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에너지/환경 탄소중립과 CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage)

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-11-09 16:37:00
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▣ 탄소중립

 

인간의 활동에 의한 온실가스 배출을 최대한 줄이고, 남은 온실가스는 흡수(산림 등), 제거(CCUS*)해서 실질적인 배출량이 0(Zero)가 되는 개념이다. 즉 배출되는 탄소와 흡수되는 탄소량을 같게 해 탄소 ‘순배출이 0’이 되게 하는 것으로, 이에 탄소 중립을 ‘넷-제로(Net-Zero)’라 부른다.

* CCUS(Carbon Capture,. Utilization and Storage) : 이산화탄소 포집, 저장, 활용 기술

 

<그림1> 탄소중립 개념도

자료 : lmwindpower.com

 

일반적으로 탄소중립을 실행하는 방안으로는 이산화탄소 배출량에 상응하는 만큼의 숲을 조성하여 산소를 공급하거나, 신재생에너지인 태양열과 풍력 등을 활용하여 무공해로 전력을 만들어 내는 기술을 개발하는 방안 등이 꼽힌다.

 

한국을 비롯한 120여개 국가가 이산화탄소의 배출량을 0으로 만드는 탄소중립을 선언하거나 추진중이고, 유럽과 미국은 수입품 등 모든 항목에 대해 탄소세를 부과하겠다는 환경규제 움직임도 일고 있다.

 

<표1> 주요 국가 탄소중립의 형식과 시기

자료 : 환경부(www.gihoo.or.kr)

 

<표2> 주요 국가 탄소중립 관련 주요 내용

자료 : 환경부(www.gihoo.or.kr)

 

▣ CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage)

 

이산화탄소 포집 및 처리기술(Carbon Dioxide Capture and Storage, CCS)은 대표적인 기후변화 대응기술로 화력발전소, 제철소, 석유화학공장 등에서 발생하는 이산화탄소를 대기 중에 배출하기 전에 분리한 후 수송 및 지중에 저장ㆍ격리시키는 기술이다.

 

CCS는 석탄 채굴, 석탄 화력발전, LNG, 시멘트, 철강, 제조 등의 기존 산업 및 수소 제조 등의 새로운 산업에 있어서, 탄소 배출량을 대폭 절감할 수 있음이 실증된 기술이다.

 

CCS 프로세스에서는 산업 및 발전에 사용되는 화석 연료에서 배출되는 CO₂를 흡수하고 지하의 지층에 저장한다.

 

포집된 CO₂는 석유 증진 회수법(EOR), 건축 자재, 식품 제조 등 다양한 공업 프로세스에도 이용할 수 있고, 이것은 탄소 포집ㆍ이용ㆍ저류(CCUS)라는 명칭으로 알려져 있다. 화석 연료로부터의 수소 제조와 CCS를 조합하기 때문에 ‘CCS 수소’라고도 불리는 클린 수소 산업이 수출용으로 호주에서도 발전하게 될 가능성이 있을 것으로 기대된다.

 

현재 운전 또는 개발 진행 중인 CO₂ 포집 기술은 기술의 개발 수준에 따라 1세대, 2세대, 3세대(또는 transformational)기술로 분류되고 있다.

 

전 세계에는 59건의 CCS 프로젝트(가동 중 : 21건, 건설 중 : 3건, 검토 중 : 35건)가 있으며, 그 탄소 포집 능력을 합하면 연간 약 1억 2,700만 톤에 달한다.

 

 

<그림2> CCS 기술 정의

자료 : (재)한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터 홈페이지

 

국제에너지기구(IEA)는 2050년에 발전부문 3.5기가톤 이산화탄소(GtCO₂), 산업부문 1.7GtCO₂ 등에 CCS 기술이 도입될 것으로 전망하고 있다.

 

발전 분야의 경우 CCS 기술이 지속적으로 도입돼 2050년에는 그 규모가 총 853GW(석탄화력발전소 573GW, 천연가스발전소 250GW, 바이오매스발전소 30GW)에 이를 것으로 분석했다.

산업 분야는 2050년에 배출원의 25%가 CCS를 적용할 것으로 보고 있고, 국가별로는 미국이 8800만 톤 CO₂, EU 9700만 톤CO₂, 중국 4억 9900만 톤CO₂, 인도 3억 4900만 톤CO₂를 산업 분야에서 감축할 것으로 전망하고 있다.

 

미국, 유럽, 일본 등을 포함한 선진국의 기업들은 기술 시장의 빠른 성장을 미리 내다보고 이미 CCS 부서를 설치해 연구 및 신산업개발을 추진하고 있다. 이 가운데 기존의 아민흡수제 및 개량제를 이용한 기술은 상용화 돼 있는 반면 다른 기술은 아직 연구개발 단계에 머물러 있기 때문에 차세대 혁신 기술을 위해 대규모로 예산이 투자되는 중이다.

 

① 미국

 

2040년 포집비용 $40/tCO2를 목표로 기술개발 추진 중이며, 주로 EOR 방식의 CCS 프로젝트를 추진 중이다.

 

<표3> 미국 CCS 주요 업체 동향

자료 : 각 사 홈페이지

 

2017년 1월에 가동 시작한 Petra Nova 프로젝트는 연 140만톤의 CO2 포집을 목적으로별도의 가스 연소식 열 및 전력 장치를 사용하여 탄소 포집 시스템에 증기와 전기를 공급하는 개조 응용 기술을 적용하였다.

 

② 유럽

 

노르웨이는 유전에 CO2를 주입하여 천연가스를 생산하는 Sleipner, Snohvit 프로젝트를 통한 30년간의 운영기술을 보유하고, 동시에 모니터링 기술이 선구적으로 발달되어 있어 2천만 톤 이상의 CO2를 포집 및 저장 실증을 수행하였다.

 

영국은 2017년 10월 Clean Growth Strategy를 통해 CCUS에 대한 새로운 접근을 발표하였고, 탄소 포집 기술을 갖춘 새로운 석탄 화력 발전소를 건설하여 연간 총 CO2 배출량의 90%인 380만 톤을 포집하는 Caledonia 프로젝트로 420만 파운드를 지원받았다.

 

네덜란드는 Zuid-Holland 산업지역의 Rotterdam 항구에 새로 건설된 1,070MW급 석탄화력 발전소에 250MW급 연소 후 포집 및 압축 장치를 개장(retrofit)하는 유럽에서 가장 발전된 Rotterdam 포집 및 저장 데모 프로젝트를 진행 중이다.

 

<표4> 유럽 CCS 주요 업체 동향

자료 : 각 사 홈페이지

 

③ 호주

 

Otway 프로젝트의 성공 이후 연 3백만 톤 규모의 Gorgon 포집ㆍ저장 통합 프로젝트 등대규모 실증 추진 중이다.

 

Otway 프로젝트는 2005년부터 호주, 미국, 뉴질랜드, 캐나다 등이 참여하여 추진한 프로젝트로, 2008년부터 가동 중이며, 연 6만 5천통 CO2 포집, 고갈가스전 및 대염수층에 저장했다.

 

④ 일본

 

에너지기본계획에 따라 2020년경 CCS기술의 실용화를 목표로 설정하였다.

 

CCS 기술 실용화를 위해 다자협력(CEM, CSLF, ISO/TC265)과 양자협력(미국, 사우디아라비아 등) 채널 이용 중에 있다.

 

토마코마이 CCS 실증시험의 현황 및 과제

2012년~2015년 기간 동안 실증시설 건설, 2016년부터 CO2 주입 시작, 2018년 5월말까지 약 18만 톤의 CO2 주입

 

미쓰비시중공업에서는 칸사이 전력회사와 공동 개발한 고성능 흡수액을 사용하여 연소후 포집기술을 개발ㆍ상용화하고 있다.

 

⑤ 중국

 

최근 12년간 시운전 테스트를 거쳐 2018년 3단계로서의 상용 운영이 시작되어 연간 60만 톤의 CO2 주입하고 있다.

 

<표5> 중국내 CCS 플랜트 운영현황

자료 : KEPCO 연소후 CO2 포집기술 해외시장진출 Biz. 모델개발 및 중국내 기술사업화추진

 

중국에서 가동 중인 CCS 프로젝트 중 주요 CCS프로젝트는 아래 표와 같으며 연소 후 포집기술의 비중이 가장 높다.

 

▣ 호주의 CCS 프로젝트

 

호주에는 5건의 주요 CCS 프로젝트가 있다. : ‘Gorgon CO₂ 압입 프로젝트(가동 중, 西오스트레일리아주)’, ‘Moomba CCS 프로젝트(검토 중, 南오스트레일리아주)’, ‘Surat Basin CCS 프로젝트(퀸즈랜드주)’, ‘CO2CRC에 의한 Otway National Research Facility(빅토리아주)’, 및 ‘CarbonNet 프로젝트(빅토리아주)’

 

① Gorgon CO₂ 압입 프로젝트

 

Chevron Australia社가 Barrow Island(서오스트레일리아주 앞바다)에서 실시하는 총예산 25억 호주 달러의 프로젝트에서, 호주의 대규모 CCS 프로젝트 중 실제로 가동 중인 것은 이것 하나뿐이다. 연방 정부의 LETDF로부터 6,000만 호주 달러의 자금을 원조받고 있다.

 

<그림3> 호주의 CCS 프로젝트

자료 : JOGMEC

 

해당 프로젝트에서는 2019년 8월에 지하 2,000m 깊이의 Dupuy 대수층(帶水層)에 CO₂를 압입하기 시작하였다.

 

이 CO₂는 Gorgon LNG 플랜트의 LNG 생산 프로세스에서 천연가스로부터 분리 추출한 것이며, 이를 대기 중에 배출하는 대신 Barrow Island의 지하에 압입 저류하고 있다. 이 압입 프로젝트가 풀가동되면, 상업 규모의 CCS 프로젝트로서는 세계 최대가 되며, 연간 340~400만 톤, 40년간 가동하면 총 1억 톤 이상의 CO₂를 포집ㆍ저장할 수 있다.

 

Gorgon LNG 프로젝트는 2016년에 가동되기 시작하였다. CO₂ 압입은 2017년부터 이루어질 예정이었지만, CO₂에 포함된 수분의 관리에 관한 문제로 인해 2년이 늦어졌다. 해당 프로젝트에서는 Gorgon 가스전(천연가스의 CO₂ 함유율 평균 14%)과 Jansz-Io 가스전(동 함유율 1% 미만)이 천연가스를 생산하고 있으며, 서오스트레일리아주 정부와의 합의에 근거하여 Chevron Australia사는 생산 개시 후 5년 이내에 프로젝트의 가스전으로부터 CO₂ 배출량의 80%를 포집하여 지하에 압입할 의무를 갖고 있다. 하지만 압입의 시작이 늦어짐에 따라 WA주 정부와의 합의 내용을 완수하기 어려워졌다.

 

② Moomba CCS 프로젝트

 

Santos사의 Moomba CCS 프로젝트는 남오스트레일리아주 내륙의 Moomba에 있는 천연가스 처리 플랜트에서 현재 분리되고 있는 연간 170만 톤의 CO₂를 포집하여, Cooper Basin의 지층에 영구적으로 저류하는 것이며, 현재는 기본 설계(FEED) 단계에 있다. 당사는 2020년 말까지 최종 투자 판단을 실시할 계획이지만, 그러려면 CCS 방식이 ERF의 대상이 되어야 한다. 또한 연방 정부는 ERF의 원조 대상에 CCS도 포함시켜야 한다는 King Review의 제언을, 2020년 5월에 받아들였다.

 

2020년 3월, Santos사는 BP와의 사이에서 Moomba CCS 프로젝트에 대한 최종 투자 판단을 전제조건으로 하여 BP가 2,000만 호주 달러를 해당 프로젝트에 출자하는 데 관한 법적 구속력이 없는 약속을 체결하였다.

 

Moomba CCS 프로젝트에서는 당초 Moomba 가스 처리 플랜트로부터 CO₂(연간 약 30만 톤)를 포집하고, 압축ㆍ탈수 처리를 한 후에 가까운 가스전에 보내어 압입할 것을 계획하였다. 2019년, Santos사는 평가 프로그램의 일환으로서 Cooper Basin에 2개의 평가 우물을 파내고, 저류층에서의 석유 회수 증진과 그에 따른 CO₂ 저류의 개선 가능성에 관해 평가하였다.

 

Santos사에 따르면, Cooper Basin은 장기적으로 볼 때 연간 3,000만 톤 규모의 상업용 CCS 허브로서 석유, 가스와 그 밖의 발전, 철강, 시멘트, 화학 등 다른 산업으로부터 포집한 CO₂를 처리할 수 있는 잠재력을 갖고 있다고 한다.

 

2020년 7월, Santos사는 Cooper Basin의 CCS 개발 상업화를 위한 기회를 더욱 넓히기 위해, 천연가스를 통한 수소 제조에 관한 콘셉트 스터디를 국제적인 기술 컨설턴트 기업 GHD사에 위탁하였다. GHD사에 의한 스터디에서는 Moomba CCS 프로젝트 계획의 일환으로서, 수증기 메탄 개질에 의한 천연가스로부터의 수소 생산과 그로 인해 발생하는 CO₂의 CCS에 대해 검토한다.

 

③ Surat Basin CCS 프로젝트

 

광업의 주요 기업 Glencore가 출자하여 설립된 Carbon Transport and Storage Company (CTSCo)는 연방 정부 및 산업계로부터 자금을 제공 받아 Surat Basin에서의 CCS 프로젝트의 잠재력을 평가하고 있다. 호주의 석탄 기업으로부터 갹출한 자금으로 설립된 저배출 기술 기금인 COAL 21도 동사에 자금을 원조하고 있다.

 

CTSCo사가 계획하고 있는 산업 통합형 Surat Basin CCS 프로젝트에서는 주변 지역에 있는 폭넓은 분야의 CO₂ 배출자가 CCS를 이용할 수 있도록, 퀸즈랜드 주 Surat Basin의 땅속에 CO₂를 저류하는 기술의 실현성을 실증하는 것을 목적으로 하고 있다. 그 대상은 석탄ㆍ가스ㆍ석유 생산 및 LNG 플랜드, 화력발전으로부터 배출되는 CO₂ 등이며, 프로젝트 초기 단계에는 석탄 화력발전소로부터 배출된 CO₂ 포집ㆍ저류의 실현성 실증을 계획하고 있다.

 

CTSCo사는 Millmerran 석탄 화력발전소에서 통합형 연소 이후 CO₂ 포집(PCC) 플랜트를 건설하는 데 관하여, FS와 FEED 조사를 완료하였으며, 포집한 CO₂는 Surat Basin에서의 CO₂ 저장에 이용할 계획이다. 총예산이 1억 5,000만 호주 달러인 PCC 플랜트의 건설에 관한 최종 투자 판단은 아직 미정이며, 조업 초기 단계의 실증실험에서는 연간 6만~12만 톤의 CO₂가 3년간 Surat Basin에 저장될 계획이다.

 

이 프로젝트는 석탄 화력발전소가 배출하는 CO₂의 포집부터 운송, 저류까지, 모든 CCS 프로세스를 망라하는 호주 최초의 실증실험이다.

 

④ Otway National Research Facility

 

2003년, 호주 연방 정부는 산관학 공동 연구 계획인 Cooperative Research Centre(CRC)의 일환으로서, Cooperative Research Centre for Greenhouse Gas Technologies (CO2CRC)를 설립하여, CCS 기술에 대한 연구 조사를 실시하였다. 이러한 CRC에 대한 호주 연방 정부의 자금 갹출은 2014년에 종료되었지만, 그 후 정부의 조성금 및 산업계ㆍ연구기관으로부터의 출자를 재원으로 하는 비영리 연구기관으로서 CO2CRC Limited가 발족하였다.

 

CO2CRC는 빅토리아주 서남부의 Nirranda South에서 총 1억 호주 달러의 Otway National Research Facility를 소유ㆍ운영하고 있다. 호주 최초의 CO₂ 지층 저류 실증실험장인 이 시설에서는 지하의 다양한 지층에 총 8만 톤 이상의 CO₂를 압입ㆍ저류하고, 지금도 모니터링하고 있다. 2019년 5월에, 제3기 모니터링ㆍ실증 프로젝트(총 예산 4,500만 호주 달러)가 승인되었다. 이 제3기 프로젝트에는 연방 정부의 Education Investment Fund [교육 투자 기금] 및 빅토리아주 정부, COAL 21 및 BHP가 자금을 제공하고 있다.

 

Otway 제1기 프로젝트(2004~2009년)에서는 고갈된 가스 저류층에 6만 5,000톤의 CO₂를 안전하게 운송, 압입, 저류할 수 있는지 실증하였다. 제2기(2009~2019년)에서는 염수대수층에 대한 CO₂(1만 5,000톤)의 안전한 압입과 모니터링에 대한 실증실험이 이루어졌다. 제3기(2019-2022)에서는 CCS 프로젝트로 인해 지하에 압입된 CO₂를 모니터링하는 비용과 환경 부담을 절감하는 데 도움이 되는 지하 저류 기술이 개발되고 있다. 이러한 제3기를 위해, 광파이버 센서와 지하 케이지를 갖춘 새로운 감시 우물(깊이 1,600m) 4개를 굴삭하는 작업이 2019년 10월에 완료되었다. 제3기의 기술적ㆍ과학적 작업 프로그램은 2022년 6월에 완료될 전망이다.

 

그밖에도 CO2CRC는 호주의 CCS를 촉진하기 위해 각종 활동을 수행하고 있다. Australian CCS Research Laboratories Network(CCSNET, 호주 CCS 연구소 네트워크)는 CO2CRC가 주도하는 이니시어티브이며, 빅토리아주, ACT, 남오스트레일리아주의 대학 및 Otway National Research Facility 내의 CCS 연구 시설로 구성되어 있다. 2013년에 CO2CRC는 연방 정부의 Education Investment Fund로부터 CCSNET에 대한 갹출금 5,160만 호주 달러를 수령했다. 이 네트워크에는 CO2CRC의 Otway National Research Facility가 보유한 Otway Subsurface Laboratory 및 CSIRO가 주도하는 Gippsland Basin Network(GipNet), 빅토리아주 앞바다 Gippsland Basin에서의 해양 환경 모니터링 프로그램 및 CCS LabNet이 참가하며, 호주 국내의 다양한 대학에서 이미징 및 분석 작업을 실시하고 있다. CCSNET의 주요 목적은 빅토리아주에서 상업 규모의 CCS 네트워크를 구축할 수 있을지 가능성을 조사하고, 주 정부 주도의 CarbonNet 프로젝트를 지원하는 것이다.

 

또한 National Energy Resources Australia(NERA, 호주 전국 에너지 자원 기구)와 CO2CRC는 2020년 7월에 호주에서의 CO2-EOR의 잠재력을 평가하기 위해 CCUS에 관한 새로운 조사를 하겠다고 발표하였다.

 

제1단계에서는 CO2CRC가 Geoscience Australia 및 COAL 21과 함께 호주 내의 기름/가스 분지에 대한 CO2-EOR 적성 평가를, 2020년 말까지 실시한다. 제2단계에서는 호주의 육상 유전(호주 중앙부의 Cooper Basin 및 Surat Basin 등)에서의 CO2-EOR의 경제적ㆍ기술적 실현 가능성 및 온난화 가스 배출량의 감소에 도움이 되는가 하는 잠재력에 관한 정보를 산업계ㆍ정부와 공유한다. 또한 이 조사에서는 호주에서의 CO2-EOR을 촉진하기 위한 정책, 인센티브, 규제 틀 등에 관해 정부에 제언하는 일도 예정하고 있다.

 

⑤ CarbonNet 프로젝트

 

연방 정부와 빅토리아주 정부가 운영하는 CarbonNet 프로젝트는 빅토리아주 Latrobe Valley의 갈탄 화력발전소 등에서 상정되는 여러 가지 CO₂ 포집 프로젝트를 통합하고, 공유 파이프라인에 의해 CO₂를 운송하며, 빅토리아주 앞바다 Gippsland Basin의 저류층에 대한 지중(地中) 압입을 예상하여, 대규모 및 상업적인 CCS 네트워크 구축 가능성에 대해 조사하고 있다.

 

해당 프로젝트에서는 초기 단계에서 연간 100만~500만 톤의 CO₂를 포집ㆍ저장할 것으로 예상하는데, CO₂ 포집ㆍ저장량을 최대 2,000만 톤 규모로 끌어 올리는 것도 시야에 두고 있다. 연방 정부와 빅토리아주 정부는 이 프로젝트에 총 1억 호주 달러의 자금을 제공하고 있으며(연방 정부의 Carbon Capture and Storage Flagship Program으로부터 7,000만 호주 달러, 빅토리아주 정부로부터 3,000만 호주 달러), CSIRO, CO2CRC, ANLEC R&D도 지원하고 있다.

 

CarbonNet의 굴삭 프로그램은 해저 심부의 지층 내에서 관찰된 암석 조직이 CO₂의 영구적인 저류를 견뎌낼 수 있을지 확인하는 것을 목적으로 한다.

 

CarbonNet 프로젝트는 빅토리아주의 갈탄 자원으로부터 수소를 제조하는 HESC 파일럿 프로젝트에 CCS의 기회를 제공하는 가능성도 갖고 있다.

 

 

 

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