당진시는 CCUS 연구단지를 조성해 나가야

당진시가 탄소중립과 미세먼지 감축목표를 달성시켜 나가기 위해서 가장 필요로 하는 기술은 무엇보다도 CCUS(탄소포집 저장 및 활용) 기술이라고 할 것이다. 즉 당진 산업단지에는 석탄, 석유, LNG 등 국내에서 화석연료가 집중적으로 입지되어 있는 집산지라고 할 수 있다.

이를 수소경제로 전환시켜 나가기 위해서는 무엇보다도 ‘화석연료 + CCUS’ 기술이 핵심 기반을 마련해 나가야 가능한 일이다.

그래서 당진시는 CCUS 연구단지를 조성해 나가는데 충남도와 함께 노력해 나가야 할 것이다.

미국 인터넷 매체인 ‘복스(Vox)’에서는 최근 CCUS(이산화탄소 포집 및 재활용)가 2030년까지 약 1조 달러의 시장이 될 만큼 유망한 산업이라고 특집 기사를 게재하였다.

그 동안 세계 각국에서는 지구온난화를 해결하기 위해서는 화석연료에서 배출되는 탄소를 중단 내지 감축시켜 나가기 위해서 골머리를 앓아왔다. 즉 화석연료에서 배출되는 이산화탄소를 폐기물로 인식하고 이를 제거하는데 초점을 맞췄다.

그렇지만 이산화탄소가 쓰레기가 아니라 소중한 제품을 만들 수 있는 자원이 될 수 있다는 사실을 확인시켜 주는 각종 기술이 연이어 개발되면서 이젠 새로운 탄소 저감기술로 탄소를 활용한 각종 자원이나 제품생산에 초점을 맞추고 있는 것이다.

지금까지 이산화탄소는 기껏해야 드라이아이스나 탄산음료의 원료로 사용하는 정도이었다.

그런데 최근 CCUS(이산화탄소 포집 및 재활용)기술이 본격화 되면서 환경문제을 해결해 나가는 방안이 되면서 수익도 창출할 수 있는 일석이조(一石二鳥)의 효과를 거둘 수 있는 대안으로 부각되고 있다.

사실 이산화탄소가 대량으로 배출되는 화력발전이나 제철소 등에서는 배출되는 탄소를 포집하여 저장하려는 CCS기술은 오래 전부터 개발되어 왔다.

그렇지만 현실적으로 안전한 저장장소를 찾기란 쉽지 않았다. 즉 지하 약 1,000m 깊이의 대염수층 및 석유/가스층, 석탄층 등을 찾아내어 저장고로 이용해야 하고 주변 지역주민들이 절대 반대에 부닥쳐 추진하기에 한계를 갖고 있었다.

그런데 최근 포집된 탄소를 활용하여 자원이나 제품을 생산하는 기술이 널리 개발되어 CCU가 이산화탄소를 감축시켜 나가는 주요한 방안이 되고 있다.

한국 화학연구소에서 펴낸 ‘2020 이산화탄소전환(CCU)기술백서’에서 “CCU는 화력발전, 제철소, 시멘트 등에서 배출되는 이산화탄소를 포집한 다음 압축, 수송과정을 거쳐서 지하 또는 해저에 저장하거나 부가가치 높은 탄수화합물로 재활용하는 기술이다”이라고 정의하고 있다.

이는 포집, 저장하는 기술인 CCS와 포집, 재활용하는 기술인 CCU로 구분할 수 있다.

CCU 기술은 크게 이산화탄소를 화학적 또는 생물학적으로 전환하지 않고 그대로 사용하는 비전환 직접 활용기술과 이산화탄소를 다양하게 유용한 제품으로 바꾸는 전환기술로 구분할 수 있다.

이산화탄소의 비전환 직접 활용분야는 작물수확량 향상(온실, 해조류, 요소, 비료), 용제활용(석유회수 증진, 카페인 제거, 드라이클리닝), 냉방이나 냉장을 위한 열전달 유체, 식음료 생산, 용접, 의료 등을 들 수 있다.

전환활용 분야는 메탄, 메탄올, 메틸렌, 개미산과 같은 유기산 등 다양한 플랫폼 화학물질(중간체), 건축자재(골재, 시멘트, 콘크리트) 등을 들 수 있다.

2019년 국제에너지기구(IEA)에서는 “이산화탄소제품 시장은 전 세계적으로 연간 2억3천만톤에 달한다고 밝혔고 가장 큰 시장은 비료산업으로 연간 130만톤, 다음에는 석유회수 증진분야에 70 -80만톤을 사용했다”고 밝혔다.

최근까지 탄소를 재활용하는 기술개발에 대한 방향을 살펴보면 앞으로 탄소를 활용하는 기술개발분야가 크게 확대될 것이라는 사실을 쉽게 짐작할 수 있다.

첫째, 바이오 연료로 전환

이산화탄소를 생물학적으로 고정하거나 인공광합성 과정을 통해 연료로 전환하는 분야는 CCU 가운데 가장 주목 받는 분야이다. 즉 실효성 있는 생물학적 고정으로는 이산화탄소 흡수와 생장이 빠른 클로렐라, 플랑크톤 등 미세 조류를 활용해 바이오 디젤을 생산하는 방안이다. 즉 미세조류를 활용할 경우 배출가스에서 고순도의 이산화탄소를 분리하지 않고 그대로 활용할 수 있고, 바닷물, 폐수 등 거의 모든 물을 활용할 수 있으며, 재배 주기가 약 하루로 짧다.

현재 미세조류 1톤의 이산화탄소 흡수 능력은 1.8톤에 달하나, 전체 가치사슬 상의 이산화탄소 배출량 감안시 바이오매스 1톤당 이산화탄소 순감축량은 0.5톤 수준으로 추산되고 있다.

이산화탄소 순감축 효과를 향상 시키기 위해 생산능력이 높은 미세 조류 균주 개발, 필요 부지 면적을 획기적으로 줄일 수 있는 광생물 반응기 등 혁신적 조류 재배 시스템에 대한 연구가 뒷받침되어야 할 것이다.

둘째, 화학 제품의 원료로 활용

현재 대부분의 화학 제품들은 석유를 원료로 사용하고 있으며, 생산 과정에서 대량의 탄소가 배출된다. 따라서 탄소를 화학 제품의 원료로 활용할 경우 배출 저감 효과는 물론 원료 사용도 줄일 수 있어 일거양득(一擧兩得)의 효과를 기대할 수 있다.

현재 카보네이트(Carbonate) 계열은 탄소의 구조와 거의 유사해 그대로 탄소를 삽입, 사용할 수 있다. 그래서 기존 공정에 활용될 수 있으며 폐수 및 부산물 발생도 거의 없어 손쉽게 접근할 수 있다.

수요 측면에서도 2차 전지와 연료전지용 전해질 물질로 사용되거나 단열재 등 다양한 용도에 사용되는 폴리우레탄의 전구체로 사용될 수 있다. 더욱이 LCD 제조 공정에서 세척제나 대표적 엔지니어링 플라스틱인 폴리카보네이트의 원료로도 이용될 수 있어 높은 부가가치의 창출이 기대된다.

셋째, 광물탄산화를 통해 건축 자재 생산

바다 속 산호, 조개가 이산화탄소를 포착해 석회석 등의 광물질을 만들어내는 과정을 흉내 낸 광물탄산화 기술은 널리 이산화탄소를 감축시키는 기술로 활용되고 있다.

우리나라 철강생산량은 7,100만톤으로 세계 5위의 철강 생산국이다. 이에 따라 발생되고 있는 슬래그의 양은 약 2천만톤에 이르고 있다. 그런데 슬래그에는 칼슘 및 마그네슘과 같은 알칼리 금속이 약 20-40 wt.% 함유되어 있다.

이의 추출방법을 최적화 및 저비용의 공정기술이 확립된다면 이산화탄소 저감 물질로서 활용 될 수 있다. 즉 슬래그로부터 400만톤/년 CO2를 저감 할 수 있으며, 이와 동시에 약 800만 톤의 부가적인 탄산화물질을 얻을 수 있다.

이러한 물질은 건축자재 및 자연산 석회석 시장의 대체는 물론 환경 보호와 새로운 산업 창출에 활용될 수 있을 것으로 평가 된다.

광물탄산화 방식은 용광로나 화력발전소 설비에 접목 시켜 슬래그나 석탄재 등의 부산물을 활용할 수 있는 기술이 개발되고 있어 기존 시멘트 생산공정을 대체할 수 있는 계기가 마련되고 있다. 또한 생체모방적 이산화탄소 전환 방식을 통해 건축 자재를 생산할 수도 있다.

국제 에너지 기구(IEA)에서는 온실가스를 저감하기 위한 2050년까지 전체 저감량의 약 19%를 CCUS기술이 담당해야 할 것으로 전망하고 있다. CCUS기술이란 현실적으로 단기간 내에 이산화탄소를 저감할 수 있는 기술이며 수소경제를 실현하기 위해 반드시 뒤따라야 하는 기술로 평가받고 있다.

현재 메탄에서 추출하는 방식으로 수소를 생산하는 방식이 경제성을 그나마 확보할 수 있다. 그런데 이러한 과정으로 수소를 생산하는 경우 탄소는 필수적으로 발생하게 되므로 CCUS 기술은 불가피하게 뒷받침되어야 한다.

국내 최고의 탄소배출지역이면서 환경오염물질 배출지역인 당진시는 탄소중립과 미세먼지 감축이라는 가장 큰 현안과제에 당면해 있다. 이를 해결해 나가는 바탕은 결국 기술개발에 의존할 수밖에 없으며 이의 핵심 기술은 단연 CCUS기술이라고 할 수 있다.

따라서 당진시는 CCUS 연구단지를 조성해 탄소중립의 선도적인 역할을 담당해 나가야 할 것이다