[투데이에너지 홍시현 기자] CCU(Carbon Capture and Utilization, 이산화탄소 전환·활용)란 CO₂를 단순히 포집할 뿐 아니라 유용한 자원으로 재활용해 부가가치가 높은 물질(Value-added Compounds)로 전환하는 기술로 현재 CCS(Carbon Capture and Storage, 이산화탄소 포집 및 저장기술)에 비해 기술 성숙도는 낮으나 최근 기술의 유용성으로 인해 연구가 활발히 진행 중에 있다. CCU분야는 크게 화학적 전환, 생물학적 전환, 직접 활용으로 구분할 수 있고 기술적 범주를 촉매, 전기화학, 바이오공정, 광활용, 무기(탄산)화, 폴리머 등으로 구분 지을 수 있다.
한국건설생활환경시험연구원(원장 김경식, 이하 KCL)이 지난 2월 전남 여수시 삼동국가산업단지에서 국내 최초로 CO₂ 전환·활용을 통한 온실가스 감축 및 신소재 및 제품의 시험평가가 가능한 ‘CO₂ 고부가가치 사업화 플랫폼 구축사업’ 기공식을 개최했다.
이번 사업은 산업통상자원부 소재부품산업 거점기관 지원사업의 일환으로 온실가스 감축 및 탄소자원 선순환 등 기후변화에 대응할 수 있는 기술주도형 고부가가치산업인 CO₂전환·활용산업을 국가 미래 신성장동력산업으로 육성하기 위해 추진됐다. 이 사업을 통해 CO₂전환·활용제품의 시험·평가·인증과 기술지원 기반 조성을 위한 센터, 장비 및 기업지원 체계를 구축하게 된다.
정부도 서서히 CO₂전환·활용산업에 속도를 내고 있다. 이번 기획에서는 해외 CO₂ 활용과 국내 CO₂활용 그리고 제도적 보완에 대해 알아보고자 한다. /편집자 주
■ 해외 CO2 활용 상황
◆ CO₂ 화학적 전환기술
CO₂화학적 전환기술은 발전소, 제철소 및 석유화학공단에서 대량 발생되는 CO₂를 촉매·광전기 등을 이용한 화학적 전환을 통해 고부가가치 화학제품을 생산하는 기술이다. 포집·분리된 CO₂를 원료로 화학 촉매 등을 이용해 유기산·플라스틱 원료 등을 생산한다.
해외에서는 CO₂ 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 미국, 독일, 일본 등은 이미 CCU의 연구개발에 투자 중이다. 특히 독일은 해당분야를 선도 중이며 현재 연방자금이 CCS에서 CCU로 이전된 상태이다.
미국 에너지부(DOE)는 CO₂전환기술을 미래 기술로 선정해 많은 R&D 투자를 지원하고 있다. 특히 민간 기업의 적극적인 CCU기술개발을 추진 중이다.
독일 BASF社는 석유화학 플랜트에서 방출되는 CO₂를 활용한 연료 물질 및 메탄올 생산 공정을 연구 중이다. Bayer Material Science社는 RWE Power社, 아헨 공과대학 CAT촉매 연구센터 등과 공동연구를 통해 화력발전소에서 포집된 CO₂를 폴리우레탄으로 전환하는 연구를 수행했다.
일본은 민간 기업을 중심으로 일부 대학과 연구기관에서 CO₂전환 연구를 수행 중에 있다. 미쯔이케미컬社는 석유화학 플랜트에서 방출되는 CO₂를 포집해 수소와 반응시키는 메탄올 생산 기술을 개발 중에 있다.
중국은 국가 주도의 CO₂전환 기초 연구개발, 파일럿 및 실증 프로그램 추진 전략을 수립하며 영역을 넓혀가고 있다. CAS 상하이 유기화학 연구소가 2013년 CO₂로부터 금속 유기 루테늄 촉매를 사용해 메탄올과 에틸렌글리콜을 합성하는 새로운 프로세스를 개발했다. 세계 각국의 CO₂연구는 일부 성과를 거두고 사업화가 진행되고 있다.
아이슬란드 Carbon Recycling International(CRI 社)은 지열발전소로부터 재생에너지 및 이산화탄소 등을 공급받아 이산화탄소와 수소를 이용해 메탄올을 생산 중이다.
◆ CO₂ 광물 전환기술
CO₂ 광물 전환기술은 산업·발전부산물, 폐지 등을 저농도 이산화탄소(약 13% 이하)와 직접 반응시켜 탄산염(CaCO₃ 등)을 합성하는 기술이다. 그린시멘트, 폐광산 탄산염 채움재, 친환경 고급용지, 친환경 건설소재 등 제품 생산에 활용한다.
미국, 핀란드, 일본 등의 국가에서 CO₂광물탄산화 관련 기초 연구를 대학 및 국가연구소 등에서 수행 중이며 각국의 지리적 여건에 따라 주 연구대상인 원료물질(미국/천연광물, 일본/산업부산물)이 다르게 진행되고 있다.
미국 MIT는 2010년 미래 10대 유망 기술로써 CO₂를 5% 감축할 수 있는 Green Concrete 기술을 선정해 연구를 수행했으며 표면 개질을 통한 다공성을 갖는 레진(resin) 혹은 폴리머 비드(polymer bead)를 불균일 촉매로 사용해 경도 유발 이온(Ca₂2+, Mg₂+, 기타 금속탄산염)을 제거해 연수화하는 기술을 개발했다.
핀란드 Aalto University는 2010년 철강슬래그를 이용해 간접탄산화법으로 CO₂를 고정하는 연구를 수행했다. 아보아카데미와 VTT 기술연구센터에서는 2005년부터 질산용액과 아세트산에서 CaCO₃ 등을 안정화시키고 CO₂ 탄산화를 통한 자원 회수와 장기 저장 연구를 추진했다.
이와 같은 연구를 통해 개발된 기술은 사업화를 목전에 두고 있다. 광물 탄산화에서 산업용 폐기물을 이용한 탄산염 무기물화는 상당 수 Test bed급 규모로 진행이 되고 있고 일부에서는 사업화가 추진되고 있다.
미국 Skyonic社는 2010년부터 DOE의 지원을 받아 SkyMine 프로젝트를 수행 중이며 텍사스 주 샌안토니오의 시멘트 공장에서 배출되는 CO₂를 활용해 중탄산나트륨, 염산, 표백제 및 염소 등을 생산 할 수 있는 CO₂ 광물화 플랜트를 착공했다. 플랜트의 규모는 가성소다와 연소배가스의 반응에 의한 CO₂ 직접 포집부분이 연간 약 7만5,000톤에 해당되나 저에너지 소비형 중탄산소다 생산을 통한 간접적인 CO₂저감(연간 약 22만5,000톤)을 고려 시 플랜트 운영을 통한 전체 CO₂저감량은 연간 약 30만톤에 해당된다.
호주의 대표적인 알루미늄 생산업체인 Alcoa社는 알루미늄 제조 공정 중 보크사이트(알루미늄의 주요광물) 잔여물 슬러리에 존재하는 알카라인모액(가성소다)을 활용해 CO₂를 처리함과 동시에 광물질이 풍부한 제품을 만드는 기술개발을 수행 중에 있다. 이와 관련해 호주 Kwinawa 공장에 CO₂ 처리규모 연간 약 7만톤인 CO₂ 광물화 플랜트를 2007년부터 운영 중에 있는데 보크사이트 잔여물과 반응을 위한 CO₂는 인근의 정유공장으로부터 공급된다.
■ CO₂고부가가치 사업화 플랫폼 필요성
우리나라도 CO₂ 활용에 관심을 가지며 CO₂ 관련 산업 활성화를 위해 CO₂ 고부가가치 사업화 플랫폼 구축에 나섰다.
CO₂고부가가치 사업화 플랫폼 구축사업은 중소·중견기업의 CO₂전환·활용 제품의 상용화를 지원하기 위한 전문센터(CO₂전환기술센터(가칭))를 신설해 시험·평가 장비 및 기업지원 체계를 구축하는 사업이다. 이 사업 수행을 통해 포집된 CO₂의 재활용산업을 미래 신성장동력산업으로 이끎과 동시에 고부가가치 사업이 가능한 Value Chain이 만들어 질 수 있도록 지원하고자 한다.
CO₂ 고부가가치 사업화 플랫폼 구축사업비는 총 220억원으로 국비 100억원, 지방비 80억원, 민자 40억원이 투입된다. CO₂전환기술센터는 전라남도 여수시 삼동지구 521-1번지 일원에 부지 면적 8,643㎡, 연면적 3,342.8㎡ 규모로 건설되며 주관기관은 KCL이며 참여기관은 한국화학연구원이다.
CO₂ 고부가가치 사업화 플랫폼 구축사업의 필요성은 우선 발전·사업부문 온실가스 감축이다. 지난 2016년 12월 국무회의에서는 ‘2030 국가온실가스감축 기본로드맵’ 계획을 수립해 2030년 국가온실가스 감축목표를 BAU대비 37%로 확정했다. 국내 감축분 총 219만톤(BAU대비 25.7%) 중 발전부문 64만500만톤(19.4%)과 산업부문(철강, 화학 등) 56만400만톤(11.7%)에 대한 감축할당 비중이 가장 높다. CCU기술은 해당 산업부문 온실가스를 산업·경제적 측면에서 효율적 감축이 가능한 분야다. 이로 인해 CCU기술이 부각되는 이유다.
최근 온실가스 배출 기업들이 CCU기술을 활용한 신규 사업을 활발하게 추진 중에 있다. 한국서부발전은 CCU기술을 적용해 중탄산나트륨의 실증플랜트를 가동 중이며 한국남동발전 하동화력은 미세조류 실증배양시설과 포름산 실증사업을 구축해 진행 중이다. 대우건설은 건설소재용 탄산칼슘을 생산하는 실증플랜트를 가동, 한국지역난방공사는 미세조류광배양시스템을 설치하는 등 CCU기술 관련 사업을 추진해 몇몇은 실증화 단계에 진입했다.
CO₂전환기술센터가 전남 여수에 들어선 것은 지역적 이점을 고려한 것이다. 전남은 산업부문 CO₂ 최대 배출원이자 CO₂를 고정 또는 전환할 수 있는 산업부산물, 부생가스가 풍부하다.
동시에 CCU기술 활용 가능한 철강·석유화학 제조업체가 밀집해 CCU산업의 경제성 확보가 용이한 이점이 있다. CCS 및 CCU기술 상용화의 가장 큰 장벽은 경제성 확보이며 기술적 한계를 제외하면 설비투자비와 운송비가 많은 부분을 차지한다.
세계적으로 CCU기술은 2020년을 기점으로 상용화 단계에 다다를 것으로 추정된다. CCU기술개발소재 및 활용 제품의 신뢰성 확보에 대한 수요가 동시에 증가할 것으로 예상되므로 CO₂전환기술센터의 구축을 통해 CCU기술 상용화를 지원해 국가 산업 경쟁력 확보가 기대된다.
CO₂전환기술센터는 CO₂전환·활용 기술, 소재 및 제품의 시험·평가·인증기반의 국가적 조기 조성을 통해 해외 시험·인증산업 선점으로부터 국내 산업 보호와 수출기업 지원 역할을 수행한다.
해외 유수 시험인증기관(SGS, Bureau Veritas, TUV 등)은 온실가스 감축에 민감한 산업을 지원하기 위한 Climate Bonds(국제적 비영리조직으로 기후변화 관련 채권이 기후변화 해결을 위해 적합하게 쓰이도록 관리하는 기구)의 규정 하에 기후변화 관련 기술에 대한 시험인증을 추진 중에 있어 제조업을 보호하고 글로벌 시장 선점을 위해 국내 CCU기술에 시험·인증 플랫폼의 구축이 시급한 실정이다.
■ 시험장비·지원 설비, 기술검증 기술 확보
◆ 시험장비 구축
CO₂고부가가치 사업화 플랫폼 구축사업을 통해 2021년 12월까지 CO₂ 전환·활용기술개발 지원 및 제품 성능평가를 위한 시험·인증·분석 장비 총 40종 39대(시제품제작지원설비 2종 1대 포함)를 구축한다.
CO₂ 광물 전환 관련 시험·분석 장비 구축을 위해 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM), 이온밀링시스템 등 표면구조분석 장비를 도입해 CO₂ 고정 광물의 표면, 계면 그리고 화학적 결합상태 등을 규명한다. 또한 만능재료시험기, 열분석시험기 등으로 CO₂ 고정 광물을 활용한 제품의 기계적 성질 및 성능 확인을 위한 물성 분석을 통해 제품의 시험·인증·평가를 진행한다.
CO₂ 화학적 전환 관련 시험·분석 장비로 유도결합플라즈마분광분석기(ICP-OES), 전자분광분석기(ESCA), 안정동위원소분석시스템 등을 도입해 CO₂ 전환기술 및 활용제품의 정성/정량 분석 등 화학적 특성 분석에 활용된다.
재활용환경성평가 관련 시험·분석 장비도 마련된다. CO₂ 광물 전환, 화학적 전환 활용제품 중 재활용품 대상 환경성평가를 위한 시험·분석 장비를 도입해 중소·중견기업이 생산한 제품의 사업화를 지원한다.
또한 수요자를 위한 CO₂전환 활용기술의 최종제품의 신뢰성 제고를 위해 제품의 품질 및 성능 기반 인증서비스 제공을 통한 중소·중견기업의 사업화에도 힘을 싣는다.
◆ 기업지원 체계
CO₂고부가가치 사업화 플랫폼 사업을 통해 개발된 기술 및 개발 기술의 시제품 제작 지원을 통해 지역 기업의 매출 및 고용 창출을 유도해 지역산업 활성화 및 세계화에 기여한다.
해외 최신기술의 선진도입을 통해 자료를 확보하고 기업의 연구개발활동을 위한 장비 지원, 기술자문 등 관련 서비스 제공으로 중소·중견기업의 금전적 부담을 최소화하고 CCU산업 확산에 기여할 수 있도록 할 계획이다.
표준화 체계를 마련해 CCU기술 관련 규격 제·개정 및 인증개발을 통해 중소·중견기업의 사업화 장벽을 해소하고 기술 경쟁력을 강화할 수 있다.
◆ 기술검증 확보
한국화학연구원은 지역별, 사업장별 에너지사용량, CO₂발생량 등 전과정평가목록(Life Cycle Inventory) 데이터베이스를 구축한다. 각각의 데이터베이스는 전과정목록분석에 이용되며 목록분석을 토대로 전과정평가(Life Cycle Assessment)를 진행한다.
한국화학연구원은 전북대학교 화학공학부 에너지공정공학연구실, (주)그린폴라리스과 함께 CO₂전환소재 및 활용제품의 전과정평가 기법을 구축하기 위한 사업을 추진 중이다.
전과정평가는 온실가스 전환기술이 정착되고 확대 보급되기 위해서는 물질 간 합성 전과정 그리고 사용 후 등 Life-cycle 전과정에 걸쳐서 LCA분석과 CO₂ 지표를 부여할 수 있는 기법이 필요하다.
전과정평가 결과를 바탕으로 CCU기술의 경제성 및 환경성을 검증하고 이를 충족시키는 비즈니스 모델 도출해 산업 전반으로 확대하게 된다. 지역별 비즈니스모델 및 CCU기술 확대로 생산된 제품의 검증은 센터에 구축된 장비 및 설비를 활용해 기존제품대비 CO₂전환소재 및 활용제품의 기능 혹은 성능이 동일한지 확인한다.
◆ 관련 기업 및 기대효과
전남 여수는 CO₂ 배출원과 활용산업이 인접해 CCU기술의 경제성을 확보하기가 용이하다. CO₂전환기술센터 구축 예정지는 미래부 ‘탄소자원화 국가전략사업’ 사업예정지인 묘도와 인접해 CCU산업의 집적화가 예상된다. 전남은 이를 통해 생산유발효과 283억원, 부가가치 유발효과 27억원, 고용창출효과 180여명의 경제성이 예상된다.
이러한 신규산업육성은 국가 온실가스 감축을 위한 국내 관련 기업 대상으로 CCU기술의 안정적인 도입을 지원해 신규 산업 육성을 통한 부가가치 창출 및 사회 효율성에 기여하게 된다. 국내 최초의 CO₂전환·활용 시험인증, 표준화 및 R&D 지원센터 구축을 통해 국내 CCU 산업을 선도하는 거점센터로서의 역할이 기대된다.
향후 경북 포항·울산권, 충남 보령·서산권, 강원 제천·단양권의 온실가스 및 산업부산물·부생가스 발생업체 대상 사업모델을 전파해 국가 온실가스 감축목표 달성 및 CO₂의 산업·경제적 활용 활성화가 예상된다.
CO₂전환·활용기술을 확보하고 상용화 할 경우 온실가스 감축을 통해 배출권구매에 소요되는 비용 절감 및 생산된 화학제품을 통해 총 16조3,000억원의 가치 창출이 기대된다. 2030년 에 CCU기술을 통해 연간 2,500만톤의 온실가스 감축과 탄소배출권 가격으로 환산 시 4,250억원에 상당하다.
또한 2030년도 연간 온실가스 및 부생가스 자원화 제품생산 13조6,000억원(부생가스 전환 : 9조6,000억원, CO₂ 광물화 : 4조원), 플랜트 수출 2조7,000억원이 예상된다.
■ 정부 정책과 민간의 참여 필수
CO₂ 고부가가치 사업화의 원활한 수행을 위해서는 정부의 제도적 장치와 민간의 적극적인 참여가 필수요건이다.
이를 위해서는 CCU기술 산업 정책 추진의 안정성 확보가 마련돼야 한다. CCU기술개발 종합계획 또는 산업 진흥을 위한 종합발전전략 수립 등을 통한 꾸준하며 일괄적인 정책 추진이 필요하다. 기술 범위 설정 및 기술개발 체계를 정립함과 동시에 분야별 구체적인 기술개발로드맵을 수립해 효율적인 기술개발 및 중장기적 지원이 이뤄질 수 있도록 정책적 지원이 있어야 한다. 시범사업 실시 및 시범 단지 구축 등의 보다 구체적인 상용화·산업 진흥 계획을 수립해 CCU기술 산업 전반에 대한 체계적이며 종합적인 정책이 추진돼야 한다.
CCU기술 상용화 및 확산 촉진을 위한 민간 투자 활성화를 위한 다각적인 방안이 검토돼야 한다. CCU기술 상용화 및 확산을 위한 지원책 마련으로 산업 주체를 CCU기술 산업에 끌어들일 수 있는 ‘인센티브제도’ 도입도 긍정적으로 고려해봐야 한다. 신재생에너지 상용화 및 확산 촉진을 위해 정부가 FIT, RPS 제도를 도입한 것과 유사하다.
CCU기술 및 제품 인증제도 마련을 통한 신뢰성 향상이 강구돼야 한다. 정부가 새로 개발된 CCU기술 및 제품에 대한 인증 부여를 통해 산업계의 신기술에 대한 불안감을 해소하고 시장의 신뢰성 확보가 가능하다.
이를 위해 전담기관 지정을 통해 CCU기술을 활용한 제품 및 기술에 대한 CCU 제품·기술 인증제도 등 국가 표준 제정으로 기술 및 제품에 대한 시장의 신뢰성을 높여야 한다. 인증을 획득한 기술 및 제품에 대해서는 공공부분에서 우선적으로 구매 활용할 경우 민간 상용화 촉진에 힘을 더할 것으로 기대된다.
