Update2024.04.28 (일)
CO₂ 환경 오염물질에서 친환경 소재로
지구온난화의 주범 CO₂를 바라보는 시각이 달라지고 있다.
CO₂를 단순히 버려지는 물질이 아닌 유용한 자원으로 재활용하는 CCU 기술의 개발이 빨라지고 있기 때문이다. 특히 인공 광합성을 통해 연료로 전환하는 기술은 가장 친환경적인 미래 기술로 부각되고 있으며 선진국들이 범정부 차원에서 지원하는 가운데 화학 기업들을 중심으로 CCU 사업화 확대가 진행되고 있어 주목된다.
화석연료 사용에 따라 배출되는 CO₂는 지금까지 인공적인 처리가 불가능 한 폐기물에 지나지 않았다. 기껏해야 CO₂를 드라이아이스나 탄산음료의 원료로 사용하는 정도가 재활용의 전부였다. CO₂를 포집해 쓰레기와 같이 지하에 매립하는 CCS가 온난화에서 지구와 인류를 구할 수 있는 궁극적인 대안으로 제시되기도 했다. 그런데 최근 CO₂를 단순히 버려지는 물질이 아닌 하나의 유용한 자원으로 바라보기 시작했다.
즉 CO₂를 환경 오염물질에서 고부가가치 원료나 친환경적인 연료로 전환시키는 노력이 시도되고 있다. 바로 CCU기술이 환경 문제 해결과 수익 창출의 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 대안 중 하나로 주목받고 있다.
■CCS ↘, CCU ↗
2010년 기준 전 세계 CO₂ 배출량은 약 330억톤이며 이중 발전소에서 배출된 CO₂가 40% 이상의 비중을 차지했다. 화석 연료에 절대적으로 의존하고 있는 에너지 구조를 단기간 내에 바꾸기 어려운 상황에서 CO₂ 배출은 문명의 발전과 함께 증가할 수밖에 없는 실정이라 매우 심각하다.
지금까지 한창 연구중인 CCS는 발전소, 제철소 등 대량의 CO₂ 배출 시설에 적용될 경우 기존의 에너지 구조 하에서 한번에 CO₂를 제거할 수 있는 효과적인 방법이다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 저장과 관련한 문제들로 인해 CCS가 과연 실제로 적용 가능할지 의문이 제기되고 있다.
우선 현실적으로 접근 가능한 저장 장소가 제한적이란 문제가 있다. 저장 능력 및 안정성 측면에서 적합한 장소로는 지하 약 1,000m 깊이의 대염수층 및 석유·가스층, 석탄층 등이 다. 그러나 이들 장소는 대부분 CO₂ 발생 원과 상당히 멀리 떨어져 있어 접근성이 극히 낮다.
두 번째로, 비교적 접근 가능한 지역에 저장능력이 충분한 안정적 저장 공간이 존재하더라도 정치적 이슈가 걸림돌로 작용할 가능성이 높다. 일정하게 흘러나오는 대량의 CO₂를 운송해야 하는 만큼 CO₂ 저장을 위해 장거리의 파이프라인 구축이 불가피하다.
그런데 파이프라인 인프라 구축은 해당 지역 주민 및 정부의 이해관계, CO₂ 누출 리스크 등이 복잡하게 얽혀 추진에 난항이 거듭될 전망이다.
석탄화력이 전력생산의 큰 비중을 차지하고 있어 CCS 기술 개발에 적극적인 입장을 취해 온 독일에서 조차 CCS 시범 프로젝트 추진에 있어 정치적 이슈가 걸림돌이 되고 있다. 지난 4월 독일 정부가 발표한 CO₂ 저장 테스트와 관련한 법안에서 독일은 지방 정부로 하여금 실증 테스트에 대한 승인 여부를 결정할 수 있게 함으로써 CCS를 혐오시설로 인식하고 있는 지역 주민들의 손을 들어 주었다. 독일의 유명 시사주간지 Spiegel은 법안 발표 뉴스 보도와 함께 “기술적인 측면에서 CCS는 비록 당장은 아닐지언정 CO₂ 배출을 저감시켜줄 수 있는 밝은 미래로 기대되고 있지만 정치적 측면에서는 이미 지난주에 과거가 되었다” 라고 언급했다.
이렇듯 CCS 기술이 테스트 조차 되어보기 전에 브레이크가 걸릴 가능성이 높아짐에 따라 CO₂ 처리에 대해 다른 방식의 접근이 시도되고 있다.
막대한 탄소 자원의 원천이 될 수 있는 CO₂를 쓰레기처럼 묻어 버릴 것이 아니라 재활용하는 방법을 찾기 시작한 것이다. CCS와 같이 한 번에 다량의 CO₂를 처리하기는 어렵겠지만 입지 조건에 대한 제약이 적고, 비용 발생이 아닌 수익 창출이 가능하고, 재활용을 통해 대체 화석 연료로 전환할 수도 있다는 점 등에서 CCU가 주목 받고 있다.
CCS 지고 CCU 급부상
지구 온난화, E 고갈 동시 해결
■CCU 연구 개발 활발
CCU란 CO₂를 포집해 이를 고부가가치의 제품으로 재활용하는 기술이다. 그런데 CO₂의 재활용 방안을 모색하는데 있어서는, 반드시 충족돼야만 하는 몇 가지 핵심 원칙들이 있다. 첫째, CO₂를 재활용하는 새로운 공정은 전체 가치사슬 과정에서 총 CO₂ 발생량을 줄일 수 있어야 한다.
둘째, CO₂를 재활용하는 새로운 공정이 기존 대체 공정 대비 에너지 및 자원 사용량을 줄일 수 있어야 한다는 점이다. 실제로 CO₂는 화학적, 열역학적으로 매우 안정한 물질로 이를 물리화학적으로 변환하기 위해서는 많은 에너지를 필요로 한다. CO₂가 주로 1,000℃ 수준의 발전 과정에서 배출되는 물질임을 생각해볼 때 동일한 열화학적 방법으로 CO₂를 변환시키려는 시도는 에너지 문제 해결에 역행하는 방식일 가능성이 높다. 이와 같은 방식은 원천적으로 CCU의 범주에서 제외돼야 한다.
셋째, CO₂를 재활용하는 새로운 공정은 보다 친환경적이며 안전한 작업 조건을 지녀야 한다.
마지막으로는 경제성 확보가 가능해야 한다는 것이다.
이 같은 네 가지 전제 조건 하에서 선진국과 기업들은 혁신적인 CCU 기술에 대한 활발한 연구 개발을 진행 중이다.
■화학 제품의 원료로 활용
최근 활발히 연구되고 있는 CCU의 주요 분야들을 생산 제품 측면에서 분류해보면 크게 세 가지로 구분할 수 있다.
첫 번째로 CO₂는 화학 제품의 원료(Feedstock)로 활용될 수 있다. 현재 대부분의 화학 제품들은 석유를 원료로 사용하고 있으며, 생산 과정에서 다량의 CO₂가 배출된다. 따라서 CO₂를 화학 제품의 원료로 활용할 경우, CO₂ 배출 저감 효과와 더불어 석유 원료 사용량 또한 줄일 수 있다.
CO₂ 활용이 빠르게 적용 중인 화학 제품은 주로 카보네이트(Carbonate) 계열로, 이는 CO₂의 구조가 카보네이트 구조와 유사해 CO₂의 분자 구조를 거의 그대로 화학반응에 활용할 수 있기 때문이다. CO₂ 삽입(Insertion)이라고도 불리는 이 반응은 CO₂ 분자를 인위적으로 깨지 않아도 돼 고온 고압의 고에너지 소모가 요구되지 않는다. CO₂를 활용한 카보네이트 제품 생산 공정은 기존 공정 대비 폐수 및 부산물 발생이 거의 없어 더욱 친환경적이다. 수요 측면에서도 2차 전지와 연료전지용 전해질 물질로 사용, 또는 단열재 등 다양한 용도에 사용되는 폴리우레탄의 전구체로 사용될 수 있으며, LCD 제조 공정에서 세척제나 대표적 엔지니어링 플라스틱인 폴리카보네이트의 원료로도 이용 가능성이 있어 높은 부가가치 창출이 기대된다.
■재생/바이오 연료 적용
CO₂를 생물학적으로 고정(Fixation)하거나 인공광합성(Artificial photosynthesis) 과정을 통해 연료로 전환(Conversion)하는 분야는 CCU 가운데 가장 주목 받는 분야다.
먼저 생물학적 고정은 자연계에 존재하는 다양한 생물들로 하여금 CO₂를 흡수해 생장하도록 하는 방식이다. CCU로서 실효성 있는 생물학적 고정으로는 CO₂ 흡수와 생장이 빠른 클로렐라, 플랑크톤 등 미세 조류를 활용, 바이오 디젤을 생산하는 방안이 각광받고 있다. 미세 조류를 활용할 경우 배가스에서 고순도의 CO₂를 분리하지 않고 그대로 활용할 수 있고, 바닷물, 폐수 등 거의 모든 물을 활용할 수 있으며, 재배 주기가 약 하루로 짧다는 점에서 여타 육상 및 해양 생물 대비 유용하다. 현재 미세조류 1톤의 CO₂ 흡수 능력은 1.8톤에 달하나, 전체 가치사슬상의 CO₂ 배출량 감안 시 바이오매스 1톤당 CO₂ 순 감축량은 0.5톤 수준으로 추산되고 있다. CO₂ 순감축 효과를 향상시키기 위해 생산능력이 높은 미세 조류 균주 개발, 필요 부지 면적을 획기적으로 줄일 수 있는 광생물 반응기 등 혁신적 조류 재배 시스템에 대한 연구가 미국, 유럽을 중심으로 활발히 진행되고 있다.
다음으로 자연의 CO₂ 활용 과정에 착안한 인공광합성 방식으로의 연료 생산이 있다. 자연계에서는 식물의 광합성을 통해 물과 CO₂로 포도당을 만드는 등 CO₂ 균형을 유지하기 위한 탄소 사이클(Carbon Cycle)이 존재한다. 인공광합성은 나노구조의 광촉매를 활용, 물을 분해하고 이를 통해 얻어진 수소를 CO₂와 반응시킴으로써 포도당 대신 메탄올 등의 물질을 합성하는 기술이다. 이 과정은 외부로부터의 추가적 에너지 투입 없이 태양 에너지와 물, CO₂만으로 이루어질 수 있다는 점에서 가장 친환경적인 미래 기술로 부각되고 있다. 미국은 에너지성의 지원 하에 2015년까지 프로토타입 개발 완료, 2020년까지 상용화를 목표로 CO₂를 연료로 전환하는 기술을 연구 중이다.
■광물탄산화를 통해 건축 자재 생산
생체모방적(Biomimetic) CO₂ 전환 방식을 통해 건축 자재를 생산할 수도 있다. 바다 속 산호, 조개가 CO₂를 포착해 석회석 등의 광물질을 만들어내는 과정을 흉내 낸 광물탄산화(Mineral Carbonation) 기술은 CO₂ 배출이 많은 기존의 시멘트 생산 공정을 대체할 수 있다는 점에서 관심 받고 있다. 기존의 시멘트 생산 공정에서는 원료의 화학 반응 및 고온의 가열을 위한 연료 사용으로 시멘트 1톤당 평균 약 0.9톤의 CO₂가 발생된다. 시멘트 산업은 발전에 이어 두 번째로 많은 CO₂를 배출한다. 그러나 CO₂를 칼슘염, 마그네슘염과 같은 광물질과 반응시켜 시멘트를 생산하는 공정은 CO₂를 소모할 뿐만 아니라 화학반응 상 발열반응으로 열회수 장치 추가 시, 추가적인 에너지 생산이 가능하다. 현재 반응 속도를 향상시키는 문제가 기술적 과제로 남아있어 반응 과정 중 발생되는 열에너지를 활용해 반응 속도를 높이는 기술 등이 활발히 연구되고 있다.
영국의 Novacem은 세계 최대 석탄 기업 Rio Tinto 및 영국 최대의 건설사 Laing O’rourke와 파트너쉽을 통해 CO₂ 시멘트 개발 및 상용화에 앞장서고 있다. Novacem의 CO₂를 활용한 시멘트 생산 기술은 전 생산 과정을 통틀어 순 CO₂ 배출량이 시멘트 1톤당 약 -0.6톤으로 기존 공정의 대체 효과까지 감안한다면 CO₂ 감축 효과가 1.5톤에 이른다. 광물탄산화 방식은 용광로나 화력발전소 설비에 접목시켜 슬래그나 석탄재 등의 부산물을 활용할 수 있는 등의 장점이 있어 기술이 성숙될 경우 빠르게 기존 시멘트 생산 공정을 대체 것으로 기대된다.
종합적으로 살펴볼 때, 상용화 측면에서는 화학 제품의 원료로 사용하는 방식이 가장 상용화에 근접해 있으며, CO₂ 저감 효과 및 미래 시장 성장성 측면에서는 연료 분야의 파급력이 클 것으로 기대된다. 일부 화학제품 원료로의 활용 방안은 고순도의 CO₂가 확보된다면 당장이라도 사업화가 가능한 수준으로 기술이 개발된 상태다.
그러나 화학 제품 원료로의 활용은 전 세계 CO₂ 저감 효과 측면에서는 한계가 있을 것으로 분석되고 있다. 현재 개발된 CO₂ 플라스틱의 경우 질량 측면에서 CO₂의 비중이 약 50% 수준인데, 화학 제품의 원료를 모두 CO₂로 활용한다고 가정해도 CO₂의 감축 효과는 전 세계 이산화탄소 배출량의 10%를 넘지 못할 것이다.
반면 인공광합성 등 오직 CO₂와 물만을 사용해 메탄올이나 수소 등 에너지 밀도가 높은 연료를 생산할 경우 거의 Zero Carbon-emission 수준에 도달할 수 있을 것으로 기대된다.
■화학社, CCU 사업화 적극 나서
CCU는 환경 문제 해결과 더불어 신수익원 창출이 가능하다는 점에서 많은 기업들이 연구 개발에 관심을 보이고 있다. CCU에는 다양한 기술 역량이 요구되는데 특히 촉매화학, 광화학, 바이오 등의 화학적 역량이 크게 필요해 선진 화학 기업들이 기존의 역량을 바탕으로 혁신적 CCU 기술 개발에 적극적으로 나서고 있다.
이들은 다양한 CCU 분야 중 특히 인공광합성을 통한 연료 생산과 CO₂를 원료로 한 플라스틱 개발에 주목하고 있으며, 기술 개발과 더불어 발전/엔지니어링 기업들과의 협력을 통한 효과적인 비즈니스 모델 구축을 위해 노력하고 있다.
Bayer는 석탄발전소에서 배출되는 CO₂를 포집, 폴리우레탄 전구체를 생산하는 ‘Dream Production’ 프로젝트를 추진하고 있다. 2015년 상업화를 목표로 유럽 최대 전력기업 RWE 및 Siemens 등과의 협력을 통해 지난 2월 파일럿 설비 가동을 시작했다. RWE의 석탄화력발전소에서 공급된 CO₂는 Bayer의 혁신적 촉매를 통해 폴리카보네이트 계열의 화학제품으로 전환되고, 이는 Bayer의 기존 폴리우레탄 생산 설비에 투입돼 단열재 등의 소재로 활용된다.
화학·바이오·건축 소재 적용
선진국 치열한 기술 개발 경쟁 심화
DSM은 CO₂ 기반 폴리카보네이트 제품 생산 기술을 보유한 Novomer와 공동으로 친환경 코팅소재를 개발 중이다. 자회사인 DSM Venturing을 통해 2007년 CO₂ 플라스틱 기술을 개발해온 Novomer에 투자했으며, 기술 효과성이 입증됨에 따라 Novomer의 CO₂ 플라스틱 수지를 코팅소재 등 다양한 어플리케이션에 활용하고자 제품 개발에 나서고 있다.
세계 최대 화학기업 BASF는 광촉매 과정을 통해 태양에너지로 CO₂를 물과 반응시켜 메탄올을 생산하는 ‘Solar2Fuel’ 프로젝트를 추진하고 있다. 독일 연방 교육연구부(BMBF)로부터 2년간 100만유로 이상을 지원 받게 될 이 프로젝트에는 BASF를 중심으로 독일 3위의 전력 기업 EnBW (Energie Baden-Wurttemberg AG), 하이델베르그 대학(Heidelberg Univ.) 및 카를스루에 공대(KIT)가 참여하고 있다.
BASF는 나노테크놀로지, 촉매기술, 소재기술을 바탕으로 발전 및 석유화학 플랜트에서 배출되는 CO₂를 재활용해 재생에너지로 전환하는 혁신 공정을 개발 중이며, EnBW는 발전소 배가스에서부터 생산된 메탄올의 사용과정까지의 가치사슬 전 과정에 걸쳐 에너지, CO₂ 배출, 비용의 투입/산출에 대한 분석을 담당하고 있다.
일본의 미쯔이케미컬 또한 자체 석유화학플랜트에서 배출되는 CO₂를 포집해 수소와 반응시켜 메탄올을 생산하는 기술을 개발, 오사카 콤플렉스 내 파일롯 테스트를 완료했다.
일본은 1990년 지구 환경 복원을 위한 100년 계획 “New Earth 21”을 추진키 위해 경제산업성(METI) 산하 지구환경산업기술연구소(RITE, Research Institute of Technology for Earth)를 설립, 다양한 환경 기술을 연구해왔다. 미쯔이케미컬은 RITE 프로젝트를 통해 CO₂로 메탄올을 생산하는 기술을 확보했으며, 현재 대량의 수소를 확보하기 위해 인공광합성 기술을 개발 중에 있다. 또한 상업적 규모로 양산하기 위해 제철, 발전 기업들과의 협력 모델을 검토 중이다.
■ CCU, 주요 CO₂ 저감 방안 ‘유력’
지난 1월 새해 국정연설에서 미국 오바마 대통령은 청정에너지 분야에 대한 2011년판 아폴로 계획을 제시하며 인공광합성을 통해 CO₂를 연료로 전환하는 기술을 첫 번째로 언급했다.
달에 사람을 보냄으로써 소련에게 밀리던 미국의 경쟁력을 완전히 회복시켰던 것처럼 혁신적 에너지·환경 기술 개발을 통해 미국 미래의 청사진을 그리겠다는 것이다.
독일 정부 또한 CO₂를 쓰레기가 아닌 원료로 인식해 재활용하는 방안들을 적극적으로 지지한다고 말한 바 있다.
이처럼 CO₂를 재활용해 고부가가치를 창출하는 CCU는 선진국들이 범정부 차원에서 지원하는 가운데 많은 기업들이 기술 개발에 참여하고 있지만, 각기 해결해야 할 과제들이 아직 많이 남아있다. CO₂가 화학제품의 원료로 활용되기 위해 혁신적인 촉매 개발이 지속적으로 이뤄져야 하며, 상업적 규모로 인공광합성을 구현시키기 위해서는 나노테크놀로지에 기반을 둔 나노 촉매, 나노 분리막 등의 개발과 더불어 태양으로부터의 빛 에너지를 효과적으로 활용하는 다양한 기술 기반이 확립돼야할 것이다. 또한 미생물이나 효소를 활용하는 경우 반응 속도에 대한 획기적 발전 없이는 상업적 이용이 불가능할 것이다.
CO₂포집이 기술측면에서는 가시적인 성과를 보이고 있으나 규제측면에서 아직까지 시급히 의무화해야 하는 상황이 아닌 만큼 기업 입장에서 대규모 CO₂ 포집을 위한 설비투자를 서두를 이유는 없다.
그러나 환경 규제 강화에 따라 CO₂를 포집해 처리해야 하는 경우, CCU의 적용이 빠르게 확산될 전망이다. 대부분의 CCU 기술은 CCS 대비 입지에 대한 제약 조건이 적고, 다양한 방식으로 CO₂ 배출원에 접목돼 활용될 수 있어 발전, 제철, 화학, 시멘트 등 많은 산업 분야에서 적합한 CO₂ 저감 방안으로 채택될 가능성이 높다. 더욱이 CO₂가 재활용돼 생산된 제품을 통한 부가가치 창출이 가능하다는 측면에서 기업들의 관심이 높다.
이에 많은 화학 기업들이 미래 환경 규제 강화에 대응해 혁신적 CCU 기술 개발을 통한 진화의 흐름에 앞장서고 있다. 환경 규제에 앞서 대응함과 동시에 기술 기반 신사업 기회로서 CCU에 대한 검토가 절실히 필요한 시점이다.
