탄소 포집 및 저장 기술(CCS)의 현재와 미래

탄소 포집 및 저장 기술(CCS)의 현재와 미래에 대해 알아보겠습니다.

1. 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술이 필요한 이유

기후변화 대응을 위한 다양한 전략 중 하나로 탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS) 기술이 주목받고 있다. 전 세계적으로 온실가스 배출을 줄이기 위한 노력이 계속되고 있지만, 기존 산업과 에너지 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO₂)를 즉각적으로 감축하는 것은 쉽지 않은 과제다. CCS 기술은 대기 중으로 배출되기 전 이산화탄소를 포집하여 안전하게 저장함으로써 기후변화의 주요 원인을 직접적으로 해결하는 방법으로 평가받고 있다. 최근 국제사회는 CCS 기술을 탄소 중립(Net-Zero) 목표 달성을 위한 필수 기술로 보고 있으며, 여러 국가와 기업이 연구개발을 적극적으로 추진하고 있다.

2. 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술의 개념과 작동 원리

(1) 탄소 포집(Carbon Capture) 과정

탄소 포집은 연료 연소 및 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 과정이다. 일반적으로 다음 세 가지 방법이 사용된다.

• 연소 후 포집(Post-Combustion Capture): 연소 후 배출되는 배기가스에서 CO₂를 선택적으로 분리하는 방식으로, 현재 가장 널리 연구되고 있는 기술이다. 기존 발전소나 공장에 적용할 수 있는 장점이 있지만, 에너지 소모가 많다는 단점이 있다.
• 연소 전 포집(Pre-Combustion Capture): 연료를 연소하기 전에 가스를 처리하여 CO₂를 제거하는 방식이다. 천연가스 개질(Reforming) 공정에서 주로 활용되며, 수소 생산 공정에서도 적용 가능하다. 이 방식은 고농도의 CO₂를 포집할 수 있지만, 초기 시설 구축 비용이 높다.
• 산소 연소 포집(Oxy-Fuel Combustion Capture): 순수한 산소를 연료와 함께 연소시켜 고농도의 CO₂를 배출하는 방식이다. 포집이 용이한 장점이 있지만, 산소 생산 과정에서 에너지가 많이 소모된다.

(2) 탄소 운송(Carbon Transportation) 과정

포집된 CO₂는 저장 시설로 이동하기 위해 파이프라인, 선박, 트럭 등을 이용하여 운송된다. 현재는 파이프라인을 통한 운송이 가장 경제적이며 안전한 방법으로 평가받고 있다. 이미 일부 지역에서는 기존 천연가스 파이프라인을 활용하여 CO₂를 운송하는 프로젝트가 운영 중이다. 그러나 장거리 운송이 필요한 경우 선박 운송이 대안이 될 수 있다.

(3) 탄소 저장(Carbon Storage) 과정

저장된 탄소는 주로 지하 깊은 곳에 있는 고갈된 유전 및 가스전, 또는 염수층에 주입된다. 이산화탄소는 높은 압력에서 액체 상태로 주입되며, 시간이 지나면서 암석과 화학적으로 반응하여 고체화되거나 지층 내에 안전하게 격리된다. 최근 연구에서는 CO₂를 광물과 반응시켜 안정적인 탄산염 형태로 변환하는 방법도 개발되고 있다. 이렇게 되면 저장된 탄소가 지질학적으로 장기적으로 안전하게 유지될 수 있다.

3. 탄소 포집 및 저장 기술의 현재 상황

(1) 전 세계 CCS 프로젝트 현황

현재 CCS 기술은 미국, 유럽, 호주를 중심으로 다양한 실증 프로젝트가 운영되고 있다. 대표적인 사례로는 다음과 같다.

• 노르웨이 ‘노던 라이츠(Northern Lights)’ 프로젝트: 유럽 연합(EU)과 노르웨이 정부가 공동으로 추진하는 CCS 프로젝트로, 연간 150만 톤의 CO₂를 포집 및 저장할 계획이다. 이 프로젝트는 유럽의 산업시설에서 발생하는 CO₂를 포집해 노르웨이 연안의 해저에 저장하는 방식으로 운영된다.
• 미국 ‘펫라노바(Petra Nova)’ 프로젝트: 세계 최대 규모의 석탄화력 발전소 CCS 프로젝트로, 하루 약 5,000톤의 CO₂를 포집하여 유전에 주입하고 있다. 그러나 경제성 문제로 인해 2021년 운영이 일시 중단되었다가 최근 재가동이 검토되고 있다.
• 호주 ‘Gorgon CCS’ 프로젝트: 세계에서 가장 큰 CCS 프로젝트 중 하나로, 연간 400만 톤 이상의 CO₂를 포집하여 지하에 저장하고 있다. 이 프로젝트는 가스전 개발과 연계된 방식으로 운영되며, CCS의 실질적인 효과를 입증하는 중요한 사례로 평가받고 있다.

(2) 경제성 및 기술적 한계

CCS 기술은 아직까지 높은 비용과 에너지 소비 문제로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 현재 CCS의 평균 비용은 톤당 50~100달러 수준이며, 일부 프로젝트에서는 150달러까지 비용이 발생할 수도 있다. 또한, CO₂ 저장 안전성과 장기적인 환경 영향에 대한 연구가 더 필요하다. 저장 과정에서 CO₂가 지층 내에서 이동하거나 누출될 가능성이 있기 때문에 지속적인 모니터링이 필수적이다.

CCS 기술을 더욱 경제적으로 만들기 위해 연구자들은 새로운 촉매와 흡착제를 개발하고 있다. 특히, 금속유기구조체(MOF)와 같은 신소재는 높은 효율로 CO₂를 포집할 수 있어 차세대 CCS 기술로 주목받고 있다. 또한, CCS와 결합한 탄소 활용 기술(CCUS)도 연구되고 있으며, CO₂를 플라스틱, 연료, 건축 자재로 변환하는 기술이 상용화를 앞두고 있다.

4. CCS 기술의 미래와 발전 가능성

차세대 CCS 기술 개발

현재 CCS 기술의 단점을 극복하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 대표적인 미래 기술로는 다음과 같다.

• 탄소 활용 및 저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization, and Storage): 포집된 CO₂를 단순히 저장하는 것이 아니라 산업에서 활용하여 부가가치를 창출하는 방식이다.
• 바이오에너지 기반 CCS(BECCS, Bioenergy with CCS): 바이오매스 연료를 사용하여 에너지를 생산하면서 발생하는 CO₂를 포집하는 기술로, 탄소 배출을 ‘음수(negative)’로 만들 수 있다는 점에서 큰 기대를 받고 있다.
• 직접 공기 포집(DAC, Direct Air Capture): 대기 중에 존재하는 CO₂를 직접 포집하는 기술로, 스위스의 클라임웍스(Climeworks)와 미국의 카본 엔지니어링(Carbon Engineering) 등이 연구를 주도하고 있다.

5. CCS 기술이 나아가야 할 방향

탄소 포집 및 저장(CCS) 기술은 기후변화 대응을 위한 중요한 해결책 중 하나로 평가받고 있으며, 지속적인 기술 개발과 정책적 지원이 필수적이다. 향후 CCS 기술이 경제성과 효율성을 개선하여 상용화될 경우, 탄소 중립 목표 달성을 위한 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 기후변화 대응을 위해 각국 정부, 기업, 연구 기관이 협력하여 CCS 기술을 더욱 발전시키고 실용화하는 노력이 필요하다.