세계 각국이 2050년 탄소중립을 목표로 기술 개발 경쟁에 들어간 가운데 CCU(이산화탄소 포집·활용)기술이 주목받고 있다.

CCU는 발전, 각종 산업 공정(철강 시멘트 석유화학 해운 등)에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 낚아채 고부가가치 소재 또는 제품으로 바꾸는 것이다. CO₂를 저장한다는 의미를 담은 'S'(Storage)를 덧붙여 CCUS로도 불린다. ESG(환경·사회·지배구조) 경영을 뒷받침하는 기술 가운데서 첨단으로 분류된다.

기술 난도가 높고 상용화까지 불확실성이 많아 국내선 대부분 기초연구 단계에 머물러있다. 미국 EU 일본 캐나다 등의 선진 기업들이 상용화에 가까이 간 것과 대조적이다. 최근 정부는 ‘2050년 탄소중립’ 계획을 발표하면서 CCU를 적극적으로 활용하겠다고 발표했다. 이에 대해 관련 업계에선 언제 상용화될지 모르는 미래 기술을 전제로 중장기 계획을 짜는 것은 적절치 못하다는 지적이 나오고 있다.

10년간 CCU 기술 명맥 끊겼다

CCU 기술은 크게 포집, 화학전환, 생물전환, 광물탄산화로 나뉜다. 포집 기술은 여러 물질이 혼합된 배출가스에서 CO₂를 분리하는 것이다. 포집 기술이 언제 적용되는지에 따라 연소 전 포집, 연소 후 포집, 연소 중 포집(순산소 연소 등)로 구분된다.

‘연소 전 포집’은 가스터빈으로 기체를 태우기 전 CO₂를 빼 내는 것을 의미한다. 석탄을 열처리하거나 천연가스를 고압에서 노출시키면 일산화탄소(CO)와 수소(H2) 등으로 구성된 합성가스가 나온다. 이 합성가스를 치환(일명 수성가스 전환 반응)해 CO₂를 분리한다.

연소 후 포집은 배출가스(CO₂+N2)에서 이산화탄소를 얻는 것이다. 화력발전소 굴뚝에서 주로 쓰는 포집기술이다. 다만 포집할 수 있는 CO₂농도가 석탄화력의 경우 10~15%, LNG화력의 경우 4%로 낮은 편이다. 다른 나라에선 이미 상용화된 기술이지만 한국은 아직 갈 길이 멀다. 보령화력 하동화력 등에선 초기투자비 문제로 전기출력 10㎿급 시설에서 기술 개발이 멈춰있다. 반면 미국은 240㎿급, 캐나다는 150㎿급 상용 화력발전에서 기술 상용화에 속도를 내고 있다.

연소 중 포집 기술의 대표주자인 ‘순산소 연소’는 고난도 기술이다. 공기 대신 산소만을 사용해 기체를 태우면 이산화탄소, 물, 분진, 이산화황이 배출되는데 여기서 80~98%의 고농도 이산화탄소만을 바로 빼내 압축·저장한다. 미국 EU 중국 등은 열출력 50㎿급 순산소연소 발전 실증연구에 속도를 내고 있다. 국내선 한국전력이 열출력 10㎿급 순산소 연소 실증 연구를 진행 중이다.

정부는 지난 6월 과학기술관계장관회의서 CCU 기술혁신 로드맵을 내놓고 현재 60~70달러 선인 CO₂ 1톤당 포집비용을 2030년까지 30달러, 2050년까지 20달러까지 낮추겠다고 했다. 류호정 한국에너지기술연구원 책임연구원은 “국가 CCU 종합계획 추진안이 이명박 정부 시절인 2010년 7월 제시됐으나 이후 10여 년간 드맵이 제시되지 않았다”며 “CCU 기술은 개발 비용이 막대하고, CO₂는 배출권거래제 외에는 재화의 가치가 없는 만큼 민간 참여를 유도해야 한다”고 말했다.
출처:2021 CCU 기술혁신 로드맵
출처:2021 CCU 기술혁신 로드맵

기술만 있다면 CO₂는 신소재

화학전환은 CO₂를 원재료로 화학반응을 거쳐 다양한 석유화학제품을 만드는 것이다. 메탄올, 초산, 개미산, 옥살산, 우레아 등을 생산할 수 있다. 가장 성공적인 제품은 우레아로 연간 생산량이 1억5000만톤에 달한다.

미국과 EU, 일본은 다양한 화학전환 원천기술을 확보했다. 일부 고분자 제품은 상용화 단계에 진입했다. 일본 아사히카세이의 에틸렌카보네이트, EU 기업 코베스트로의 폴리우레탄 등이 대표적이다.

국내 상용화 사례는 아직 없다. 한국화학연구원이 기술 개발을 주도하고 있다. 화학연은 부흥산업과 초산을 연간 20톤이상 생산하는 시험 연구시설을 가동하고 있다. 현대오일뱅크와는 하루 메탄올을 10톤 가량 생산할 수 있는 공정 실증 연구를 진행중이다.

이산화탄소를 먹고 광합성하며 사는 미세조류를 활용해 바이오디젤 등 연료를 확보하는 기술(생물전환)도 CCU의 일종이다. 생물전환은 지방산, 천연색소 등 식품·의약품·화장품 관련 소재를 생산할 수 있다. 개념은 오래전부터 있었으나, 변환 효율이 낮고 생산단가가 높아 이를 극복하는 게 관건이다. 미 에너지부 산하 재생가능에너지연구소(NREL)와 엑손모빌, 독일 일렉트로케아 등이 글로벌 시장서 생물전환 기술을 주도하고 있다.

광물탄산화는 이산화탄소를 탄산염 형태로 전환해 소재화하는 기술이다. 폐콘크리트, 석탄재, 철강슬래그 등을 특수 처리해 고순도 탄산염을 얻은 다음 이를 고무 등 화학제품이나 건설자재로 바꾼다. 선진국 대비 국내 기술이 취약한 분야다. 미국 솔리디아, 캐나다 카본큐어 등이 광물탄산화 기술 상용화에 임박한 것으로 알려졌다. 국내선 포항산업과학연구원(RIST), 한국지질자원연구원 등이 연구하고 있다.

이해성 기자