온실가스 주범 ‘CO2’로 ‘수소’ 만들고 CO2도 감축한다

2019.09.02 18:20:59

이산화탄소 포집·저장·활용 기술로 국내 온실가스 1,030만 톤 감축
지난 6월부터 ‘플라즈마 활용 탄소자원화 기술개발 및 실증사업’ 시작
포집된 CO2로 플라즈마 전환기술 통해 합성가스 및 왁스 생산
‘대구 음식물쓰레기 처리장 온실가스 자원화 사업’서 수소생산 성공
CCUS, 수소생산 과정서 발생하는 CO2 감축 및 재활용 가능


[월간수소경제 이종수 기자] 전 세계 기후변화의 대표적인 문제인 지구온난화는 대기 중 온실가스(GHGs: Greenhouse Gases) 농도 증가로 온실효과가 발생해 지구 표면의 온도가 점차 상승하는 현상을 말한다. 온실효과를 일으키는 온실가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6)이 있는 데 이산화탄소가 온실가스 발생의 주범으로 꼽힌다.


이산화탄소가 무조건 나쁜 것은 아니다. 우리 실생활에도 쓰이기 때문이다. 물에 녹여 만든 액화탄산은 청량음료로, 조연성(助燃性)이 없는 것을 이용하면 소화제(消火劑)로 사용된다. 이산화탄소를 단열팽창하여 얻는 고체를 ‘드라이아이스’라고 하고 냉동제로 사용한다. 그러나 사람이 5% 이상의 이산화탄소에 장기간 노출되면 의식을 잃거나 사망한다.


이산화탄소는 발전·에너지, 철강, 석유화학, 정유, 시멘트, 산업단지, 반도체 등 다양한 산업 현장에서 발생한다. 전 세계의 골칫덩어리가 된 이산화탄소를 줄이기 위한 노력이 강화되고 있으며, 산업 현장에서는 이산화탄소 포집·저장·이용 기술(CCUS)이 널리 활용될 것으로 예상된다.


포집한 이산화탄소는 화학적 변환 과정을 거쳐 화학제품의 원료나 플라스틱 분말, 바이오연료, 의약품 제조, 수소생산 등 다양한 분야에 활용할 수 있어 신산업을 창출할 수 있다. 수소생산 과정에서도 이산화탄소가 발생하는 만큼 수소생산 현장에서도 CCUS가 각광을 받을 것으로 보인다.  


전 세계 온실가스 감축 노력 강화
온실가스를 줄이기 위한 전 세계의 노력은 이미 오래 전부터 시작됐다. 지난 1992년 6월 리우 유엔환경회의에서 채택된 기후변화협약을 이행하기 위해 1997년 일본 교토에서 열린 제3차 당사국 총회에서 합의된 전 세계 온실가스 감축 목표에 관한 교토의정서 이후 2021년 1월부터 적용되는 신기후체제 파리기후변화협약이 지난 2016년 11월 발효됐다.


파리협정은 선진국만 온실가스 감축 의무가 있었던 교토의정서와 달리 195개 당사국 모두에게 구속력 있는 보편적인 첫 기후합의라는 점에서 온실가스 감축의 시급성을 말해준다. 


한국은 지난 2012년 기준 이산화탄소 배출 세계 7위(연료 연소), 온실가스 누적 배출량 16위, 1인당 배출량 경제협력개발기구(OECD) 6위에 해당한다. 


정부는 지난 2016년 파리기후협약의 이행을 위해 2030년 국가 온실가스 감축 목표를 2030년 배출전망치(BAU: 8억5,100만톤CO2-e) 대비 기존 정부안보다 강화된 37%(국내 25.7%, 국외감축분 11.3%)로 결정했다.  


정부는 당시 이산화탄소 포집·저장·이용 기술개발 등 다양한 정책을 통해 온실가스 감축 목표를 달성할 것이라고 밝힌 바 있다.


이에 더해 정부는 지난해 7월 기존 감축로드맵 배출전망치(2030년 8억5,100만 톤)은 그대로 유지하고 국외감축 목표를 하향 조정하는 대신 국내 감축량 목표를 기존 25.7%(2억1,900만 톤)에서 32.5%(2억7,650만 톤)로 상향 조정하는 내용의 ‘2030 국가 온실가스 감축목표 달성을 위한 기본 로드맵’ 수정안을 발표했다. 그만큼 국내에서의 이산화탄소 발생 문제가 심각해지고 있다는 것을 방증한다.


수정된 로드맵에 따라 국내 부문별 감축량 목표 2억7,650만 톤 중 이산화탄소 포집·저장·활용기술(CCUS)을 통해 1,030만 톤을 감축할 계획이다.      

 

CCUS 기술개발 현황
CCUS는 화력발전소나 제철소, 시멘트공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 포집한 다음 압축·수송 과정을 거쳐 지하 또는 해저에 저장하거나 부가가치가 높은 탄소화합물로 재활용하는 기술이다. 포집 및 저장 기술인 CCS(Carbon Capture & Storage)와 포집 및 재활용 기술인 CCU(Carbon Capture & Utilization)를 포괄하는 개념이다.


이미 국내에서도 CCUS 기술 개발이 진행돼왔다.


한전 전력연구원은 중부발전 보령화력에 200tCO2/d(10MW) 규모의 이산화탄소 포집 실증 플랜트를 구축하고, 지난 2017년 6월 5,000시간 연속운전에 성공해 CO₂ 포집 흡수제(KOSOL) 및 공정기술을 확보했다. 실증 플랜트를 가동해 포집한 CO₂는 농작물 재배, 정밀용접, 드라이아이스, 탄산음료 제조 등 다양한 분야에 하루 150톤 규모로 공급하고 있다.




전력연구원은 또 지난 2009년부터 남부발전 하동화력본부에 200tCO2/d(10MW) 규모의 건식 이산화탄소 포집 실증 플랜트를 설치해 실증 운전을 진행해왔다. 지난 2016년 6월 CO₂ 순도를 99.5% 이상으로 높여 액화 저장하는 설비를 설치했고, 160일간 이산화탄소 포집 플랜트의 연속운전에도 성공했다.


남부발전은 지난 2016년 8월 동덕산업가스와 CO2 공급협약을 체결하고 지난해까지 동덕산업가스에 매월 3회에 걸쳐 20톤의 액화 정제 CO2를 공급한 바 있다.


또한 지질자원연구원과 한일시멘트가 강원 및 충북 지역을 중심으로 석회수에 배기가스를 주입해 탄산칼슘을 제조한 후 폐광산 채움재로 활용하는 탄소 광물화 사업을 추진했다. 한국건설생활시험연구원과 한국화학연구원은 광양 및 여수 지역을 중심으로 부생가스 중 CO, CH4를 활용해 메탄올을 생산하는 탄소전환 플래그쉽 사업을 추진했다.


하지만 탄소 광물화 사업은 탄소 감축량이 적고 2차 오염 유발 및 경제성 문제가 지적되고 있다. 탄소전환 플래그쉽도 경제성 부족이 단점으로 지적된다.  


플라즈마 탄소자원화 기술개발 ‘스타트’
이러한 상황에서 또 하나의 탄소자원화 기술개발 과제가 지난 6월부터 본격적으로 시작돼 관심이 집중되고 있다. 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘플라즈마 활용 탄소자원화 기술개발 및 화력발전소 연계 플랜트 실증사업’이다.


이 사업은 이산화탄소를 포집해 재활용하고 미세먼지까지 잡아주는 기술을 개발함으로써 1석 3조(이산화탄소 감축, 미세먼지 제거, 재활용 자원화)의 효과를 창출할 것으로 기대를 모으고 있다.




플라즈마 분해기술 보유업체인 효진오토테크가 총괄하는 이 과제에는 리카본코리아, 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’), 서강대학교, 연세대학교, 녹색기술센터, 고려대학교가 참여한다.  


이 과제는 총사업비 130억 원을 투입해 상용 플랜트 적용이 가능한 플라즈마 활용 탄소자원화 기술을 개발하고 실증하는 것이 목표로, 오는 2022년 2월까지 진행된다. 포집된 이산화탄소를 활용해 플라즈마 기술을 통해 합성가스(SynGas)와 왁스(WAX)를 생산하는 공정을 개발한다.


실증 플랜트는 한국동서발전 당진화력발전소에 약 640m²(190평) 부지에 설치될 예정이다. 동서발전 당진화력발전소가 위치한 충청남도는 온실가스 배출 전국 1위(2011년 생산지 기준)라는 불명예를 안고 있다. 충남도 내 화력발전소 배출량이 70.7%를 차지할 정도로 배출되는 온실가스 처리를 위한 해결방안이 절실한 지역이다.  




전체 기술개발 공정을 보면 먼저 화력발전소의 연소 배연가스를 냉각한 후 CO2를 포집한다. 포집된 CO2는 플라즈마 반응기에서 CH4(메탄)와 결합해 합성가스로 전환된다. 이 합성가스는 가스분리기를 통하면 수소와 CO가 생성되고, 이 수소와 CO가 FT 반응기를 통하면 왁스가 생산된다.


배연가스 냉각 과정에서 발생하는 미세먼지까지 감축하는 기술도 확보할 계획이며, 이러한 기술개발은 에너지연이 수행한다. CO2 포집은 에너지연의 액상 포집 기술(KIERSOL), CO2 전환은 리카본코리아의 플라즈마 전환기술, CO2 활용은 서강대의 FT 반응 왁스 생산 시스템 기술이 각각 활용된다.


에너지연의 화력발전소용 포집기술은 세계 최고의 재생 열용량 및 흡수제 보충량을 자랑하며, 소재 교체만으로도 활용이 가능하다.


에너지연은 이번 과제의 포집기술 개발에서 시멘트 생산 시설에 10tCO2/d급을 성공적으로 운전하며 확보했던 노하우를 활용할 예정이다. 에너지연의 시멘트산업 연계 공정기술은 미래 2025년 한국을 이끌 100대 공학기술상을 수상하기도 했다. 


특히 CO2 전환 부문에서 세계적인 플라즈마 분해기술 보유 기업인 리카본의 플라즈마 전환기술이 적용된다는 점이 주목된다.


플라즈마는 기체 상태의 물질에 지속적으로 열을 가해 이온, 전자, 중성입자 등으로 나뉘어 자유롭게 움직이는 상태의 물질을 가리킨다. 번개나 오로라 등을 예로 들 수 있다. 플라즈마에 높은 온도와 압력을 가하면 분자 구조가 단단한 이산화탄소를 분해할 수 있게 된다.


플라즈마를 이용한 이산화탄소 분해(CO2+CH4=2H2+2CO)는 습식 개질(CH4+2H20=CO2+4H2)과 달리 물이 들어가지 않아 건식 개질이라고도 불린다.




리카본의 플라즈마 기술은 전세계 기술들과 비교할 때 플라즈마 분해율이 높고, 경제성에서 중요한 요소인 소비전력은 낮다. 또 촉매가 필요하지 않을 뿐만 아니라 모듈형 구조로 돼 있어 확장성(Scale up)이 용이하고 적재 설치가 가능하다. 


실증 플랜트는 크게 탄소포집기(2tCO2/d), 플라즈마 반응기(3kW급), 가스분리기(447Nm³/h급), FT 반응기로 구성된다.


탄소포집기를 맡은 한국에너지기술연구원은 화력발전소용 표준 CO2 포집공정(2tCO2/d=400Nm³/h), 재생 열용량: 2.2GJ/tCO2, CO2 순도 99.95% 이상으로 개발한다는 목표다.




플라즈마 반응기는 효진오토테크와 리카본코리아가 담당하며, △CO2 처리량 91Nm³/h △수소 생산량 79Nm³/h △CO 생산량 148Nm³/h △CO2 전환효율 65%를 달성한다는 목표다.


가스분리기를 담당하는 효진오토테크는 △시간당 분리량: 447Nm³/h △분리 성분비 수소 : CO=35 : 65 △수소 순도: 91% 이상 △CO 순도: 95% 이상을 목표하고 있다.


FT 반응기를 담당하는 서강대는 합성가스로부터 FT 합성유 및 왁스제조를 위한 고효율 콤팩트 반응공정을 개발하는 것이 목표다.


녹색기술센터와 연세대, 고려대는 사업화 부문을 맡았다.


녹색기술센터는 해외사업화 전략, 국제 재원 연계방안, 정책개발 및 입법안을 마련한다. 연세대는 시험평가 방법 마련, 측정장치 개발 및 정량적 측정, CO2 감축량 산정을, 고려대는 글로벌 에너지전문가 교육, 플라즈마 기술 원가 및 경제성 분석, 국내외 홍보 확산(포럼, 컨퍼런스)을 각각 맡는다.   

 


이번 과제를 통해 확보한 합성가스 제조 기술은 합성가스로부터 다양한 촉매상 합성기술을 적용해 합성유, DME, 왁스, 나프타, 올레핀, 수소 등 화학산업 기초 원료와 수송연료를 생산할 수 있다는 점에서 부가가치가 높을 것으로 기대된다.


또한 이산화탄소 10만 톤 처리용량 상용화 플랜트 1기는 1,420억 원의 생산유발효과, 280억 원의 부가가치유발효과, 1,100명의 고용효과를 창출할 것으로 예상된다.


이번 과제의 총괄책임자인 장봉재 리카본코리아 대표는 “이번 과제는 국내 탄소자원화 기술개발을 촉진하고 탄소자원화 기술에 특화된 비즈니스 모델과 국내외 사업화 전략을 제시해 기술경쟁력을 제고할 수 있을 것”이라며 “또 탄소자원화 사업 촉진으로 신산업 창출 및 고용 증대에 기여하고 글로벌 신시장을 선점하는 한편 기후변화 대응을 효율적으로 지원함으로써 신기후체제 이행 및 국제 위상 제고에도 도움이 될 것”이라고 밝혔다.


탄소자원화 통해 수소생산
이번 과제에서의 핵심 기술은 플라즈마 전환기술이다. 이미 리카본코리아는 대구시, 한국가스공사, ㈜GIR 등 9개 기관·기업으로 구성된 ‘대구시 서구 음식물쓰레기 처리장 온실가스(CO2) 자원화 사업’ 컨소시엄에 참여해 플라즈마 활용 탄소자원화 기술을 입증했다.  


리카본코리아는 지난 2012년부터 에스코넥, 이엠코리아, 효진오토테크, 지성큐앤텍, 에스앤티와 협력해 랩(Lab) 플라즈마 반응기를 개발한 데 이어 2015년부터 1세대 파일럿 모듈(1kW)을 개발해 지난 2017년부터 시작한 대구시 음식물쓰레기 처리장 온실가스 자원화 사업을 통해 지난해 10월 실증을 마쳤다.




리카본의 원천기술인 플라즈마 탄소전환장치는 음식물쓰레기 처리장에서 발생하는 이산화탄소(온실가스)와 메탄을 혼합해 이 장치에 투입하면 이산화탄소와 메탄이 분해됨과 동시에 고부가가치 산업용 가스인 수소와 일산화탄소를 순도 99.99% 이상으로 얻을 수 있다.


대구시는 지난 7월 30일 달서구 대천동 대구환경공단 서부사업소에서 ‘탄소자원화 실증사업 결과 발표회’를 갖고 서구 상리동 음식물쓰레기 처리장의 온실가스를 자원화하는 데 성공했다고 밝혔다.


특히 이 기술은 수소를 LNG(액화천연가스)에서 개질(분해)해 얻는 기존 방식과 달리 온실가스에서 직접 얻을 수 있어 CO2 발생 없이 고부가가치 수소를 얻게 돼 주목받고 있다.


대구시 등 컨소시엄은 음식물쓰레기에서 발생하는 온실가스 3,000톤을 분해해 수소를 확보할 예정이다. 계획대로라면 연간 수소전기차 600대가 이용할 수 있다.




리카본코리아는 이번 ‘플라즈마 활용 탄소자원화 기술개발 및 화력발전소 연계 플랜트 실증사업’을 통해 2세대 양산형 플라즈마 파일럿 모듈(3kW급)을 개발해 실증할 예정이다. 이미 협약을 체결한 울산시, 충남도, 창원시의 탄소자원화 프로젝트에도 2세대 모듈의 적용을 추진할 계획이다. 


더 나아가 수 개의 사이트에 500tCO2/d(10만Nm³/h) 이상의 상용 플랜트를 구축하고, 미국·캐나다·호주·인도·중국 등 세계 전 지역에 보급을 확대한다는 계획이다.   


한편 기관 투자자인 LB인베스트먼트는 최근 e-신산업 LB펀드 1호를 통해 리카본코리아에 30억 원을 투자했다. 향후 300조 원 이상으로 성장할 것으로 전망되는 탄소자원화 시장에서의 리카본코리아의 플라즈마 활용 탄소자원화 기술을 높이 평가했기 때문이다.


수소생산 현장에서 CCU 각광 받을 듯
이처럼 신기후체제에 대응하고 미세먼지까지 잡을 수 있는 이산화탄소 포집·저장·이용 기술(CCUS)과 함께 화석연료를 대체할 수 있는 ‘수소’가 크게 주목받고 있다. 문재인 대통령은 지난 1월 17일 ‘수소경제 활성화 로드맵’ 발표회장에서 화석연료 시대에서 수소경제 사회로의 전환을 추진할 것을 공식 선포했다.   


그런데 수소를 생산하는 과정에서 온실가스의 주범인 이산화탄소가 발생한다는 점은 아이러니하면서도 수소의 최대 아킬레스건이다. 환경주의자들의 비난에서 결코 자유로워질 수 없는 부분이다. 


천연가스 개질 시 ‘CH₄ + 2H₂O = CO₂ + 4H₂’ 와 같은 화학적 변환이 일어난다. 즉 천연가스(CH₄)와 물(H₂O)을 반응시켜 이산화탄소(CO₂)와 수소(H₂)를 생산하는 것이다. 물질량으로 따지면 수소와 이산화탄소의 비율은 4 : 1이지만, 이산화탄소는 수소보다 5배 가량 더 무거워 수소 1kg 생산 시 약 5~10kg의 이산화탄소가 배출된다.


국제에너지기구(IEA)가 지난 6월 처음 공개한 ‘수소의 미래’ 보고서에 따르면 수소는 대부분 화석연료에서 생산되고 있으며, 세계적으로 천연가스의 6%, 석탄의 2%가 수소생산에 쓰이고 있다. 결과적으로 이러한 수소생산은 연간 약 8억3,000만 톤의 이산화탄소를 배출하며, 이는 영국과 인도네시아의 이산화탄소 배출량을 합한 것과 같다.


현재 전 세계적으로 연간 약 7,000만 톤의 수소가 생산되는데, 이 중 3/4이 천연가스에서 추출된다. 국내의 경우 현재는 석유화학단지에서 나오는 부생수소가 쓰이고 있지만 재생에너지 잉여전력을 활용한 그린 수소 시대가 오기 전까지는 앞으로 상당 기간 천연가스에서 수소를 추출하는 방식이 주를 이룰 것으로 보인다.


실제 정부가 지난 1월 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 보면 부생수소는 수소경제 준비 물량, 추출 수소는 초기 수소경제 이행의 핵심 공급원으로 활용된다. 전국 LNG 공급망을 활용해 수소 수요처 인근을 중심으로 수소생산기지를 구축하는 한편 고효율·대규모 추출 기술 확보 및 수소추출기 국산화를 통해 수소생산기지 구축비용을 절감한다는 계획이다. 


한국가스공사는 정부의 수소경제 활성화 로드맵에 발맞춰 전국 4,854km에 이르는 천연가스 배관망과 공급관리소 403개소를 활용해 2030년까지 수소 생산시설 25기를 구축할 계획이다.


정부는 또 오는 2022년까지 수소충전소 310개소, 2040년까지 1,200개소(누적)의 수소충전소를 구축한다는 계획이다. 현재 수소충전소가 튜브트레일러 방식이지만 앞으로 현지 수소생산 방식인 천연가스 추출 수소충전소도 늘어날 것으로 보인다.


이러한 천연가스 기반 수소생산 방식에서 있어서도 이산화탄소 포집·이용 기술(CCU)이 유용하게 쓰일 전망이다.




실제 리카본코리아의 플라즈마 탄소자원화 기술이 창원시의 수소에너지 순환시스템 실증사업에 적용될 예정이다. 천연가스 개질 방식의 수소생산에서 발생하는 이산화탄소를 대기 중으로 버리지 않고 수소를 추출해 수소 생산량을 확대할 수 있다는 게 리카본코리아 측의 설명이다.


장봉재 리카본코리아 대표는 “올해 처음으로 3기의 수소생산기지가 구축되는데 서울 강서 수소생산기지의 경우 지역주민들의 반대로 난항을 겪을 것으로 보인다”라며 “지난 5월 강릉에서 발생한 수소저장탱크 폭발사고로 인해 수소생산기지의 안전성에만 초점이 맞춰져 있는데 수소생산 과정에서 나오는 이산화탄소를 어떻게 할 것이냐 하는 문제도 지금부터 고민해야 할 시점”이라고 말했다.  


한편 IEA의 ‘수소의 미래’ 보고서에 따르면 지난해 전 세계 수소생산 비용은 CCUS 기반 천연가스 추출 수소가 아직은 기존 천연가스 개질 방식보다는 비싼 편이지만 수전해 수소생산보다는 훨씬 저렴한 것으로 나타났다. CCUS 기술의 활용도가 높아지면 CCUS 기반 수소생산비용도 낮아질 것으로 보인다.



이종수 기자 jslee@h2news.kr
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