탄소중립 실현과 탄소 나노튜브 등 미래 산업의 자원 확보를 위해서 탄소를 포집·저장·활용하는 CCUS 기술은 중요하다. 온난화와 결부되기 전에 탄소가 숯의 형태로 문명의 기본이었고 탄소는 인체의 중요한 구성요소이며 철강 등 많은 산업에서 필수적인 물질이다.
CCUS 기술은 산유국 노르웨이와 미국이 주도하고 있다. 탄소를 많이 배출하는 빅테크 회사들이 책임감을 느끼고 CCUS기술에 투자를 하고 있다. 스타트업도 CCUS 기술 발달에 기여하고 있으며 탄소 저장 보관 이용 기술은 상업화 단계에 이르렀다.
필자 소개
안녕하세요. 환경운동하는 작가 에코 eco입니다. 하나뿐인 소중한 지구를 어떻게 하면 더 푸르고 맑게 지속가능하게 하는지 관련 환경기술과 환경활동을 소개하고 있어요.
이 블로그를 읽다 보면 다양한 환경활동과 환경기술로 지속가능한 지구가 이렇게 가능하구나를 알 수 있어요. 일상의 크고 작은 실천으로 여러분도 환경에 기여하고 있습니다.
1. 꼭 필요한 탄소! 탄소 기술 주도국이 미래 주도
탄소는 인체에도 산업에도 꼭 필요하다. 탄소의 활용을 포기하면 안 된다. 탄소가 무한대로 널려 있지도 않다. 탄소의 탄은 숯이다. 탄소에 해당하는 영어 carbon도 라틴어 원어로 숯이라는 의미다.
http://www.book21.com/book/book_view.html?bookSID=2974
인류 문명사에서 청동기와 철기는 장작과 숯을 사용하면서 시작되었다. 인류 문명의 근대화를 가능하게 해 준 화석 연료도 모두 탄소 화합물이다. 컴퓨터를 구동시키는 전기도 화석연료에서 나온다.
19세기에는 염료, 섬유와 의약품을 합성하는데 탄소를 쓰는 화학기술이 등장했다. 20세기에는 탄소를 기반으로 하는 고분자 합성기술이 등장했다. 현재는 탄소기반의 첨단 나노소재가 개발되고 있으며 탄소의 다양성을 활용하는 기술은 매우 필요하다.
탄소포집 기술은 이미 100년의 역사가 있다. 다만 정부와 전력 회사가 관심을 보인 건 최근이다. 탄소포집 기술은 제2의 석유라는 평을 받을 만큼 미래를 주도할 기술이다.
아직 탄소 활용(CCU) 보다 저장(CCS)을 많이 하는 단계이다. 국가와 기업이 협업해서 CCUS기술을 개량하고 더 확보하고 특허를 가지면 미래를 주도할 수 있다.
기후변화에 관한 정부간 협의체 IPCC에 의하면 탄소를 포집하고 활용하는 과정에서 순환경제 전환에 기여할 수 있다. 탄소를 새로운 원료 물질로 재활용하기 때문이다.
세계가 탄소포집에 주목하는 이유는 단지 기후 변화를 막기 위해서만이 아니다. 이면에 있는 탄소의 미래 가능성과 잠재력이라는 이유가 더 강력하다. 탄소를 좌지우지하는 국가가 결국 미래의 주도권을 쥘 수 있다.
탄소 배출량 제로, 탄소 중립은 지금으로서는 앞이 안 보인다. 그러나 탄소 포집 기술이 궤도에 오르면 탄소중립을 가뿐히 달성할 수 있다. 심지어 탄소 마이너스 시대를 만들 수 있다.
컨설팅 기업 맥킨지에 따르면 일단 기술이 궤도에 오르면 탄소포집 저장과 활용을 통해 탄소 중립을 넘어서 마이너스 배출 실현도 가능하다고 한다.
탄소는 물의 구성 원소이다. 사람의 인체는 70% 이상이 물이다. 탄소화합물은 생명체가 가지는 기본골격이다. 탄소는 인체의 원소 60여 가지 중에 18%를 차지한다.
탄소화합물은 수천만 가지가 넘는다. 새로운 종류가 계속 더 합성되고 있다. 탄소 나노튜브와 탄소 브레이크도 탄소화합물이다. 자동차와 항공, 우주산업에서 탄소는 구조체의 강도를 높이는데 중요한 역할을 한다. 중량을 줄이면서 강도를 유지하기 위해 탄소가 필요하다.
식물이 하는 광합성의 다른 이름은 탄소동화작용이다. 탄소가 있어야 식물이 광합성을 해서 그 부산물로 산소가 발생해서 인간을 포함한 생명체들이 숨 쉴 수 있다.
게다가 탄소는 여러 산업에서 필요한 원자재다. 유전에서 원유를 뽑아내는 EOR공법에 탄소가 필요하다. 탄소 포집기술로 확보한 이산화탄소는 유전을 개발할 때 원유를 뽑아내는 압력을 높이기 위해 주입된다.
탄소강 철생산, 콘크리트 생산, 합성 가솔린과 제트유 생산, 비행기 날개 등에 활용하는 탄소 섬유 개발 등으로 활용할 수 있다. 이는 산업적 가치가 높은 분야다.
탄소포집은 공장과 발전소에서 나오는 이산화탄소를 모아 지하 등에 저장하거나 다른 산업 용도로 사용하는 기술이다. 탄소 포집 공정은 산업과정에서 나오는 이산화탄소를 잡아서 재사용하거나 지하에 저장한다.
2. 탄소포집 저장기술 선도하는 노르웨이와 미국
2016년 파리협정을 시작으로 전 세계 국가가 동참하는 기후변화 대처에 탄소포집기술의 선두주자는 미국과 노르웨이이다. 미국은 CCUS를 10개 가동하면서 전 세계 탄소포집량의 66%를 담당한다.
온난화 문제가 공론화 되기 전인 1990년 산유국 노르웨이는 지층에 이산화탄소를 저장하는 방식(CCS)을 상업적으로 접목시켰다. 당시는 산업화로 인한 환경문제에 대한 인식이 낮아 쓰임새가 크지 않았다.
유럽연합의 녹색분류체계가 발표되면서 탄소포집 회사도 주목받기 시작했다. 노르웨이의 ‘아커 카본 캡처 탄소포집 설비 제조사'(Aker Carbon Capture)가 대표적이다. 이 회사는 노르웨이 오슬로거래소에 상장되어 있다.
이 분야에서 전세계 단 하나뿐인 상장사(종목명 ACC.OL)이다. 아커 카본 캡처 매출은 2020년 200만 달러였다. 2023년에는 매출이 1억 6200만 달러로 예상된다.
탄소를 포집 하는 대표적인 기술이 아민이다. 첨단 아민 기술(Amine)의 대부분은 모두 노르웨이의 TCM(Technology Centre Mongstad)에서 시험하고 검증되었다.
TCM은 세계 최대 규모의 개방형 탄소포집 테스트 시설이다. 탄소 포집에 더 효율적인 고체 흡수제 및 멤브레인 등의 신기술을 테스트할 새로운 플랫폼도 구상 중이다.
노르웨이 석유에너지부는 탄소포집 저장을 위한 노르웨이 대륙붕 2곳에 대해 신청을 받았다. 노르웨이는 탄소포집 저장이 노르웨이의 새로운 동력이 될 산업임을 안다.
관련 노르웨이 업체 Horisont Energy는 주요 글로벌 업체들과 협력을 강화하고 비용효율을 위한 해결책 개발에 적극 나서고 있으며 미국 베치커휴즈와 탄소저장 솔루션 개발을 위한 양해각서를 체결했다.
국제에너지기구와 전문가들은 2060년까지 매년 전 세계적으로 20개 이상의 탄소 지중 저장 프로젝트가 발주될 것이고 2050년 탄소 포집저장량은 연간 70억 톤에 달할 것으로 추산한다.
영국, 호주, 중국과 인도네시아 등에서도 국가가 나서서 CCUS를 주도하기 시작했다.
3. 스타트업의 CCUS 기술과 빅테크의 탄소포집 투자
탄소포집 스타트업으로 주목받는 4곳이 있다. 스위스의 클라임웍스 Climeworks과 캐나다의 카본 엔지니어링 Carbon Engineering은 거대한 팬 fan으로 공기에서 탄소를 빼낸다.
카본 엔지니어링은 2009년 설립되었고 공기 중의 이산화탄소를 포집하는 DAC(Direct Air Capture) 기술의 선두주자이자 1세대 기업이다. 빌 게이츠의 투자를 받아 비용절감과 고도화를 이뤄 기술 상용화에 속도가 붙었다.
2009년 설립된 클라임웍스의 기술도 직접공기포집 DAC이다. 국제 전문 인증기관 DNV로부터 탄소제거 기술 및 공정에 대한 공식 인증을 받았다. 즉 상용화를 인정받았다.
http://www.itdaily.kr/news/articleView.html?idxno=212235
클라임웍스는 유럽 전역에서 15개 프로젝트를 진행 중이다. 아이슬란드에 설치한 세계 최대 DAC 플란트 ‘오르카 Orca’가 대표적이고 세계 유일의 상업용 DAC시설이다. 연간 4천 톤의 탄소를 제거할 수 있다.
DAC 플랜트에서 나온 탄소 크레딧은 시장에 나오자마자 매진된다. 클라임웍스는 오르카보다 더 큰 규모의 주력시설을 짓고 있다. 시설 이름이 맘모스(Mammoth, 매머드)이다.
클라임웍스는 아이슬란드의 에너지 기업 카브픽스 CarbFix와 협력해서 탄소를 지하에 저장한다. 카브픽스는 탄소를 지하에 저장하는 기술력을 갖췄다.
클라임웍스가 포집한 탄소는 물과 함께 탄산수 형태로 지하 800~2000m 아래 현무암 지층에 주입한다. 이후 2년 안에 탄산염 광물로 전환되어 지하에 영구 저장된다.
캘리포니아에 있는 얼룸 Heirloom은 석회석을 이용해서 대기에서 탄소를 포집한다. 탄소는 석회석에서 자연 발생한다. 얼룸은 석회석을 가열해서 분말을 만들어 탄소를 추출한 후에 이를 지하에 저장한다.
이 방법은 상대적으로 저렴해서 마이크로소프트의 관심을 끌어 후원을 받고 있다. 얼룸은 기업이 자체적으로 탄소 배출량을 상쇄할 수 있는 탄소 크레딧도 판매한다.
이 탄소 크레딧의 구매자는 ms, 미국 금융회사 스트라이프 Stripe, 캐나다 전자상거래 기업 소피파이 Shopify, 스웨덴 핀테크 회사 클라나 Klarna가 있다.
영국의 스타트업 미션제로 테크놀로지는 간단한 화학물질로 전기투석하여 탄소를 포집한다. 빌게이츠와 브레이크스루 에너지 벤처스가 500만 달러(65억 원)를 투자했다.
http://www.impacton.net/news/articleViewAmp.html?idxno=5464
미션제로는 일론 머스크가 후원한 탄소 제거 아이디어 대회에서 1단계상 후보에 오른 15개 팀 중 하나로 선정되어 기술발전 기금으로 100만 달러 (13억 원)의 보조금을 받았다.
미션제로의 기술은 기성품 장비와 간단한 화학물질을 이용해 탄소를 대기에서 흡수한다. 가장 큰 장점은 탄소를 포집하는데 필요한 에너지 양(전기)을 대폭 줄여 포집 비용은 1톤당 100달러(13만 원)로 낮춘 점이다.
미션제로의 방법은 전기투석 프로세스이다. 전기를 사용해서 막을 통해 화학물질을 통과시킨다. 전기투석은 100도 이상의 열이 필요한 다른 탄소포집 술과 달리 열이 필요 없다.
빅테크는 탄소 배출을 많이 하는 분야다. 빅테크가 세계 온실가스 배출의 2~3%를 차지한다. 사회에 끼치는 영향력이 큰 회사들은 사회적 책임을 다해야 한다는 시각이 존재하는 걸 빅테크가 인지하고 있다.
테크 기업이 운영하는 데이터 센터는 전력소모와 그에 따른 열 방출도 엄청나다. 대규모 물류 사업이 필수인 아마존의 서비스는 항공 운송 자동차 운송 등을 통해 탄소를 다량 배출한다.
알파벳, 메타, 스트라이프, 쇼피파이가 2030년까지 9억 2500만 달러에 해당하는 탄소 제거분을 구입하겠다고 발표했다. MS, 세일즈포스도 탄소 제거 비용으로 3억 달러를 약속했다.
미국정부는 2022년 인플레이션 저감법을 발표하며 탄소포집 세액 공제를 70%로 늘렸다. 미국 뉴욕시는 탄소를 가장 많이 배출하는 도시 중의 하나이다. 뉴욕시가 고층건물에 CCUS 설비를 도입해서 포집한 탄소로 비누 등 물건을 만들고 있다.
4. 탄소 포집기술 3가지와 저장 활용기술
탄소포집 기술은 크게 3가지이다. 1. 연소 전 포집. 연료가 연소되기 전에 이산화탄소를 포집하는 방법이다. 2. 순산소 포집. 연료가 연소되는 도중에 고순도 산소를 주입해 이산화탄소를 포집하는 방법이다. 3. 연소 후 포집. 연소 이후에 배출되는 가스에서 이산화탄소를 포집하는 방식으로 습식과 건식 흡착제가 있다.
이 중에 탄소 포집에 가장 많이 쓰는 기술은 습식흡착제 방식인 amine 용매를 활용한 방식이다. 클라임웍스는 고체 필터로 탄소를 포집한 후 지하에 저장하는 방식을 쓰며 6억 5천만 달러를 조달해 아이슬란드에 세계 최대 탄소포집 시설을 구축했다.
카본 엔지니어링은 수산화칼륨 용액의 액체 필터를 사용하는 포집 기술을 개발 중이다. 글로벌 서모스탯은 고체 필터로 탄소를 포집한 후 이를 합성 휘발유에 사용하는 방안 등을 연구하고 있다.
포집한 탄소는 기체라 이동성이 크다. 저장하려면 초임계 상태로 만들어야 한다. 임계점 이상의 온도와 압력으로 초임계상태를 만들어 지하 천 미터 이상 빈 유전이나 심부 염수층에 가둬서 탄소가 나올 수 없게 만든다. 이것이 기술력이다.
하필 한반도는 탄소를 저장할 공간을 찾는 것도 힘들고 저장할 유전도 없다. 심부 염수층이 있긴 한데 깊이를 맞출 여건이 안된다. 게다가 지진이나 자연재해로 다시 탄소가 새는 경우까지 염두하는 실정이다. 그래도 살길은 있어서 저장보다 사용기술에 방점을 찍어야 한다.
일단 탄소를 포집을 해야 한다. 기체인 탄소 포집과 저장이 쉽지 않다. 포집하고 후처리로 어떻게 쓰는지에 따라 활용도와 발전가능성이 폭넓게 달라진다.
탄소 활용기술은 포집한 탄소를 광물화, 생물화, 화학전환으로 재활용하는 기술이다. 기술로 탄소를 광물인 탄산칼슘(돌)으로 만들면 시멘트 대체재나 시멘트의 주재료 골재 생산이 가능하다.
탄소를 광물화시켜 경질탄산칼슘을 만들면 제지 생산할 때 도포제를 대체할 수 있다. 광물화 기술은 완성하려면 기술적 난이도가 매우 높고 개발비용도 막대하게 드는 실정이다. 그러나 일단 기술이 정립되면 미래에 혁신을 일으킬 사업분야다.
(참조 itdaily, 한국의약통신, industrynews, 산업일보, zdnet)
빅테크 회사들이 CCUS 기술에 투자하고 있고 스타트업도 CCUS 기술 개발에 기여하고 있다. 탄소의 온실가스 오명은 우리 인류의 화석연료 남용때문이다. 인간 몸의 뼈대와 세포를 구성하는 것이 탄소이고 숯의 형태로 인류문명의 기본이었다.
탄소 중립과 미래 자원 확보를 위해 탄소 포집·저장·활용하는 CCUS 기술이 중요하다. 탄소는 현재에도 철강 등 주요산업에 쓰이며 미래에는 탄소 나노튜브 등 산업 원료로 더 중요해진다. 노르웨이와 미국 주도로 시작된 이 기술은 상용화 단계에 근접했다.
