커뮤니케이션

▪ 탄소중립 핵심기술 CCUS

이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O)등으로 대표되는 기후변화 주범인 온실가스(GHG:Greenhouse Gas)들의 농도가 대기 중에서 증가하면서 온실효과(Greenhouse effect)에 의해 지구표면의 온도상승을 일으킨다. 그중 이산화탄소는 발전, 철강, 석유화학, 정유, 시멘트, 산업단지, 반도체 등 다양한 산업 현장에서 발생하는 주된 온실가스이다.

대표적인 온실가스인 이산화탄소(CO₂)는 우리 생활 주변에서는 액화탄산 형태로 콜라, 사이다와 같은 청량음료에, 냉동제 역할을 하는 드라이아이스로, 그리고 소화제나 용접용으로 매우 유용하게 사용되나 국내 사용되는 CO₂의 양이 연간 백 수십 만톤 정도에 불과하여 이산화탄소 자체로 활용 확대는 어렵고 그마저도 실제 없어지는 것은 아니다.

IEA는 전 세계 골칫덩어리인 이산화탄소를 포집·저장·활용하는 CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage)가 유일한 온실가스 감축 기술이라 한다. CCUS는 발전, 석유화학, 제철, 시멘트 산업 등에서 배출되는 이산화탄소를 포집, 압축, 수송 과정을 거쳐 지하 또는 해저에 저장하거나 부가가치가 높은 탄소 화합물로 전환, 활용하는 기술이다. 포집 및 저장 기술인 CCS(Carbon Capture Storage)와 포집 및 활용 기술인 CCU(Carbon Capture Utilization)를 통합하는 기술이다.

포집한 이산화탄소는 전기 화학적 전환 과정을 거쳐 화학제품의 원료나 플라스틱 분말, 바이오연료, 의약품 제조 등 다양한 분야에 활용할 수 있어 신산업에 기여할 수 있다. 수소경제의 핵심인 천연가스를 이용하여 추출수소를 생산하는 과정에서도 많은 이산화탄소가 발생하는 만큼 수소 산업에서도 CCUS는 필수 기술로 각광 받을 것이다.

▪ 플라즈마를 활용한 CCU 기술

CO₂를 활용하는 기술이 많이 개발되고 있으나 그 가운데 마이크로웨이브 에너지를 이용해 CO₂, CH₄ 온실가스를 플라즈마 상태에서 H₂, CO로 분해하는 기술이 바이오 사이트에서 실증과정을 거치고 상용화 단계에 진입하고 있어 이를 소개하고자 한다.

플라즈마 탄소전환 기술은 높은 효율의 에너지 전달구조를 가지며, 대기압에서 작동하는 플라즈마로서 저렴한 마그네트론을 활용하고 컨테이너형 모듈 구조로 대용량 확장이 용이하다. 2018년 음식물쓰레기 처리장에 B2H2(Biogas to H₂) 파일럿 플랜트를 구축한 사례가 있으며, 2019년 6월부터 당진화력발전소에 CO₂를 포집, 전환하여 합성가스를 생산하는 CCU 실증플랜트를 구축 중이어서 내년 상반기엔 국내서도 플라즈마 CCU 플랜트를 볼 수 있다.

▲플라즈마 형상(왼쪽) 플라즈마 반응기(오른쪽)

▪ Biogas to H2 (B2H₂) 기술

음식물쓰레기, 하수 종말 처리장, 축산 오폐수 처리장과 같은 모든 바이오가스 사이트는 잠재적 그린수소 생산 부지로 활용 가능한데 플라즈마 기술을 적용한 B2H2 기술은 천연가스개질(SMR : Steam Methane Reforming) 기술이나 수전해 기술과 비교할 때 여러 측면에서 우위를 점하고 있다.

플라즈마 기술을 적용한 B2H2 공정은 배출되는 이산화탄소와 메탄 모두를 이용하여 그린수소를 생산한다. 이는 천연가스 개질과 수전해 기술에 비해 낮은 비용으로 온 사이트 그린수소 생산을 가능하게 하고 또한 탁월한 온실가스 감축효과로 수소경제 발전을 가속화 하는 데 중요한 역할을 할 것이다.

실제 미국과 호주 등에서 상업용 플랜트 구축에 들어간 일일 10톤 정도의 수소를 생산 B2H2의 경우 일일 약 CO₂는 80톤, CH₄는 50톤이 각각 투입된다. 이때 11개의 45피트 컨테이너 형태의 플라즈마 탄소전환 장치 모듈이 사용된다고 한다. 이를 통해 연간 감축하는 CO₂ 양은 약 35만톤 정도이며 수소생산단가가 2.43USD/kg-H2 정도라 한다.

플라즈마 기술은 수소생산에서 SMR과 수전해 기술보다 에너지 소비가 적고 탄소감축에서 월등한 효과가 있다. IEA는 그레이수소 가격이 현재 약 2달러/kg 미만에서 2050년에는 4달러/kg까지 두 배 이상 증가할 것으로 보며, 그 이유는 수소생산 시 배출되는 CO₂ 배출에 따른 탄소비용 증가 때문으로, B2H2기술을 통한 그린수소 생산의 확대가 당연시되는 이유이다

▪ 합성가스(Syngas) 생산 CCU 플랜트

주요 CO₂ 배출원인 제철, 발전, 화학 및 시멘트 산업을 포함해 대부분의 국내 추출수소 생산이나 수소연료전지 발전의 경우 배출되는 CO₂로 인해 사업화에 어려움을 겪고 있는데, 이를 플라즈마 기술로 합성가스를 생산함으로써 해결할 수 있다.

CO₂ 배출처든 합성가스 수요처든 이러한 합성가스 생산 CCU 기술도입으로 CO₂ 감축목표 달성, 수익성 증대와 및 ESG 경영과 같은 효과도 함께 기대할 수 있다. 잘 알려진 대로 합성가스는 메탄올, DME, WAX 제조 등과 같이 매우 다양한 화학제품의 기초 원료로 사용될 수 있어 수요처를 확보할 경우 CO₂ 감축사업은 획기적으로 확대될 수 있다.


▲CCU 플랜트 구축 예시

▪ 거대한 CCUS 시장 선점

지난해 10월 18일 정부가 공표한 2050 탄소중립 시나리오에 B안에 따르면 전체 CCUS로 처리할 8460만톤 중 광물 탄산화, 화학적 전환, 생물학적 전환 등과 같은 CCU를 통해 최대 2520만톤 처리하며 아울러 수소생산에서는 900만톤의 CO2가 배출될 것이라 한다.

이를 근거로 CCU 기술로 처리할 수 있는 약 34만2000만톤 감축산업은 어림잡아 100조 정도에 달하는 어마어마한 신산업이라 할 수 있는데, 이를 국내 기술로 선점하는 노력이 절대적으로 필요한 이유이다. 아울러 ‘온실가스 포집, 저장 및 전환 활용에 관한 산업 촉진법’과 같은 법안도 조속히 마련되어 산업을 키울 준비를 당장 해야 한다.

이런 추세에 발맞춰 미국과 호주에서 바이오사이트를 중심으로 플라즈마 활용 B2H2 플랜트 구축을 본격 시작하였으며, 국내에서도 제주, 광주, 포항, 시흥 등을 중심으로 활발하게 사업을 전개 중이다.

현재 기준 CCS 산업은 포집, 운송에서 저장까지 오로지 비용 지출만을 요구하는 적자를 면하기 어려운 산업이므로 가능하다면 국내 CCS로 감축하려는 5940만톤의 경우도 부가가치가 있는 CCU 기술로 감축하는 것은 당연한 일이다. CCU 기술의 개발 속도가 탄소중립 핵심 산업으로 그 규모를 더욱 확대할 수 있도록 CCU 산업에 대한 인식 전환과 가능성에 온 힘을 쏟아야 할 것이다.

출처: [특별기고] ㈜효진오토테크 장봉재 사장 탄소중립 핵심 수단 - 플라즈마기술 활용한 CCU온실가스 주범인 CO₂ 및 CH₄로 그린수소 만든다