● 탄소포집·저장·활용, CCUS기술이란?

기후변화협약당사국으로서 우리나라는 파리협정에 의해서 2015년에 이어서 2021년에 두 번째 국가온실가스감축목표량(NDC)을 제출했다. 기후변화협약에 가입한 전 세계 195개 국가들은 2030년까지 달성하고자 하는 해당 국가의 온실가스 감축목표량을 2015년부터 5년마다 보다 강화된 안으로 보완하여 기후변화협약 사무국에 제출해야 한다. 감축목표를 2030년까지라는 장기간에 대해서 제출한다는 점에서 이것을 장기감축목표 또는 장기 저탄소 발전전략(Long-term low greenhouse gas Emission Development Strategies; LEDS)이라 부른다.

2021년에 제출한 우리나라의 온실가스 감축목표량(NDC)은 우리나라가 역대 가장 많은 온실가스를 배출하였던 2018년 배출량보다 40%를 줄이는 것이다. 현재 연간 약 7억 톤씩 배출하고 있는 온실가스양을 2030년까지 약 4억3천만 톤으로 줄여야 한다. 아울러 배출량을 더욱 줄여가서 2050년까지 탄소중립에 도달한다는 목표도 제시하였다.

우리나라는 자연의 탄소 흡수원(숲, 갯벌 등)이 매우 부족하기 때문에 화석연료 사용에서 벗어나든가 화석연료 사용에서 발생하는 이산화탄소가 굴뚝을 벗어나서 대기로 나가지 못하도록 막아야 한다. 이를 달성하려면 일상생활에서 에너지와 물자절약을 실천하는 변화도 있어야 하고 탄소를 배출하지 않는 기술과 산업 활동과정에서 배출되는 온실가스를 포집하여 재사용하거나 지중에 매립하여 저장하는 기술 개발도 꼭 필요하다. 배출가스에 포함된 이산화탄소를 골라 모은 뒤 이를 산업적으로 활용하거나 안전하게 장기간 저장하는 기술을 CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage)라고 한다.

CCUS는 화석연료를 연소시켜서 에너지를 얻는 과정에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 다시 활용할 수 있는 수단이 개발되어야 한다는 필요성이 부각되면서 주목받기 시작했다. 국제에너지기구(IEA)는 CCUS를 기후 위기에 대응할 수 있는 기술이자 코로나19 이후 침체된 세계 경제의 회복에 기여할 수 있는 미래 녹색기술이 될 것이라는 평가를 하고 있다.

● 왜 CCUS인가?

지구의 평균온도 상승을 산업화 이전에 비하여 금세기 말까지 1.5℃ 이내로 억제하려면 2050년에 산업부문의 CO2 배출량을 2010년에 비하여 65~90% 정도 줄여야 한다고 한다. 산업화 이전의 기온이란 지구에서 온도계를 이용하여 기온을 측정하기 시작한 1850년부터 1900년 동안의 지구 평균온도를 말한다. 아울러 가정, 상업, 공공부문에서는 화석연료를 사용하지 않는 사회가 되어야 한다. 2050년 이내에 총에너지 사용량에서 재생 에너지로 만드는 전기에너지가 차지하는 비중을 70~85%로 만들어야 한다.

이 말은 다양한 분야에서 사용하고 있는 에너지를 전기에너지로 전환하고, 필요한 전기는 수소연료와 지속 가능한 바이오 기반 원료 및 태양광 풍력 등의 재생에너지(신재생에너지)로 생산해야 한다는 말이다. 예를 들어서 겨울철 난방용으로 사용하고 있는 석유나 천연가스 보일러를 없애고 대신에 전기로 난방을 하여야 한다. 수송기관(화물선, 항공기, 도로 차량 등)의 연료도 전기나 수소로 바꿔야 한다. 그렇게 되면 전기 수요는 현재보다 3배 이상 증가하게 된다. 에너지 사용 과정에서 이산화탄소를 만들지 않는 사회가 되어야 한다는 말이다.

그렇게 대폭 늘어날 전기수요를 재생에너지만으로 생산하여 공급하는 것은 쉬운 일이 아니다. 더욱이 개발도상국에서 인구가 폭발적으로 증가하고 있고 경제개발에 대한 욕구가 분출하고 있다. 오늘날에도 전 세계 인구는 매년 약 1억 명씩 증가하고 있는데, 2050년경에는 세계 인구가 현재 80억에서 백억 명 이상으로 증가할 것으로 전망되고 있다. 인구증가는 아프리카 서남아시아 등 저개발 지역에서 발생하고 있고, 이들 지역은 산업화에 대한 욕구도 대단히 높은 실정이다. 그래서 전 세계의 에너지 수요는 급속하게 증가할 것인데, 그것을 전부 재생에너지로 공급한다는 일은 사실상 어렵다. 상당 기간에 걸쳐서 화석연료 사용이 불가피하다는 말이다. 실제로 국제에너지기구(IEA)가 세계 각국의 2050년까지의 에너지 생산계획을 분석한 보고서에 의하면 화석연료 사용량은 장래에도 그다지 줄어들지 않을 것으로 보인다.

그렇다면 어떻게 해야 할까? 화력발전소 굴뚝을 통해서 대기로 배출되는 이산화탄소를 과학기술을 이용하여 포집해서 땅속에 저장하든가 자원으로 사용할 수 있어야 한다. 이런 필요성에서 대두된 기술이 CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage)이다. CCUS는 인류가 적정한 경제성장을 이룩해가면서도 기후위기 문제에 대응하기 위해서 반드시 필요한 과학기술이라고 말할 수 있다.

현재 CCU는 이산화탄소가 빠르게 대기로 누출돼 

배출 감소에 효과적인 방법으로 인정하기 어려운 실정이며 CCS도 이산화탄소를 묻을 수 있는 적당한 지층이 특정 지역에 국한되어 있어서 전 지구적 활용에 한계가 있다.

● CCUS 기술의 현재

현재 이산화탄소를 포집하는 기술로는 습식, 건식, 분리 막을 이용하는 3가지 방식이 개발되어 있는데, 우리나라에서 가장 널리 적용되고 있는 것은 분리 막을 이용하는 기술이다. 습식 포집은 이산화탄소가 잘 녹는 용액을 분사한 후에 이 용액을 가열하여 이산화탄소를 분리하는 방법이고, 건식 포집은 이산화탄소와 잘 결합하는 고형 물질을 이용하여 탄소 포집하는 방법이다. 분리 막 포집 기술은 이산화탄소만 통과하는 분리 막을 이용하여 이산화탄소를 포집해 내는 기술을 말한다. 이렇게 포집된 이산화탄소 저장 방식에는 2가지가 있는데 천연가스를 뽑아낸 후에 남는 지하의 큰 공간(가스전)에 이산화탄소를 저장하거나 지하 깊은 퇴적암층에서 발견되는 빈 공간에 주입하여 격리하는 방법이 일반적이다. 이렇게 포집한 이산화탄소를 지하 빈 공간에 투입하여 보관하는 방법을 CCS(탄소포집 후 저장)라고 한다. 포집한 이산화탄소를 탄산음료의 재료, 비닐하우스에 광합성 촉진 물질로 사용, 친환경 시멘트, 바이오디젤 생산 등 다양한 산업 분야에서 다각도로 활용할 수 있는 기술도 제안되고 있는데, 이를 CCU(탄소포집 후 활용)라고 한다. 현재 실제로 적용 가능한 CCU는 드라이아이스와 탄산음료 생산에 원료로 사용하든가 비닐하우스에서 재배하는 식물에 제공하여 광합성을 보다 강화시키는 정도에 머물러 있다.

현재 CCU로 사용되고 있는 이산화탄소는 결국 사용 과정에서 금방 대기로 누출된다는 점에서 이산화탄소 배출을 줄이는 데 그다지 효과적인 방법이라 인정하기 어려운 실정이다. 또 CCS도 이산화탄소를 묻을 수 있는 적당한 지층을 가지고 있는 나라들이 특정 지역에 국한되어 있어서 전 지구적으로 활용되는 데에 한계가 있다.

● 앞으로의 전망은

장래에는 포집한 CO2를 탄소(C)와 산소분자(O2)로 분해하여 산소는 대기 중으로 보내고 탄소는 다양한 소재로 이용하는 단계로 발전해갈 것으로 전망된다. 이산화탄소를 분리하면 탄소원자(C)와 산소분자(O2)가 생성된다. 산소분자는 인간을 포함한 동물들의 호흡에 사용되므로 대기로 내어보내면 된다.

남겨진 탄소는 매우 다양한 용도로 사용할 수 있다. 화석연료의 성분이 탄소이듯이, 이산화탄소에서 산소분자를 떼어내고 남은 탄소는 다시 화석연료로 돌아가는 셈이므로 다시 연료로 사용할 수 있다. 화학섬유와 같은 산업소재도 탄소로 만들어진다. 따라서 이산화탄소에서 산소분자를 떼어내면 화학섬유의 원재료로 사용할 수 있다. 우리가 음식으로 섭취하는 단백질, 지방, 탄수화물 등은 모두 탄소로 구성되어 있다. 그래서 이산화탄소는 각종 식료품을 만드는 원료로도 이용할 수 있다. 이런 단계로 발전되어야 진정한 의미에서의 CCU(포집 사용)라고 말할 수 있다. 다만 이산화탄소를 탄소와 산소분자로 분리하는 데에 많은 에너지가 사용된다는 점이 극복해가야 할 숙제이다. 결국 재생에너지로 충분한 전기에너지를 만들어낼 수 있어야 진정한 CCU의 시대를 열 수 있을 것이다.