이산화탄소 회수 및 처리기술 현황

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

김종남, 박종호, 민병무, 김권일, 선도원, 이진석, 박상도, 조순행

한국에너지기술연구원

Status of CO2 recovery, Storage, and Utilization Technologies

J.N.Kim, J.H.Park, B.M.Min, K.I.Kim, S.D.Sun, J.S.Lee, S.D.Park, S.H.Cho

Korea Institute of Energy Research

서론

지구상에서 지금까지 또 앞으로도 가장 풍부하고 값싼 에너지는 화석연료 (석탄, 석유, 천연가스)인데, 화석연료 (석탄, 석유, 천연가스)를 사용하면 필연적으로 이산화탄소가 발생하여 지구온난화의 원인이 되므로 인구와 경제활동을 줄이지 않고서 CO2 발생량을 감축하는 방안에는 다음과 같은 방법이 있다.

1) 에너지 생산 및 사용 효율 향상,

2) 저탄소 연료나 무탄소 연료 사용

- 석탄 대신에 천연가스

- 원자력

- 신재생 에너지 (태양열, 풍력, 바이오매스 등)

3) 화석연료로부터 발생되는 CO2 회수 및 처리

4) CO2 자연 저장 (sink) 향상 (삼림, 토양, 해양 등)

우리나라는 화석에너지 의존도가 82%(1999년 기준) 정도로 매우 높은 나라로서 세계 제 11위의 이산화탄소 배출국이고 OECD 국가이면서도 금년에 합의한 교토의정서 1차 이행기간 (2008년∼2012년)에는 온실가스 의무 감축 대상국에서 제외되었으나, 2차 이행기간 (2013∼2017년)에는 의무가입국에 포함될 가능성이 높아 2005년부터 시작되는 2차 이행기간 의무가입국 협상에 대비한 중장기적인 대책 마련이 시급하다.

우리나라가 기후변화협약-UNFCCC (UN Framework Convention on Climate Change)에서 이산화탄소 감축 의무국으로 공약하면 막대한 양의 CO2를 감축해야 될 것으로 예상되는데 에너지 생산과 사용에서의 효율 향상, 저탄소 연료 (석탄 대신에 천연가스)와 무탄소 에너지 시스템 (원자력, 수력, 태양열, 풍력 등)의 사용 확대만으로는 감축 목표를 만족할 수 없기 때문에 저비용이면서 환경친화적인 대규모 이산화탄소 격리 (capture and secure storage of carbon) 기술의 개발이 필요하다.

아직까지 지구온난화에 대처하기 위하여 CO2를 회수하거나 처리하는 설비가 산업화된 적은 없으나, CO2 회수기술은 분야별 필요에 따라 석유화학산업과 원유생산, 천연가스 생산 등에 흡수법, 흡착법, 심냉법, 막분리법이 일부 상용화 가동되고 있다. 현재의 기술 (흡수법, 흡착법(PSA), 심냉법, 막분리법)로 연소배가스에서 CO2를 대량으로 회수하여 이를 바다나 육지에 저장할 경우에 CO2 처리비용은 $100∼200/탄소톤 정도이고, 화력발전소에 적용하면 발전단가가 2배 이상 증가하며, 전체 CO2 처리비용 중에서 3/4의 비용이 CO2 분리에 소요된다. 미국에서는 2030년 경에 CO2 처리비용을 현재보다 1/10 (약 $10/TC)로 줄이려는 혁신적인 CO2 처리기술 연구를 활발히 진행하고 있다[1].

CO2 처리기술은 크게 혼합가스로부터 CO2를 분리하는 기술, 분리된 CO2를 바다나 육지에 대량으로 격리하는 기술과 분리된 CO2를 화학적으로 처리하여 메탄올, 탄화수소와 같은 화학물질을 생산하거나 생물학적으로 처리하여 미세조류의 광합성에 활용하는 기술로 분류할 수 있다.

앞으로 기후변화협약은 지금까지의 정치협약, 경제협약을 넘어서 탄소세와 연계된 기술협약이 될 것으로 예측되므로 온실가스 저감기술의 개발이 매우 중요하다. 본 고에서는 온실가스 저감기술 중에서 화석연료의 사용에 의해 발생되는 CO2의 회수 및 처리를 위한 국.내외의 기술 개발 현황을 파악하였다.

CO2 회수기술

CO2는 드라이아이스, 자동용접, 탄산음료, 식물재배, 화학공업 원료 (요소, MgCO3, BaCO3, SrCO3 등), EOR (enhanced oil recovery) 등에 활용되고 있으며, 이에 필요한 CO2를 공급하기 위하여 보일러나 가스터빈의 연소배가스에서 이산화탄소를 회수하는 흡수기술, 제철소 배가스에서 이산화탄소 흡착분리기술, 석유화학공장이나 주정공장 등의 CO2 함유가스에서 심냉법, 흡수법, 흡착법으로 CO2를 회수하는 기술, 천연가스 생산시 CO2 제거를 위한 흡수, 흡착, 막분리기술 등이 상용화 가동되고 있지만, 온실가스 감축을 목적으로 대용량의 CO2 회수 및 처리설비가 산업화된 적은 아직 없다.

지구온난화 방지를 위하여 CO2가 대기 중으로 배출되는 것을 막기 위하여 연구되고 있는 CO2 회수기술은 화석연료 연소 후 발생되는 CO2를 회수하는 기술 (Post Combustion Capture)과 화석연료를 청정 연료인 수소로 전환하면서 탄소를 원천분리하는 기술 (Pre-Combustion Capture)로 구분되는데, CO2 원천분리기술은 IGCC, NGCC, 대량 수소제조 등과 연계되어 연구되어야 한다.

화석연료 연소배가스로부터 CO2의 회수-수송-저장에 드는 총 비용 중에서 CO2 회수에 75-80%가 소요될 것으로 예상되므로 저렴한 CO2 회수기술의 개발이 매우 중요하다. 비록 식품이나 비료공업 등에 CO2를 공급하기 위하여 화석연료 배가스에서 CO2를 회수하는 기술이 상용화 가동되고 있지만 온실가스 감축을 목적으로 화력 발전소 등에 적용되기 위하여는 CO2 회수 에너지 및 장치비를 획기적으로 삭감하여야 한다[2].

CO2 회수비용을 획기적으로 줄이기 위하여 연구되고 있는 기술에는 기존의 상용화된 심냉법, 흡수법, 흡착법의 성능 향상연구, 막분리법 (고분자막, 무기막), 혼성분리법 (막/흡수, PSA/심냉, 막/PSA 조합) 등 기존의 알려진 기술 외에도 새로운 개념의 기술로서 CO2 hydrate, Wet CO2 Scrubbers, Chemical sorbents 등의 CO2 capture 기술과 발생되는 연소 배가스 중의 CO2 농도를 높혀서 기존의 압축.냉각기술로 손쉽게 액체탄산을 만들게 하는 연소배가스 순환 산소부화연소, 금속산화환원연소 (chemical-looping combustion) 등이 있다. 국내에서는 PSA법으로 연소배가스 110 Nm3/h을 처리하여 99%의 CO2를 90%의 회수율로 생산하는 파이롯 플랜트와 제철소 배가스에서 CO2 40 Nm3/h를 생산하는 실험용 플랜트 연구를 수행하였고, 흡수법으로 LNG 화력발전소 배가스에서 CO2 40 Nm3/h를 생산하는 데모 플랜트를 건설하고 있으며, CO2 분리용 폴리이미드 고분자 막 모듈을 제조하였고, 막/흡수, 막/PSA 혼성공정, 연소배가스 순환 산소부화연소, 금속산화환원연소 연구가 진행되고 있다.

CO2 전환기술

지구온난화를 방지하기 위하여는 많은 양의 CO2를 분리.회수한 다음에는 이를 처리하여야 하는데, 회수된 CO2의 일부는 기존의 CO2 필요분야에 재사용하고, 일부는 새로운 화학물질을 제조하여 재순환시키고, 많은 양은 육지나 해양에 저장하여야 한다.

본 절에서는 회수된 CO2를 화학적 방법이나 생물학적인 방법을 이용하여 유용한 화학물질로 만드는 전환기술의 국내외 현황에 대하여 조사하였다. CO2가 매우 안정화된 물질이므로  CO2를 원료로하여 다른 화학물질을 제조하기 위해서는 많은 양의 에너지가 소요되어서 본 기술의 개발은 CO2 전환에 필요한 에너지를 생산하기 위하여 발생되는 CO2의 양이 다른 화학물질로 전환되는 CO2의 양보다 커서는 안된다. 국내에서는 주로 촉매를 이용한 CO2 화학적 처리방법이 많이 연구되었다. CO2를 수소화하여 메탄올 50 kg/일을 생산하는 실험용 플랜트가 건설 중이고 탄화수소 제조, CO2와 메탄 반응에 의한 DME 제조, 에스테르교환법에 의한 DMC 제조가 연구되었거나 연구 중이고, CO2를 이용하여 에틸벤젠을 탈수소화시켜 SM을 하루 250kg 제조하는 파이롯 플랜트 연구가 수행되었다. 미세조류를 이용한 CO2 고정화를 위하여 우수 미세조류 종 확보 연구와 미세조류로부터 단백질이나 불포화 지방산 등의 유용물질을 생산하는 연구가 수행 중이다. 이외에도 전기화학적 방법과 광화학적 방법으로 CO2를 처리하는 기초연구도 수행되었다.

CO2 격리기술

회수된 CO2를 처리하는 기술 중에는 CO2를 이용하여 유용한 화학물질을 만드는 것이 가장 좋겠지만은 CO2가 매우 안정화된 물질이므로 이러한 기술의 개발은 쉽지 않을 것으로 보이며 세계적으로도 대량으로 CO2를 회수하여 이를 격리하는 기술에 대한 관심이 더 높다. CO2 격리는 심해저, 난채굴석탄층, 광물, EOR, 염수층 등에 저장하는 연구와 저장시의 환경영향 평가 연구가 진행되고 있다. 국내에서는 CO2 해양처리를 위한 기반기술 연구가 수행되고 있다.

결론

연소배가스에서 CO2를 회수하여 처리하는 기술은 CO2를 원료로 사용하는 일부산업에는 경제성 있게 적용할 수 있지만, 지구온난화 방지를 위한 이산화탄소 대량처리는 탄소세가 도입되어 발생된 CO2를 회수/처리하는 것이 더 경제적일 때까지는 적극적으로 도입하는 회사가 없을 것이다. 미국은 이산화탄소 회수 및 처리기술을 개발하기 위하여 2000년부터 2015년까지 1조 1500억원의 연구비를 책정하였다. 우리나라는 <표 1>에 나타낸 바와 같이 1992년부터 지금까지 10년 동안 다양한 분야에 약 220억원의 연구비를 투자하였다. 선진국도 아직까지 획기적인 CO2 처리기술을 탐색하는 단계에 있으므로, 연구인력과 연구비가 상대적으로 적은 우리나라에서는 소규모로 다양한 분야 기반 기술을 장기간 연구하면서 선진국의 기술 추이를 분석하다가 가능성 있는 기술이 나타났을 때 집중적인 개발을 수행하는 것이 바람직하다고 판단된다.

<표 1> CO2 관련과제 분야별 연구비 지원 규모

기술 분야		연구비 지원					계 (백만원)
		환경부 (1992-1998)	산자부 (1992-2001)	과기부 (1998-2001)	특허청 (2000)	민간
조사, 분석			30	56	57		143
CO2 회수	흡수분리		2,878			1,975	4,853	8,770
	흡착분리		591	880		805	2,276
	막분리	320	204	205		197	926
	혼성분리			715			715
CO2 전환	촉매화학적	2,386	2,288	3,396		2,247	10,317	12,118
	생물학적		271	1,038		244	1,553
	전기화학적		105			34	139
	광화학적		109				109
CO2 저장			137	380		8	525
기후변화탐지				445			445
계 (백만원)		2,706	6,613	7,115	57	5,510	22,001

참고문헌

1. Carbon Sequestration-Overview and summary of program plans-, NETL,

Apr., 2000.

2. □Greenhouse Issues", No. 51, November, 2000, IEA GHG R&D Programme

3. 김종남 외, CO2 고효율 회수와 자원화 요소기술 기반구축 및 개발 전략 수립,

한국에너지기술연구원, 2001.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년