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세계는 지금 CCUS 기술을 기반으로
저탄소 친환경 경제구조를 만든다

  • 글 이유아, 김경택, 최지영, 안지석, 유란 (한국에너지기술연구원 정책연구실)

최근 세계 각국은 탄소중립 목표 선언과 함께 저탄소·친환경 경제구조로 전환 중이다.
전 세계적으로 탄소중립 논의가 확산하면서 배출이 불가피한 이산화탄소 처리를 위한 CCUS의 중요성이 커지고 있다.

CCUS?

CCUS(Carbon Capture, Utilization & Storage) 기술은 화력발전, 철강산업, 시멘트산업, 석유화학산업과 같이 화석연료의 연소 및 특정 공정 중 발생하는 Co₂를 포집하여 저장 및 활용하는 기술이다. IEA는 2050 글로벌 탄소중립 시나리오에서 CCUS 기술의 기여도를 CO₂ 총 감축량의 18% 수준, EU의 2050 탄소중립 시나리오에서는 27% 수 준으로 분석했다. 그만큼 CCUS는 재생에너지, 수소, 전기화 등 다양한 기술과 함께 탄소중립 실현의 핵심적인 역할을 차지할 것으로 예상한다. 특히 CO₂ 배출이 불가피한 산업 부문 공정에 CCUS 기술을 적용함으로써 탄소중립을 위한 CO₂ 배출량 감축 목표를 달성할 수 있다는 측면에서 그 중요 성이 강조된다. 2050년에 LNG 발전과 전기화가 진행되더라도 공정 특성상 어쩔 수 없이 Co₂가 발생하는 철강, 시멘트, 석유화학산업에서 상당한 양의 이산화탄소가 배출될 것으로 전망되기 때문이다. 탄소중립을 실현하기 위해서는 이렇게 불가피하게 배출되는 이산화탄소는 포집하여 저장하 여야 한다. CO₂ 포집기술은 여러 물질이 혼합된 배가스에서 Co₂를 포집·분리하는 기술이다. CO₂ 포집·분리 공정의 위치에 따라 연소 후 포집, 연소 전 포집, 연료 연소에 공기 대신 산소를 이용하여 연소 후 순수한 CO₂ 분리가 가능한 순산소 연소로 구분한다. CO₂ 저장 기술은 포집한 Co₂가 대기 중으로 빠져나가지 못하도록 지중과 해저 등에 저장하는 것을 말한다. CO₂ 활용 기술은 포집한 Co₂를 화학적·생물학적 등의 변환 과정을 거쳐 잠재적 시장 가치가 있는 제품의 원료로 사용하는 기술로, Co₂를 바로 사용하는 직접 활용기술과 Co₂를 여타 유용한 제품으로 바꾸는 전환기술로 구분한다.

CCUS 정책 및 설비 현황

세계 각국의 LEDS(Long-Term Low Greenhouse Gas Emission Development Strategies, 장기 저탄소 발전전략)는 향후 탄소배출 감축을 위한 로드맵을 제 시하고 있다. 이 중, 독일은 주요 산업 부문의 생산 공정의 저탄소화를 위한 전략으로 CCUS 기술을 언급했다. 미국의 시나리오는 2050년 발전 비중을 재생에너지 55%, 원자력 17%, CCUS 기술이 연계된 화력발전 20% 수준으로 제시하고 있다. 일본 역시 CCUS 기술이 연계된 화력발전과 CCUS 기술을 적용한 산업 공급 원 료의 저탄소화를 언급하였으며, 영국은 산업 효율 증대를 위해 CCUS 기술을 적용할 예정이다. 해외 주요국은 CCUS 기술 상용화와 기술채택을 장려하기 위해 세제 혜택, 법률 개정, R&D 투자 등 다양한 정책수단을 도입·시행 중이다. 미국은 2018년부터 45Q Tax Credit을 통해 CCS 저장기준 $50/톤의 세제를 지원하여 관련 기업의 투자를 적극적으로 유치하고 있다. 우리나라는 기술개발을 위한 투자는 꾸준히 진행하 고 있으나, 세제 혜택 등 CCUS 기술 보급 활성화 및 상용화 촉진 관련 제도와 CCUS 산업 기반이 미비한 상황이다. 상용화 수준의 검증된 기술 및 사업모델이 없는 만큼, 적극적인 정책/제도적 뒷받침을 통해야만 기술개발 및 사업 활성화가 가능할 것으로 예상한다. 2021년 현재 각국에 65개의 상업용 CCS 설비가 가동되고 있으며 연간 40Mt/Co₂를 포집 및 저장한다. 2020년에만 17개의 신규 CCS 설비가 도입되었으며, 이 중 미국이 12개를 차지하며 글로벌 CCS 설비 시장을 선도하고 있다. 90년대 글로벌 경제위기 이후 이를 극복하는 과정에 CCUS 분야의 민간/공공부문 설비 투자 는 감소하였던 것으로 분석되며 그 결과 상업용 CCS 설비 용량은 2011~2017년 사이 감소하였지만 최근 3년간 다시 꾸준히 증가하고 있다. 유럽은 13개의 상업 CCS 설비를 운영 중이거나 초기 개발 중이다. 국가별로 소유한 시설 개수는 아일랜드 1개, 네덜란드 1개, 노르웨이 4개, 영국 7개다. 아시아 태 평양 지역은 10개의 상업 CCS 시설이 운영 중이거나 초기 개발 단계에 있다. 현재 운영 중인 대표적인 상업 CCS 설비 중 캐나다의 The Alberta Carbon Trunk Line(ACTL)은 세계에서 가장 큰 규모의 CO₂ 수송 인프라로 연간 14.6백만 톤 규모의 CO₂ 수송이 가능하다. 한편 호주의 The Gorgon Carbon Dioxide Injection Facility는 연간 4백만 톤의 Co₂를 지중 저장한다. 미국 텍사스에 위치한 Valero Energy Refinery의 스팀-메탄 개질기는 Co₂를 흡수하여 매일 500톤 규모의 수소를 생산하며, 2020년 4월 기준 6백만 톤 이상의 CO₂를 포집했다. 이 외에도 다양한 상업 CCS 설비들이 운영 중이거나 운영 예정이다.

CCUS 연구동향

국제적으로 CO₂ 포집시설과 CO₂ 저장소를 연계한 대규모 실증사업이 진행되고 있으며, 경제성 확보와 리스크 분산을 통해 CCS 보급을 확대하기 위한 CO₂ 허브· 클러스터 구축이 지속적으로 확대 중이다. CO₂ 포집의 경우 습식 포집 기술을 중심으로 공정규모를 격상하는 연구가 추진 중이며, 포집효율을 높이기 위한 소재, 공 정 관련 연구도 지속해서 진행되고 있다. CO₂ 저장의 경우 대규모 CCS 프로젝트가 북미, 유럽, 호주를 중심으로 확대되며, 수용성 확보를 위해 해양 지중저장 프로 젝트가 활발히 추진 중이다. CO₂ 활용의 경우 미국, 유럽을 중심으로 다양한 제품 및 공정 관련 연구를 진행 중이고 일부 전환 기술의 경우 제품화 및 상용화 단계에 진입했다. 국내에서는 CO₂ 포집시설과 관련하여 연소 배가스 대상 습식·건식·분리막 기술의 중규모 실증이 완료된 상황이다. 한국전력공사는 보령화력에서 10MWe급 습식 포집 실증을, 한국전력공사·한국남부발전·한국에너지기술연구원은 화동화력에서 10MWe급 건식 포집 실증을 수행하였다. 산업공정에서는 시멘트, 제철, 석유화학 분야 벤치급 실증을 추진 중이다. 한국에너지기술연구원은 시멘트산업, Rist에서는 제철산업과 연계한 습식 포집 실증을 추진 중이다. 연소 중 원천 분리 기술은 해외와 유사한 규모의 실증 연구를 수행하고 있다. CO₂ 활용의 경우 대부분 기술이 학계·연구계 중심의 기초·원천 연구단계이며, 일부 기술이 파일럿 실증 연구 중이나, 상용화 사례는 아직 없다. 한국의 CCUS 분야 정부연구투자비는 최근 2년간 550억 원 수준을 유지하며, 기초-응용-개발 연구단계별 투자비중이 약 1:1:2로 나타난다. 한국과학기술기획평가원(KISTEP)이 실시한 ‘2020년 기술수준평가’ 분석에 따르면, 한국의 CO₂ 포집·저장·이용 기술 수준은 선도국가 대비 80%, 기술격차는 5.0년이다. CO₂ 포집 분야의 기술격차는 크지 않으나 CO₂ 저장 분야의 기술격차가 큰 것으로 나타났다. 이는 포항 CCS 현장 실증 프로젝트 중 단으로 인해 CO₂ 지중저장 관련 연구들이 중단 또는 축소되었고, 후속 연구 및 실증계획이 지연되어 선도국과 기술격차가 벌어진 것으로 분석된다. 또한, 과거 대비 연구비 총액이 감소 추세에 있으며, 경제성 확보 논리에 의해 다양한 기술 개발을 시도하지 못하고 있는 실정 역시 영향을 미친 것으로 사료된다. 본 보고서 작성 과정에서 CCUS 기술 수준 분석을 실시한 결과, 미국과 EU는 기술 수준이 비슷한 선도국가로 나타났다. 한국의 CCUS 기술 수준은 선도국가 대비 79.2%, 기술격차는 4.9년 수준으로 나타났으며, 특히 CO₂ 포집 분야 83.9%, CO₂ 저장 분야 75.0%, CO₂ 활용 분야 78.0%로 CO₂ 저장 분야의 기술 수준이 가 장 낮았다. 실증 및 상용화 프로젝트를 추진하거나 준비 중인 선도국들과 달리 한국은 파일럿 단계 실증을 준비 중이고 대규모 저장소가 확보되지 않아 저장소를 탐 색하는 상황임을 고려하였기 때문으로 분석한다.

각국의 CCUS 관련 정책
국가, 정책 및 제도, 내용
국가 정책 및 제도 내용
미국 45Q Tax Credit CO₂ 저장, EOR, CO₂ 활용(전환) 기술 등으로 처리·활용된
Co₂에 대한 세액공제 혜택 제공
EU Renewable Energy Directive Ⅱ CCU 연료를 의무사용 재생연료 범위에 포함
영국 Climate Change Act 2008 2050년 온실가스 순배출량 제로를 법정 목표화
호주 Offshore Petroleum And
Greenhouse Gas Storage Act 2006		 영연방과 호주의 관할 구역 경계 지역에 CO₂ 저장 허용 (2020년 개정)
국경 지역 CO₂ 저장 규제의 통합·간소화
중국 14.5 계획 및 2035 장기목표 2030년 NDC 이행을 위해 ‘’30년 이전 탄소배출 정점도달 행동 방안
제정’ 탄소포집·활용·저장 주요 시범프로젝트 추진

CCUS 산업 및 기술 이슈

2019년 전 세계 CO₂ 공급 및 수요는 290Mt/Yr에 이르렀다. 높은 CO₂ 공급 비중을 차지하는 산업은 암모니아(44%), 수소(16%), 천연가스 생산(16%) 등 고농도 Co₂를 배출하는 산업에 집중되어 있다. 수요 측면에서는 CO₂ 자체를 음식, 공정, 산업용 가스로 직접 이용하거나(14%), 메탄올(3%), 폴리카보네이트 등의 원료나 물질로 전환하여 사용하고 있다. 암모니아, 무기탄산염 산업은 발생하는 Co₂를 바로 공정에 활용하며, 그 비중은 전체 CO₂ 수요의 70%에 이른다. CCUS 기술의 대표적 이슈 중 하나는 CO₂ 포집 비용이다. 산업 특성에 따라 배출되는 CO₂ 농도와 그 양이 차이를 보인다. 바이오매스로부터 에탄올을 생산하는 공정은 95% 이상, 수소와 암모니아 생산 공정은 70~95%의 고농도 Co₂를 배출하는 반면, 발전 분야는 그 농도가 4~17%로 매우 낮다. 석탄발전은 연간 CO₂ 배출량이 9.1GtCO₂/Yr 이상으로 가장 많지만, 농도가 매우 낮아 포집이 어려워, CCUS 기술을 현실화하기 위해서는 포집 비용을 줄이는 기술 개발이 필수적인 상황이다. 낮은 비용으로 포집이 가능한 고농도의 CO₂ 배출원인 에탄올, 수소, 암모니아의 CO₂ 배출량은 석탄발전의 0.03배 정도 수준이다. 이뿐만 아니라 CCUS 기술 개발을 위해서는 다양한 기술적 이슈들이 산재해 있다.

CCUS 기술, 우리나라의 미래를 열 것

IEA는 향후 10년이 탄소중립 실현을 위해 매우 중요하며, 미래 대규모 CCUS 배치를 위한 토대를 마련하기 위해서는 CO₂ 저장 및 혁신에 대한 지원이 시급히 필요 하다고 언급했다(IEA, Energy Technology Perspective 2020). 아쉽게도 우리나라는 다양한 장애 요인으로 인해 CCUS 대규모 실증사업조차 구체화하지 못하 는 상황이다. 우선 시장 실패로 인해 CCUS 시장이 자생하지 못하는 데다 정부의 정책적 지원도 부족하고, CCS 실증사업 경험 부재로 노하우 역시 부족하며 포집 한 Co₂를 석유회수증진(EOR, Enhanced Oil Recovery)과 같은 경제적인 방법으로 저장하는 것이 불가능하다(CO₂ 지중저장 실증사업은 포항지진 발생 이후 사 업 중단 및 백지화된 상태였으나, 최근 정부 발표(’21.04.08)에서는 안전성이 확보된 동해가스전을 활용한 중규모 통합 실증사업을 통해 ’25년부터 이산화탄소 총 1,200만 톤(연간 40만 톤 급)을 저장하는 포집·수송·저장 전주기 기술 고도화 계획을 발표하였다.). CCUS보급을 현실화하기 위한 문제는 ‘비용’이다. 현재의 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 비용은 100달러/톤-CO₂ 수준으로 아직 비싸다. 또한, 국내에는 이산화탄 소 저장을 위한 장소가 아직 확보되지 않아 국내는 물론 해외와 연계하여 저장소를 확보하는 전략적인 노력이 필요하다. CO₂ 활용기술의 경우, 실제적인 온실가스 감축 기여도 측면에서 다소 불확실성이 존재하고, Co₂를 제품으로 전환하는 데 필요한 에너지 확보, 활용 가능한 제품의 시장 규모나 기존 제품과의 경쟁력 측면에 서 적지 않은 어려움이 있다. 하지만, 탄소중립 기술 중 하나로써 모든 기술적 방안을 동원하여 온실가스를 감축하고 이익 창출이 가능한 기술을 확보할 수 있도록 노 력할 필요가 있다. 이러한 상황을 고려했을 때, CCUS 관련 정책은 민간을 비롯한 다양한 분야의 결정과 조정을 잘 반영한 정책이 필요하고, 현재 시장이 제한적인 만큼 한국을 넘어 해외 기업을 대상으로 하는 기술 개발 및 사업화 방향도 고려해야 한다. 또한, 우리나라의 CCUS 기술 보급을 가속하기 위해서는 국내·외 시장 형 성 및 개척을 위한 단계적인 체계를 설계하는 정책과 그에 맞는 투자 동인을 마련해야 할 것이다.

CCUS 기술 이슈

  • CO2 포집

    공정 격상 탄소중립을 실현하기 위해서는 대규모 CO₂ 감축이 필요한 상황이나, 주요 선진국과 비교 시 CO₂ 포집설비의 규모가 상대적으로 작은 수준 다양한 산업공정 포집기술 탄소중립을 실현하기 위해서는 발전산업 외 시멘트, 철강, 석유화학, 정유 등 온실가스 다 배출 산업에서 CO₂ 포집기술 적용이 필요하 나 관련 기술개발이 미비한 실정 경제성 확보 높은 CO₂ 포집비용으로 인해 정부의 정책적· 제도적 지원 및 기술개발 투자가 지속적으로 필요한 상황이며, 관련 시장이 자생하기 위해 서는 경제성을 높이기 위한 노력 필요

  • CO2 저장기술

    저장소 탐사 및 확보 탄소중립을 실현하기 위해서는 포집된 CO₂ 를 저장하기 위한 대규모 저장소가 필수적으 로 필요하나 국내의 경우 저장소 확보가 미흡 한 실정이며, 실증 경험도 부족한 실정 독자기술 개발 선도국의 경우 대규모 CCS 실증 프로젝트 수 행을 통한 원천기술 및 노하우를 확보한 상황 이나, 국내의 경우 CO₂ 저장 관련 기술 확보 가 미흡하고 개발된 기술에 대한 실증 경험이 부족한 실정

  • CO2 활용기술

    공정 격상 주요 선진국에서는 화학전환 및 광물탄산화 관련 일부 기술이 제품화 단계에 진입하였으 나, 한국의 경우 대부분 기초·원천 연구단계 및 파일럿 실증 연구 수준에 불과한 실정 경제성 확보 CO₂ 전환 제품은 대부분 열역학적 한계로 기 존 석유화학 기반 제품보다 가격이 높아 경제 성이 부족한 실정이며, 상용화를 위해 대규모 실증이 필요하나 대규모 투자비용 및 리스크 로 인해 기업의 자발적 참여가 부족. Co₂를 전환하는 데 필요한 H₂, 저비용에너지 조달 방안 확보 필요