탄소 포집 및 저장
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1. 개요
탄소 포집 및 저장(CCS)은 산업 및 에너지 시설에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 분리, 처리, 압축하여 장기간 대기와 분리된 위치에 저장하는 기술을 의미한다. CCS는 탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS)과 유사하게 사용되며, 포집된 CO₂를 활용하여 비료, 연료, 플라스틱 등을 생산하거나, 원유 생산량을 늘리는 데 사용되기도 한다. CCS 기술은 포집, 운송, 저장/활용 단계로 구성되며, 화력 발전소나 공장에서 배출되는 CO₂를 포집하는 방법, 대기 중 CO₂를 직접 포집하는 방법 등이 있다. CCS는 기후 변화 완화에 기여할 수 있지만, 높은 비용, 기술적 문제, 사회적 수용성 부족 등의 문제에 직면해 있으며, 다른 온실가스 감축 방안에 비해 비용이 높다는 평가를 받는다. CCS 기술은 정치적 논쟁의 대상이 되기도 하며, 화석연료 산업의 연장 수단으로 이용된다는 비판도 있다.
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탄소 포집 및 저장 | |
---|---|
지도 정보 | |
명칭 | |
영어 | Carbon capture and storage |
다른 이름 | 탄소 포집 및 격리 이산화탄소 제어 및 격리 |
개요 | |
정의 | 산업 배출 가스에서 이산화탄소를 포획하여 저장하는 과정 |
목표 | 대기 중 이산화탄소 농도 감소 지구 온난화 완화 |
역할 | 기후 변화 대응의 중요한 요소 넷 제로 목표 달성에 필수적 |
포집 기술 | |
주요 기술 | 화학 흡수 흡착 막 분리 심냉 분리 기타 (칼슘 루핑 등) |
화학 흡수 | 아민 용액을 사용하여 이산화탄소를 포획 |
흡착 | 다공성 고체 물질을 사용하여 이산화탄소를 포획 |
막 분리 | 특수 막을 사용하여 이산화탄소를 분리 |
심냉 분리 | 저온에서 이산화탄소를 액화하여 분리 |
저장 방법 | |
지질 저장 | 퇴적암 지층에 주입 고갈된 유전 및 가스전에 주입 염대수층에 주입 최대 수백 미터 깊이 |
해양 저장 | 심해저에 주입 해양 산성화 우려 |
광물 탄산화 | 이산화탄소를 광물과 반응시켜 고체 탄산염으로 변환 영구 저장 가능 |
기타 | 바이오매스 활용 및 지중 저장 (BECCS) 바이오차 생산 및 토양 격리 |
적용 분야 | |
주요 배출원 | 화력 발전소 시멘트 공장 철강 공장 화학 공장 |
산업 부문 | 발전 제조업 운송 |
경제성 및 비용 | |
비용 요소 | 포집 비용 운송 비용 저장 비용 감시 비용 |
경제성 평가 | 탄소 가격 및 정부 지원 정책의 영향 기술 발전에 따른 비용 절감 가능성 |
정책 및 규제 | |
정부 정책 | 탄소 배출권 거래제 탄소세 보조금 및 세액 공제 연구 개발 지원 |
국제 협력 | 파리 협정 기후 변화에 관한 정부간 패널 (IPCC) 보고서 |
안전 및 환경 문제 | |
안전 문제 | 이산화탄소 누출 위험 지진 유발 가능성 |
환경 문제 | 해양 산성화 가능성 지하수 오염 가능성 |
기술 개발 현황 및 전망 | |
기술 발전 | 포집 효율 향상 저장 용량 증가 비용 절감 |
미래 전망 | 넷 제로 목표 달성을 위한 핵심 기술 이산화탄소 포집 및 활용 (CCUS) 기술 개발 대규모 상용화 추진 |
기타 | |
관련 기술 | 직접 공기 포집 (DAC) |
논쟁 | 실효성 논란 도덕적 해이 우려 |
참고 자료 | |
관련 보고서 | 국제 에너지 기구(IEA) 넷 제로 로드맵 |
2. 용어
기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)는 CCS를 "산업 및 에너지 관련 시설에서 배출되는 비교적 순수한 이산화탄소(CO2) 흐름을 분리(포집), 처리, 압축하여 장기간 대기와 분리된 저장 위치로 운반하는 과정"으로 정의한다.[4]
1930년대부터 천연가스 산업에서 원천 천연가스에서 CO2를 제거하는 기술이 사용되어 왔다.[13] 이는 천연가스를 상업적으로 판매하고 유통하기 위해 필수적인 과정이었다.[14] 일반적으로 CO2를 제거한 후에는 대기 중으로 배출되었다.[14] 1972년, 미국의 석유 회사들은 대량의 CO2를 원유 회수 증진(EOR)에 활용하기 시작했다.[15] 이후 텍사스의 천연가스 회사들은 처리 공장에서 생산되는 CO2를 포집하여 현지 석유 생산업체에 EOR용으로 판매했다.[14]
CCS는 크게 포집, 운송, 저장 및 활용 단계로 구성된다.
'탄소 포집 및 저장'(CCS) 및 '탄소 포집, 활용 및 저장'(CCUS)이라는 용어는 밀접하게 관련되어 있으며 종종 상호교환적으로 사용된다.[5] 두 용어 모두 주로 확장된 원유 회수(EOR)를 가리키는 데 사용되어 왔는데, 이는 포집된 CO2를 부분적으로 고갈된 유전에 주입하여 더 많은 원유를 추출하는 과정이다.[5] EOR은 지하에 남아 있는 CO2가 무기한으로 포획될 것으로 예상되므로 "활용"과 "저장" 모두에 해당한다. 2013년 이전에는 이 과정을 주로 'CCS'라고 불렀으며, 2013년에 경제적 이점을 강조하기 위해 'CCUS'라는 용어가 도입된 이후로 널리 사용되고 있다.[5]
포집된 CO2의 약 1%는 비료, 연료, 플라스틱과 같은 제품을 만드는 원료로 사용된다.[6] 이러한 용도는 '탄소 포집 및 활용'의 형태이다.[7] 어떤 경우에는 제품이 CO2의 탄소를 내구적으로 저장하므로 CCS의 한 형태로 간주되기도 한다. CCS로 인정받으려면 탄소 저장이 장기간 지속되어야 하므로, 비료, 연료 또는 화학 물질을 생산하기 위해 CO2를 활용하는 것은 이러한 제품이 연소되거나 소비될 때 CO2를 방출하기 때문에 CCS가 아니다.[7]
일부 자료에서는 직접 대기 포집이나 나무 심기와 같이 대기 중 CO2를 제거하는 방법을 포함하여 'CCS, CCU 또는 CCUS'라는 용어를 더 광범위하게 사용한다.[8][9][10] 이 문서에서는 발전소의 배기가스와 같은 지점 배출원에서 CO2를 포집해야 한다는 IPCC의 정의에 따라 'CCS'라는 용어를 사용한다.
화력 발전소나 공장 등에서 연료 연소로 배출되는 이산화탄소를 회수하는 방법, 즉 배출원에서 효율적으로 회수하여 저장하는 방법이 대표적인 회수 방법 중 하나이다.[144] 이산화탄소의 회수·저장, 이산화탄소의 회수·저류, 이산화탄소의 분리·회수, 이산화탄소 격리, 탄소 포집 및 저장 등 다양한 명칭이 있다.
회수 방법으로는 이 외에도 대기 중에 포함된 이산화탄소를 모아 저장하는 방법, 목재 등 장래 이산화탄소를 방출하는 원료가 되는 물질을 모아 저장하는 방법 등도 생각할 수 있다.[144]
3. 역사와 현황
인위적 CO2 배출 감소 수단으로서 CCS 사용은 비교적 최근의 일이다. 1977년, 이탈리아의 물리학자 체사레 마르케티는 CCS를 사용하여 석탄화력발전소와 정유소의 배출량을 줄일 수 있다고 제안했다.[16][17] 전용 CO2 저장 및 모니터링을 통한 최초의 대규모 CO2 포집 및 주입 프로젝트는 1996년 노르웨이의 슬레이프너 가스전에서 시작되었다.[14]
2005년, IPCC가 CCS를 강조하는 보고서를 발표하면서 여러 국가에서 CCS에 대한 정부 지원이 증가했다.[18] 각국 정부는 CCS와 화석연료 기반 수소에 대한 보조금으로 약 300억달러를 지출했다.[19] 2020년까지 전 세계적으로 연간 1억 3천만 톤의 CO2를 저장하는 149개의 프로젝트가 제안되었으나, 이 중 약 70%는 구축되지 않았다.[2] 프로젝트 취소의 원인으로는 일회성 자본 보조금의 제한, 저장된 CO2에 대한 장기적 책임 문제 해결책 부재, 높은 운영 비용, 제한된 사회적 수용성, 외부 예산 압력에 대한 자금 조달 프로그램의 취약성 등이 있다.[71]
2020년, 국제에너지기구(IEA)는 "CCUS의 이야기는 대부분 미충족된 기대에 관한 것이다. 기후변화를 완화할 수 있는 잠재력은 수십 년 동안 인정되어 왔지만, 배치는 느리고 전 세계 CO2 배출량에 대한 영향도 제한적이었다"라고 밝혔다.[14]
2024년 7월 현재, 전 세계 44개 발전소에서 상업 규모의 CCS가 운영되고 있다.[20] 이들 시설은 다음과 같이 분류된다.시설 종류 개수 천연가스 원료에서 자연 발생하는 CO2 분리 16 수소, 암모니아 또는 비료 생산 7 화학 생산 7 전력 및 열 5 정유 2 제철소 1
또한 전 세계적으로 3개의 시설이 CO2 수송/저장에 전념하고 있다.[20] 2024년 현재, 석유 및 가스 산업은 전 세계 운영 중인 CCS 용량의 90%를 차지하고 있다.[21]
CCS 시설의 국가별 분포는 다음과 같다.[20]
2020년 현재 북미에는 8000km가 넘는 CO2 파이프라인이 있으며, 유럽과 중동에는 각각 2개의 CO2 파이프라인 시스템이 있다.[14]
4. 기술 개요
포집은 발전소나 공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 화학 용매나 다공성 고체 물질을 사용하여 분리하는 과정이다. 일반적으로 배기가스를 아민 용매에 통과시켜 이산화탄소를 결합시킨 후, 재생 장치에서 가열하여 용매로부터 이산화탄소를 방출한다. 이렇게 정제된 이산화탄소는 압축되어 저장 또는 활용 장소로 운송된다.[22][23][24]
운송은 주로 파이프라인을 통해 이루어지며, 대량의 이산화탄소를 육상 또는 해상으로 수송하는 가장 저렴한 방법이다.[14] 파이프라인 설치가 어려운 지역에서는 선박, 트럭, 철도 등을 이용하기도 한다.[14]
저장 및 활용은 포집된 이산화탄소를 지하 대수층이나 고갈된 유전, 가스전에 주입하는 방식으로 이루어진다.[156] 이 외에도 하천이나 해양에 용해시키거나, 심해저에 하이드레이트 형태로 침전시키는 방법, 그리고 이산화탄소를 메탄올 등의 유용한 물질로 전환하여 활용하는 방법 등이 연구되고 있다.[157]
4. 1. 포집
탄소 포집 및 저장에서 포집은 이산화탄소를 발생원에서 분리하는 과정이다. 이산화탄소(CO2)를 배기가스 혼합물에서 분리하는 세 가지 주요 방법은 연소 후 포집, 연소 전 포집, 그리고 순산소 연소이다.[25]
발효를 통해 에탄올을 만드는 유기체는 차갑고 순수한 이산화탄소를 만들어 내는데, 이를 지하에 주입할 수 있다. 산소를 이용한 석탄 연소에서 발생하는 기체의 상당량(약 10~15%)이 이산화탄소인 반면, 천연가스 연소에서는 이 비율이 5~10%로 더 낮다. 따라서 석탄 화력 발전소에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 것이 에너지 및 비용 측면에서 더 효율적이다.
이산화탄소 흐름에 황이나 물과 같은 불순물이 있으면 이산화탄소의 상거동에 큰 영향을 미치고 파이프라인 부식을 증가시킬 수 있다. 따라서 공기 포집 과정에서 이산화탄소 불순물이 존재하면 배기가스를 정화하기 위한 세척 분리 과정이 필요하다.[32] 워싱턴 주 Wallula 에너지 자원 센터에 따르면, 석탄을 기체화하면 이산화탄소의 약 65%를 포집하여 고체 상태로 분리할 수 있다고 한다.
화학 루핑 연소(CLC)는 금속 산화물을 산소 운반체로 사용하여 연료를 연소시키고 이산화탄소를 분리하는 기술이다. 2005년 IPCC에 따르면, 이론적으로는 가장 적은 에너지로 CO₂ 포집이 가능하며 비용도 14달러/t-CO₂로 저렴하다고 추산되지만, 아직 실용화되지 않은 새로운 기술이며 추산에는 불확실성이 크다.
직접 공기 포집(DAC)은 주변 대기에서 직접 CO2를 제거하는 기술이다. 직접 공기 포집과 탄소 저장소를 결합하면 이산화탄소 제거 기술로 활용될 수 있으며, 대규모로 적용하면 기후 공학의 한 형태가 될 수 있다. 여러 기술이 제안되었지만 아직 초기 단계이며, 2018년 연구에 따르면 대기 중 CO₂ 포집 비용은 톤당 94~232달러로 추정된다. 이는 2011년 연구에서 추정한 톤당 600달러보다 감소한 수치이다. 주목받는 화학 공정으로는 알칼리 및 알칼리 토류 수산화물로 가성화, 탄산화, 그리고 다공성 흡착제로 지지된 아민으로 구성된 유기/무기 하이브리드 흡착제가 있다. 대기 중 이산화탄소는 점 오염원 이산화탄소 포집에 비해 많이 희석되어 있어 포집 비용이 더 높을 수 있지만, 기후 변화 완화를 위한 비용과 장려금이 높아지면 자동차나 항공기와 같은 분산된 배출원의 배출량을 처리하는 데 효과적일 수 있다.
4. 1. 1. 이산화탄소 포집 기술
이산화탄소 포집 기술은 크게 연소 후 포집, 연소 전 포집, 순 산소 연소 포집의 세 가지로 나뉜다.
이산화탄소는 흡수, 흡착, 막 분리, 심냉 분리 등의 방법을 통해 공기 또는 연도 가스에서 분리할 수 있다.
현재 가장 많이 사용되는 기술은 아민(Amine)을 이용한 흡수, 즉 탄소 스크러빙이다.[14] 금속 유기 프레임워크(MOFs)는 흡착 기술을 이용한 탄소 포집에 쓰이는 새로운 물질로 주목받고 있지만, 화학적 안정성과 열 안정성이 과제로 남아있다.
개발 중인 대안으로는 화학 루핑 연소(CLC)와 칼슘 루핑이 있다. 화학 루핑은 금속 산화물을 산소 운반체로 사용하여 연료를 연소시키고, 칼슘 루핑은 산화칼슘을 이용하여 탄산염을 반복적으로 생성, 소성하는 방식이다.
포집 비용은 CCS 총 비용의 약 2/3를 차지한다. 따라서 포집 공정을 최적화하는 것이 CCS 기술의 경제성을 높이는 데 중요하다.
4. 2. 운송
포획된 CO₂는 저장 장소로 운송되어야 한다. 대량의 이산화탄소를 육상 또는 해상으로 운송하는 데에는 파이프라인이 가장 일반적이며, 비용 효율적인 방법이다.[14] 2008년 미국에는 약 5,800km의 이산화탄소 파이프라인이 있었으며, 이를 통해 석유 생산지에 CO₂를 운송하여 오래된 유전에 주입, 석유 추출을 돕는 데 사용되었다. 이를 향상된 석유 회수라고 한다.[22]
미 의회 조사 서비스에 따르면, 파이프라인 네트워크, 경제 규제, 유틸리티 비용 회수, CO₂ 자체의 규제 분류, 파이프라인 안전 등에 대한 중요한 문제들이 아직 해결되지 않았다. 또한, 이산화탄소의 연방 분류(상품 또는 오염 물질)는 즉각적인 갈등을 유발할 수 있으며, 이는 미래의 탄소 포집 및 저장 이행과 현재의 이산화탄소 파이프라인 운영의 일관성을 확보하는 데 어려움을 줄 수 있다.
파이프라인 설치가 어려운 지역에서는 선박, 트럭, 철도를 이용하여 CO₂를 운송할 수 있다.[14] 선박은 현재 다른 용도로 CO₂를 운반하는 데에도 사용되고 있다.
4. 3. 저장 및 활용
지질 저장은 일반적으로 초임계 형태의 이산화탄소를 지하 지질에 직접 주입하는 방법이다. 유전, 가스전, 식염수 지층, 채광할 수 없는 석탄층, 식염수로 채워진 현무암 지층 등이 저장 장소로 제안되었다.[157] 다양한 물리적 특징(예: 불침투성 덮개암) 및 지구-화학적 포획 메커니즘은 표면으로의
향상된 석유 회수 기술로 이산화탄소를 유전에 주입하는 경우가 많지만, 석유를 태울 때 이산화탄소가 방출되기 때문에 탄소 중립 과정이 아니다.
식염수 형태는 고도로 광물화된 염수가 포함되어 있으며 지금까지 인간에게 유익하지 않은 것으로 간주되어 왔다. 식염수 대수층은 몇 가지 화학 폐기물 저장에 사용되었다. 식염수 대수층의 주요한 이점은 잠재적 저장 부피가 크고 자연적으로 발생한다는 점이다. 식염수 대수층의 주요한 단점은 특히 유전에 비하여 알려진 것이 거의 없다는 것이다. 수용 가능한 양을 알아내기 위한 지구-물리학적 조사가 제안되어 있어 대수층 구조에 대한 불확실성이 크다. 유전이나 석탄층 저장과 달리 어떠한 부산물도 저장 비용을 상쇄하지 않는다. 구조적 트래핑, 잔류 트래핑, 용해도 트래핑 및 미네랄 트래핑과 같은 트래핑 메커니즘은
이 과정에서,
규모에 따른 광물 탄화의 경제성은 호주 뉴캐슬에 있는 세계 최초의 Pilot plant 프로젝트에서 시험되고 있다. 광물 활성과 반응을 위한 기술은 GreenMag 그룹과 뉴캐슬 대학교에서 개발되었으며, 호주 정부 및 New South Wales의 자금 지원으로 2013년까지 운영된다.
2009년, 과학자들은 미국에서 미국의 500년 분량의 이산화탄소를 저장하는데 사용할 수 있는 16000km2의 암석을 지도화하였다고 보고했다. 미국의 광물 저장에 관한 연구에 따르면, 자연적으로 발생하는 Mg와 Ca 함유 광물질을
다음 표는 지각의 주요 금속 산화물을 나열한 표이다. 이론적으로 이 광물들 질량의 22퍼센트가 탄산염을 형성할 수 있다.
Earthen oxide | Percent of crust | Carbonate | Enthalpy change (kJ/mol) |
---|---|---|---|
SiO2 | 59.71 | ||
Al2O3 | 15.41 | ||
CaO | 4.90 | CaCO3 | −179 |
MgO | 4.36 | MgCO3 | −118 |
Na2O | 3.55 | Na2CO3 | −322 |
FeO | 3.52 | FeCO3 | −85 |
K2O | 2.80 | K2CO3 | −393.5 |
Fe2O3 | 2.63 | FeCO3 | 112 |
21.76 | All carbonates |
Ultramafic 광미는 광산산업에서 온실 가스를 줄이기 위한 인공 탄소 흡수원 역할을 할 수 있는 미세입자 금속 산화물의 공급원이다. 미네랄 탄산화를 통한 수동적
이산화탄소는 다양한 제품을 만드는 원료로 사용될 수 있다. 2022년 기준으로 제품 생산에 사용되는 이산화탄소는 매년 포집되는 이산화탄소의 약 1%에 불과하다.[117]
2023년 기준으로 포집된 이산화탄소로부터 다음과 같은 제품을 상업적으로 생산하는 것이 가능하다. 메탄올, 요소, 폴리카보네이트, 폴리올, 폴리우레탄, 및 살리실산류.[119] 메탄올은 현재 주로 다른 화학 물질을 생산하는 데 사용되지만, 연료로서의 보다 광범위한 미래 사용 가능성이 있다.[120] 요소는 비료 생산에 사용된다.[14]
광물 탄산염 제품에 이산화탄소를 저장하는 기술이 시연되었지만, 2023년 현재 상업적 배치에는 준비되지 않았다.[119] 콘크리트 또는 건축 골재에 이산화탄소를 통합하는 공정에 대한 연구가 진행 중이다. 건축 자재에서 이산화탄소의 활용은 대규모 배치에 대한 가능성을 가지고 있으며,[121] '저장'으로 분류될 만큼 영구적인 유일한 예상되는 이산화탄소 용도이다.[122]
저장 방법으로는 대기 중으로 유출될 위험이 적은 지하 대수층이나 고갈된 유전·가스전에 주입하는 방법,[156] 지하 유전 등에 주입하여 채굴 효율을 높이는 방법, 하천이나 해양에 용해시키는 방법, 심해저에서 수하이드레이트로 침전시키는 방법 등이 있다.[157] 유전 주입이 실용화된 것을 제외하고는 대부분 아직 연구 단계에 있다.
- '''석탄층 저장'''
석탄에 흡착되어 있는 메탄을 콜베드 메탄이라고 한다. 석탄에는 메탄보다 이산화탄소가 더 잘 흡착되며, 메탄과 이산화탄소가 치환된다. 이러한 성질을 이용하여 지중의 석탄층에 이산화탄소를 봉입하고 메탄을 회수하는 방법이다.[157]
- '''대수층 저장'''(Deep Saline Aquifer, DSA)
지중의 대수층에 고압의 이산화탄소를 봉입하여 지하수에 용해시키는 등의 방법으로 고정·저장하는 기법이다.[157] 대수층 내의 이산화탄소는 초임계 유체이다. 나가오카(長岡)에서 실증 실험이 실시되었다.[157]
- '''유층·가스층 저장'''
지중의 유층이나 가스층에 이산화탄소를 봉입하는 기법이다.[157] 채취가 이루어지고 있는 유층이나 가스층에 봉입하여 층 내의 압력을 높여 생산량 증가에 이용하는 「증진회수법」[157](enhanced oil recovery, EOR)과 채취가 이루어지지 않은 유층이나 가스층에 봉입한 후 밀폐하는 기법이 있다.
- '''광물 고정'''
이산화탄소를 봉입한 지층 내에서 반응시켜 광물화하여 고정하는 기법. 사문암층에 대한 고정, 고온의 암석에 대한 고정 등이 있다.[157] 기술적으로는 연구 단계에 있다.
- '''CO₂ 하이드레이트 저장'''(해저, 영구 동토층 하부)
해저의 공극률이 높은 사층에서 이산화탄소를 하이드레이트화(고체화)시켜 저장하는 기법이다.[157] 하이드레이트화가 가능한 대표적인 온도·압력은 10 ℃ 이하, 4.5 MPa 이상이며, 일본 주변 해역에서 저장이 가능한 해역이 온도·압력을 기준으로 검토되고 있다.[159][160]
- '''게스트 분자 치환법'''
하이드레이트 격자에 메탄 분자보다 이산화탄소 분자가 더 잘 포획되는 성질을 이용하여 메탄과 치환하는 방법. 미국과 독일에서 검토되고 있다. 미국의 ConocoPhillips, JOGMEC이 2012년 알래스카에서 현장 시험(Field trial)을 공동으로 실시한다고 보도되었다. 또한 CO₂ 하이드레이트의 생성열로 지층을 적극적으로 가열하여 지층의 공극이 폐쇄되지 않도록 CO₂를 주입하는 방법이 검토되고 있다.
- '''메탄으로의 전환'''
이산화탄소를 봉입한 지층 내에서 메탄균을 이용하여 메탄으로 전환하여 저장하는 기법이다.[157] 기술적으로는 연구 단계에 있다.
- '''용해·희석'''
대규모 배출원에서 포집된 이산화탄소를 해양에 주입하는 방법이다.[157] 파이프라인을 통해 해양 표층·중층에 주입하여 용해시키는 방법과, 유조선 등으로 수송하여 해양 중층·심층에 주입하여 희석시키는 방법이 있다.[157] 전자는 기체 또는 액체, 후자는 액체로 주입한다.[157] 기술적으로는 연구 단계에 있지만, 파이프라인 방식은 비용이 저렴해질 것으로 예상되어 실현 가능성이 높다고 평가된다.
- '''해저 저장'''
대규모 배출원에서 포집된 이산화탄소를 유조선 등으로 수송하여 심해저에 액체로 주입하여 저장하는 방법이다.[157] 기술적으로는 연구 단계에 있다.
- '''탄산염 고정'''
이산화탄소를 탄산염으로 고정하는 방법이다.[161] 알칼리토류 금속인 칼슘염과 마그네슘염을 이용하는 방법과, 규산염이나 알루민산염의 풍화를 촉진시켜 이용하는 방법이 있다.[161]
- '''화학 합성 이용'''
이산화탄소를 다른 물질의 합성에 이용하여 산업적으로 탄소를 고정하는 방법. 이산화탄소와 수소를 촉매 반응시켜 메탄올이나 DME 등을 합성하는 것이나,[161] 이산화탄소와 단량체를 공중합시켜 폴리카보네이트 등의 고분자를 합성하는 방법 등이 있다.[161]
필요한 에너지를 재생 가능 에너지로 하는 것, 그리고 생성물을 연료로 사용하지 않는 것이 필요하다.
하지만 한편으로 원자력에 의한 열화학 수소 제조(IS법)의 발전과 천연가스 가격 상승에 따라 CO2를 배출하지 않고 기존 방식과 같은 비용으로 물에서 수소/산소를 공급할 수 있는 전망이 서고 있지만, 수소는 저장 및 운반이 어려우므로 CO2를 첨가하여 반응열도 원자로에서 공급하여 메탄올을 합성하는 연구가 진행되고 있으며, 그 경우에는 탄소 고정에 효과적이다.
이산화탄소를 초임계 상태로 하여 그 성질을 이용하여 탄산디메틸, 우레탄, 폴리카보네이트 등의 합성을 하는 것도 있지만, 이것은 에너지 효율 면에서 효과적이라고 여겨진다.[161]
- '''환원'''
이산화탄소를 환원하는 방법. 전기화학적으로 하는 것과, 광촉매나 착체를 이용한 광학적 환원이 있다.[161] 전기화학적인 것은 에너지 효율이 나쁘지만, 광학적인 것은 효과적이라고 여겨진다.[161]
- '''바이오리액터 이용 방법'''
바이오리액터가 되는 생물을 이용하여 이산화탄소를 사용하여 유용한 물질을 생산하는 방법이다.[161] 광합성을 이용하는 것은 효과적이라고 여겨지지만, 광합성을 이용하지 않는 것은 아직 논의 단계에 있다.[161]
5. 사회적, 환경적 영향
CCS(탄소 포집 및 저장) 기술은 여러 사회적, 환경적 영향을 미친다.
CCS 시설은 일반 시설보다 더 많은 에너지와 물을 소비한다. 초기 연구에 따르면, 동일한 양의 전기를 생산하기 위해 CCS를 적용한 석탄화력발전소는 14~40% 더 많은 석탄을, 천연가스 복합화력발전소는 11~22% 더 많은 가스를 연소해야 한다.[40] 또한, CCS를 적용한 석탄화력발전소는 50% 더 많은 물을 사용할 수 있다.[47]
CCS 사용은 화석 연료의 채굴 및 운송, 포집 과정에서 발생하는 오염 물질 배출을 증가시킬 수 있다. CCS 시설은 더 많은 화석 연료를 연소해야 하므로 대기 오염을 순 증가시킬 수 있으며, 액체 아민 용액을 사용하는 경우 휘발성 니트로사민과 같은 유해 물질이 배출될 수 있다.[50][51]
CO₂ 파이프라인 파손이나 저장 시설 누출은 인근 지역 사회에 위험을 초래할 수 있다. CO₂는 무색무취의 기체로 공기보다 무거워 지면에 축적되며, 고농도(5% 이상)에 노출될 경우 고탄산혈증, 호흡성 산증을 유발하고, 10% 이상에서는 경련, 혼수, 사망에 이를 수 있다.[53] 2020년 미시시피주 사타티아(Satartia, Mississippi)에서는 산사태로 인한 CO₂ 파이프라인 파손으로 인근 주민들이 의식을 잃고, 200명이 대피, 45명이 입원하는 사고가 발생했다.[55]
CCS 시설은 기존 산업 시설 인근 지역 사회에 환경적, 사회적 부담을 가중시킬 수 있다. 미국에서는 CCS 시설이 빈곤층 또는 소수 민족 지역 사회에 불균형적으로 위치하는 경향이 있어, 환경 정의 문제를 야기할 수 있다.[49] 또한, 송유관 건설은 원주민 여성에 대한 성폭력 등 사회적 피해와 관련되어 왔다.[60]
대중의 CCS에 대한 인지도는 낮은 편이며, CCS를 알고 있는 사람들 사이에서도 다른 배출 감소 방안에 비해 지지도가 낮은 경향을 보인다.[98]
6. 비용
CCS는 다른 온실가스 감축 방안에 비해 비용이 높은 편이다. CO₂ 배출원, 포집 기술, 운송 및 저장 방법에 따라 비용이 크게 달라진다.[2] 상업 규모 프로젝트는 일반적으로 수십억 달러에 달하는 초기 자본 투자가 필요하다.[61]
CCS 비용은 CO₂ 배출원에 따라 크게 달라진다. 천연가스 처리의 경우처럼 배기가스 내 CO₂ 농도가 높으면 톤당 15USD~25USD에 포집 및 압축이 가능하다.[63] 발전소, 시멘트 공장, 철강 공장은 더 희석된 가스를 배출하며, 이 경우 포집 및 압축 비용은 CO₂ 톤당 40USD~120USD이다.[63] 미국에서 육상 파이프라인 운송 비용은 CO₂ 톤당 2USD~14USD이며, 육상 저장 용량의 절반 이상이 CO₂ 톤당 10USD 미만으로 추정된다.[63]
탄소 저장을 열 발전에 사용할 경우 전기 비용에 0.18USD/kWh를 추가되며 재생에너지에 비하여 수익성 및 경쟁 우위에 도달하지 못하게 한다. 미국 환경보호청(U.S. Environmental Protection Agency)에 따르면, CCS는 석탄 발전소의 전력 생산 비용을 MWh당 7USD~12USD 증가시킨다.[62] CCS 구현에는 각 현장에 맞게 고도로 맞춤화된 여러 기술이 포함되어 있어, 학습에 의한 효율 향상을 통한 비용 절감 능력이 제한된다.[64]
7. 기후 변화 완화 역할
CCS는 기후 변화 완화에 기여할 수 있지만, 재생 에너지 확대, 에너지 효율 향상 등 다른 감축 노력과 함께 고려해야 한다. 특히 중공업, 개조, 천연가스 처리, 수소 생산, 바이오에너지 등 특정 분야에서 CCS가 중요한 역할을 할 수 있다.[14]
기후 변화에 관한 정부간 패널(IPCC)은 2005년에 CCS를 강조하는 보고서를 발표하여 여러 국가에서 CCS에 대한 정부 지원이 증가하게 되었다.[18] 2020년, 국제에너지기구(IEA)는 "CCUS의 이야기는 대부분 미충족된 기대에 관한 것이다. 기후변화를 완화할 수 있는 잠재력은 수십 년 동안 인정되어 왔지만, 배치는 느리고 전 세계 CO2 배출량에 대한 영향도 제한적이었다"라고 평가했다.[14]
CCS는 다른 배출 감소 방안에 비해 매우 비싸다. 화석 연료 발전소 배기가스에서 CO2를 1톤 제거하는 데 50~200달러가 추가된다.[65] 대중교통, 전기 자동차, 에너지 효율 향상 등은 CCS보다 훨씬 저렴하게 배출량을 줄일 수 있는 잠재력이 크다.[65]
기후 변화 완화 관련 문헌에서 CCS는 온실가스 배출 감소에 작지만 중요한 역할을 하는 것으로 설명된다.[49][47] IPCC는 2014년 CCS를 완전히 포기하면 지구 온난화를 섭씨 2도 이내로 유지하는 비용이 138% 더 들 것이라고 추산했다.[67] IEA에 따르면 CCS와 직접 공기 포집만으로 석유 및 가스 소비를 줄이려면 연간 3.5조달러가 소요되며, 이는 전체 석유 및 가스 산업 연간 수익과 거의 같다.[68]
IPCC는 2022년에 "CCS 구현은 현재 기술적, 경제적, 제도적, 생태 환경적 및 사회 문화적 장벽에 직면해 있다"고 밝혔다.[47] 파리 협정 목표 달성을 위해서는 CCS와 함께 화석 연료 생산 및 사용이 급격히 감소해야 한다.[49][47]
2023년 현재 CCS는 전 세계 배출량의 약 0.1%인 약 4,500만 톤의 CO₂를 포집하고 있다.[49] IPCC와 IEA의 기후 모델에 따르면 2030년까지 약 10억 톤, 2050년까지 수십억 톤의 CO₂를 포집할 것으로 예상된다.[49]
대표적인 회수 방법은 화력발전소나 공장 등에서 연료 연소로 배출되는 이산화탄소를 배출원에서 효율적으로 회수하여 저장하는 것이다.[144]
7. 1. 대한민국 현황 및 정책
대한민국은 2050년 탄소중립 목표 달성을 위해 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술 개발 및 상용화를 추진하고 있다. 동해가스전을 활용한 CCS 실증 사업을 추진 중이며, 서해, 남해 등 추가 저장소 확보를 위한 탐사를 진행하고 있다. 관련 법률 (탄소 포집·저장·활용에 관한 법률) 제정을 추진 중이다. 더불어민주당은 CCS 기술 개발과 함께 재생에너지 확대, 에너지 효율 향상 등 다른 온실가스 감축 노력과의 균형을 강조하고 있다.8. 정치적 논쟁
CCS는 1990년대 초 UNFCCC(유엔기후변화협약) 협상 시작 이후로 정치적 행위자들에 의해 논의되어 왔으며, 여전히 매우 논쟁적인 문제로 남아 있다.[87]
화석연료 회사들은 CCS를 혁신과 비용 효율성의 영역으로 규정하며 적극적으로 홍보해 왔다.[88] 화석연료 회사 및 화석연료 기반 전력 회사의 공개 성명에서는 화석연료 사용이 미래에 증가할 것이라는 "인식"을 요구하며 CCS를 통해 화석연료 시대를 연장할 수 있다고 제안한다. 이들의 성명서는 일반적으로 화석연료 사용 감소 방안을 언급하지 않으면서 CCS를 기후변화 해결에 필요한 방법으로 제시한다.[88] 2023년 현재 석유 및 가스 부문의 연간 투자는 지구 온난화를 1.5°C로 제한하는 데 필요한 연료 생산량의 두 배에 달한다.[89]
화석연료 업계 대표들은 유엔 기후변화 회의에 강력한 영향력을 행사해 왔으며,[90] 이 회의에서 그들은 CCS를 통한 화석연료 사용 감소 대신, 화석연료 사용 감소에 관한 언급을 사용하는 협정을 옹호했다.[90] 2023년 유엔기후변화협약 당사국총회(COP27)에서는 CCS 로비스트 475명 이상이 참가 허가를 받았다.[91]
지구의 친구들(Friends of the Earth)과 같은 많은 환경 NGO는 CCS에 대해 강력하게 부정적인 견해를 가지고 있다.[92] 설문조사에서 환경 NGO의 CCS를 이용한 화석 에너지 중요도 평가는 원자력 에너지에 대한 평가만큼 낮았다.[93] 비판론자들은 CCS를 검증되지 않은 값비싼 기술로 보고 있으며, 이는 화석연료에 대한 의존성을 영속시킬 것이라고 주장한다.[94] 그들은 다른 배출 감소 방법이 더 효과적이며 CCS는 관심을 분산시키는 요소라고 믿는다.[94] 그들은 정부 자금이 화석연료 산업과 관련 없는 사업에 사용되기를 원한다.[94]
국제 기후 협상에서 화석연료 사용을 전반적으로 단계적으로 폐지할 것인지, 또는 "감축되지 않은" 화석연료 사용을 단계적으로 폐지할 것인지 여부는 논란이 되는 문제였다. 2023년 유엔 기후변화협약 당사국총회(UNFCCC COP27)에서 감축되지 않은 석탄 사용을 단계적으로 감축하기로 합의되었다.[95] "감축된(abated)"이라는 용어는 일반적으로 CCS 사용을 의미하는 것으로 이해되지만, 합의문에서는 이 용어를 정의하지 않았다.[95]
"감축된(abated)"과 "감축되지 않은(unabated)"이라는 용어가 정의되지 않았기 때문에, 이 합의는 남용될 여지가 있다는 비판을 받았다.[95] 명확한 정의가 없다면, 발전소 배출량의 30%만 포집하는 등 최소한의 CCS만 사용하는 경우에도 화석연료 사용을 "감축된" 것으로 부를 수 있다.[95]
IPCC는 화석연료가 "전 과정에 걸쳐 배출되는 GHG(온실가스)의 양을 상당히 줄이는 개입 없이 생산 및 사용되는 경우" 감축되지 않은 것으로 간주한다. 예를 들어, 발전소에서 90% 이상, 또는 에너지 공급 과정에서 발생하는 누출 메탄 배출량의 50~80%를 포집하는 경우이다.[96] IPCC 정의의 의도는 화석연료 배출량이 "감축된" 것으로 분류되려면 효과적인 CCS와 누출 가스 배출량의 대폭 감소가 모두 필요하다는 것이다.[97]
CCS는 "대규모 CCS 도입은 위험과 비용이 높고, 더 나은 대안은 재생에너지다"라는 비판 세력의 정치적 반발에 직면하고 있다. 환경보호 단체 중 일부는 매우 긴 저장 기간 동안 누출 위험성이 있다고 주장하며, CCS 기술을 원자력 발전소의 위험한 방사성폐기물 저장과 비교하기도 한다.[162]
CCS를 이용하면 석탄 발전소의 배기가스에서 배출되는 CO₂를 85~90% 이상 감축할 수 있지만, 석탄 채굴 및 운송 과정에서 발생하는 CO₂ 배출량에는 효과가 없다. CCS 시스템은 CCS가 없는 시스템보다 25% 많은 에너지와 석탄 연소를 필요로 하기 때문에, 실제로는 "그러한 배출량과 순 공급 전력 단위당 대기오염 물질을 증가시키고, 석탄 채굴, 운송, 처리로 인한 생태적, 토지 이용, 대기 오염, 수질 오염의 모든 영향을 증가시킨다"[163].
또한, CCS를 이용한 화석연료 발전 방식과 재생에너지 발전 방식의 순 에너지 효율을 비교한 2019년 연구 결과에 따르면, 전자보다 후자의 효율이 더 높은 것으로 나타났다. 두 생산 방식의 전기 에너지 투자수익률(EROEI)은 운영비와 인프라 에너지 비용을 고려하여 추정되었다. 재생 가능한 전력 생산에는 충분한 에너지 저장이 가능한 태양광발전과 풍력발전이 포함된다. 따라서 기후 위기 완화에는 "화석연료 CCS보다 확장성 있는 재생 가능 에너지와 에너지 저장의 신속한 확대가 바람직하다"[164]고 여겨진다.
그린피스는 CCS가 석탄화력발전소의 비용을 두 배로 증가시킬 수 있다고 주장한다.[165] 또한, CCS 반대론자들은 CCS에 투입된 자금이 기후변화 해결을 위한 다른 대안에 대한 투자를 빼앗는다고 주장한다.[166] 반면, 바이오에너지 CCS(BECCS)는 IPCC 시나리오에서 1.5℃ 등의 완화 목표 달성 수단 중 하나로 고려되고 있다.[167]
CCS가 실제로는 기후변화 해결책이 되지 못한다는 것을 인지하면서도, 화석연료 사용을 계속하기 위한 구실로 화석연료 산업이 과장 광고를 한다는 비판도 있다.[168][166]
9. 관련 개념
기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)는 CCS를 다음과 같이 정의한다.
산업 및 에너지 관련 시설에서 배출되는 비교적 순수한 이산화탄소(CO2) 흐름을 분리(포집), 처리, 압축하여 장기간 대기와 분리된 저장 위치로 운반하는 과정입니다.[4]
'탄소 포집 및 저장'(CCS) 및 '탄소 포집, 활용 및 저장'(CCUS)이라는 용어는 밀접하게 관련되어 있으며 종종 상호교환적으로 사용된다.[5] 두 용어 모두 주로 확장된 원유 회수(EOR)를 가리키는 데 사용되어 왔는데, 이는 포집된 CO2를 부분적으로 고갈된 유전에 주입하여 더 많은 원유를 추출하는 과정이다.[5] EOR은 지하에 남아 있는 CO2가 무기한으로 포획될 것으로 예상되므로 "활용"과 "저장" 모두에 해당한다. 2013년 이전에는 이 과정을 주로 'CCS'라고 불렀다. 2013년에 경제적 이점을 강조하기 위해 'CCUS'라는 용어가 도입되었고, 그 이후로 이 용어가 널리 사용되게 되었다.[5]
포집된 CO2의 약 1%는 비료, 연료, 플라스틱과 같은 제품을 만드는 원료로 사용된다.[6] 이러한 용도는 '탄소 포집 및 활용'의 형태이다.[7] 어떤 경우에는 제품이 CO2의 탄소를 내구적으로 저장하므로 CCS의 한 형태로 간주되기도 한다. CCS로 인정받으려면 탄소 저장이 장기간 지속되어야 하므로, 비료, 연료 또는 화학 물질을 생산하기 위해 CO2를 활용하는 것은 이러한 제품이 연소되거나 소비될 때 CO2를 방출하기 때문에 CCS가 아니다.[7]
일부 자료에서는 직접 대기 포집이나 나무 심기와 같이 대기 중 CO2를 제거하는 방법을 포함하여 'CCS, CCU 또는 CCUS'라는 용어를 더 광범위하게 사용하기도 한다.[8][9][10]
직접 공기 탄소 포집 및 저장(DACCS)은 화학적 또는 물리적 공정을 이용하여 대기 중에서 이산화탄소(CO₂)를 직접 추출하고 포집된 이산화탄소를 장기간 저장하는 기술이다.[123] 점오염원에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 CCS와 달리, DAC는 이미 대기 중에 존재하는 이산화탄소를 제거할 수 있다. 따라서 DAC는 항공기 엔진과 같이 비정지원에서 발생하는 배출가스를 포집하는 데 사용될 수 있다.[124] 2023년 현재, DACCS는 톤당 1,000달러가 넘는 비용[125] 때문에 이들 시장의 탄소 가격보다 훨씬 높아 배출권 거래제에 아직 통합되지 않았다.[126]
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