탄소 포집

탄소 포집 (Carbon Capture and Storage / Utilization)

개요

주요 기술 범주:

• CCS (Carbon Capture and Storage): 포집 후 지하 저장
• CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage): 포집 후 활용 + 저장
• DAC (Direct Air Capture): 대기 중 CO₂를 직접 포집

CCS — 배출원 포집

포집 방식

연소 후 포집 (Post-combustion Capture)

발전소, 시멘트 공장 등의 배가스에서 CO₂를 분리하는 방식. 가장 성숙한 기술이다.
• 화학 흡수법: 모노에탄올아민(MEA) 등 아민계 흡수제로 CO₂를 흡수 후 가열 재생. 에너지 소비가 높음(흡수제 재생에 많은 증기 필요)
• 물리 흡수법: 저렴한 운영비이나 고농도 CO₂에 적합
• 막 분리법: 고분자·세라믹 막으로 CO₂ 선택적 투과. 에너지 효율 우수, 스케일업 과제

연소 전 포집 (Pre-combustion Capture)

연료를 먼저 수성가스 전환(Water-Gas Shift) 반응시켜 H₂와 CO₂로 변환 후 CO₂를 분리. IGCC(석탄 가스화 복합발전) 등에 적용.

순산소 연소 (Oxyfuel Combustion)

산소만으로 연료를 연소시켜 배기가스를 거의 순수한 CO₂와 수증기로 만듦. 포집 공정 단순화, 그러나 공기분리장치(ASU) 운영 에너지 비용 높음.

압축·운반·저장

포집된 CO₂는 압축(약 100기압)하여 파이프라인 또는 선박으로 수송, 지하 800m 이상 깊이의 지층(고갈 유전·가스전, 심해 염수층)에 주입·저장된다. 안정적 저장을 위해 광물화(mineralization) 반응 모니터링이 중요하다.

DAC — 직접 공기 포집

기술 원리

대기 중 CO₂ 농도는 약 420ppm(2024)으로 낮아, 배가스(4~15%)에 비해 포집이 훨씬 어렵고 에너지 집약적이다.

액체 흡수 방식 (Carbon Engineering 방식)

• KOH 용액이 공기 중 CO₂와 반응 → K₂CO₃ 생성
• 석회석화 반응기에서 CaCO₃로 전환 후 고온 하소(900°C) → 순수 CO₂ 방출
• 에너지 소비: 전력 약 350kWh/tCO₂ + 열에너지 약 5.3GJ/tCO₂

고체 흡착 방식 (Climeworks 방식)

• 다공성 고체 흡착재(아민 기능화 실리카 등)로 CO₂를 저온(25°C) 흡착
• 가열(80~120°C)로 CO₂ 탈리·포집
• 모듈형 구조로 스케일업 용이

주요 시설

• Orca (아이슬란드, 2021): 4,000 tCO₂/년, 최초 상업 DAC
• Mammoth (아이슬란드, 2024): 36,000 tCO₂/년 (Climeworks)
• Stratos (미국 텍사스, 2024): Occidental의 대규모 DAC, 연간 50만 tCO₂ 목표 (Phase 1: 5만 톤)

비용 문제

현재 비용

| 기술 | 비용(tCO₂당) | |------|------------| | CCS (배출원, 전력 부문) | $50~100 | | CCS (시멘트·철강 부문) | $100~200 | | DAC (현재) | $300~1,000 | | DAC (2035 목표) | $200~300 | | DAC (2050 목표) | $100~150 |

미국 정부는 DAC 비용을 100달러/tCO₂ 이하로 낮추는 것을 목표로 DOE(에너지부)의 'DAC Hubs' 프로그램에 35억 달러를 투자하고 있다(인플레이션감축법, IRA 2022).

비용 하락 전망

규모의 경제, 소재 혁신, 재생에너지 가격 하락으로 2040년대에 DAC 비용이 $100~150 수준에 도달할 것으로 IEA는 전망한다.

CCUS — 포집 CO₂의 활용

주요 활용 분야

• 강화 석유 회수(EOR): CO₂를 유정에 주입해 추가 원유 생산. 탄소 저감 효과 논란
• 콘크리트 광물화: 건축 자재에 CO₂를 영구 고정 (CarbonCure Technologies)
• 합성 연료(e-fuel): H₂와 결합해 메탄올, 항공유 합성 (탄소 중립 연료)
• 화학원료: 요소, 폴리카보네이트, 아크릴산 등 생산
• 드라이아이스·식품: 음료 탄산화, 냉장

생물학적 탄소 제거 (BiCRS)

• BECCS (Bioenergy with CCS): 바이오매스를 연소해 에너지를 얻고 배출 CO₂를 포집. IPCC 시나리오의 핵심 요소이나 토지 이용 경쟁 문제
• 조류 포집: 미세조류의 광합성으로 CO₂ 고정 후 바이오연료 생산
• 토양 탄소 격리: 농업 관행 변경으로 토양 내 탄소 축적

한국의 탄소 포집 정책

국가 CCS 추진 계획

• 2030년 NDC(국가 온실가스 감축 목표): CCS를 통한 연간 1,040만 tCO₂ 감축 포함
• 동해가스전 CCS 사업: 포항 분지 CO₂ 지중 저장, 연간 40만 tCO₂ (2025년 착수 계획)
• K-CCUS 추진단: 산업부 주도 CCS 산업 생태계 구축 (2022~)

DAC 기술 개발

KIST(한국과학기술연구원), 포스텍 등에서 고체 흡착재, 전기화학적 CO₂ 포집 등 원천 기술 연구 진행 중. 2030년 pilot 규모 DAC 실증을 목표로 함.

탄소 시장과의 연계

2024년 기준 한국 탄소 배출권 거래제(K-ETS) 가격은 tCO₂당 약 7,000~12,000원 수준으로, CCS·DAC 원가에 크게 못 미쳐 정부 보조금 없이는 경제성 확보가 어려운 상황이다.

비판과 한계

도덕적 해이(Moral Hazard)

CCS/DAC에 대한 과도한 기대가 화석 연료 사용 감축 의지를 약화시킬 수 있다는 우려가 있다.

에너지 패널티

CCS를 적용한 화력 발전소는 에너지 효율이 10~15% 감소한다.

저장 안정성

지하 주입 CO₂의 장기(수천 년) 안정성, 누출 감지 및 모니터링 체계가 과제다.

공정 문제

지역 사회의 CCS 인프라 수용성, 파이프라인 부지 선정 등 사회적 갈등 요인이 존재한다.

결론

탄소 포집은 기후 목표 달성에 불가결한 도구로 인식되고 있으나, 현재 비용·에너지 효율·저장 안정성의 과제가 남아 있다. 재생에너지 확대 및 배출 자체 감소와 병행되어야만 실질적 기후 기여가 가능하다. 한국은 동해가스전 CCS와 K-ETS 연계를 통해 단계적 상용화를 추진하고 있다.

참고 문헌

• IPCC AR6 WG III Ch. 12. "Cross-sectoral perspectives." 2022.
• IEA. "Carbon Capture, Utilisation and Storage." IEA, 2023.
• McQueen N et al. "A review of direct air capture (DAC)." Progress in Energy 3:032001, 2021.