[ 이산화탄소 배출 자체를 막을 수 없다면 배출된 탄소를 포집해 저장하거나 유용하게 활용하는 것이 중요합니다. 탄소중립의 현실적인 대안으로 CCUS 기술이 주목받는 이유죠. 이미지 출처 : 게티이미지코리아 ]

‘탄소와의 전쟁’이 시작됐습니다. 대결 구도는 지구온난화의 주범인 탄소 vs 인류입니다. 세계 각국은 2050년까지 날로 뜨거워지는 지구의 온도 상승폭을 1.5도 이내로 낮추기 위해 ‘넷 제로(Net-Zero)’를 선언했습니다. 넷 제로란 온실가스를 줄이는 데서 나아가 탄소를 전혀 배출하지 않거나, 포집해 탄소 배출량을 ‘0’으로 만드는 것을 의미합니다. 그러나 우리가 살아가는 데는 필연적으로 이산화탄소가 배출됩니다. 공장에서 제품을 생산하고, 일상에서 필요한 에너지를 만드는 모든 과정에서 탄소가 발생하죠. 탄소 배출 ‘제로(0)’가 꿈같은 일로 보이는 것도 이 때문입니다. 많은 전문가는 화석연료를 전혀 사용하지 않는 날이 도래하기 전까지 발생하는 이산화탄소를 잘 처리하는 것이 중요하다고 설명합니다. 탄소 배출 자체를 막을 수 없다면 그것을 잘 포집해 저장하거나 유용하게 활용하자는 것이죠. CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage)가 탄소중립을 실현하는 가장 현실적인 방안으로 떠오른 배경입니다. 

글=박현희 / 인포그래픽=김수정

블루수소 생산에 필수불가결한 기술… 탄소중립의 꿈 CCUS로 이뤄가다

CCUS는 화력발전, 철강산업, 시멘트산업, 석유화학산업 등과 같이 화석연료의 연소 및 특정 공정 중 발생하는 ‘이산화탄소(Carbon)’를 ‘포집(Capture)’하여 ‘활용(Utilization)’하거나 ‘저장(Storage)’하는 기술을 통칭합니다. 포집한 탄소를 활용하면 CCU, 저장하면 CCS라고 구분해 부르기도 하죠. 공신력을 갖는 국제기구들도 탄소중립 실현을 위한 최우선 기술로 CCUS를 꼽습니다. *국제에너지기구(IEA‧International Energy Agency)는 CCUS 없이는 넷 제로 달성이 불가능하며, 세계 이산화탄소 감축량 중 15%가량을 이 기술로 해결해야 한다고 강조합니다.

*에너지 안보와 에너지 정책 협력에 대한 권한을 일임하며 탄생한 OECD(경제협력개발기구) 산하의 국제적 에너지 계획 기구.

[ CCUS는 ‘이산화탄소(Carbon)’를 ‘포집(Capture)’해 ‘활용(Utilization)’하거나 ‘저장(Storage)’하는 기술을 통칭합니다. 포집한 탄소를 활용하면 CCU, 저장하면 CCS라고 구분해 부릅니다. ]

‘수소경제’를 실현하는 데도 CCUS 기술이 불가피합니다. 수소로의 에너지 패러다임 전환은 온실가스 발생을 줄여 지구온난화를 막자는 데서 출발했습니다. 이산화탄소를 발생시키지 않는 *그린수소를 궁극적으로 추구하는 까닭이죠. 그러나 그린수소 생산을 위한 인프라가 전 세계적으로 많지 않고, 경제성을 확보하기 위해서는 시간과 노력이 더 필요합니다. 화석연료를 완전히 배제하기 어려운 상황에서 찾은 현실적인 방안이 바로 ‘블루수소’입니다. 블루수소는 이산화탄소를 온전히 배출하는 *그레이수소와 생산 방식은 같습니다. CCUS 기술을 도입해 이산화탄소를 배출하느냐, 않느냐의 차이죠. 

*그린수소는 재생에너지에서 얻은 전기로 물을 분해해 수소를 생산합니다.

*천연가스로 그레이수소 1kg를 생산하기 위해서는 약 10kg의 이산화탄소를 배출합니다.

전문가들은 2050년까지 세계 수소 수요의 24%를 블루수소가 차지할 것으로 전망합니다. 화석에너지를 풍부하게 보유하고 있거나, 바이오에너지 공급 여건이 풍부한 미국, EU, 중동 등을 중심으로 이산화탄소 포집량과 블루수소 생산 규모가 증가할 것으로 보고 있죠. 실제로 이들 나라에서는 대규모 CCUS 실증사업이 활발하게 진행 중이며, 일부 기술은 상용화 단계에 진입했습니다. 

우리나라는 2020년 12월 탄소중립을 선언하고, 이듬해 11월 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’을 발표했습니다. 탄소사회에서 수소사회로의 전환을 꾀하며 *청정수소 자급률을 2030년에 34%, 2050년에는 60%까지 끌어올리겠다는 계획이죠. 또한, 블루수소 생산을 위해 CCUS 기술을 조기에 상용화하고, 국내외 탄소 저장소를 발굴할 것이라고 밝혔습니다. 현대건설 역시 정부의 탄소중립 정책에 발을 맞추며 대한민국 대표 건설사다운 행보를 이어가고 있습니다. 특히 블루수소를 생산하는 데 필수불가결한 CCUS 기술을 선제적으로 확보하며 탄소중립 실현을 앞당기는 중이죠.

*청정수소: 수소 생산과정에서 이산화탄소를 배출하지 않거나 현저히 적게 배출하는 수소로 그린수소와 블루수소를 모두 포함합니다.

 CCUS  국책과제 리더로서 세계수준의 ‘탄소 포집’ 기술 확보 중

현대건설은 지난 5월 24일부터 현대차, 롯데케미칼, 한국에너지기술연구원 등 12곳의 기업‧기관과 함께 과학기술정보통신부 국책과제를 수행하고 있습니다. 주제는 ‘블루수소 생산을 위한 하이브리드식 CO₂ 포집 액화 공정의 최적화 및 실증’으로, 최근 준공한 평택 수소생산기지(1단계)에서 진행 중이죠. 1단계 기지에서는 하루 최대 7톤 규모의 수소가 생산(추후 39톤까지 생산 계획)됩니다. 국책과제 설비는 기지 내 한국가스공사와 한국가스기술공사 수소 생산 플랜트 사이에 위치하는데요, 참여기업‧기관들은 33개월 동안 회수율 90%, 순도 95% 이상의 이산화탄소를 1일 평균 100톤 이상 *저에너지 방식으로 포집합니다.

*저에너지란 전력 소모를 크게 줄인 것을 의미합니다. 포집한 이산화탄소는 저장과 운송의 편의를 위해 액체(액화탄산)로 변환시킵니다. 액화탄산은 상온의 탄소를 압축‧냉각해 만들기에 상당히 많은 전력이 필요한데요. 현대건설 연구팀은 포집 설비와 가까운 곳에 위치한 액화천연가스(LNG) 설비의 냉열(냉각 에너지, 영하 162도 상당)을 이용해 탄소를 액체화할 계획입니다. 덕분에 전기 에너지를 크게 절약할 수 있죠.

현대건설은 프로젝트 총괄 주관사로서 전체 설비 시스템의 설계‧시공 및 시운전은 물론, 세계수준의 포집 기술 확보라는 책임을 맡고 있습니다. 현대건설 CCUS 전문가는 “현장 실증을 거친 후에는 연간 100만 톤급의 탄소 포집·액화 플랜트 설계안을 도출할 계획”이라며 “글로벌 최대 규모의 ‘CCU FEED(Front End Engineering Design) 설계’ 역량을 보유할 것”이라는 포부를 밝혔습니다.

[ 국책과제 역할을 요약한 인포그래픽. 현대건설은 프로젝트 리더로서 전체 설비 시스템의 설계·시공 및 시운전과 함께 세 가지 포집 기술 실증연구를 통한 세계수준의 기술 확보라는 책임을 맡고 있습니다. ]

탄소 포집은 CCUS 기술의 핵심입니다. 이산화탄소를 우선 잘 잡아 모아야 저장하거나 활용할 수 있으니까요. 포집 방법에는 액상 흡수제를 이용해 이산화탄소를 흡수하는 ‘습식포집’, 고체 흡착제를 사용하는 ‘건식포집(VSA포집)’, 기체를 *중공사막으로 통과시켜 분리하는 ‘분리막포집’이 있습니다. 이번 국책과제는 하이브리드 형태로 세 가지 포집 기술을 모두 적용한 국내 최초의 상용급 실증 시설입니다.

*중공사막은 가운데가 비어있는 미세한 크기의 원통으로 구성돼 있습니다.

[ 탄소 포집 기술 특성 비교 ]

현대건설은 세 가지 포집기술 중 대용량 가스처리가 가능한 습식포집을 실증합니다. 습식포집은 한국에너지기술연구원이 국내 기술로만 개발한 이산화탄소 액상 흡수 소재 ‘키어솔(KIERSOL)’을 활용합니다. 키어솔은 연소 배기가스에서 이산화탄소만 선택적으로 흡수해 포집하는 일종의 소재기술로, 세계 7개국에 특허가 등록돼 있습니다. 현대건설은 지난 2월 현대차와의 MOU를 통해 키어솔 라이센스(천연가스와 관련한 모든 분야에 적용 가능)를 소유하게 되었는데요. 선진사 대비 동등 이상의 성능을 가진 데다 경제적인 운전이 가능한 이 기술을 활용해 CCUS 관련 경쟁력을 높인다는 전략입니다.

 CCUS  글로벌 선도국과 국제공동연구… 동해 가스전 수주에도 긍정적 영향 미칠까

이산화탄소를 잘 포집했다면, 다음 스텝은 ‘저장’하고 ‘활용’할 차례입니다. 현대건설은 EPC사로서 고갈 저류층(원유와 천연가스가 지하에 모여 쌓여있는 층)에 이산화탄소를 저장하는 데 많은 관심을 쏟고 있습니다. CCS 기술 확보를 위해 지난 5월부터 *K-CCUS 추진단을 총괄주관으로 네덜란드와 국제공동연구를 수행 중이죠. 네덜란드는 해저 고갈 가스전을 활용해 이산화탄소 저장에 성공한 세계 최초의 나라입니다. 로테르담 산업단지에서 블루수소 생산을 위해 포집한 이산화탄소를 지하 파이프라인을 이용해 북해 고갈 가스층까지 운반‧저장하는 ‘포르토스(PORTHOS·Port Of Rotterdam CO2 Transport Hub and Offshore Storage)’ 프로젝트 등 네덜란드 전역에서 CCS 사업이 활발하게 진행되고 있죠. 현대건설은 K-CCUS 추진단과 네덜란드의 고갈 가스전을 활용해 ‘CCS 최적 저장 설계 및 설비 변환 기술’을 연구하고 있습니다. 특히 CCS 설비 변환 기술 개발을 책임지고 있죠.

*산업통상자원부 산하의 K-CCUS 추진단은 80여개 연구기관과 민간‧공기업이 참여한 민관합동기관입니다.

[ 네덜란드는 해저 고갈 가스전을 활용해 이산화탄소 저장에 성공한 세계 최초의 나라입니다. 현대건설은 K-CCUS 추진단을 총괄주관으로 네덜란드 고갈 가스전을 활용한 ‘CCS 최적 저장 설계 및 설비 변환 기술’을 연구 중입니다. 사진은 블루수소 생산을 위해 로테르담 산업단지에서 포집한 이산화탄소를 지하/해저 파이프라인을 통해 북해 고갈 가스층까지 운반‧저장하는 ‘포르토스 프로젝트’ 위치도. ]

우리나라가 CCS 사업에 관심을 갖는 배경에는 동해가스전이 있습니다. 우리나라를 세계 95번째 산유국 반열에 올려놓았던 울산 앞바다 동해가스전의 불꽃이 지난해 말 사그라진 것이죠. 이에 정부는 고갈된 동해가스전에 이산화탄소를 저장하는 CCS 실증 사업을 계획하고, 핵심기술을 확보하고자 네덜란드와 기술협력에 나섰습니다. 현대건설 관계자는 “기술 선도국과의 협력체계 구축으로 가스 생산 및 수송 설비를 CCS 설비로 변환하고 설계하는 기술을 확보할 수 있게 됐다”고 귀띔했습니다.

이제 남은 숙제는 “이산화탄소를 어떻게 자원화할 것인가”입니다. 이산화탄소는 액체나 고체로 변환해 직접 활용할 수도 있습니다. 그 대표적인 예가 탄산음료입니다. 탄소 기체를 물에 녹이면 탄산이 되는데, 이것이 바로 탄산음료 속 톡 쏘는 맛의 정체입니다. 액화탄산은 식음료뿐 아니라 선박 건조‧자동차 제조, 건설 현장의 용접용으로도 사용되고 있죠. 드라이아이스도 이산화탄소로 만듭니다. 기체인 이산화탄소를 얼린 것으로, 고체탄산으로도 불리죠. 이산화탄소를 잠재적 시장가치가 있는 유용한 물질로 만들 수도 있습니다. 탄소를 원료로 연료, 비료, 플라스틱 등 화학제품을 만들거나, 보드카와 신발 같은 소비재, 콘크리트 등 건축 자재로도 활용할 수 있습니다. 여기까지만 이야기한다면 이산화탄소를 저장할 필요가 없어 보입니다. 포집한 이산화탄소를 모두 활용하면 되니까요. 하지만 이는 말처럼 쉽지 않습니다. 상품을 판매해 얻는 수익에 비해 자원화 하는데 훨씬 많은 비용이 들기 때문이죠. 국제에너지기구는 전 세계적으로 포집된 이산화탄소 중 90%가 CCS로, 10%만이 CCU로 처리된다고 추산합니다. 많은 전문가가 이산화탄소의 에너지를 끌어올릴 때 드는 비용을 낮추는 것이 CCU 기술의 핵심이라고 설명하는 것도 이러한 이유입니다.

[ 우리가 즐겨 마시는 탄산음료의 톡 쏘는 맛의 정체는 바로 액체 이산화탄소입니다. 이미지 출처 : 게티이미지코리아 ]

그렇다고 CCU 연구를 그친다면 현대건설이 아닙니다. 현대건설은 평택 수소생산기지에서 진행 중인 과학기술정보통신부 국책과제를 통해 포집한 이산화탄소를 ▶액화탄산 ▶산업용 고순도 특수가스 ▶화학제품 생산 등으로 활용하고자 관련 기관과 긴밀하게 협력하고 있습니다. 또한 경기도 오산시, 전북 전주시 소재의 소각장에서 배출되는 이산화탄소를 포집해 액화탄산으로 활용하는 CCU 프로젝트도 9월부터 시작됩니다. 

이산화탄소와의 전쟁에서 CCUS 기술은 현재 가장 강력한 무기입니다. 현대건설은 2050년까지 누적 2조 달러로 전망되는 글로벌 CCUS 시장에서 유리한 고지를 선점하기 위해 국내외 전문기업과 적극적으로 협력하고 있습니다. 이산화탄소를 절감할 수 있는 최적의 솔루션을 연구 중인 현대건설 기술연구원 탄소중립연구팀은 “세계 최고 수준의 CCUS 기술을 확보하며 수주 경쟁력을 높이고 있다”면서 “CCUS 분야에서도 현대건설이 단연 게임 체인저가 될 것”이라며 강한 자신감을 드러냈습니다.

Mini Interview ｜ 현대건설 기술연구원 탄소중립연구팀

“지구적 과제 탄소중립… CCUS 기술로 이뤄내겠습니다”

Q 현대건설 기술연구원 탄소중립연구팀이 담당하고 있는 업무는?

탄소중립연구팀은 이산화탄소 포집부터 저장‧활용까지 CCUS 밸류체인의 핵심기술을 확보하는데 박차를 가하고 있습니다. 탄소중립 관련 프로젝트의 수주 경쟁력을 강화하고자 지난 5월 23일 구성됐죠. 

Q 현대건설은 CCUS 분야의 게임 체인저가 되고자 역량을 강화하고 있습니다. 밸류체인별로 간략히 소개한다면?

▶이산화탄소 포집(CC) 분야에서는 현대건설이 보유하고 있는 습식포집 기술을 상용화 규모로 발전시키는 것이 목표입니다. 실제로 수소 생산시설과 폐기물 소각시설에서 발생하는 배기가스 중 이산화탄소만을 분리해 포집하는 습식포집 설비를 설계하고 있죠. 이 외에도 복합발전 플랜트용 습식포집 기술 또한 전문 연구기관과 협업해 연구 중인데요. 앞으로 기술수요가 많을 것으로 기대되는 분야라 역량을 집중하고 있습니다. ▶저장(CCS)에서는 포집한 이산화탄소를 수송한 후 안전한 곳에 주입하는 기술을 개발 중입니다. 현대건설이 개발한 이산화탄소 수송 및 주입 기술은 향후 국책과제로 진행 예정인 ‘동해가스전 중규모 CCS 실증 사업(이산화탄소 연간 40만톤 저장)’ ‘군산 분지 대규모 CCS 실증 사업(이산화탄소 연간 100만톤 저장)’ 등에 적용할 계획이죠. 마지막으로 ▶활용(CCU)에서는 빠른 시간 내 상용화 진입이 가능한 기술개발에 역량을 집중하고 있습니다. 특히 주요 화학제품(암모니아, 메탄올 등)의 원료가 되는 합성가스를 생산하기 위한 공정을 연구개발 중이죠. 

Q 탄소중립연구팀이 그리는 CCUS의 미래는 어떠한가요.

‘2050년 탄소중립’이라는 지구적 목표를 달성하기 위해서는 기존 설비의 효율 향상, 신재생에너지 확대 등 이산화탄소 저감 노력과 더불어 화석연료 설비에서 배출되는 이산화탄소를 포집해 저장‧활용해야 합니다. CCUS 기술 없이는 탄소중립을 실현할 수 없단 의미죠. 화석연료가 완전히 사라지지 않는 한 CCUS 시장이 계속 성장할 것으로 전망합니다. 현대건설이 국내외 CCUS 플랜트 시장의 ‘기술 리더’가 될 수 있도록 제 역할을 충실히 수행해내겠습니다.