중립 연료로 간주될 수 있으며, 특히 항공이나 해운과 같이 전기화가 어려운 분야의 탈탄소화에 잠재력을 가진다. 또한, 이산화탄소를 원료로 플라스틱이나 합성섬유의 전구체를 만드는 등 화학 산업의 탄소 발자국을 줄이는 데도 기여할 수 있다.

광물화 및 건설 자재는 포집된 이산화탄소를 안정적인 고체 형태의 탄산염 광물로 전환하거나, 콘크리트와 같은 건설 재료의 제조 과정에 활용하는 기술 분야이다. 이산화탄소를 영구적으로 고정할 수 있어 저장의 개념이 포함되며, 동시에 상업적 가치가 있는 제품을 생산한다는 점에서 순수한 저장과 차별화된다.

광물화 기술은 자연에서 수천 년에 걸쳐 일어나는 암석의 풍화 과정을 인위적으로 가속화한다. 주로 마그네슘 또는 칼슘을 함유한 원료(예: 산업 부산물인 제철 슬래그, 폐석고, 석회석 등)와 이산화탄소를 반응시켜 탄산마그네슘 또는 탄산칼슘을 생성한다. 이렇게 만들어진 탄산염은 토목 자재, 종이 충전제, 플라스틱 필러 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

건설 자재 분야에서는 콘크리트의 생산 및 양생 과정에 이산화탄소를 직접 활용하는 기술이 주목받는다. 예를 들어, 신선한 콘크리트에 이산화탄소를 주입하면 시멘트의 주요 성분인 칼슘 실리케이트 수화물과 반응하여 탄산칼슘과 실리카 겔을 형성한다. 이 공정은 콘크리트의 초기 강도를 높이고, 포틀랜드 시멘트 사용량을 줄이며, 동시에 이산화탄소를 영구적으로 포집하는 효과를 가진다. 또한, 폐콘크리트를 재활용하는 과정에서 이산화탄소를 주입하여 성능을 개선하는 연구도 진행 중이다.

이러한 기술들은 이산화탄소를 유용한 제품으로 변환하면서도 장기간 누출 위험이 없는 안정적인 형태로 저장한다는 장점이 있다. 그러나 대규모 상업화를 위해서는 반응에 필요한 에너지 소비, 원료 조달의 지속 가능성, 최종 제품의 시장성과 경제성 등 해결해야 할 과제도 남아 있다.

지질학적 저장은 포집된 이산화탄소를 지하 깊은 곳에 영구적으로 격리하는 기술이다. 주로 고갈된 유전이나 가스전, 염수대수층, 석탄층 등에 주입하여 저장한다. 이산화탄소는 지질학적 구조에 갇히거나 암석과 반응하여 광물로 변하는 과정을 통해 안정적으로 격리된다. 이 기술은 대기 중 이산화탄소 농도를 직접 줄이는 데 기여할 수 있어 기후 변화 완화를 위한 중요한 수단으로 평가받는다.

EOR(증유회수)은 지질학적 저장의 한 형태이면서 동시에 경제적 가치를 창출하는 활용 기술이다. EOR은 고갈되어 생산이 어려워진 유전에 이산화탄소를 주입하여 지하의 잔류 원유를 밀어내어 추가적으로 채굴하는 기술이다. 주입된 이산화탄소는 원유와 혼합되거나 지층 압력을 높여 원유의 유동성을 증가시킨다. 이 과정에서 상당량의 이산화탄소가 지층에 갇히게 되어 저장 효과도 동시에 달성한다.

지질학적 저장과 EOR은 기술적 성숙도가 비교적 높은 편이다. 특히 EOR은 북미 등지에서 수십 년간 상업적으로 운영되어 왔다. 그러나 장기적인 저장 안정성과 환경적 영향에 대한 모니터링과 검증은 여전히 중요한 과제로 남아있다. 저장 장소의 지질학적 특성을 철저히 평가하고 누출 가능성을 관리하는 것이 핵심이다.

이 기술들은 포집된 이산화탄소의 최종 처리 경로를 제공하며, 특히 대규모 배출원에 적합하다. EOR은 저장 비용의 일부를 상쇄할 수 있어 초기 CCUS(탄소 포집, 활용, 저장) 사업의 경제성을 높이는 동인이 되기도 한다.

생물학적 활용은 미생물이나 식물의 자연적인 대사 과정을 이용하여 이산화탄소를 고정하고 유용한 바이오매스나 화합물로 전환하는 기술이다. 이 접근법은 자연의 탄소 순환을 모방하거나 강화하여 인위적인 화학 공정에 비해 상대적으로 낮은 에너지로 탄소를 전환할 수 있는 잠재력을 가진다.

주요 방법으로는 조류 배양과 세균 발효가 있다. 미세조류는 광합성을 통해 이산화탄소를 빠르게 흡수하여 성장하며, 그 바이오매스는 바이오연료, 사료, 고부가가치 화학물질의 원료로 활용될 수 있다. 특정 세균이나 효모를 이용한 발효 공정에서는 이산화탄소를 탄소원으로 사용하여 유기산이나 바이오플라스틱 전구체 같은 화합물을 생산한다.

이 기술의 장점은 공정 조건이 비교적温和하며, 부산물로 바이오매스가 생성된다는 점이다. 하지만 대규모 상용화에는 여전히 과제가 존재한다. 이산화탄소 전환 효율과 속도를 높이고, 배양 시스템의 건설 및 운영 비용을 줄이며, 안정적인 바이오매스 수확 및 후처리 기술을 확보하는 것이 핵심 연구 분야이다.

탄소 포집 및 활용(CCU)의 전체적인 프로세스는 포집, 수송, 전환/저장의 세 가지 주요 단계로 구성된다. 이 체계는 이산화탄소를 배출원에서 포집하여 최종적으로 유용한 제품으로 전환하거나 안전하게 저장하기까지의 물리적 흐름과 시스템 연계를 의미한다.

첫 번째 단계인 포집은 발전소나 공장 같은 대규모 배출원에서 이산화탄소를 분리해내는 과정이다. 이 단계는 기술에 따라 연소 후 포집, 연소 전 포집, 산소 연소 포집 등으로 구분된다. 포집된 고농도의 이산화탄소는 두 번째 단계인 수송을 거친다. 수송은 주로 고압 파이프라인을 통해 이루어지며, 때로는 선박, 철도, 도로 운송도 활용된다. 수송망의 구축은 경제성과 안전성을 고려해야 하는 중요한 과제이다.

마지막 단계는 포집된 이산화탄소의 최종 처리로, 활용 또는 저장으로 나뉜다. 활용 측면에서는 이산화탄소를 화학 원료로 사용해 합성 연료, 플라스틱, 화학물질을 생산하거나, 광물화 기술을 통해 건설 자재로 전환한다. 저장 측면에서는 압축된 이산화탄소를 심부 대수층이나 퇴적층, 혹은 유전에 주입하여 지질학적으로 격리시키는 방식이 있다. 특히 유전에 주입하는 경우, 기존 석유를 추가로 채굴하는 증산유회수(EOR) 기술과 결합되어 경제성을 높일 수 있다.

이러한 체계의 효율적 운영을 위해서는 각 단계의 기술적 최적화뿐만 아니라, 포집 시설, 수송 인프라, 전환/저장 시설 간의 물리적 연계와 규모의 경제를 고려한 시스템 통합이 필수적이다. 또한 전 과정에 걸친 에너지 소비와 순 이산화탄소 감축 효과를 평가하는 생애주기 평가(LCA)가 체계의 환경적 타당성을 판단하는 기준이 된다.

탄소 포집 및 활용 기술의 상용화를 가로막는 가장 큰 장벽은 높은 비용과 상당한 에너지 소비이다. 포집, 수송, 전환, 저장의 전 과정에 막대한 자본 투자와 운영 비용이 발생하며, 특히 포집 단계에서 에너지 소비가 크게 증가한다.

포집 비용은 발전소나 공장의 배출원 특성, 포집 기술의 종류, 포집 목표 효율에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 연소 후 포집 방식은 기존 시설에 부착 가능하나, 흡수제 재생에 많은 열에너지를 소모하여 발전소의 순 출력을 20~30% 가량 감소시킨다. 연소 전 포집이나 산소 연소 방식은 신규 설비 건설에 적합하며, 포집 효율은 높지만 초기 투자 비용이 매우 크다. 직접 공기 포집 기술은 농도가 극히 낮은 대기 중 이산화탄소를 처리해야 하므로 단위 톤당 포집 비용이 가장 비싼 편이다.

전환 및 활용 단계의 경제성은 생산된 제품의 시장 가격과 수요에 크게 의존한다. 이산화탄소를 고부가가치 화학물질이나 합성 연료로 전환하는 과정에는 추가적인 에너지(주로 재생에너지에서 생산된 수소)와 촉매가 필요하다. 현재 대부분의 CCU 제품은 화석 연료 기반의 기존 제품에 비해 가격 경쟁력이 떨어지며, 이 차이는 탄소 가격 책정 등 정책적 지원이 없으면 좁히기 어렵다. 따라서 기술 혁신을 통한 에너지 효율 향상과 규모의 경제 실현, 그리고 탄소 배출에 대한 비용 부과가 이 분야의 경제성을 개선하는 핵심 과제로 꼽힌다.

탄소 포집 및 활용 기술의 상용화와 확산을 위해서는 정부의 정책적 지원과 명확한 규제 체계가 필수적이다. 이는 기술 자체의 경제성을 보완하고, 시장을 형성하며, 환경적 효과를 보장하기 위한 기반을 마련한다.

많은 국가에서 탄소 포집 및 활용을 촉진하기 위해 재정 지원, 세제 혜택, 규제 완화 등의 정책을 시행하고 있다. 예를 들어, 탄소 가격제(탄소세 또는 배출권 거래제)는 화석 연료 사용에 따른 비용을 높여 CCU 기술의 상대적 경제성을 개선하는 효과가 있다. 또한, 연구 개발 보조금이나 시범 사업에 대한 자금 지원은 초기 기술 개발과 실증을 돕는다. 일부 국가에서는 CCU를 통해 생산된 제품에 대해 친환경 인증이나 의무 사용량을 할당하는 규제도 도입되고 있다.

효과적인 규제 체계는 포집된 이산화탄소의 환경적 순환과 안전성을 관리하는 데 중점을 둔다. 이산화탄소의 수송과 저장, 전환 과정에서의 안전 기준과 모니터링 의무가 필요하며, 특히 최종 제품에 장기간 격리된 탄소의 양을 정확히 계량하고 보고하는 방법론이 중요하다. 이를 통해 CCU 활동이 실제 기후 변화 완화에 기여한다는 것을 검증할 수 있다. 국제적으로는 이러한 방법론과 기준을 조화시키려는 노력이 진행 중이다.

정책의 효과는 기술의 성숙도, 지역적 여건, 다른 기후 정책과의 연계성에 따라 달라진다. 장기적으로는 탄소 포집 및 활용이 탄소 중립 경제로의 전환 과정에서 하나의 중요한 산업 분야로 자리 잡을 수 있도록 지속 가능한 정책 프레임워크를 구축하는 것이 과제이다.