[CCUS] CCU(Carbon Capture, Utilization) 기술 개요 및 현황

CCUS(Carbon Capture, Utilization, Storage)의 벨류체인 중, 포집한 CO2를 경제적 가치가 있는 제품으로 전환하는 CCU(탄소 포집 및 활용) 기술의 현황에 대해 소개하고자 함

 

세계적으로 2.3억톤 이상의 CO2가 소비되고 있으며, 매년 소비량이 꾸준히 증가하고 있음

Note: Projections for future global CO2 demand are based on an average year-on-year growth rate of 1.7%. Sources: Analysis based on ETC (2018); IHS Markit (2018); US EPA (2018).

 

• 전 세계적으로 약 2억 3천만 톤(CO2) 이상의 이산화탄소가 매년 사용됨. (2018년 기준)
• 가장 큰 소비자는 비료 산업으로, 요소 제조에 1억 3천만 톤 CO2가 사용되며, 오일 및 가스 산업에서의 EOR(원유 회수 증진)을 위해 7천만~8천만 톤 CO2가 사용됨
• 다른 상업적인 응용 분야로는 식품 및 음료 제조, 금속 가공, 냉각, 화재 억제 및 온실에서 식물 성장 촉진이 포함됨.
• 현재 대부분의 상업 응용 프로세스는 현재 CO2의 직접 사용을 포함함

 

위와 같은 산업의 CO2의 활용 현황은 해당 기술의 기술 성숙도에 영향을 받음

 

• CO2를 통해 비료의 원료인 요소(Urea)를 생산하는 기술은 매우 성숙했으며, 비용 측면에서도 경제성 확보 완료
• 고갈되기 전의 유전(통상 30% 정도의 원유가 남은 상태)에  CO2를 고압으로 주입하여 유전 내에 남은 원유를 회수하고, CO2는 유전 내에 저장하는 기술인 EOR(Enhanced Oil Recovery, 원유회수증진)은 1970년대부터 시작되었으며, 기술 성숙기에 돌입하여 공정의 경제성 확보 완료
• 이 외의 상용화된 CO2의 산업적 활용(CCU)은 식음료 산업 등 CO2를 (변환없이) 직접 사용하는 분야임
• 향후 CCUS 또는 CCU 프로젝트의 활성화를 위해서는, 포집한 CO2를 경제적 가치가 있는 제품으로 변환시킬 수 있는 기술의 발전이 필수적임

 

통상 CCU 기술은 CO2의 직접 활용 기술이 아닌 CO2를 활용/전환하는 기술을 의미하며, CO2의 활용/전환 방식에 따라 생물학적 전환, 화학적 전환, 광물화로 구분됨 

Kearney

 

• CO2의 광물화(Mineralization)는 CO2를 탄산염(CO3) 등의 형태로 고정시켜, 시멘트, 골재 등 건축 자재 및 건물 소재로 활용하는 방식으로, CCU 기술 중 가장 상용화 정도가 높은 편임
• CO2 광물화(Mineralization)의 대표적 기업으로는 Solidia, Carbfix, Fortera 등이 있음
• CO2의 화학적 전환의 기술 성숙도는 제품에 따라 다르지만, CO2를 활용해 항공 연료 및 화석연료를 대체할 수 있는 연료의 생산 기술은 기술적 성숙도가 낮은 편임
• CO2의 화학적 전환을 통해 생산할 수 있는 제품(연료 등)의 부가가치가 광물화(시멘트 등) 등에 비해 높기 때문에, 기술 성숙 시 CO2를 처리하면서 경제성을 확보할 수 있는 방법으로 많은 연구가 이루어지고 있음
• CO2의 생물학적 전환은 CO2를 미생물 등을 통해 바이오연료, 바이오화학물질 및 미생물 생산물로 변환
• CO2 생물학적 전환의 대표적인 기업으로는 LanzaTech 등이 있음

 

반응형

 

CCU 기술은 CO2를 활용하여 만들어지는 제품의 종류에 따라 연료화, 화학물질 전환, 광물화로도 구분 가능

IEA 2019

 

• CO2 기반 연료 및 화학물질의 생산은 에너지 집약적이며 대량의 수소가 필요하고, 기술적 성숙도가 낮음
• CO2의 생물학적/화학적 전환을 통해 항공 연료(Jet Fuel), 각종 화학물질 및 화합물의 원료를 생성하고 이를 통해 화석 연료의 대체가 가능함
• CO2의 광물화는 에너지 소비가 적으며,  연료화/화학물질 전환에 비해 기술적 성숙도가 높음. 
• CO2의 광물화는 CO2를 미네랄이나 철 슬래그와 같은 폐기물 스트림과 반응시켜 건축 자재용 탄산염을 형성하는 것이 포함됨.

 

CO2의 연료화 개요 및 현황

Source:  © Pete Edwards/University of Oxford

• CO2를 수소 등과 결합하여 메탄, 메탄올, 가솔린 및 항공 연료 등 연료 생산에 활용 가능
• CO2 유도 연료 생산을 위한 다양한 화학 및 생물학적 변환 경로 연구 중이며, 몇몇 기업이 CO2와 수소 사용하여 메탄 및 메탄올 생산하는 시범 및 실험 설비 구축
• 다만, CO2의 연료화는 에너지 집약적 공정으로, CO2로부터 메탄과 메탄올 생산 비용은 화석 연료 대비 2배에서 7배 높음
• 이러한 높은 생산 비용 중 전기가 40~70%를 차지하기 때문에 낮은 가격의 전기 공급이 필수적
• 기술의 확산을 위해서는 CO2 기반 연료가 기존 제품과 가격 경쟁할 수 있도록 강력한 인센티브 제공 필요하며, 제품이 품질 기준 인정받기 위한 광범위한 테스트 필요
• 다만, 현재로서도 저렴한 재생 에너지와 CO2 사용 가능 시 CO2 를 전환한 메탄과 메탄올 상업 생산이 가능하며, 저렴한 재생 에너지의 수급이 용이한 아이슬란드의 George Olah 시설은 연간 약 5,600 톤 CO2를 메탄올로 변환 중
• 위와 같은 방법으로 CO2 기반의 메탄올 생산 시 배출량 최대 93%, 메탄 생산 시 최대 87% 감소 가능

 

CO2의 화학 물질 전환 개요 및 현황

Source:   Balasubramanian Viswanathan

• CO2 내 탄소와 산소는 플라스틱, 섬유, 합성 고무 등 화학물질 제조에 화석 연료의 대체재로 사용 가능
• 메탄올 및 메탄으로의 CO2 변환은 기술적으로 가장 성숙한 경로 중 하나
• 메탄올은 올레핀 등 고가치 탄소 포함 화학 중간체로 전환 가능, 이후 플라스틱 제조에 사용하거나 방향족 화학물질의 제조에도 사용 가능하여 화석 연료 기반의 원료를 일부 대체 가능
• CO2를 폴리머로 처리하는 과정은 에너지 상태가 낮은 분자로의 변환으로 인해 에너지 소모가 낮아 시장 내 경쟁력 확보가 상대적으로 용이하며, 특정 폴리머의 CO2 사용 생산 비용이 화석 연료 기반 원료 대체 비용보다 15~30% 저렴할 수 있음
• 타이페이 소재 The Chimei Asai facility (Asahi Kasei Chemicals와 Chi Mei Corp의 JV)는 CO2를 원료로 연간 약 15만 톤 Polycarbonate 생산 중

 

CO2의 광물화 개요 및 현황

 

Solidia의 CCU 기술을 활용한 시멘트 & 콘크리

 

• CO2는 콘크리트 내의 물을 대체하거나 시멘트 및 건설 집합체의 원료로 사용 가능
• CO2 경화 과정은 CO2와 칼슘 또는 마그네슘의 반응을 포함, 저에너지 탄산염 분자 형성
• CO2 경화 콘크리트는 가장 성숙하고 유망한 CO2 활용 방법 중 하나이며, 시멘트 생산 자체에 CO2를 통합하는 기술은 초기 단계에 있음
• CO2 경화 콘크리트는 일반 콘크리트보다 우수한 성능, 낮은 생산 비용, 낮은 CO2 발자국 제공 가능
• 북미의 CarbonCure와 Solidia Technologies가 CO2 경화 기술 개발 및 마케팅 주도
• CarbonCure는 콘크리트의 CO2 발자국을 80% 감소시킬 수 있다고 보고, 하지만 독립 검증 필요
• 다만 기존 시멘트, 콘크리트에 대한 건설 업계의 규격(ASTM 등) 및 제품 표준은 초기 응용에 방해 요인이 될 수 있음
• 제품 표준 업데이트에 최대 10년 소요, 멀티년간의 시험으로 안전 및 환경 친화적 성능 시연 필요