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  • 기사등록 2023-01-02 09:35:59
  • 수정 2023-01-09 17:23:26
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“경제성·효율성 향상 탄소 포집 및 활용 기술 개발 앞장 ”





탄소포집을 통해 포집된 이산화탄소(CO₂ )는 산업계의 원료로 사용해 제품화되거나, 액화해 조선, 반도체 등 다양한 산업에서 활용될 수 있다.

종종 포집한 이산화탄소를 활용하면 다시 환경으로 배출되기 때문에 전 지구적으로 배출되는 이산화탄소의 양은 동일하지 않냐는 질의를 받는다. 하지만 이산화탄소를 포집하지 않는다면, 산업에서 활용하는 이산화탄소는 자연에 있는 암석에서 추출해 사용해야 한다.

이를 생각한다면 CCUS(이산화탄소 포집·활용·저장)를 통해 포집된 탄소를 자원으로 활용하고, 전 지구적으로 탄소의 발생량을 감축 하는게 맞다. 그렇지만 현재 포집한 이산화탄소를 활용하는 기술은 제한적이라 이를 효과적으로 활용하기 위해 많은 연구가 실시되고 있다.


탄소를 포집하는 방법은 습식, 분리막, 건식 포집 기술이 대표적이다. 습식 기술은 액체에 잘 녹는 이산화탄소의 특성을 활용한 기술로, 석탄화력발전소를 대상으로 많은 기술이 축적되어 있다. 건식 기술은 습식 기술보다 재생에 필요한 에너지를 낮추기 위해 개발돼 실증 연구가 진행되고 있다. 분리막을 이용한 포집은 가스에서 가스를 분리하는 기술로 바이오가스, 탄소포집 등 다양한 현장에서 적용되고 있다.

이러한 포집 기술은 다양한 연소배기가스의 조성, 수분함량, 온도 등을 기반으로 최적의 기술을 적용하고 있다. 최근에는 공정에 적합하게 기술을 혼합하여 하이브리드 방식으로 적용해 각 기술의 장점을 살리고 단점을 보완하는 연구도 많이 진행되고 있다.



■롯데케미칼, 탄소포집 실증 설비 구축·운영


국내 대표 석유화학기업인 롯데케미칼은 화학공장 내 이산화탄소를 원료로 이용하는 프로세스가 있어 탄소포집에 유리하다. 롯데케미칼의 기초소재 연구소인 이노베이션센터에서는 2018년부터 CCUS 기술을 검토해, 2021년 여수의 생산공장에 탄소포집 실증 설비를 구축해 운영 및 연구를 하고 있다.


롯데케미칼은 포집 기술로 기체분리막을 선정했는데, 기체분리막 기술이 화학물질 사용이 없어 친환경적이고, 공간 효율이 우수하며 향후 소재 기술로서 발전 전망이 높기 때문이다. 롯데케미칼은 실증 설비를 이용해 다양한 조건에서 분리막 포집의 조건을 최적화하고 이산화탄소 외에 질소산화물, 수분 등의 거동을 분석해 예측가능한 모델을 구축했으며, 이를 이용해 연소배기가스에 잔류하는 해당 물질 농도 변화에 따른 환경 유출을 예측하고 저감 방안을 도출하고 있다.


또한 롯데케미칼은 국내 최초로 탄소포집 상업공장 구축을 위한 설계를 실시했다. 저농도의 연소배기가스에서 이산화탄소만을 분리한다는 것은 효율이나 에너지 측면에서 매우 어려운 일이다. 하지만 롯데케미칼은 2022년 석유화학산업에 적합한 분리막을 이용한 탄소포집 공정을 상용 규모로 설계 완료했고, 공정을 개선해 전체적인 포집 에너지를 낮추고 효율을 높이고 있다.


롯데케미칼은 연소배기가스를 원료로 이산화탄소를 포함해 모든 가스와 수분이 활용 가능한 친환경적인 시스템을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 연소배기가스에는 10~20% 이상의 수분이 존재하고 가스의 온도를 낮추는 과정에서 수분은 액체로 변화되는데, 이를 응축수라 한다. 탄소포집에 있어 응축수의 발생량을 대략 산출해보면, 연소배기가스 100,000 Nm3/hr에 10%가 수분이라면 연간 7만톤, 20%라면 14만톤의 물이 발생해 활용할 수 있다. 롯데케미칼은 이를 활용할 수 있는 시스템을 상용 수준으로 구축한 상태다.


▲ 롯데케미칼 여수공장 CCU 실증 설비



▲ 롯데케미칼 탄소포집 상용 구성




롯데케미칼, 분리막·습식·건식 하이브리드 포집 기술 개발 고도화

CO₂ 포함 모든 가스·수분 활용 가능 시스템 구축 목표, CCU 확대




■블루수소·탄산수소나트륨 생산, CCU 확대


롯데케미칼은 블루수소를 생산하는 공정에서 발생 되는 이산화탄소를 포집하는 정부 과제에도 참여하고 있다. 에너지 패러다임의 변화로 탄소를 저감한 블루수소나 그린수소의 활용이 증가할 전망이다. 대용량 수소 생산에 용이한 SMR(Steam Methane Reforming)은 LNG를 활용해 수소를 생산하는데 1톤의 수소 생산 시, 약 9톤의 이산화탄소가 발생한다는 단점이 있다.

이에 롯데케미칼은 수소 생산 시 발생한 이산화탄소를 포집하기 위해 분리막 포집, 습식 포집, 흡착 기술 등이 적용된 하이브리드 기술을 개발하고 있다. 본 설비는 평택의 수소복합도시 내에 위치하며, 액체에서 가스로 변화하면서 발생되는 LNG 냉열을 이용해 액화시스템과 분리막 포집의 효율을 높여 탄소포집의 부족한 경제성을 향상시킬 것으로 기대된다.


▲ 기체분리막 메커니즘


기체분리막은 일반적으로 Polysulfone, Polyimide로 불리는 고분자 화학물질을 기반으로 만들어진다. 이러한 소재는 소재에 영향이 없는 범위에서 가스의 온도를 낮게 유지하면 목표로 하는 가스의 순도를 높일 수 있다. 롯데케미칼은 LNG 냉열을 이용한 평가를 실시해 -40도에서 영상 20도까지 가스에 따른 선택도 및 투과도에 대한 Data를 축적하고 있다. 분리막 포집은 냉열을 이용할 수 있는 유일한 포집 기술로 향후 수소의 수요가 증가 되면 액화기술과 연계하여 경쟁력 있는 포집 기술이 될 친환경 기술로 보고 있다.


대기중으로 배출되는 이산화탄소의 양은 매우 많지만 이를 포집만 한다고 해서 탄소 감축 문제가 해결되는 것은 아니다. 포집한 이산화탄소를 활용하는 기술이 필요하며, 많은 양을 포집 하려면 이를 활용해 만든 제품의 사용량도 높아야 한다. 롯데케미칼의 이노베이션센터에서는 포집 기술 외에도 포집한 이산화탄소를 활용하는데도 많은 연구를 진행하고 있다.


우선 롯데케미칼은 연소배기가스를 직접 활용해 이산화탄소와 탄산나트륨을 반응시켜 탄산화 과정 후 분리, 건조과정을 통해 탄산수소나트륨을 생산하는 기술을 보유하고 있다. 탄산수소나트륨은 연소배기가스의 탈황제로 널리 사용되며, 제빵용 베이킹소다, 주방용 세제, 사료 제조에도 투입되는 등 다양한 분야에서 활용되는 제품이다. 2020년 기준으로 국내에서 연간 약 20만 톤이 사용되고 있는데, 현재 전량을 중국, 인도 등 해외 수입에 의존하고 있다. 롯데케미칼이 확보한 탄산수소나트륨 생산 기술은 1톤의 탄산수소나트륨 제조 시 이산화탄소 약 0.3톤이 투입돼 높은 탄소 저감뿐만이 아니라 수익 창출도 가능하다.


▲ 탄산수소나트륨 생산기술 공정



■석화산업 최적화 포집 기술 개발, 다양한 지원 필요


탄소중립의 핵심인 포집기술은 산업계 적용에 대해 검토한 역사가 짧고, 산업의 종류, 기업의 시스템, 배출원별 가스 조성, 온도, 불순물 등 많은 조건이 다르다. 따라서 배출원에 따른 포집 기술의 최적화는 반드시 필요하며, 앞으로 이를 발전시키기 위한 연구 또한 증가할 것으로 보인다.


롯데케미칼이 탄소포집에 대한 실증 및 상용 설계 완료 후, 가장 많이 받는 질문 중에 하나가 바로 경제성인데, 이에 대한 부분은 확답하기 매우 어렵다. 이는 기존의 석탄화력발전소의 포집이 아닌 산업계를 대상으로 하기 때문이다.

일례로 화학공장과 시멘트공장에 들어가는 회전기기는 구조부터 소재까지 전혀 다르다. 각 현장에서 요구하는 조건이 다르기에 포집 설비만의 경제성을 말하기는 어렵다. 산업의 종류 및 현장의 특성에 따라 전체 투자비 변동은 매우 크다.

이에 롯데케미칼에서는 석유화학산업에 최적화한 탄소포집 기술을 개발하기 위해 노력중이며 상용 설계한 자료를 기반으로 공정 또는 기자재를 개선하는 방안을 검토하고 있다. 또한 기존 산업에 적용된 기술이면 대표적인 제품군이 형성돼 있으나, 탄소포집 시장은 초기 단계이고 상용화에 대한 검토는 더욱 생소한 현황이라 롯데케미칼에서는 다양한 국내외 업체의 기술력을 검토하고 있고 포집 공정에 적합한 설비를 도출하고 있다. 또한 분리막 포집 공정 개선 기술개발과 특허를 추진하고 있고, 습식이나 흡착 포집의 산업계 적용에 대한 연구를 진행 중이다.


탄소포집은 연소배기가스에서 저농도의 이산화탄소만 분리해 고농도로 농축하는 기술이다. 이 과정에서 연소배기가스의 대부분을 차지하는 질소가 불순물과 함께 버려지고 있다. 고순도 질소는 다양한 공정에서 활용되고 있기에 포집 후 배출되는 질소의 순도를 높이면 활용이 가능하다.

이에 롯데케미칼은 2022년 7월, 롯데건설과 ‘탄소포집용 질소 생산 기술 개발’ 업무협약을 실시해 실증 시설 구성, 계획 및 사업화 방안을 마련했다. 포집 후 배출되는 질소의 순도는 95% 이상으로 화학공장에서 요구하는 순도보다 낮다. 화학공장에서는 질소를 사용하기 위해 외부 구매를 하거나 내부에서 공기를 원료로 온도차이를 이용한 가스분리 기술인 심냉기술을 이용해 생산하고 있다.

하지만 포집 후 배출되는 질소는 95% 이상의 순도이기에 심냉기술을 적용하지 않아도 활용할 수 있는 수준까지 정제가 가능하다. 양사는 2023년 공동으로 설비를 구축할 예정이다. 이를 기반으로 개발된 기술은 습식, 흡착 등 포집 기술과 상관없이 활용이 가능해 탄소포집의 경제성을 더욱 향상시킬 것으로 기대된다.


연소배기가스와 같은 저농도, 저압 조건의 이산화탄소 포집 시장은 지속적으로 관심이 증가하고 있고, 탄소중립을 위해 산업계에서도 연구가 확대되고 있다. 고온의 연소배기가스에서 저농도의 이산화탄소만을 포집한다는 것 자체가 경제성을 확보하기에는 수많은 허들이 존재한다. 하지만 이러한 포집기술의 확장 및 기술개발을 독려하기 위해서는 정책적으로 다양한 지원이 필요하다.

예를 들면, 전기를 사용하면 전기 생산 과정에 이산화탄소가 발생되기 때문에 간접배출에 대한 탄소배출량을 산출해 지불하고 있는데, 탄소포집을 위해 사용한 전력에 대해 간접배출을 제외하거나 낮춰, 포집한 이산화탄소에 대한 Credit을 주는 방식의 정책 지원이 반드시 필요하다. 경기가 좋지 않은 상황에서 환경에 대한 투자는 기업에서도 부담이 된다. 하지만 환경에 대한 투자는 반드시 해야 할 일이기에 정부와 산업계 서로가 노력한다면 2050탄소중립이 가능할 것으로 기대된다.


▲ 롯데케미칼 ESG 비전·전략 ‘Green Promise2030’


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