‘이산화탄소 재활용하는 CCU 기술의 개발 빨라지고 있다’

지구온난화의 주범 이산화탄소를 바라보는 시각이 달라지고 있다. 이산화탄소를 단순히 버려지는 물질이 아닌 유용한 자원으로 재활용하는 CCU 기술의 개발이 빨라지고 있다. 특히 인공 광합성을 통해 연료로 전환하는 기술은 가장 친환경적인 미래 기술로 부각되고 있다. 선진 국가들이 범정부 차원에서 지원하는 가운데 화학 기업들을 중심으로 CCU 사업화 확대가 주목된다.

화석연료 사용에 따라 배출되는 이산화탄소는 지금까지 폐기물에 지나지 않았다. 기껏해야 이산화탄소를 드라이아이스나 탄산음료의 원료로 사용하는 정도가 재활용의 전부였다. 이산화탄소를 포집해 쓰레기와 같이 지하에 매립하는 CCS(이산화탄소 포집 및 저장, Carbon Capture and Storage)가 온난화에서 지구와 인류를 구할 수 있는 궁극적인 대안으로 제시되기도 했다. 그런데 최근 이산화탄소를 바라보는 시각이 달라지고 있다. 단순히 버려지는 물질이 아닌 하나의 유용한 자원으로 바라보기 시작한 것이다. ‘이산화탄소 처리=비용 부담’이라는 기존의 인식을 깨고 이산화탄소를 고부가가치의 원료나 친환경적인 연료로 전환하는 노력이 시도되고 있다. CCU(이산화탄소 포집 및 재활용, Carbon Capture and Utilization)기술이 환경 문제 해결과 수익 창출의 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 대안 중 하나로 주목받고 있다.

CCS의 한계 및 CCU의 대두

2010년 기준 전세계 이산화탄소 배출량은 약 330억 톤으로, 이 가운데 발전소에서 배출된 이산화탄소가 40% 이상의 비중을 차지한다. 화석 연료에 절대적으로 의존하고 있는 에너지 구조를 단기간 내에 바꾸기 어려운 상황에서 이산화탄소 배출은 증가할 수밖에 없다. 발전소, 제철소 등 주로 대량의 이산화탄소 배출원에 적용될 수 있는 CCS는 구현될 경우 기존의 에너지 구조 하에서도 단번에 이산화탄소를 제거할 수 있는 효과적인 방법임에 틀림없다. 이러한 장점에도 불구하고, 저장과 관련한 문제점들로 인해 CCS가 과연 실제로 구현 가능할 것인지 의문이 제기되고 있다.

우선 현실적으로 접근 가능한 저장 장소가 제한적이다. 저장 능력 및 안정성 측면에서 적합한 장소로는 지하 약 1,000m 깊이의 대염수층 및 석유/가스층, 석탄층 등이 있다. 그러나 이들 장소는 대부분 이산화탄소 발생원과 상당히 멀리 떨어져있어 접근성이 극히 낮다. 두 번째로, 비교적 접근 가능한 지역에 저장능력이 충분한 안정적 저장 공간이 존재한다 하더라도 정치적 이슈가 여전히 걸림돌로 작용할 가능성이 높다. 일정하게 흘러나오는 대량의 이산화탄소를 운송해야 하는 만큼 이산화탄소 저장을 위해서는 장거리의 파이프라인 구축이 불가피하다. 그런데 파이프라인 인프라 구축은 해당 지역 주민 및 정부의 이해관계, 이산화탄소 누출 리스크 등이 복잡하게 얽혀 추진에 난항이 거듭될 전망이다. 석탄화력이 전력생산의 큰 비중을 차지하고 있어 CCS 기술 개발에 적극적인 입장을 취해온 독일에서조차 CCS 시범 프로젝트 추진에 있어 정치적 이슈가 걸림돌이 되고 있다. 지난 4월 독일 정부가 발표한 이산화탄소 저장 테스트와 관련한 법안에서, 독일은 지방 정부로 하여금 실증 테스트에 대한 승인 여부를 결정할 수 있게 함으로써 CCS를 혐오시설로 인식하고 있는 지역 주민들의 손을 들어주었다. 독일의 유명 시사주간지 Spiegel은 법안 발표 뉴스 보도와 함께 “기술적인 측면에서 CCS는 비록 당장은 아닐지언정 이산화탄소 배출을 저감시켜줄 수 있는 밝은 미래가 기대되고 있지만, 정치적 측면에서는 이미 지난주에 과거가 되었다” 라고 언급했다.

이렇듯 CCS 기술이 테스트조차 되어보기 전에 브레이크가 걸릴 가능성이 높아짐에 따라 이산화탄소 처리에 대해 다른 방식의 접근이 시도되고 있다. 막대한 탄소 자원의 원천이 될 수 있는 이산화탄소를 쓰레기처럼 묻어버릴 것이 아니라 재활용하는 방법을 찾기 시작한 것이다. CCS와 같이 한번에 다량의 이산화탄소를 처리하기는 어렵겠지만, 입지 조건에 대한 제약이 적고, 비용 발생이 아닌 수익 창출이 가능하고, 재활용을 통해 대체 화석 연료로 전환할 수도 있다는 점 등에서 CCU가 주목 받고 있다.

혁신적 CCU 기술에 대한 연구 개발 활발

CCU란 이산화탄소를 포집해 이를 고부가가치의 제품으로 재활용하는 기술이다. 그런데 이산화탄소의 재활용 방안을 모색하는데 있어서는, 반드시 충족되어야만 하는 몇 가지 핵심 원칙들이 있다. 첫 번째로, 이산화탄소를 재활용하는 새로운 공정은 전체 가치사슬 과정에서 총 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있어야 한다. 두 번째로, 이산화탄소를 재활용하는 새로운 공정이 기존 대체 공정 대비 에너지 및 자원 사용량을 줄일 수 있어야 한다는 점이다. 실제로 이산화탄소는 화학적, 열역학적으로 매우 안정한 물질로, 이를 물리화학적으로 변환하기 위해서는 많은 에너지를 필요로 한다. 이산화탄소가 주로 1,000℃ 수준의 발전 과정에서 배출되는 물질임을 생각해볼 때, 동일한 열화학적 방법으로 이산화탄소를 변환시키려는 시도는 에너지 문제 해결에 역행하는 방식일 가능성이 높다. 이와 같은 방식은 원천적으로 CCU의 범위에서 제외되어야 할 것이다. 세 번째로, 이산화탄소를 재활용하는 새로운 공정은 보다 친환경적이며 안전한 작업 조건을 지녀야 하며, 마지막으로 경제성 확보가 가능해야 할 것이다. 이와 같은 네 가지 전제 조건 하에서 혁신적인 CCU 기술에 대한 연구 개발이 활발하다.

화학 제품의 원료로 활용

최근 활발히 연구되고 있는 CCU의 주요 분야들을 생산 제품 측면에서 분류해보면 크게 세 가지로 구분할 수 있다.

첫 번째로 이산화탄소는 화학 제품의 원료(Feedstock)로 활용될 수 있다. 현재 대부분의 화학 제품들은 석유를 원료로 사용하고 있으며, 생산 과정에서 다량의 이산화탄소가 배출된다. 따라서 이산화탄소를 화학 제품의 원료로 활용할 경우, 이산화탄소 배출 저감 효과뿐만 아니라 석유 원료 사용량 또한 줄일 수 있다.

이산화탄소 활용이 빠르게 적용되고 있는 화학 제품은 주로 카보네이트(Carbonate) 계열인데, 이는 이산화탄소의 구조가 카보네이트 구조와 유사해 이산화탄소의 분자 구조를 거의 그대로 화학반응에 활용할 수 있기 때문이다. 이산화탄소 삽입(Insertion)이라고도 불리는 이 반응은 이산화탄소 분자를 인위적으로 깨지 않아도 되기 때문에 고온 고압의 고에너지 소모 조건이 요구되지 않는다. 이산화탄소를 활용한 카보네이트 제품 생산 공정은 기존 공정 대비 폐수 및 부산물 발생이 거의 없어 더욱 친환경적이다. 수요 측면에서도 2차 전지와 연료전지용 전해질 물질로 사용되거나 단열재 등 다양한 용도에 사용되는 폴리우레탄의 전구체로 사용될 수 있으며, LCD 제조 공정에서 세척제나 대표적 엔지니어링 플라스틱인 폴리카보네이트의 원료로도 이용될 가능성이 있어 높은 부가가치 창출이 기대된다.

재생/바이오 연료로 전환

이산화탄소를 생물학적으로 고정(Fixation)하거나 인공광합성(Artificial photosynthesis) 과정을 통해 연료로 전환(Conversion)하는 분야는 CCU 가운데 가장 주목 받는 분야 중 하나이다.

먼저 생물학적 고정은 자연계에 존재하는 다양한 생물들로 하여금 이산화탄소를 흡수하여 생장하도록 하는 방식이다. CCU로서 실효성있는 생물학적 고정으로는 이산화탄소 흡수와 생장이 빠른 클로렐라, 플랑크톤 등 미세 조류를 활용해 바이오 디젤을 생산하는 방안이 각광받고 있다. 미세 조류를 활용할 경우 배가스에서 고순도의 이산화탄소를 분리하지 않고 그대로 활용할 수 있고, 바닷물, 폐수 등 거의 모든 물을 활용할 수 있으며, 재배 주기가 약 하루로 짧다는 점에서 여타 육상 및 해양 생물 대비 유용하다. 현재 미세조류 1톤의 이산화탄소 흡수 능력은 1.8톤에 달하나, 전체 가치사슬상의 이산화탄소 배출량 감안시 바이오매스 1톤당 이산화탄소 순감축량은 0.5톤 수준으로 추산되고 있다. 이산화탄소 순감축 효과를 향상시키기 위해 생산능력이 높은 미세 조류 균주 개발, 필요 부지 면적을 획기적으로 줄일 수 있는 광생물 반응기 등 혁신적 조류 재배 시스템에 대한 연구가 미국, 유럽을 중심으로 활발히 진행되고 있다.

다음으로 자연의 이산화탄소 활용 과정에 착안한 인공광합성 방식으로도 연료 생산이 가능하다. 자연계에서는 이미 수천만 년 동안 광합성을 통해 물과 이산화탄소로 포도당을 만드는 등 이산화탄소 균형을 유지하기 위한 탄소 사이클(Carbon Cycle)이 존재해왔다. 인공광합성은 나노구조의 광촉매를 활용해 물을 분해하고 이를 통해 얻어진 수소를 이산화탄소와 반응시킴으로써 포도당 대신 메탄올 등의 물질을 합성하는 기술이다. 이 과정은 외부로부터의 추가적 에너지 투입 없이 태양 에너지와 물, 이산화탄소만으로 이루어질 수 있다는 점에서 가장 친환경적인 미래 기술로 부각되고 있다. 미국에서는 로렌스 버클리 국립연구소와 캘리포니아공대를 중심으로 인공광합성공동연구센터(JCAP, Joint Center for Artificial Photosynthesis)를 설립해 미국 에너지성의 지원 하에 2015년까지 프로토타입 개발 완료, 2020년까지 상용화를 목표로 이산화탄소를 연료로 전환하는 기술을 연구하고 있다.

광물탄산화를 통해 건축 자재 생산

생체모방적(Biomimetic) 이산화탄소 전환 방식을 통해 건축 자재를 생산할 수도 있다. 바다 속 산호, 조개가 이산화탄소를 포착해 석회석 등의 광물질을 만들어내는 과정을 흉내 낸 광물탄산화(Mineral Carbonation) 기술은 이산화탄소 배출이 많은 기존의 시멘트 생산 공정을 대체할 수 있다는 점에서 관심이 주목되고 있다. 기존의 시멘트 생산 공정에서는 원료의 화학 반응 및 고온의 가열을 위한 연료 사용 과정에서 시멘트 1톤당 평균 약 0.9톤의 이산화탄소가 발생된다. 시멘트 산업은 발전에 이어 두 번째로 이산화탄소를 많이 배출하는 분야이다. 그러나 이산화탄소를 칼슘염, 마그네슘염과 같은 광물질과 반응시켜 시멘트를 생산하는 공정은 이산화탄소를 소모할 뿐 아니라 화학반응상 발열반응으로서 열회수 장치가 추가될 경우, 추가적으로 에너지를 생산할 수도 있다. 현재 반응 속도를 향상시키는 문제가 기술적 과제로 남아있어 반응 과정 중 발생되는 열에너지를 활용해 반응 속도를 높이는 기술 등이 활발히 연구되고 있다. 영국의 Novacem은 세계 최대 석탄 기업 Rio Tinto 및 영국 최대의 건설사 Laing O’rourke와 파트너쉽을 통해 이산화탄소 시멘트 개발 및 상용화에 앞장서고 있다. Novacem의 이산화탄소를 활용한 시멘트 생산 기술은 전 생산 과정을 통틀어 순 이산화탄소 배출량이 시멘트 1톤당 약 -0.6톤으로 기존 공정의 대체 효과까지 감안한다면 이산화탄소 감축 효과가 1.5톤에 이른다. 광물탄산화 방식은 용광로나 화력발전소 설비에 접목시켜 슬래그나 석탄재 등의 부산물을 활용할 수 있는 등의 장점이 있어 기술이 성숙될 경우 빠르게 기존 시멘트 생산 공정을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

종합적으로 살펴볼 때, 상용화 측면에서는 화학 제품의 원료로 사용하는 방식이 가장 상용화에 근접해 있으며, 이산화탄소 저감 효과 및 미래 시장 성장성 측면에서는 연료 분야의 파급력이 클 것으로 기대된다. 일부 화학 제품 원료로의 활용 방안은 고순도의 이산화탄소가 확보된다면 당장이라도 사업화가 가능한 수준으로 기술이 개발된 상태이다. 그러나 화학 제품 원료로의 활용은 전세계 이산화탄소 저감 효과 측면에서는 한계가 있을 것으로 분석되고 있다. 현재 개발된 이산화탄소 플라스틱의 경우 질량 측면에서 이산화탄소의 비중이 약 50% 수준인데, 화학 제품의 원료를 모두 이산화탄소로 활용한다고 가정하더라도 이산화탄소의 감축 효과는 전세계 이산화탄소 배출량의 10%를 넘지 못할 것이다. 반면 인공광합성 등 오직 이산화탄소와 물만을 사용해 메탄올이나 수소 등 에너지 밀도가 높은 연료를 생산할 경우 거의 Zero Carbon-emission 수준에 도달할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

화학 기업들, CCU 사업화에 적극적

CCU는 환경 문제 해결과 더불어 신수익원을 창출할 수 있다는 점에서 많은 기업들이 연구 개발에 관심을 보이고 있다. CCU에는 다양한 기술 역량이 요구되는데 특히 촉매화학, 광화학, 바이오 등 화학적 역량이 크게 필요해 선진 화학 기업들이 기존의 역량을 바탕으로 혁신적 CCU 기술 개발에 적극적으로 나서고 있다. 이들은 다양한 CCU 분야 중 특히 주로 인공광합성을 통한 연료 생산과 이산화탄소를 원료로 한 플라스틱 개발에 주목하고 있으며, 기술 개발과 더불어 발전/엔지니어링 기업들과의 협력을 통한 효과적인 비즈니스 모델을 구축하기 위해 노력하고 있다.

Bayer는 석탄발전소에서 배출되는 이산화탄소를 포집해 폴리우레탄 전구체를 생산하는 “Dream Production” 프로젝트를 추진하고 있다. 2015년 상업화를 목표로 유럽 최대 전력기업 RWE 및 Siemens 등과의 협력을 통해 지난 2월 파일럿 설비 가동을 시작했다. RWE의 석탄화력발전소에서 공급된 이산화탄소는 Bayer의 혁신적 촉매를 통해 폴리카보네이트 계열의 화학제품으로 전환되고, 이는 Bayer의 기존 폴리우레탄 생산 설비에 투입되어 단열재 등의 소재로 활용된다. DSM은 이산화탄소 기반 폴리카보네이트 제품 생산 기술을 보유한 Novomer와 공동으로 친환경 코팅소재를 개발 중이다. 자회사인 DSM Venturing을 통해 2007년 이산화탄소 플라스틱 기술을 개발해온 Novomer에 투자했으며, 기술 효과성이 입증됨에 따라 Novomer의 이산화탄소 플라스틱 수지를 코팅소재 등 다양한 어플리케이션에 활용하고자 제품 개발에 나서고 있다. DSM의 최고혁신책임자(Chief Innovation Officer) Rob van Leen은 “Novomer의 기술에 기반한 새로운 코팅소재는 비용, 환경, 성능의 측면에서 기존의 방식대비 우월하므로 점차 기존의 소재와 방식을 대체하며 코팅산업을 변화시킬 수 있을 것으로 기대한다. 이러한 혁신은 DSM의 인간, 지구, 경제적 이익에 대한 접근 방식에 완벽히 부합한다.”고 밝히며 이산화탄소를 활용한 신공정 및 신제품 개발에 적극적인 관심을 드러냈다.

세계 최대 화학기업 BASF는 광촉매 과정을 통해 태양에너지로 이산화탄소를 물과 반응시켜 메탄올을 생산하는 ‘Solar2Fuel’ 프로젝트를 추진하고 있다. 독일 연방 교육연구부(BMBF)로부터 2년간 1백만 유로 이상을 지원 받게 될 이 프로젝트에는 BASF를 중심으로 독일 3위의 전력 기업 EnBW(Energie Baden-Württemberg AG)사, 하이델베르그 대학(Heidelberg Univ.) 및 카를스루에 공대(KIT)가 참여하고 있다. BASF는 나노테크놀로지, 촉매기술, 소재기술을 바탕으로 발전 및 석유화학 플랜트에서 배출되는 이산화탄소를 재활용해 재생에너지로 전환하는 혁신 공정을 개발하고 있으며, EnBW는 발전소 배가스에서부터 생산된 메탄올의 사용과정까지 가치사슬의 전 과정에 걸쳐 에너지, 이산화탄소 배출, 비용의 투입/산출에 대한 분석을 담당하고 있다.

미쯔이케미컬 또한 자체 석유화학플랜트에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 수소와 반응시켜 메탄올을 생산하는 기술을 개발해 오사카 콤플렉스 내 파일롯 테스트를 완료했다. 일본은 1990년에 지구 환경을 복원하기 위한 100년 계획 “New Earth 21”을 추진하기 위해 경제산업성(METI) 산하 지구환경산업기술연구소(RITE, Research Institute of Technology for Earth)를 설립해 다양한 환경 기술을 연구해왔다. 미쯔이케미컬은 RITE 프로젝트를 통해 이산화탄소로 메탄올을 생산하는 기술을 확보했으며, 현재 대량의 수소를 확보하기 위해 인공광합성 기술을 개발 중에 있다. 또한 상업적 규모로 양산하기 위해 제철, 발전 기업들과의 협력 모델을 검토 중에 있다.

CCU, 주요 이산화탄소 저감 방안으로 자리매김할 전망

지난 1월 새해 국정연설에서 미국의 오바마 대통령은 청정 에너지 분야에 대한 2011년판 아폴로 계획을 제시하며 인공광합성을 통해 이산화탄소를 연료로 전환하는 기술을 첫 번째로 언급했다. 아폴로 계획은 냉전시대 우주 경쟁에서 승리하기 위한 미국의 야심 찬 달탐사 계획이다. 기술 혁신의 측면에서 과거 냉전시대에 전세계가 우주 기술 경쟁에 몰두했다면, 금융위기 이후 세계는 바야흐로 에너지/환경 기술 경쟁에 돌입했다 해도 과언이 아니다. 달에 사람을 보냄으로써 소련에게 밀리던 미국의 경쟁력을 완전히 회복시켰던 것처럼 혁신적 에너지/환경 기술 개발을 통해 미국 미래의 청사진을 그리겠다는 것이다. 한편 독일 연방 교육연구부 의원 Thomas Rachel은 Bayer의 이산화탄소 플라스틱 파일럿 설비 가동식에 참석해 “이산화탄소를 바라보는 시각이 획기적으로 바뀌어야 할 것” 이라고 강조하면서 독일 정부는 이산화탄소를 쓰레기가 아닌 원료로 인식해 재활용하는 방안들을 적극적으로 지지한다고 말한 바 있다.

이처럼 이산화탄소를 재활용해 고부가가치를 창출하는 CCU는 선진국가들이 범정부 차원에서 지원하는 가운데 많은 기업들이 기술 개발에 참여하고 있지만, 각기 해결해야 할 과제들이 아직 많이 남아있다. 이산화탄소가 화학 제품의 원료로 활용되기 위해 혁신적인 촉매 개발이 지속적으로 이루어져야 하며, 상업적 규모로 인공광합성을 구현시키기 위해서는 나노테크놀로지에 기반한 나노 촉매, 나노 분리막 등의 개발과 더불어 태양으로부터의 빛 에너지를 효과적으로 활용하는 다양한 기술 기반이 확립되어야 할 것이다. 또한 미생물이나 효소를 활용하는 경우 반응 속도에 대한 획기적 발전 없이는 상업적 이용이 불가능할 것이다.

이산화탄소 문제 해결과 성장, 그 어느 하나도 포기할 수 없는 상황에서 “녹색성장”은 전세계적 화두가 아닐 수 없다. 이산화탄소 문제 해결에 있어서 효율성 향상, 신재생에너지 개발, CCS, CCU, 그 어떤 것도 한가지로서 만병통치약이 될 수는 없을 것이다. 그러나 점차 이산화탄소 문제를 해결하는 방안이 진화하고 있으며, 진화의 방향은 보다 효과적이고 안전하며 동시에 새로운 가치를 창출하는 길이 될 것이다. 이산화탄소 포집이 기술측면에서는 가시적인 성과를 보이고 있으나 규제측면에서 아직까지 시급히 의무화해야 하는 상황이 아닌 만큼 기업 입장에서 대규모 이산화탄소 포집을 위한 설비투자를 서두를 이유는 없을 것이다. 그러나 환경 규제 강화에 따라 이산화탄소를 포집해 처리해야 하는 경우, CCU의 적용이 빠르게 확산될 전망이다. 대부분의 CCU 기술은 CCS 대비 입지에 대한 제약 조건이 적고, 다양한 방식으로 이산화탄소 배출원에 접목되어 활용될 수 있어 발전, 제철, 화학, 시멘트 등 많은 산업 분야에서 적합한 이산화탄소 저감 방안으로 채택될 가능성이 높다. 더욱이 이산화탄소가 재활용되어 생산된 제품을 통해 부가가치를 창출할 수 있다는 측면에서 기업들의 관심이 높다. 이에 많은 화학 기업들이 미래 환경 규제 강화에 대응하여 혁신적 CCU 기술 개발을 통해 진화의 흐름에 앞장서고 있다. 환경 규제에 앞서 대응함과 동시에 기술 기반 신사업 기회로서 CCU에 대한 검토가 필요한 시점이다.