[CCUS] DAC(Direct Air Capture) 기술 개요 및 현황

 

DAC(Direct Air Capture, 공기 중 직접 포집) 기술 개요

• 직접 공기 포집(DAC) 기술은 말 그대로 공기 중에 있는 CO2를 직접 포집하는 기술
• 일반적으로 제철소와 같은 배출원에서 수행되는 탄소 포집(Point source capture)과 달리 어느 위치에서든 대기에서 직접 CO2를 추출 가능
• 이렇게 추출한 CO2는 깊은 지층에 영구적으로 저장(CCS, Carbon Capture Storage)하거나 다양한 용도로 활용(CCU, Carbon Capture Utilization)할 수 있음
• 대기 중의 CO2는 발전소나 시멘트 공장의 연도 가스보다 훨씬 더 농도가 낮기 때문에*, DAC는 타 포집 기술에 비해 에너지 요구량 및 비용이 더 높아, 탄소 포집(Carbon Capture, CC) 기술 중 가장 비용이 많이 드는 탄소 포집 기술
  * 석탄화력발전소 배가스 CO2 농도: 14~15%, 대기중 CO2 농도 0.04%

 

DAC 포집 현황 및 전망

"CO2 capture by direct air capture, planned projects and in the Net Zero Emissions by 2050 Scenario, 2020-2030"   Source:IEA

 

• 전 세계적으로 27개의 소규모 DAC 플랜트가 가동 중이며 연간 약 0.01Mt의 CO2를 포집하고 있음
  ※ 상업적 계약이 체결된 곳은 소수이며, 대부분 테스트 및 실증 목적
• 현재 6개의 DAC 프로젝트가 건설 중*이며, DAC 플랜트의 건설 기간은 통상 2~ 6년 소요
• 수요 증가에 따라 현재 최소 130개의 DAC 시설에 대한 계획이 개발 단계**에 있음

* 주요 건설중 프로젝트: ① 2024년 아이슬란드(36 kt CO2/년), ② 2025년 미국(500 kt CO2/년, 최대 1,000 kt CO2/년까지 확장 예정)

**  주요 건설 예정 프로젝트: ① Texas의 STRATOS (미국), ② Oxy-CE Kleberg County (미국) ③ eFuels Matagorda County (미국) ④ Wyoming의 Bison (미국), ⑤ 북동부 스코틀랜드 DAC 프로젝트 (영국), ⑥ Kollsnes DAC 프로젝트(노르웨이), ⑦ Mammoth 프로젝트 (아이슬란드) 등

 

• 계획  초기 단계 프로젝트까지 모두 진행되면 2050년까지 NZE(Net Zero Emission) 시나리오에 상 2030년에 필요한 수준, 즉 연간 약 75MtCO2에 가까이 도달 가능
• 단, DAC의 높은 비용 등으로 인해 DAC 수요를 창출할 수 있는 시장 메커니즘과 정책의 지속적 개발없이는 최종 투자 결정(FID) 및 운영 상태에 도달 불가

 

 

주요 DAC 기업 및 포집 용량

(단위: ktCO2/Year)

Company	Headquarters	2022	2030
Climeworks	Switzerland	5	1,200
Global Thermostat	United States	1.5	1,500
1PointFive/Carbon Engineering	United States/Canada	0.4	59,000
CarbonCapture	United States	0	5,000

 

※ 2022년과 2030년 값은 각각 예상 운영 용량과 계획된 운영 용량

 

DAC 기술의 구분

 

① 주요 DAC 기술

• 현재 주로 사용되는 DAC 기술은 Solid DAC (S-DAC) 및 Liquid DAC (L-DAC)로 구분됨
• S-DAC은 상온에서 낮은 압력(즉, 진공 상태) 및 중간 온도(80-120 °C)에서 작동하는 고체 흡착제(Absorbents)를 기반으로 함.
• L-DAC은 수용성 염기성 용액(예: 염화 칼륨)을 기반으로 하며, 고온(300 °C에서 900 °C)에서 작동하는 Unit들을 통해 포집된 CO2를 방출함.

② 차세대 DAC 기술 혁신 방안

• Electro swing adsorption (ESA, 전기 스윙 흡착) 방식 DAC는 고체 전극이 음전하일 때 CO2를 흡착하고 양전하가 가해지면 방출되는 전기화학 셀을 기반으로 함. 미국, 영국을 중심으로 개발 
• Zeolites(제올라이트)는 CO2 흡착에 적합한 다공 구조를 갖춰 DAC에 도입되고 있음. 노르웨이에서는 제올라이트를 기반으로 한 첫 번째 운영 중인 DAC 플랜트가 2022년에 가동되었으며, Removr 프로젝트를 통해 2025년까지 기술을 2,000 tCO2/년까지 확장할 계획임.
• Passive DAC는 수산화칼슘과 대기 중 CO2를 석회암으로 변환하는 자연 과정을 가속화하는 방식.

 

DAC 비용 Driver: 에너지 소모

• 대기 중 CO2 포집은 Point Source에서의 CO2 포집보다 에너지 소비가 많고, 따라서 더 비용이 많이 듦.
• 대기 중의 CO2는 발전소나 시멘트 공장의 연기 가스와 비교했을 때 훨씬 희석되어 있기 때문임.
  * 석탄화력발전소 배가스 CO2 농도: 14~15%, 대기중 CO2 농도 0.04%
• 현재의 DAC 플랜트 구성에서는 기술의 작동 온도에 따라 필요한 총 에너지 중 열의 비율이 영향을 받음.
• S-DAC 및 L-DAC은 초기에 열과 전기를 모두 사용하도록 설계되었으며, 열 전용 또는 전기 전용 운영이 가능한 유연한 구성을 가지고 있음.
• DAC 작동에서 가장 에너지 집약적인 단계는 포집한 CO2를 흡수제/흡착제에서 분리할 때의 에너지 사용임
• 다만, 대형 팬을 통한 대량의 주변 공기 압축과 같은 다른 작업을 통해 에너지를 절약할 수도 있음

L-DAC와 S-DAC의 에너지 소모, 2023 (Source: IEA)

 

구분   (단위: GJ/tCO2)	열	전기	CO2압축용 전기	합계
L-DAC	5.3	0.8	0.5	6.6
S-DAC	7.2	1.8	0.5	9.5

 

 

DAC 확산의 전제조건

① CO2 운송, 저장 Infra 이용 가능성

• 공기 중에서 탄소를 포집해도, 이를 운송하여 묻을 수 있는 Infrastructure(Pipeline, 저장소 등)가 갖춰져 있지 않다면 소용 없음.
• 즉, 탄소 제거를 위한 DAC 구축은 저탄소 에너지원과 CO2 저장소의 가용성에 달려 있음
• 전 세계적으로 CO2를 지하에 저장할 수 있는 전반적인 기술 용량은 방대한 것으로 알려져 있지만, 많은 지역에서 잠재적 저장소를 운영하기 위한 상세한 부지 특성화 및 평가가 여전히 필요
• 운영 중인 CO2 저장소는 프로젝트 구상부터 CO2 주입까지 약 4년에서 10년이 소요
• CO2 저장소를 식별하고 개발하기 위한 노력을 가속화하지 않으면 DAC 배치(및 일반적으로 CCUS 배치)에 병목 현상이 발생

② 친환경 에너지 조달

• 또한 DAC 플랜트를 운영하는 데 필요한 에너지원에 따라 위치를 선택 필요.
• CO2를 포집하는 데 사용되는 에너지는 시스템의 Net Negative 달성 가능 여부와 그 정도를 결정하며, 포집된 CO2의 톤당 비용을 결정하는 중요한 요인이 될 수 있음 (ex. S-DAC와 L-DAC 기술 모두 재생 에너지원으로 연료를 공급받을 수 있으며, 회수된 저등급 폐열로 S-DAC 시스템에 전력을 공급 가능)

③ 수요의 개발 (CCU 등)

• DAC 시장 성장을 위해 CO2 합성 연료(e fuel) 등 CCU(Carbon Capture Utilization, CO2 활용) 기술의 혁신을 통한 수요 창출은 비용 절감 및 DAC 시장 형성에 중요한 역할을 미칠 것.
• 포집된 CO2와 수소를 합성한 항공 연료의 개발을 위한 초기 상업적 노력이 시작됨

 

Private investor의 DAC 투자 사례

• DAC에 대한 지원은 X-Prize(DAC를 포함한 4개의 유망한 탄소 제거 제안에 최대 1억 달러를 지원)
• Breakthrough Energy의 Catalyst 프로그램(자선가, 정부 및 기업으로부터 자금을 조달하여 DAC를 포함한 중요한 탈탄소화 기술에 투자하는 프로그램)
• 2022년 4월에는 저탄소 캐피털 펀드(Lowercarbon Capital Fund)가 기술 기반 CDR 솔루션을 개발하는 스타트업에 3억 5,000만 달러를 투자할 계획이라고 발표
• 2022년 클라임웍스는 6억 5천만 달러에 달하는 사상 최대 규모의 DAC 투자를 유치

 

국가별 DAC 정책 지원 현황

• 미국은 2022년 인플레이션감축법(IRA, Inflation Reduction Act)에 따라 DAC를 통해 포집한 이산화탄소 1톤당 45달러의 세액공제를 180달러로 인상하고, 포집 기준치를 연간 1kt CO2로 낮추는 등 중요한 신규 자금 지원을 발표
• EU 집행위원회는 2030년까지 DAC를 포함하여 연간 최대 5,000만 톤의 CO2를 저장하는 것을 목표로 함
• 영국에서 2023년 3월에 발표된 예산안에는 DAC를 포함한 탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS) 분야에 최대 200억 파운드(약 250억 달러)의 자금이 포함됨
• 캐나다는 2022년부터 2030년 내 영구 격리 저장소에 이산화탄소를 저장할 경우 DAC 프로젝트에 대해 약 60%에 해당하는 투자 세액 공제를 제안
• 2023년 1월 일본은 2030년까지 DAC를 포함해 연간 6~12MtCO2를 포집하는 것을 목표로 하는 탄소 포집 로드맵을 수립

 

참고: IEA