기후변화와 CCUS 기술의 필요성

본 콘텐츠는 기후변화에 대응하기 위한 CCUS(Carbon Capture, Utilization, Storage)의 필요성에 대해 논하고자 함

 

1. 기후 변화와 CO2 배출

■ 인간의 산업활동에 의한 CO2 배출: 화석 연료 사용

 - 인간의 화석 연료 사용은 산업 혁명 이후로 증가하기 시작했으며,

 - 탄소 집약적 화석연료의 사용은 인간에 의해 발생한 CO2의 약 80% 이상을 차지함

■ 대기 중 CO2 농도 증가 가속화

 - 1970년대 이후로 글로벌 온실가스(GHG, Green House Gas) 배출은 연평균 0.4Gt CO2 eq 규모로 증가

 - 2000년 이후로 연평균 GHG 배출규모 1Gt-CO2eq 규모로 증가 추세

 - 1750년대 이후 인간에 의해 배출된 CO2 중 40%는 현재 대기 중에 남아 있으며, 나머지는 토양이나 바다에 의해 제거됨

 - 현재 대기 중 CO2 농도는 400ppm 초과 (ppm: parts per million)

■ 탄소 예산(Carbon Budget)

 - 탄소예산(Carbon Budget)은 지구의 온도를 산업혁명 이전 대비 1.5˚C 또는 2˚C 이상 오르지 않도록 하는 범위 안에서 배출 가능한 온실가스 총량을 의미

 - 2020년 이후 기온 상승을 1.5˚C로 제한할 수 있는 누적 CO2 배출량(탄소 예산)은 약 400 GtCO2(4천억 톤) 

 - 2020년의 세계 CO2 배출량은 340억톤이며, 이를 추세대로라면 기온 상승을 1.5˚C 이내로 억제할 수 있는 탄소 예산(4천억 톤)은 2027년 경이면 고갈이 예상됨 (Source: Global Carbon Project)

 

■ 산업별 온실 가스 배출량 ('19년 기준)

  - 산업별 온실가스 배출량을 CO2eq(CO2 외의 온실가스의 영향을 CO2 단위로 환산)로 분석 결과, 

 ① 화석 연료 사용으로 인한 에너지 산업에서의 온실가스 배출 비중이 가장 높음 (26%)

 ② 농축산업, 임업 등 토양을 이용하여 생산활동을 하는 과정 중에서의 탄소 배출 비중이 두 번째로 높음 (24%)

 ③ 구조적으로 고온에서 원재료를 가공하여 제품을 생산하는 제조업(철강, 시멘트, 정유화학 등)의 탄소 배출 비중이 세 번째로 높음(21%) 

산업	온실가스 발생량(GtCO2eq)	온실가스 발생비중
에너지 (석유, 가스, 석탄)	13.7	26%
제조업 (철강, 시멘트, 정유 등)	11.1	21%
운송	7.4	14%
빌딩	3.4	6%
AFOLU: 농축산업, 임업 등 (Agriculture, Forestry and Other Land Use)	12.7	24%
기타	5.0	9%
합계	53.3	100%

(Source: IPCC, IEA, Food and Agriculture Organization, Kearney Energy Transition Institute)

 

2. Net Zero 달성과 CCUS

■ Net Zero 달성을 위한 지속가능 발전 시나리오 

 - 파리협약을 기점으로 탄소 감축과 기후 변화 대응에 대한 전세계적 공감대가 강화 추세

 - 2050년까지 이산화탄소 배출 총량을 Zero로 만들고자 하는 Net Zero 선언이 국가/산업/기업단위로 이어지고 있음

 - IEA(Interational Energy Agency)는 Net Zero 및 기후변화 목표 달성을 위한 지속가능 발전 시나리오(Sustainable Development Scenario, SDS)를 제시

 

■ Net Zero 달성을 위한 감축 경로 (지속가능 발전 시나리오, IEA)

 - IEA는 Net Zero 달성을 위한 방법으로 ① 근본적인 재화/서비스 수요 감소, ② 기술 혁신 ③ 에너지 전환 ④ CCUS 제시

 - 에너지 전환: 전기화(Electrification), 수소 에너지, 바이오 및 신재생 에너지 활용 등

 - CCUS(Carbon Capture, Utilization, Storage): 배출된 CO2를 포집(Capture)하여 활용(Utilizaiton) 또는 저장(Storage)

연간 CO2 감축 (Source: CCUS in Clean Energy Transition, IEA, 2020)

■ Net Zero 달성 경로 中 CCUS의 역할

 - CCUS는 화석 연료 사용 등으로 인해 CO2 배출의 대부분을 차지하는 에너지 산업, 구조적으로 공정 중 탄소 배출 저감이 어려운 중공업(시멘트, 제철, 정유화학 등), 청정 수소 생산 등 다양한 산업에서 발생하는 CO2를 제거하는 효과적 방법

 - 특정 산업 배출원에 구애받지 않고 공기 중에서 CO2를 직접 제거하는 Direct Air Capture 기술도 연구 중

 → CCUS는 기술 발전에 따른 비용 감소를 통해 적용처가 증가, CCUS를 통한 CO2 감축량이 '70년까지 전체 CO2 감축의 약 15%를 차지할 것으로 전망됨

 

■ CCUS 프로젝트 증가 추이

 - CCUS 프로젝트는 현재 증가 추이에 있지만, IEA가 지속가능 발전 시나리오(SDS)에서 제시하는 목표를 달성하기 위해 2030년까지 필요한 CCUS 프로젝트 포집 용량(800 MtCO2/yr)과, 현재 2030년까지 계획된 CCUS 프로젝트들의 포집 용량(220 MtCO2/yr) 사이에 큰 간극(580 MtCO2/yr)이 존재함

 - CCUS 프로젝트 포집용량은 현재 계획된 수준의 4배 가까이 증가해야 목표 달성이 가능함 

 

3. 산업별 CCUS 도입 전망

■ CCUS 도입의 잠재력이 높은 산업

 - 발전 및 정유 산업은 이미 오랜 기간에 걸쳐 CCUS 도입이 연구되어, 상용화 단계(Commerical Stage)에 도달한 프로젝트가 다수 존재함

 - 단일 산업으로 전체 CO2 배출량 중 차지하는 비중이 높은, 시멘트/제철/화학 산업의 경우 현재 Pilot 수준의 CCUS 적용 실증이 진행 중에 있음

 - 시멘트/제철/화학 산업의 경우, 공정 내 필수적으로 고온으로 원재료를 가열하여 제품을 만드는 과정이 포함되며, '가열 시 에너지 사용' 및 '원재료의 제품 전환' 공정에서 CO2가 필연적으로 배출되어, CCUS  외에는 탄소를 감축할 수 있는 수단이 제한적임

→ 향후 시멘트/제철/화학 산업에서 CCUS의 적극적인 도입이 전망됨

 

 ※ 시멘트/제철/화학 산업의 탄소집약적 공정

 - 시멘트: 석회석(CaCO3)를 고온으로 가열하여, 시멘트의 원료인 CaO(석회)를 분리하고 CO2를 배출.

 - 제철: 철광석과 코크스를 고온으로 가열하여, 일산화탄소 환원 반응을 통해 철 생산

 - 정유화학: 원유의 정제 등 고온에서 진행되는 공정 중 CO2 배출 비중 高

 

산업	CO2 배출('19년) (단위: GtCO2)	현재 CCUS 도입 성숙도	향후 CCUS 도입 전망
시멘트	2.4	Pilot 단계	높음
제철	2.6	Pilot 단계	높음
화학	1.4	Pilot 단계	높음
정유	1.6	Commercial 단계	보통
발전	14.0	Commercial 단계	보통
운송	8.1	N/A	낮음

 

■ 산업별 CO2 포집량 추이 

 - 2050년까지 제조업에서의 CCUS를 통한 탄소 포집량이 가장 많을 것으로 예상됨

 - 2050년까지 개별 산업으로는 시멘트 산업이 전체 CO2 포집의 19%를 차지하며, 시멘트 산업에서의 CCUS 중요성이 확대할 것으로 예상됨

 - 2070년까지 발전 산업에서의 CCUS를 통한 탄소 포집량이 가장 많을 것으로 전망되며, 기타 에너지 전환(수소 등) 중의 이산화탄소 포집량도 증가할 것으로 예상됨

산업		2050		2070
		CO2 포집량(GtCO2)	CO2 포집 비중	CO2 포집량(GtCO2)	CO2 포집 비중
제조업	제철	2.0	6%	2.7	6%
	화학		7%		5%
	시멘트		19%		11%
발전	석탄	1.9	14%	4.1	8%
	천연가스		10%		9%
	바이오매스		6%		15%
에너지전환		1.6	25%	2.9	23%
BECS	바이오에너지+CCS	0.8	13%	2.9	21%
	DAC		0%		2%
합계		6.3	100%	12.6	100%

 

 

 

■ 포집된 CO2의 처리(저장/활용) 전망

 - CCUS 도입과 함께 포집된 CO2의 대부분은 저장 처리될 것으로 전망됨

 - CO2 저장(CCS) 또는 활용(CCU) 처리 비중은 전망 기관에 따라 상이하나, 대부분의 기관에서는 경제성 등의 이유로 대부분 저장 처리(CCS) 될 것으로 예측하고 있음

구분	2030	2050	2070
CO2 저장 (CCS)	77%	93%	92%
CO2 활용 (CCU)	23%	7%	8%

(Source: Kearney Energy Transition Institute)