기후 변화 대응을 위한 핵심 기술인 탄소 포집 CCUS(Carbon Capture, Utilization, and Storage)의 원리와 적용 사례를 알아봅니다.
1. 기후 변화와 탄소 포집 기술(CCUS)의 필요성
기후 변화로 인한 지구 온난화 문제가 심각해지면서, 전 세계적으로 탄소 배출 저감을 위한 다양한 정책과 기술이 개발되고 있습니다.
특히 탄소 포집 및 저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization, and Storage) 기술은 산업 부문에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 효과적으로 줄일 수 있는 핵심 기술로 주목받고 있습니다.
탄소 포집 및 저장 기술은 화석 연료 사용을 완전히 배제할 수 없는 산업군(시멘트, 철강, 발전소 등)에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 저장하거나, 재활용하여 활용하는 방식으로 운영됩니다.
세계 각국의 정부와 기업들이 CCUS 기술 개발 및 상용화를 추진하면서 탄소 중립(Net Zero) 목표 달성을 위한 필수 솔루션으로 자리 잡고 있습니다.
이번 글에서는 CCUS의 원리와 주요 기술, 그리고 실제 적용 사례와 글로벌 기업들의 투자 동향을 살펴보겠습니다.
2. 탄소 포집 기술(CCUS)이란?
탄소 포집 및 저장(CCUS)은 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집(Capture)한 후, 저장(Storage)하거나 유용한 자원으로 활용(Utilization)하는 기술을 의미합니다.
이 기술은 크게 세 가지 과정으로 나눌 수 있습니다.
탄소 포집 (Carbon Capture): 공장, 발전소 등에서 발생하는 이산화탄소를 분리 및 포집
탄소 활용 (Carbon Utilization): 포집된 이산화탄소를 화학 원료, 연료, 건축 자재 등으로 재활용
탄소 저장 (Carbon Storage): 포집된 이산화탄소를 지하 깊숙한 곳(예: 고갈된 유전, 대염층)에 영구적으로 저장
이러한 과정을 통해, 대기 중으로 배출되는 이산화탄소를 획기적으로 줄일 수 있으며, 탄소 중립을 위한 중요한 기술적 해결책이 됩니다.
3. CCUS의 핵심 기술과 원리
3.1 탄소 포집 기술 (Carbon Capture Technologies)
탄소 포집 기술은 이산화탄소를 분리하여 포집하는 방식에 따라 여러 가지 방법이 존재합니다.
연소 후 포집 (Post-Combustion Capture)
- 화석 연료를 연소한 후 배출되는 이산화탄소를 포집
- 현재 가장 많이 연구되고 있으며, 기존 발전소에 적용이 용이
연소 전 포집 (Pre-Combustion Capture)
- 연료를 연소하기 전에 이산화탄소를 분리하여 포집
- 수소 생산 공정 등에서 사용되며, 에너지 효율성이 높음
산소 연소 포집 (Oxy-Fuel Combustion Capture)
- 연소 과정에서 순수 산소(O₂)를 사용하여 이산화탄소 농도를 높이고 포집
- 높은 포집 효율을 기대할 수 있지만, 초기 설비 비용이 큼
3.2 탄소 활용 기술 (Carbon Utilization)
포집된 이산화탄소는 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있습니다.
- 합성 연료(Synthetic Fuels) 생산: 이산화탄소를 수소와 반응시켜 친환경 연료 생산
- 탄산칼슘(CaCO₃) 제조: 시멘트, 콘크리트 등 건축 자재로 활용
- 식품 및 음료 산업: 탄산음료 제조 시 이산화탄소 사용
- 화학 원료: 플라스틱 및 기타 화학제품 원료로 활용
3.3 탄소 저장 기술 (Carbon Storage)
포집된 이산화탄소를 지하 1km 이상 깊이에 영구적으로 저장하는 방식입니다.
- 지질 저장 (Geological Storage): 고갈된 유전, 천연가스 저장소, 염수층 등에 이산화탄소를 주입
- 광물 탄산화 (Mineral Carbonation): 포집된 CO₂를 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg) 성분이 포함된 광물(예: 사문석, 고령석)과 반응시켜 탄산칼슘(CaCO₃) 또는 탄산마그네슘(MgCO₃) 형태로 변환하는 방식입니다.
이 과정은 자연적으로 발생하는 탄산화 반응을 촉진하여 이산화탄소를 영구적으로 저장할 수 있도록 합니다.
4. CCUS의 실제 적용 사례
4.1 미국 – Petra Nova 프로젝트
etra Nova 프로젝트는 미국 텍사스에 위치한 세계 최대 규모의 CCUS 상용화 프로젝트로, 2017년부터 운영되었습니다.
이 프로젝트는 NRG Energy의 W.A. Parish 석탄 화력 발전소에서 배출된 연간 140만 톤의 CO₂를 포집하여, 인근 West Ranch 유전에 주입해 **유전 증진 회수(EOR)**에 활용하는 방식입니다.
아민 기반 포집 기술을 적용하여 CO₂를 분리한 후, 약 130km 떨어진 유전으로 이송해 석유 생산량을 하루 300배럴에서 4,000배럴로 증가시켰습니다.
그러나 높은 운영 비용과 경제성 문제로 인해 2020년부터 가동이 중단되었으며, 향후 지속적인 기술 개선과 정책 지원이 필요합니다.
Petra Nova는 CCUS 기술의 상업적 가능성을 입증한 대표 사례로 평가되며, 향후 탄소 감축 전략 수립에 중요한 참고가 될 것입니다.
4.2 노르웨이 – Longship 프로젝트
Longship 프로젝트는 노르웨이 정부가 주도하는 대규모 CCUS 사업으로, 유럽 전역에서 포집된 CO₂를 북해 해저 지층에 영구 저장하는 것을 목표로 합니다.
이 프로젝트는 Fortum Oslo Varme 소각시설과 Norcem 시멘트 공장에서 배출된 CO₂를 포집한 후, Northern Lights 프로젝트를 통해 운송 및 저장하는 방식으로 운영됩니다.
저장소는 북해 해저 약 2,600m 아래의 염수층에 위치하며, 초기 단계에서 연간 150만 톤의 CO₂를 저장할 수 있도록 설계되었습니다.
유럽연합(EU)과 여러 글로벌 기업들이 참여하며, 탄소 중립 실현을 위한 핵심 인프라로 주목받고 있습니다.
Longship 프로젝트는 CCUS 기술의 국제적 협력을 강화하는 대표 사례로, 향후 글로벌 탄소 감축 전략에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.
4.3 호주 – Gorgon CCS 프로젝트
Gorgon CCS 프로젝트는 호주 서부 바루로 섬(Barrow Island)에 위치한 Gorgon LNG 시설에서 배출되는 CO₂를 포집하여 저장하는 대규모 CCUS 사업입니다.
셰브론(Chevron)이 주도하고 엑슨모빌(ExxonMobil), 쉘(Shell) 등 글로벌 에너지 기업들이 참여하며, 2019년부터 본격적인 운영을 시작했습니다.
포집된 CO₂는 지하 2km 깊이의 다공성 암석층에 주입되며, 연간 약 400만 톤 이상의 탄소를 영구적으로 저장할 수 있도록 설계되었습니다.
이 프로젝트는 세계 최대 규모의 상업용 탄소 저장 시설 중 하나로, 호주의 탄소 감축 목표 달성에 중요한 역할을 하고 있습니다.
하지만 기술적 문제와 초기 예상보다 낮은 포집률로 인해 일부 개선이 필요하며, 지속적인 운영 효율성 향상이 요구되고 있습니다.
5. 글로벌 기업들의 CCUS 투자 동향
- ExxonMobil
ExxonMobil은 CCUS 기술 연구 및 상용화를 위해 30억 달러 이상을 투자하며, 주요 실증 프로젝트를 운영하고 있습니다.
특히, 미국 및 유럽 지역에서 대규모 탄소 포집 시설을 개발하고 있으며, 탄소 중립 목표 달성을 위한 전략적 접근을 강화하고 있습니다. - Shell
Shell은 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술 개발을 위한 연구를 지속하며, 여러 글로벌 프로젝트에 참여하고 있습니다.
대표적으로 노르웨이 Longship 프로젝트 및 캐나다 Quest CCS 프로젝트를 통해 대규모 탄소 감축을 실현하고 있습니다. - Microsoft
Microsoft는 탄소 중립(Net Zero) 목표를 달성하기 위해 CCUS 스타트업 및 혁신 기술에 적극 투자하고 있습니다.
특히, Climeworks 및 CarbonCure와 같은 기업과 협력하여 대기 중 탄소 포집 기술(DAC)과 탄소 활용 기술을 지원하고 있습니다. - Tesla
Tesla는 이산화탄소(CO₂) 활용 기술을 적용한 친환경 에너지원 개발에 관심을 두고 있으며, CCUS 기술 연구에도 적극적인 지원을 하고 있습니다.
특히, Elon Musk는 탄소 제거 기술 발전을 촉진하기 위해 1억 달러 규모의 XPRIZE Carbon Removal 공모전을 개최하여 관련 스타트업과 연구 기관을 지원하고 있습니다.
6. 결론: CCUS 기술의 전망과 과제
CCUS 기술은 탄소 중립을 실현하기 위한 필수 기술이지만, 해결해야 할 과제들도 존재합니다.
- 높은 초기 비용: 탄소 포집 장비와 인프라 구축 비용 부담
- 저장 안정성 문제: CO₂의 장기 저장에 대한 신뢰성 확보 필요
- 신재생 에너지와의 균형 발전 필요: CCUS와 재생 가능 에너지 기술을 병행해야 함
앞으로 CCUS 기술은 지속적인 연구와 투자로 인해 더욱 발전할 것이며, 탄소 중립 목표를 실현하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다.
