CCUS 기술 개요 및 프로젝트 개발 동향

CCUS(Carbon Capture Utilization Storage)는 기후변화 대응을 필수적인 기술로 그 중요성이 대두됨

 

1. CCUS 개요

■ CCUS의 정의
- CCUS는 Carbon Capture Utilization Storage의 약자로 아래의 항목들을 포함
① 에너지 사용(연료 연소 등) 및 산업으로부터 배출되는 탄소를 포집(Capture)
② Pipeline이나 선박 등으로 포집된 이산화탄소를 운송(Transport)
③ 화학/생물/물리학적 방법을 통해 이산화탄소를 가치 있는 제품으로 전환, 활용(Utilization)
④ 또는 지질학적 방법을 통해 포집된 이산화탄소를 지중 저장(Storage) 하는 기술
- 공기 중 직접 탄소 포집(Direct Air Capture, DAC) 후 저장처리되는 경우, "Negative emission" 달성 가능

CCUS 개요 (Source: https://www.elsevier.com/connect/reducing-co2-impact-with-carbon-capture-utilization-and-storage)

■ 탄소 배출 심화와 기후변화 대응을 위한 CCUS의 중요성
- 연간 CO2 배출량의 급격한 증가로 대기 중 CO2 농도는 418ppm 도달 ('21.05)
: 1970년 - 2000년까지, 전체 CO2 배출은 연간 0.3GtCO2/yr 규모로 증가했으나, 2000년 이후 0.7 GtCO2/yr로 증가 추세
- 현재의 배출 추세로는 2030년 기준, +1.5˚C 이내 기온 상승 목표 달성 불가
- 이에, Net-Zero 달성을 위해 배출된 CO2를 제거하는 CCUS 기술의 부각되며 프로젝트 개발 진행 중

[참고] CCUS Project 현황 및 전망 - '20년 CCUS Project 탄소 포집 용량: 50MtCO2/yr - 현재 개발중인 CCUS Project를 고려한 '30년 CCUS Project 탄소 포집 용량(예상): 220MtCO2/yr - IEA*의 지속가능 발전 경로(SDS**) 상 '30년 CCUS Project 탄소 포집 용량 목표: 800MtCO2/yr → 탄소 중립 목표 달성 위해 필요한 규모 대비 현재 개발 중인 CCUS Project 규모 매우 적음 * IEA: International Energy Agency ** Sustianble Development Scenario

■ CCUS의 가능성: 전체 CO2 배출량의 45%에 해당하는 산업의 탈탄소화에 기여 가능
- CCUS는 다른 방법으로는 탄소 감축이 어려운(hard-to-abate) 산업에 대한 탈탄소 Solution을 제시 가능
- 구조적으로 탄소 배출이 많고, 감축이 어려운 산업으로는 철강, 정유화학, 시멘트 산업 등이 있음
※ 전체 CO2 배출 中 각 산업이 차지하는 배출 비중: 철강(8%) > 정유화학(7%) > 시멘트 (6%) (Source: OurWorldData, 2021, 일부 자체 가공)
- CCUS는 다양한 산업에 적용될 것으로 예상되며, 처리를 위해 저장 솔루션(Storage Solution)과 밀접한 결합이 예상됨

■ CCUS 산업 내 적용 예시
① Fuel Transformation: CCUS 기술의 빠른 적용이 예상되며, '30년까지 CO2 배출의 80%를 포집할 것으로 전망
② 시멘트 산업: 최근 CCUS 기술이 도입되기 시작하였으며, '30년까지 시멘트 생산 공정 中 배출 CO2의 50% 이상, '50년까지 60% 이상을 을 감축할 수 있을 것으로 전망 (Source: IEA)
③ 철강 산업: 수소환원제철 外 마땅한 공정 상의 탄소 감축 방안이 부재한 가운데, CCUS는 비용 효율적인 철강 산업의 탄소 감축 방안으로 부상. '50년까지 CCUS 기술을 통해 탄소 배출의 25% 이상을 감축할 것으로 전망 (Source: IEA)

■ CCUS 산업 발전의 주요 장애요인
① 불충분한 경제성 (unfavorable economics): 높은 비용과 불확실한 수익 모델
② 규모 확장의 불확실성(Challenging in scale up)
③ 규제의 불확실성 (gap of regulation)
④ 공공 지원의 부재 (lack of public support)

2. CCUS Value Chain 및 주요 기술

■ Carbon Capture(포집) 방법에 따른 기술 구분
① 흡수(Abosrption): 액체 흡수제(Solvent)를 활용하여 CO2를 포집
② 흡착(Adsorption): 고체 흡착제(Sorbent)를 활용하여 CO2를 포집
③ 분리막(Membrane): 고압, 고농도의 CO2를 분리막을 통해 분리
④ 심냉법(Cryogenic): 극저온으로 CO2를 액화시켜 분리

■ Carbon Capture(포집) 단계에 따른 기술 구분
① 연소 전 포집(Pre-Combustion)
- 탄화수소 기반 연료(석탄, 가스 등)를 가스화(gasification)하여 Syngas(H2, CO2로 구성)로 전환 후 CO2 분리
- 이때 발생하는 H2(수소)는 발전이나 합성 연료 및 화학물질 제조에 사용됨
② 연소 후 포집(Post-Combustion)
- 발전 등 공정에서 연소 이후 배가스로부터 CO2를 포집
- 발전 및 중공업에서 기존 공정의 변경 없이 retrofit 가능
- Oil & Gas산업에서 많이 사용되며, 배가스의 CO2 농도가 낮아 상대적으로 비용이 많이 소모됨
③ 순산소 연소(Oxy-Combustion)
- 연소 시 공기 대신 순산소(O2)를 주입하여, 배가스로 배출되는 고농도의 CO2를 운송 및 처리
- 순산소 연소는 기존 공정에 적용(retrofit) 가능하나, 상대적으로 redesign이 요구되는 부분이 큼
④ 천연가스(Natural Gas) Sweetening
- 천연가스 또는 배가스 內 CO2와 H2S 등을 제거

■ Utilization(활용) 기술
- 생물, 화학, 물리적 전환 과정을 거쳐 포집된 CO2를 제품으로 전환 및 부가적인 가치를 부여
① 화학 전환: 화학 작용을 통해 CO2를 연료 및 상품성 있는 화학 물질로 전환
② 생물학적 전환: 미생물, 광합성 등 생물학적 과정을 통해 CO2를 고정하고 연료 등으로 전환
③ 광물화: CO2를 광물로 전환하여 골재, 시멘트 등으로 활용

■ Storage(저장) 기술
- 염수층(saline aquifier) 또는 폐유전/가스전(depleted petroleum reservoir)에의 지질학적 저장

[참고] CO2 - EOR (Enhanced Oil Recovery) - 대부분의 Oil이 추출되어 고갈되기 전 유전에, CO2를 고압으로 주입하여 유전 내 잔여 Oil을 추출 - EOR 과정에서 주입된 CO2는 유전 내에 저장 처리됨 - CO2 EOR은 CO2를 직접 활용하여 원유를 생산한다는 점에서 Utilization 기술로 분류되기도 하고, 결과적으로 유전 내 CO2를 저장한다는 점에서 Storage 기술로 구분되기도 함 → EOR을 Storage 기술로 분류하여 논의 전개 예정 EOR 개념도 (Source: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128127520000022)

 

3. CCUS 프로젝트 개발 동향

■ CCUS 프로젝트의 등장
- 초기 CCUS 프로젝트는 유전/가스전에 CO2를 주입하여 원유/가스를 회수하는 EOR을 중심으로 1972년 이후 등장
- EOR 수요가 높았던 미국을 중심으로 프로젝트들이 형성되기 시작하였음
- 유럽 지역에서는 노르웨이가 최초로 "저장" 목적으로 CCUS 프로젝트를 개발

■ CCUS 프로젝트 개발의 가속화
- CCUS 프로젝트는 2000년대 이후, 개발이 가속화되기 시작하여 2020년 기준 60개의 프로젝트가 운영 中
- 1972년 이후 세계적으로 150여개 이상의 프로젝트가 출현했고 60% 이상의 프로젝트가 취소 또는 종료됨

■ CCUS 프로젝트 현황
- 2020년 기준 세계 CCUS 포집용량은 50 Mtpa 도달
- 현재 계획된 CCUS 프로젝트 기준, 2030년까지 CCUS 포집 용량 170 Mtpa 도달 전망

■ CCUS 프로젝트의 지리적 분포
- 운영 중인 CCUS 프로젝트의 70% 이상이 OECD 국가 내에 분포
- 북미에 세계 CCUS 설비의 50% 이상 위치하여, CCUS 산업을 주도
- 중국은 세계 CCUS 설비의 14% 이상 위치하며, 북미에 이어 2위
- 유럽은 영국 및 노르웨이를 중심으로 CCUS 프로젝트를 개발 추세
- 호주 또한 최대 CCUS 프로젝트 중 하나가 위치(Gorgon Project)
- 중동 지역은 EOR 활용 가능성이 높고, 지리적으로 저장 가능한 공간이 풍부하여 CCUS 프로젝트가 빠르게 성장할 것으로 전망
- 이 외, 브라질, 인도, 한국, 태국, 남아프리카 등이 수년 내에 CCUS 프로젝트를 개발하며 빠르게 성장할 것으로 전망됨

※ Source: Carbon Capture Utilization and Storage, Kearney Energy Transition Institute, 2021