1. 서 론
온실가스 감축이 전 지구적인 화두로 대두되고 국제적인 핵심적 관심사가 되고 있다. CO2 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS) 기술은 인류가 채택할 수 있는 중요한 온 실가스 감축기술의 하나이다 [39][41]. CO2 포집 및 저장 기 술은 대규모 배출원에서 CO2를 포집하고 저장소까지 수송하 여 저장소에 영구적으로 저장하는 기술이다 [30][40]. 이 기술 을 사용하여 대용량의 CO2를 감축하려는 시도가 현재 전 세 계적으로 활발하게 이루어지고 있다 [31].
CO2 지중저장 기술은 이미 노르웨이, 알제리, 캐나다, 미 국 등에서 상업화 수준으로 발전하여 실질적인 대규모 CO2 감 축에 활용되고 있으며, 전 세계적으로 다양한 내용과 규모를
갖는 파일럿 및 실증 프로젝트가 수행되고 있다 [24][31][41]. 우 리나라도 온실가스 감축에 동참하고 CO2 포집 및 저장기술 을 선진화하기 위해, 현재 기술적, 산업적, 정책적, 경제적 타당성을 포함한 여러 가지 측면에서 CO2 지중저장 실증사 업을 준비하고 있다 [2][31].
본 논문은 CO2 지중저장 실증 및 상용화 사업이 적극적으 로 검토되고 준비되고 있는 상황에서 국내외에서 진행되는 실증 및 상용화 사업을 검토하고 한국적 현실에 맞는 사업 의 추진방향성을 제안하는 것을 목표로 하고 있다. 현재 이 루어지고 있는 중소규모 육상 및 해저 지중저장 실증사업이 향후 추진될 대용량 지중저장 실증사업의 기술적 기반과 효 율화에 기여할 수 있는 방향을 제시하고, 대규모 CCS 통합 실증사업의 여러 가지 시나리오 중에서 최적의 방안을 제안
Abstract
CO
2지중저장 기술은 가장 유력한 대용량 온실가스 감축기술의 하나이다. 이 기술을 적용하여 국제적으로 노르웨이, 알제리, 캐나 다, 미국 등에서 이미 대규모 실증 및 상용화 사업이 수행되고 있으며, 호주, 일본, 네덜란드, 독일 등 그 밖의 여러 나라에서 다양한 내용과 규모를 갖는 중소규모 실증사업이 진행되고 있다. 한국도 소규모 육상 파일럿 저장 프로젝트와 중규모 해상 저장실증 프로젝 트가 추진되어 착실하게 기술개발과 경험확보를 위해 노력하고 있다. CO
2지중저장 사업은 화석연료의 사용이 다른 에너지원으로 대 체되기 전까지 지속적으로 확장될 것으로 예측되고 있으나, 온실가스 감축시장의 불안전성, 사업의 수익구조와 관련된 경제성, 누출에 대한 안전성 등의 위협요소를 갖고 있다. 따라서 이러한 위협을 극복하기 위해 많은 국가와 기업들이 저비용-고효율 지중저장 기술과 안전한 지중저장 기술의 확보를 목표로 연구개발 및 실증사업을 추진하고 있다. 한국의 경우에 저장소가 주요 포집원으로부터 상당한 거리를 갖고 있는 해저에 발달하고 있기 때문에 지중저장 사업의 경제성 확보가 매우 불리한 조건이다. 따라서 정부나 기업이 CCS 기술을 주요 온실가스 감축수단으로 채택하여 대규모 지중저장 사업을 본격적으로 착수하는 것을 주저하고 있다. 한국과 같은 불리한 조건을 갖는 국가의 경우에 특히 대규모 저장소의 확보를 포함한 저비용-고효율 지중저장 기술의 실용화가 절실하게 필요하다. 결론 적으로 한국의 CO
2지중저장 사업의 성공적인 추진을 위해서는 대규모 저장소의 확보, 저비용-고효율 지중저장 기술의 개발과 실증을 통한 실용화, 중소규모 지중저장 실증사업으로 축적한 기술과 경험으로 대규모 지중저장 사업의 효율화 달성이 요구된다. 이를 위한 실천적인 로드맵과 프로그램의 작성과 착실한 이행 역시 중요하다. 이러한 기반이 착실하게 다져질 경우에 한국에서 대규모 CCS 통 합실증과 CO
2지중저장 사업이 본격적으로 개시될 수 있을 것이다.
이산화탄소 지중저장 사업의 추진현황 검토 및 한국의 추진방향 제안
Review of CO2 Storage Projects and Driving Strategy of CO2 Storage Program in Korea
공주대학교 지질환경과학과 권이균
DOI http://dx.doi.org/10.18770/KEPCO.2016.02.02.167
하고자 한다. 이러한 제안이 한국의 CO2 지중저장 사업의 추진방향 설정에 조금이라도 기여하기를 기대해 본다.
2. 온실가스 감축과 이산화탄소 포집 및 저장 프로그램
세계 에너지 수요는 2040년까지 약 37% 증가하고 전력 수요는 약 80%가 증가할 것으로 전망되며, 국제사회의 온실 가스 배출량 역시 지속적으로 증가할 것으로 보여, 지구환경 및 기후 변화에 대한 우려가 심화되고 있다 [31]. 이에 따라 화석연료를 에너지원으로 안정적으로 사용하면서 온실가스 를 대규모로 처리할 수 있는 CCS 기술의 중요성이 점점 더 강조되고 있다.
기후변화에 대한 정부간 패널 5차 평가보고서에 의하면 지구온난화에 따른 기후변화의 영향으로 집중호우와 홍수가 빈번해지고 태풍의 세기가 강해지는 등의 여러 심각한 자연 재해를 유발하게 될 것으로 예상되고 있다. 최근 기후변화에 따라 기상특성이 변화하고 있어 피해 빈도와 규모는 점점 증가하고 있다. 또한 이러한 추세는 전 세계적으로 기후변화 에 대한 대응이 미흡하다면 2100년에는 대기 중 CO2 농도는 600~950 ppm에 달하게 되고 해수의 온도는 약 3~6 ℃ 상승 할 것으로 예측되고 있다 [31][39][41][57].
2014년 페루 리마에서 개최된 기후변화협약 당사국 총회 에서 2030년까지 온실가스 감축목표를 2015년 11월까지 제 출하도록 권고한 바 있다. 최근 개최된 프랑스 파리 유엔 기 후변화협약 당사국총회에서는 195개 참가국의 만장일치로 (비록 법적 구속력은 빠졌지만) 파리협정(Paris Agreement)을 채택하였다. 파리협정은 2020년에 만료되는 교토의정서를 대 체할 새로운 국제 기후변화 방지 대책으로서 이 협정에서 참가국들은 오는 2100년의 지구 평균 기온 상승을 산업화 이전 대비 섭씨 2 ℃보다 상당히 낮은 수준으로 유지하되, 더 나아가 온도 상승을 1.5 ℃ 이하로 제한하기 위한 노력을 기울이기로 하였다.
교토의정서 체결 이후 지구온난화 해결방안 마련을 위한 전 세계적인 노력이 계속되고 있으며 우리나라도 2008년과 2009년 에 G8 확대 정상회의를 통해 2020년 배출전망치(Business As Usual, BAU) 대비 30% 수준의 자발적인 국가감축목표와 시나 리오를 공포한 바 있다. 우리 정부는 지난 2015년 6월에 자발 적 국가감축목표(Intended Nationally Determined Contribution, INDC)를 UN에 제출하였다. 2030년 배출전망치 대비 37%를 2030년까지 감축하겠다는 매우 도전적인 목표를 국제사회에 약속한 것이다 (그림 1). 2030년에 우리나라의 배출전망치는 약 8억 5천만톤으로 예상된다. 37%의 감축은 3억 1천 5백만 톤 정도에 해당한다. 국제 탄소시장 메커니즘을 활용한
11.3%의 감축을 제외하더라도 약 2억 2천만톤의 CO2를 감축 하겠다는 야심찬 목표로써 정부가 저탄소 성장시대에 적극 적으로 대처하겠다는 진일보된 대응으로 평가된다.
이러한 정도의 상당한 온실가스 감축을 위해서는 CCS 기술 의 국내 적용 및 보급 확대가 전제가 되어야 한다. CCS 기술 은 전 세계적으로 2050년 전체 CO2 감축량의 17% 기여 및 누적 기여도 14%를 담당할 것으로 전망되고 있다. 현재 우 리나라의 경우에도 전 세계적 탄소배출 규제에 대한 대비책 으로 저탄소 녹색성장 기본법을 시행하고 있으며, 전략적으 로 CCS 상용화를 촉진하여 CCS 기술의 보급 확대를 통해 배출량 감축에 기여하는 방안을 강구하고 있다. 따라서 국제 사회의 온실가스 감축을 위한 합의와 노력이 진행되는 한 온실가스 감축의 실질적 수단으로써 CCS 기술의 중요성은 점점 부각될 것이며 CCS 기술의 도입 및 보급은 지속적으로 확대될 것으로 예측된다 [24][57]. 이에 따라 2015-2050년 기 간 동안 발전 및 산업분야에서 온실가스 감축을 위한 CCS 기술 적용이 급격하게 증가할 것으로 전망되고 있다.
3. CCS 기술
보통 CCS (Carbon Capture and Storage) 기술이라고 일컫 는 CO2 포집 및 저장 기술은 대기 중으로 배출되는 CO2를 기술적으로 포집하여 심부 지층에 저장하는 기술이다 (그림 2) [39].
CO2는 산업적으로 필요한 물질이기 때문에 여러 가지 방 법으로 포집되어 사용되어 왔다. 자연적으로 누출되는 CO2
그림 1 2030년 온실가스 감축목표량 [17]
를 포집하기도 하고, 철강 및 화학 산업에서 대규모로 배출 되는 CO2를 포집하기도 하며, 석유가스개발 과정에서 천연 가스에 포함된 CO2를 분리하여 포집하기도 한다. 그러나 무 엇보다도 CO2 최대 배출원인 석탄화력발전소에서 배출되는 CO2를 포집하는 것이 가장 중요한 포집과정이다 [39].
포집원에서 포집된 CO2는 수송과정을 거쳐 저장소에 주 입되어 영구히 저장된다. 일반적으로 CO2 저장기술 범주에 수송과 저장 기술이 포함된다.
3.1 포집 기술
포집 기술은 연소 후 포집 기술, 연소 전 포집 기술, 순산소 연소 포집 기술 세 가지로 나뉜다 (그림 3) [2][24][43][45][53].
연소 후 포집 기술은 연소 후 발생되는 배기가스에서 CO2
를 포집하는 기술로 CO2가 발생되는 장소에서 적용하기가 가장 용이한 기술이다. 연소 후 포집 기술은 크게 습식흡수 기술과 건식흡수기술로 나눌 수 있다. 먼저 습식흡수기술은 아민계 포집공정이 대표적이며 이 기술은 흡수제의 성격에 따라 CO2의 흡수 능력과 흡수 속도 등 많은 차이를 보인다.
건식흡수기술은 습식흡수제 대신 고체입자가 CO2를 흡수하 며 조건에 따라 CO2를 다시 배출하는 원리로 알칼리금속, 알칼리토금속, 건식아민 등의 다양한 건식 고체 흡수제를 사 용한다 [14][65].
연소 전 포집 기술은 화석연료를 연소시키기 전에 석탄의 가스화 또는 천연가스의 개질반응에 의한 합성가스를 생산 하며 이 기술은 석탄가스복합발전에 적용하는 경우 기대대 비 큰 효과를 얻을 수 있다. 또 이 기술은 CO2를 포집하는 동시에 수소를 생산할 수 있는데 일산화탄소를 가지고 수성 가스 전이반응을 통한 수소와 CO2로 전환한 후 CO2를 포집
하는 동시에 수소를 생산하는 것으로도 정의된다.
순산소 연소 포집 기술은 공기 대신 고농도의 산소를 주 입하여 순 산소를 산화제로 이용하는 연소 방식으로 배기가 스의 주성분이 CO2와 수증기로 되기 때문에 응축을 통한 수 증기 분리를 이용하여 고농도의 CO2를 포집하는 기술이다.
이 기술은 공기 연소에 비해 온도가 매우 높게 나타나며 전 열 특성이 개선되어 열효율을 증대시키므로 연료절감에 탁 월한 것으로 알려져 있다 [23][46].
국내의 경우 CO2 포집기술은 연소 후 포집기술을 중심으 로 발전해 왔다. 연소 후 습식 포집기술과 건식 포집기술이 경쟁과 협력을 통해 나란히 10MW급 실증을 성공하고 있으 며, 현재 트랙레코드 확보를 위한 격상을 추진 중이다. 이와 함께 IGCC 발전을 통한 포집기술, 순산소 포집기술, 분리막 포집기술 등이 다각적으로 연구되었다. 그러나 현재 대용량 실증사업에 활용될 수 있는 상용화급 포집 기술은 국내의 경우 연소 후 습식 포집기술인 것으로 알려지고 있다 [13].
3.2 수송 기술
수송 기술은 포집된 CO2를 격리 또는 저장소 까지 안전 하게 수송하는 기술을 말한다 (그림 4) [39]. CO2 수송은 다 양한 수송매체가 사용될 수 있다. 탱크로리를 사용하는 트럭 수송 방식, 화물 기차를 사용하는 기차 수송 방식, 육상 및 해저 배관을 사용하는 배관 수송 방식, 선박을 사용하는 선 박 수송 방식이 활용될 수 있다. 보통 중소규모 저장을 위한 CO2 수송에는 트럭 수송 방식이 활용된다. 그러나 대규모 저장을 위한 CO2 수송에는 주로 배관 수송 방식이 채택되어 사용되고 있다 [67][74]. 최근에는 선박을 사용하는 수송 방식 그림 2 CO2
포집 및 저장 기술 모식도 [34]
그림 3 CO2
포집 기술 소개 [25]
이 연구개발 차원에서 주목 받고 있으나 아직 대규모 저장 사업에서 수송 방식으로 채택된 바는 없다 [16].
수송을 위해 대부분의 경우 포집한 CO2를 액체 상태나 초임계 상태로 변환하고 나서 배관, 선박, 차량, 열차 등을 이용하여 수송을 하는데 수송거리가 길어질수록 또는 수송 매체 특성에 따라 수송 방안이 달라질 수 있다. 최근의 여러 연구를 통해 대규모 CCS 사업의 수송 방식은 포집원으로부 터 저장소까지의 거리에 따라 결정된다고 알려져 있다. 대략 적으로 1,000 km를 기준으로 그보다 가까운 거리는 배관 수 송 방식이 기술적으로나 경제적으로나 유리한 반면에, 1,000 km 보다 먼 거리의 수송의 경우 대용량 CO2 수송용 전용선 박이 개발될 경우 선박 수송 방식이 유리할 수 있다는 경제 성 모사 연구 결과가 제출되고 있다 [33][70].
3.3 저장 기술
CO2 저장기술은 대규모의 CO2가 지하에 매장된 상태로 발견된 이후에 인공적으로 지하지층에 주입된 CO2도 영구적 으로 저장되는 것이 지질학적으로 가능하다는 생각에서 출 발되었다 [39]. CO2 주입기술은 석유증산기술로서 1970년대 부터 사용된 CO2 Flooding 생산기술에서 착안하여 도입되었 다 (그림 5).
CO2 저장기술은 다양한 분야의 기술이 융복합된 통합 기술 로서, 저장소 탐사 기술, 저장소 선정 기술, 심부 저장 설계 기 술, 주입 설비 기술, 저장 플랜트 기술, 주입공 시추완결 기술, 모니터링 기술, 저장소 운영기술 등으로 나뉘어진다 [33][49].
3.3.1 저장소 탐사 기술
저장소 탐사 기술은 저장소를 확보하기 위한 기술로서, 석유가스 저류층을 탐사하는 기술과 거의 유사하다. 주로 탄 성파, 전자기, 중자력 탐사 등 지구물리학적 기법을 활용한
지구물리 탐사를 통해 저장소 후보지를 탐색하고 시추조사 를 통해 물리검층과 시추코어 분석을 실시하여 저장소를 확 인하게 된다 (그림 6) [57]. 일반적으로 CO2 저장소는 지하 800 m 이상의 심부지층에 존재하기 때문에 석유탐사자료를 통해 일차적으로 유망한 구조를 파악하게 된다. 다음 단계로 우선적으로 좁혀진 유망구조를 대상으로 정밀 3차원 탄성파 탐사와 시추조사를 통해 저장소를 선정하게 된다.
저장소 탐사 기술은 탐사가 수행되는 장소에 따라 해저탐 사 기술과 육상탐사 기술로 나누어진다. 비교적 물리탐사가 수월한 해저 저장소에 대해서는 해저탐사 기술을 적용하게 되며, 탄성파 탐사를 위주로 광역 및 정밀 물리탐사를 수행 하여 저장소 후보지를 결정하게 된다. 반면에 물리탐사에 제 약이 많은 육상탐사의 경우 제한적으로 존재하는 빈약한 물 리탐사자료의 한계로 인해 상대적으로 많은 탐사시추가 수 행되게 된다.
국내의 경우 육상 저장소 확보를 위해 경상분지, 음성분 지, 태백산분지, 충남분지, 포항분지, 북평분지, 장기분지 등 에 대한 탐사가 2010년 이후에 이루어졌다. 반면, 해저 저장 소 탐사의 경우 1970년대 이후 대륙붕에서 석유가스탐사를 위해 수행된 많은 물리탐사 및 시추자료가 확보외어 있어 이를 우선적으로 분석하였으며, 국내 대륙붕 해저에 충분한 용량을 갖는 저장소가 존재하는 것으로 파악되었다 [7][11].
그림 4 CO2
수송 체계 소개 [34]
그림 5 CO2
EOR 기술 모식도 [73]
그림 6 CO2
저장소 탐사를 위한 지구물리 탐사 및 시추조사 개념도 [16]
3.3.2 저장소 선정 기술
저장소 선정기술은 심부 저장지층의 특성과 용량, 저장 안 정성, 포집원에서의 거리를 포함한 저장 경제성, 사회적 수 용성 등을 고려하여 저장소를 선정하는 기술이다 [33][39][57].
저장소 물리탐사 자료와 시추 자료를 바탕으로 저장지층을 분석하여 특성화하고 저장소 물성모델(정적 모델) 작성 기술 과 저장용량을 평가하는 기술이 주요 기술이다 (그림 7). 저 장지층 상부에 위치하는 덮개암의 밀봉능력을 평가하고 단 층이나 파쇄대를 통한 누출의 가능성을 평가하는 기술도 중 요한 저장소 선정기술에 해당한다.
일반적으로 CO2를 저장하기 위해서 공극률과 투수율이 좋 으며 덮개구조를 갖고 있는 800 m 이상의 심도에 위치한 지 층이 저장소 후보가 될 수 있다 [33][39][57]. 800 m 이상의 심 도가 필요한 이유는 CO2가 초임계 상으로 존재할 수 있는 심 도이기 때문이다. 초임계상의 CO2는 밀도는 액체와 비슷하 여 다공질 저장소에 대용량 저장이 가능하기 때문이며, 반면 에 점성은 기체와 비슷하여 주입공에서의 주입이 액체에 비 해 훨씬 수월하기 때문이다.
저장소의 최종 선정에는 저장의 안정성과 경제성이 중요 한 영향을 미친다. 무엇보다도 안정성이 중요하기 때문에 지 질학적으로 불안정한 지층이나 인구나 산업시설이 밀집된 지역은 대규모 저장소로서 적합하지 않다. 경제성도 못지 않 게 중요한 요소로서 포집원에서의 거리가 가장 중요하며, 저 장소의 위치가 육상인지 해저인지 역시 중요한 경제성 평가 요소가 된다. 따라서 저장소가 포집원에서 멀고 해저에 위치
하는 경우에는 이러한 부정적인 요소를 상쇄할 만큼 저장소 의 규모와 용량이 커야한다.
일반적으로 해저 저장소의 경우에 신생대 해양 퇴적층을 저장지층으로 사용할 가능성이 높아 저장소의 규모와 용량 이 상대적으로 클 가능성이 높다. 또한 구조운동의 영향을 많이 받지 않아 저장 안정성도 높은 편이다. 해저에 위치하 기 때문에 인구 밀집 지역이나 산업시설 밀집지역도 피할 수 있어 사회적 수용성 확보도 용이한 측면이 있다. 결국 저 장소 선정은 저장지층의 지질학적 특성과 저장소의 경제성 및 사회적 수용성을 종합적으로 고려하여 선정하는 것이 바 람직하다.
3.3.3 심부 저장 설계 기술
심부 저장 설계 기술은 저장소가 선정되고 저장용량 평가 가 이루어지면 그 저장소에 CO2를 가장 효율적이고 안전하 게 주입하여 저장하기 위한 광범위한 설계 기술이다 (그림 8). 저장 설계를 위해서 저장소에 대한 공간적인 상세한 분 석을 기초로 주입정의 개수와 위치가 결정되고 각 주입정의 주입용량도 정해져야 한다. 이러한 주입정 관련 결정을 위해 서 저장소의 물성 정보 외에도 온도와 압력과 같은 저장소 의 물리적 환경에 대한 정보도 충분히 확보되어야 한다. 이 러한 저장소에 대한 종합적인 정보와 주입정과 관련된 결정 사항을 바탕으로 저장소 동적 모델이 만들어지게 된다 [40].
저장소 동적 모델을 최적화하기 위해 저장소에 대한 정보 를 끊임없이 수정하고 주입정 관련 조건들도 계속해서 변경 해 가면서 최적의 저장 설계안을 도출하게 된다. 이러한 과 정을 통해 주입정의 개수, 위치, 주입구간, 주입량, 주입공의 형태가 결정되고, 주입압력과 주입온도 및 주입 CO2의 성상 이 최종적으로 결정된다. 그러나 탐사를 통해 확보된 저장소 의 물성정보나 물리적 환경 정보는 실제적 환경과 차이를 보일 수 있다. 따라서 많은 경우에 저장소 동적 모델과 실제
그림 7 CO2
저장소 선정을 위한 특성화 및 지질모델링 방법론
그림 8. CO2심부 저장 설계를 통한 주입정 설계 개념도 [59]
주입 모델이 차이를 보이게 된다. 정확한 심부 저장 설계를 위해 이러한 차이를 최소화하는 것이 필요한데, 이것이 심부 저장 설계의 핵심적인 기술력이 된다.
위와 같은 심부 저장 설계가 완료되면, 정해진 설계대로 CO2를 주입하기 위해 주입설비가 갖추어진 저장소 플랜트가 구축되고 주입공의 시추와 완결이 이루어져야 지중저장이 이루어질 수 있다. 또한 주입된 CO2의 거동과 누출을 탐지 하기 위한 모니터링 시스템도 구성되어야 한다. 이러한 모든 과정도 저장 설계의 일부분이라고 할 수 있지만, 지상에서 이루어지는 플랜트 및 설비 구축에 관련한 각각의 단계가 별도의 상세한 설계를 필요로 하기 때문에 일반적으로 저장 설계 기술은 저장소 동적 모델을 바탕으로 하는 주입정 설 계 및 주입 운영 설계를 대상으로 하는 협의의 심부 저장 설계로 한정하는 경우가 많다.
3.3.4 주입 설비 기술
주입 설비 기술은 저장소가 위치한 육상이나 해상 혹은 해저면 근처의 저장 플랜트에서 포집되어 운송된 CO2를 주 입정을 통해 심부 저장지층에 주입하는 설비를 설계하고 구 축하는 기술이다 (그림 9). 현재까지 여러 개의 실증 혹은 상용화 규모의 저장소가 운영되어 오면서 주입 설비 관련 기술이 발전해 왔으나, CO2 주입에 대한 전반적인 기술은 석유회수증진(EOR) 유전개발에서 사용되는 CO2 Flooding 기 술을 응용하고 변형한 것임은 주지의 사실이다 [5][36][40].
주입 설비를 구성하는 핵심 요소단위는 압축기, 펌프, 승 온기, 배관, 주입정 수두 등이다 [28]. 압축기는 기체를 압축 하여 부피를 줄이는 설비이며, 기체상의 CO2를 초임계상으 로 만드는데 사용된다. 압축과정에서 온도와 압력이 상승하 는데 일반적으로 31℃, 74기압을 넘으면 기체 상태의 CO2가 초임계상태가 된다. 현장 저장지층의 압력이 일반적으로 80 기압을 초과하기 때문에 많은 경우에 초임계상으로 주입하 게 된다.
압축과정에서 병행되는 탈수공정은 매우 중요한 과정이 다. 포집된 CO2에 수분이 포함되어 있으면 운송과정이나 주 입과정에서 하이드레이트화를 촉진하여 배관을 막아버릴 수 있다. 특히 주입관에서 하이드레이트화는 중요한 문제가 될 수 있으며 이를 최소화하고 CO2의 초임계상을 주입설비에서 유지하기 위해 온도유지 및 승온 장치를 설치하기도 한다.
펌프는 액체상의 유체를 운송하거나 위치를 바꾸는데 사 용된다. 일반적으로 저압 상태에 위치하는 유체를 고압 상태 의 위치로 운송하기 위해 에너지를 추가하여 압력 상태를 변화시키는 설비이다. 초임계상으로 CO2를 주입하는 경우에 는 압축기와 별도로 펌프가 필요하며, 에너지 효율과 펌프의 안정성을 고려하여 펌프의 유형을 결정하게 된다 [56].
압축된 초임계상의 CO2는 주입설비의 배관을 따라 이동 하게 되는데 이 배관은 일반적인 장거리 수송 배관과는 다 른 재질이 필요하다. 주입설비의 CO2 배관은 초임계 상태를 유지하고 부식을 방지하기 위해 부식 방지용 전용 배관이 필요하다. CO2 전용배관은 현재 일부 CO2-EOR 현장과 노르 웨이의 Snohvit 프로젝트를 비롯한 많은 실증 및 상용화 프 로젝트에 적용되어 사용되고 있다 [31].
마지막으로 주입정 수두는 석유가스 생산설비에서 사용되 는 수두부를 CO2 지중저장을 위해 적절하게 변형하여 사용 한다. 저류층의 압력 상태에 따라 주입압이 결정되고, 이에 맞게 펌프와 주입정 수두가 압력을 높여 원활한 주입을 가 능하게 한다. 따라서 CO2 주입 펌프와 주입정 수두의 압력 에 따라 저장지층에 대한 CO2의 주입성이 결정되기 때문에 주입 설비 가운데 주입정 수두의 압력 관리와 주입공 및 주 입관 시설유지는 상당히 중요한 기술적 요소가 된다.
3.3.5 저장 플랜트 기술
저장 플랜트 기술은 주입설비 및 주입공이 플랜트 위에 설치되어야 하는 해저 지중저장 사업에 필요한 기술이다. 대 표적인 저장 플랜트가 CO2 주입을 위한 해상 플랫폼이다 (그림 10a). 파도나 폭풍이 심한 해양에 장기간 설치되기 때 문에 안전한 설치가 필요하고 혹독한 해양 환경에 견딜 수 있는 내구성과 구조적 안전성이 요구된다. 또한 일정한 인원 이 플랫폼 관리 밀 주입설비 운영을 위해 상주할 필요가 있 어 안락한 거주 공간도 중요한 설치요소가 된다.
해양 플랫폼은 건조비와 설비구축비가 많이 들어가는 시 설로서 가능하면 효율적으로 설계하여 건조 및 설치 비용을 절감해야 한다. 따라서 플랫폼 상판에 설치되는 주입설비 및 플랫폼에 연결되는 수송설비와 함께 설계되고 구축될 필요 가 있다. 이를 위해서는 신뢰도 높은 심부 저장 설계를 통해 조직적이고 체계적으로 주입설비, 저장 플랜트, 주입공 설계 가 이루어지는 것이 바람직하다.
그림 9. CO2
주입 설비 플랜트 모식도 [68]
해양 플랫폼과 함께 중요한 저장 플랜트가 해저 주입 설 비이다 (그림 10b). 해양 플랫폼은 CO2를 주입하는 저장소의 해상 기지이며, 주입공은 해양 플랫폼을 중심으로 근방에 여 러 개가 설치되는 것이 일반적이다. 해양 플랫폼에서 해저 주입공까지 주입배관이 설치되어야 하며, 주입공 위치에 주 입정 수두인 크리스마스트리가 해저에 설치되어야 한다. 이 러한 해양 플랫폼 인근의 해저 설비 플랜트를 설계하고 구 축하는 것도 중요한 기술이다 [40].
노르웨이의 Snohvit 프로젝트는 선진화된 해저 설비 플랜 트 기술을 적용하여 해양 플랫폼 없이 해저 주입 설비만을 구축하여 약 150 km 떨어진 해안 기지에서 CO2 주입을 원 격 운영하고 있다. 저장소 운영의 안전성과 주입설비 유지관 리 입장에서 해양 플랫폼을 설치하는 것이 장점이 많지만, 해저 설비 플랜트 기술이 계속해서 발전하고 있어 가까운 미래에 신설되는 해저 지중저장 프로젝트에 적용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다 [31].
미래형 저장 플랜트 기술로 빼놓을 수 없는 것이 선진적 조 선 기술과 결합된 FPSO (Floating Production Storage Offloading) 형태와 같은 특수선을 활용하여 CO2 수송과 주입에 활용하 는 기술이다 (그림 11) [52][54][61]. 해양에 존재하는 대규모 다공질 지층을 해저 저장소로 사용하기 위해서 막대한 예산 이 소요되는 해저 배관이나 해양 플랫폼의 구축비용을 절감 할 필요가 있다. FPSO 형태의 CO2 운송 및 주입 특수선은
해저 저장소에서 원거리에 있는 포집원에서 해저배관을 설 치하지 않고 직접 선박으로 수천톤-수만톤의 CO2를 운송하 여 해저 주입설비에 연결하여 주입까지 수행하는 플랜트 복 합설비이다 [21].
현재 해저 주입설비와 FPSO 형태의 CO2 운송 및 주입 특 수선의 연결 기술이 완성되지 못해 연구개발 단계이지만, 해 양 플랜트 기술이나 조선 기술의 발전 속도로 보아 빠른 시 간 내에 극복될 것으로 예측된다. 이 기술이 상용화되면 막 대한 비용이 소요되는 해저배관과 해양 플랫폼을 설치하지 않고 CO2 해저 지중저장 사업을 수행할 수 있게 되어 지중 저장 사업의 경제성을 획기적으로 개선시켜 줄 것으로 기대 된다 [33][44].
3.3.6 주입공 시추완결 기술
주입공 시추 및 완결 기술은 CO2를 주입설비에서 저장지 층에 주입하는 핵심 기술이다. 시추기술은 석유가스 개발과 정에서 성숙되어 이미 기술적 완성도가 매우 높은 상황이다.
CO2를 주입하는 주입 기술도 EOR을 활용한 석유가스개발 분야에서 성숙되었기 때문에 완성도가 높은 편이다.
CO2 지중저장 사업에서 요구되는 핵심 기술은 완결기술 이다. 쉽게 말해 주입된 CO2가 주입공에서 누출되지 않고 안전하고 효율적으로 주입될 수 있도록 하는 기술이다. 주입 공 완결기술에는 케이싱 기술, 튜빙 기술, 시멘팅 기술, 팩킹 기술, 천공 기술, 스크린 기술, 모래 제어 기술, 자갈팩 기술, 플러깅 기술 등이 있다 (그림 12) [18][33].
위에 언급 한 모든 기술들이 주입공 완결에 사용된다. 케 이싱 기술을 시추된 시추공벽을 유지하는 기술이며, 튜빙 기 술을 CO2가 직접 접촉하면서 심부 저장층으로 이동하는 배 관 기술이다. 시멘팅 기술은 완결 기술 가운데 가장 중요한 그림 10 (a) Sleipner 프로젝트의 해상 플랫폼, (b) Snohvit 프로
젝트의 해저 주입 설비 모식도 [47]
그림 11 FPSO 형태의 CO2
수송 및 주입을 위한 플랜트 특수선 [47]
기술의 하나로서 배관, 튜빙, 케이싱, 팩킹, 스크린 등 모든 부분에서의 CO2 누출을 차단하기 위한 기술이다. 팩킹 기술 역시 주입구간을 차단하고 보호하기 위한 기술이며, 천공 기 술은 주입을 효율적으로 하기 위해 케이싱이나 시멘팅으로 차단된 공벽을 뚫어 효과적으로 CO2가 주입될 수 있도록 하 는 기술이다. 스크린 기술과 모래 제어 기술, 자갈팩 기술 등은 주입공 인근에서 효율적인 주입을 위해 설치되며, 저장 지층의 유체나 퇴적물이 순간적인 압력의 역전으로 인해 주 입공으로 역류하거나 밀려들어 생길 수 있는 주입공의 손상 을 막는 역할도 수행한다. 마지막으로 플러깅 기술은 최종적 으로 CO2의 주입이 종료되면 폐공 단계에서 누출을 원천적 으로 차단하는 모든 종류의 차단 기술을 말한다.
주입공 완결 기술은 현재에도 계속해서 발달하고 있으며, CO2 주입을 효율화하고 주입공에서 발생할 수 있는 CO2 누 출을 최소화하기 위해 끊임없는 연구개발이 필요하다. 또한 주입공 완결을 위해 기술개발 결과를 현장에서 실증하고 시 공 경험을 축적하는 것 또한 매우 중요하다. 주입공 시추와 완결은 선진적 기술과 최상의 완결 재료보다 시추와 완결 시공 능력과 경험이 성패를 결정할 수 있다는 것을 명심할 필요가 있다.
3.3.7 모니터링 기술
저장소에서 주입된 CO2를 탐지하고 분석하는 모든 기술 을 모니터링 기술이 포괄한다 (그림 13). 주로 주입공 및 저 장층에서의 거동과 누출을 모니터링하며, 덮개층 상부의 지 층이나 표층 환경도 누출을 대비하여 모니터링의 대상이 된 다. 당연히 주입 후에 발생하는 저장지층의 변화를 추적하고 분석하기 위해 주입 전과 주입 후에 모니터링 탐사가 수행 되어야 하며, 주입 중에도 가능하면 자주 모니터링이 이루어 지는 것이 바람직하다.
모니터링의 목적은 CCS 프로젝트가 잘 수행되고 있는지 를 파악하며, 주입운영을 위한 기본적인 자료를 제공하고, 자연 자원과 생태계, 지역사회 등이 위험한 수준의 CO2로부 터 안전하게 보호되는지 여부를 관찰하고 평가하여 사업의 타당성을 확보하는 것이다. 최근에는 주입공과 관측공에 설 치된 상시 모니터링 설비를 활용하여 저장지층에서 발생하 는 미세한 변화까지 도 실기간 연속적으로 모니터링 하는 기술이 개발되어 현장에 적용되고 있다 [33][39].
모니터링의 기술적 방법으로는 보통 지구물리적인 모니터 링 기술과 수리지화학적 모니터링 기술을 사용한다. 지중저 장 사업에서는 모니터링을 위해 관측공을 사용하는 경우가
그림 12 CO2
주입공 시추완결 기술 모식도 [64]
그림 13 (a) CO2
육상 모니터링 모식도 [55], (b) CO
2해상 모니터링
많은데, 관측공에서는 지구물리 모니터링과 수리지화학 모니 터링을 모두 수행하게 된다 [19][56].
지구물리적인 모니터링 기술은 탄성파 탐사, 중력 탐사, 전자기탐사, 온도-압력 탐사, 미세진동 탐사 등의 방법으로 저장층과 주입공에서 CO2 주입으로 인한 지구물리적 특성들 의 변화를 탐지하여 주입된 CO2의 거동과 누출을 모니터링 하는 기술이다.
가장 일반적으로 사용되는 지구물리 모니터링 기술은 탄 성파 탐사 기술이다. 3차원 공간에 시간에 따른 지층 물성 변화를 추적하는 4차원 시간경과 모니터링 기술이 개발되어 CO2 모니터링에 활용되고 있다. 해저 지중저장 사업에서는 더욱 발전된 기술인 OBS (Ocean Bottom Sensor)나 OBC (Ocean Bottom Cable) 모니터링 기술을 개발하여 적용하고 있다 (그 림 14).
최근에는 주입된 CO2의 공간적 전파 범위를 추적하는데 유용하지만 지층 내의 CO2 농도 분포를 추적하는데 약점이 있는 탄성파 모니터링 기술의 단점을 보완하기 위해 전자기 탐사나 초전도 중력 탐사와 같은 물리탐사 방법도 적극적으 로 도입되어 탐지 성능을 향상시키고 있다.
수리지화학 모니터링 기술은 주로 관측공에서 적용된다 [10][22]. 수리지화학 모니터링을 충실하게 수행하기 위해 많 은 관측공이 필요하다. 따라서 주로 육상에서 수행되는 모니 터링 방법이다. 수리지화학 모니터링을 위해 저장층과 덮개 층에서 지하수와 공극수를 채취하는 기술이 핵심적인 기술 이다. 지하수에포함된 화학성분과 동위원소를 분석하여 CO2
의 농도 변화를 추적할 수 있으며, 공극수에서 발생하는 지 화학적 변화를 탐지할 수도 있다.
최근에는 지하수의 추적자(저장소 시스템 내 존재하지 않 는 가스 또는 가스 동위원소) 시험을 통하여 CO2의 이동경 로의 파악이 가능해졌고, 그 외에도 다양하고 혁신적인 수리 지화학적 모니터링 기술이 개발되어 지중저장 사업에 활용
되고 있다.
위에서 살펴본 저장층과 덮개층에서의 모니터링이 가장 핵심적인 모니터링 기술이지만, 지중저장소 표층, 수층, 대 기에서의 모니터링도 관심을 받고 있다. 육상 토양층이나 해 저면 천층에서의 퇴적물 채취에 의한 광역적 모니터링을 통 해 심부 지층에 주입한 CO2가 누출되는 지의 여부를 정밀하 게 분석하는 기술의 중요성이 강조되고 있다. 해저 지중저장 의 경우 수층으로 누출된 CO2는 해수를 산성화시킬 가능성 이 있어 주요한 모니터링의 대상이 된다. 대기 모니터링을 통해서도 실시간으로 변화하는 미세한 CO2 농도와 추적자 검사를 통해 광역적인 CO2 누출을 감시할 수 있어서 중요한 모니터링 기술의 하나로 간주되고 있다.
3.3.8 저장소 운영기술
저장소 운영 기술은 CO2를 장기적으로 주입하여 대규모 로 저장하는 지중저장 사업의 성패를 가늠하는 중요한 기술 이다. 저장소 운영 기술의 핵심은 CO2의 장기적인 주입 운 영을 통한 저장 효율화 기술이지만, 저장소 시설 안전관리와 설비 유지관리 기술을 포함하는 저장소 운영과 관련된 포괄 적인 기술 개념이다 [39].
저장소에서 CO2를 장기적으로 주입하는 경우에 주입 운 영 자체가 원활하게 이루어지기 위해서 실증사업을 통해 축 적한 숙련된 경험이 필요하다. 저장소 주입 운영을 위해서 저장층의 특성에 대한 정확한 이해와 심부 지층에서 주입된 CO2의 거동을 파악하고 있어야 하며, 모니터링 자료를 바탕 으로 주입 시나리오를 계속하여 갱신하고 최적화하는 기술 력이 요구된다. 주입 운영과정에서의 합리적 의사결정 시스 템을 구축하는 것도 중요하다.
CO2의 장기적인 주입 운영 과정에서 다양한 문제점과 해 결과제를 접하게 된다. 포집된 CO2의 공급이 일시 중지될 가능성도 존재하고, 저장소의 현장압력이 높아져 주입을 중 단해야 하는 경우도 발생할 수 있다. 물론 소송 설비, 주입 설비, 주입공의 고장 및 오작동으로 인한 주입 중단도 빈번 하게 발생할 수 있다. 태풍이나 폭풍과 같은 자연재해도 지 중저장 사업의 위기를 초래할 수 있다. 이러한 모든 종류의 위기 대응을 위해 저장소 운영 매뉴얼이 확보되어야 한다.
저장소 운영 기술에 포함되는 저장소 시설 안전관리와 설 비 유지관리 기술도 운영관리 매뉴얼이 필요하다. 저장소에 는 고압의 압축기와 펌프가 항상 작동하고 있고, 고압의 초 임계상이나 액체상의 CO2가 탱크와 배관에서 이동하기 때문 에 안전관리가 매우 중요하다. 안전관리 시스템이 체계화되 어 있어야 하며, 초기 대응이 실패한 비상사태에 대한 대응 훈련과 피난 대책도 잘 갖추어져 있어야 한다.
저장소를 장기간 운영하면서 발생하는 장비의 부식, 노후 그림 14 해저면 OBS 모니터링 기술 개념도 [16]
화, 파손 등을 최소화하고 적절한 보완 및 수정을 위해 설비 의 유지관리 시스템도 효율적으로 운영되어야 한다. 설비의 유지관리가 저장소의 안전관리의 기본이 되며, 설비의 유지 관리로 저장소의 운영 비용을 절감할 수도 있기 때문에 경 시할 수 없는 기술이다. 저장 플랜트 및 주입 설비의 유지관 리를 위한 매뉴얼을 갖추고 이에 따라 저장소를 운영하는 것이 매우 중요할 것이다.
4. 국외 이산화탄소 지중저장사업 추진현황
국외에서는 CO2 지중저장 기술을 상용화하여 온실가스 실질 감축에 활용하고 있다. 실증단계의 프로젝트와 상업화 수 준의 프로젝트가 병행되어 활발하게 추진되고 있는데, 2015년 기준으로 전 세계적으로 22개의 프로젝트가 운영 중에 있으 며, 23개의 설계 단계 프로젝트가 계획되고 있다 (그림 15). 대 표적인 상용화 단계의 프로젝트는 노르웨이 Sleipner 프로젝트 와 Snohvit 프로젝트, 알제리 In Salah 프로젝트, 캐나다의 Weybern 프로젝트와 Aquistore 프로젝트가 있으며, 호주 Otway 프로젝트, 독일 Ketzin 프로젝트, 네덜란드 K-12B 프 로젝트, 일본 Nagaoka 프로젝트와 Tomakomai 프로젝트 등 의 연구개발 실증 프로젝트가 있다 [32].
노르웨이 Sleipner 프로젝트는 세계 최초로 상업적 규모로
착수된 대염수층 저장 프로젝트이다 (그림 16a). 지구 온난 화 현상에 따른 기후변화에 대응하기 위해 1991년 노르웨이 정부가 유전에서 생산과 함께 방출되는 CO2에 대해 세금을 부과하자, Sleipner 서쪽 가스정에서 생산되는 천연가스에 포 함된 CO2를 처분하기 위해 추진된 프로젝트이다. 천연가스 는 해저 배관을 통해 Sleipner 동쪽 지역으로 수송한 후 CO2
를 포집하여 해저 800 m 근방의 심도에 약 200-250 m 두께 를 가진 해양 미고결 대수층인 우지라층(Utsira Formation)에 1996년 10월부터 총 2000만톤을 목표로 연간 100만톤씩 저 장하고 있다 [27][32].
Snohvit 프로젝트는 2008년부터 운영이 시작된 해저 지중 저장 프로젝트이다 (그림 16b). 노르웨이 Hammerfest 북서쪽 으로 약 140 km 떨어진 Barents Sea에 위치한 Harmmerfest 분지의 2,600 m 깊이에 위치한 투바엔층(Tubaen Formation) 에 해당하는 Albatross와 Askeladd 필드에서 진행하고 있다.
이 프로젝트에서는 육상에서 천연가스 처리 후 포집하여 해 저배관을 통해 운송하여 해저 대염수층에 저장한다. 기류 분 무기(gas stream)로 제거된 CO2는 153 km 내륙에서 해안으 로 연결되는 파이프라인을 통하여 운반된다. 가스 생산은 2007년부터 시작 되었으며 CO2 포집은 아민 포집 공정을 사 용하여 2008년부터 시작하였다. 2008년부터 연간 약 70만톤
그림 15 세계 주요 CO2 지중저장 프로젝트 현황 [34]
씩 주입하고 있으며, 최대 주입 예상 용량은 3,100-4,000만톤 으로 예상된다 [27][32].
알제리 In Salah 프로젝트는 세계 최초로 고갈된 가스 저 류층에 큰 규모의 CO2를 저장하는 프로젝트이다. 이 프로젝 트는 수평정(horizontal well)으로 주입하는 것이 특징으로 천연가스에서 CO2를 포집하여 남부 사하라 사막에 위치한 석회질사암층인 크레치바층(Krechba Formation)에 연간 120 만톤을 저장하였다. 크레치바층은 압밀작용과 속성작용으로 인해 상대적으로 공극률과 투수율이 낮아 3개의 수평정을 통해 주입을 하였다. 프로젝트 기간 동안 누출에 대한 기록 은 없지만 온전히 밀폐되도록 2004년부터 2011년까지 1차 주입을 진행하고 잠시 유예하고 있다 [27][32].
캐나다의 Weyburn 프로젝트는 2000년 10월에 시작한 CO2
지중저장 프로젝트로서, 최초로 국가 간에(미국-캐나다) CO2
를 이동시켜 저장 기술을 석유회수증진기술(EOR)과 상업적 으로 접목한 첫 프로젝트이다 (그림 17a). 이 프로젝트는 15 년 동안 파이프라인을 통하여 CO2를 수송하도록 설계되어 일일 3,000-5,000톤의 CO2를 수송하여 저장한다. 필드는 면
적이 180 km2에 달하며, 석유의 원시 부존량이 13억 9천 6 백만 배럴에 달하며, 현재의 경제상황과 석유 회수기술 수준 으로 볼 때, 이 프로젝트가 시행되는 20-25년 동안 CO2- EOR 프로젝트는 대략 20 Mt의 CO2를 Weyburn 필드에 저장 할 수 있을 것으로 추정된다 [32].
최근 시작된 캐나다의 Aquistore 프로젝트는 대염수층에 CO2를 저장하는 상업용 프로젝트이다 (그림 17b). 캐나다 사 스카유완주 화력발전소에 설치된 Boundary Dam 포집 프로 젝트에서 포집된 CO2를 인근의 대염수층 저장소에 저장하는 새로운 개념의 상용화 프로젝트이다. 4,500만 달러를 투자한 이 프로젝트는 2009년에 추진되었으며, 이 프로젝트에 캐나 다뿐만 아니라 미국, 영국, 독일, 일본 및 한국의 많은 학술 및 연구단체들이 참여하고 있다. 저장지층은 윌리스턴 분지 에 위치한 위니펙 충(Winnipeg Formation)과 데드우드 층 (Deadwood Formation)이며, 심도가 3,000 m 이상인 심부 대 염수층이다. 이 프로젝트는 처음 주입 6개월간은 과학적 연 구와 안전한 영구적인 저장을 위하여 하루에 1000톤 이상을 주입하고, 성공적인 초기 주입 이후에는 연간 100만톤 이상 을 저장할 것으로 예상되고 있다 [32][72].
호주 Otway 프로젝트는 2008년 시작된 호주 최초의 CCS 실증 프로젝트로서, 호주 빅토리아 남서쪽에 위치한 가스전 (Buttress-1)에서 생산되는 CO2를 고갈된 가스전에 주입하는 형태로 시작되었다. 저장지층은 투수성이 좋은 사암층으로 이루어져 있다. 이 프로젝트는 2010년 5만톤을 성공적으로 주입하였으며, 2012년 3월에 성공적으로 실증사업을 완료하 였고, 현재 후속단계 프로젝트가 지속적으로 수행 중이다 [32][71].
독일 Ketzin 프로젝트는 실증사업으로 유럽 내륙에서 실 시한 최초 CO2 지중저장 프로젝트이다. 이 프로젝트는 독일 북동부의 Brandenburg 주에 위치한 약 630 m 심도의 사암 저장층에서 수행되었다. 2004년 프로젝트를 시작하여, 2007 년에 3개의 주입정을 설치한 뒤 2008년부터 평균 일일 100 톤의 CO2를 주입하여, 2013년 8월에 약 7만톤의 CO2를 성공 적으로 저장 완료하였다. 저장 대상 지층이 수평하지 않고 아치형으로 휘어져 있어 위치에 따라 주입정의 깊이를 다르 게 설치한 것이 특징이다 [32][48].
네덜란드의 K-12B 프로젝트는 2004년부터 2006년까지 북 해 상에서 운영하였던 CO2 지중저장 프로젝트이다. 이 프로 젝트는 해저 폐가스전을 활용한 최초의 CO2 지중저장 프로 젝트이다. 저장지층은 3,800m 심도에 위치한 폐가스전 고갈 저류층 사암층이며, 하루 100-1000톤의 CO2를 주입하고, 최 대 주입용량으로 약 8만톤의 CO2가 저장 가능한 것으로 추 산된다 [32][39].
일본의 Nagaoka 프로젝트는 일본에서 수행된 최초의 파 그림 16 (a) 노르웨이 Sleipner 프로젝트, (b) 노르웨이 Snohvit
프로젝트 [69]
일럿 CO2 주입 프로젝트이다. 연구개발 사업으로 수행된 이 프로젝트의 CO2 주입의 가능성 및 타당성 평가와 환경영향 평가를 목적으로 수행되었다. 2,000년에 탐사를 위한 시추가 이루어졌으며, 시추결과를 토대로 2개의 주입정을 각각 2001 년과 2002년에 추가로 시추하였다. 이후 CO2는 2003년 7월 을 시작으로 2005년 1월까지 약 1.5년 동안 주입되었다. 첫 9개월은 일일 주입량 20톤 정도로 주입이 이루어졌으며 이후 에 약 일일 40톤 정도로 주입량을 늘려, 전체 10,400톤의 CO2
를 주입하였다. 현재 CO2 거동 파악을 위해 탐사정내 물리검 층 자료를 통해 모니터링을 수행하고 있다 [32][37][50][51].
최근 2016년에 주입이 시작된 일본의 Tomakomai 프로젝 트는 2012년 4월부터 2016년 3월까지 계획된 실증 프로젝트 로, 육상에서 경사정을 통해 주입하여 연안에 위치한 해저 저장소에 저장하는 프로젝트이다. 약 1,100 m 깊이의 4기 사암층인 모에베쓰층(Moebetsu Formation)과 약 2,500 m 깊이 의 마이오세 화산쇄설층인 타키노우에층(Takinoue Formation) 에 연간 10만톤의 CO2를 주입하고 있다. 연안에 포집원이 많고, 저장소는 연안이나 대륙붕에 존재하는 한국이 참조할 만한 프로젝트이다.
5. 국내 이산화탄소 지중저장사업 추진 현황
국내의 CO2 지중저장사업은 2010년 수립된 국가CCS종합 추진계획에 따라 연구개발 분야와 실증 및 상용화 분야로 나뉘어 추진되어 왔다. 국가 온실가스 감축목표 달성과 온실 가스 감축기술 상용화를 목표로 수립된 이 계획의 핵심목표 는 (1) 100만톤급 포집-수송-저장 통합 플랜트 실증과 (2) 톤
당 30달러 이하의 CO2 처리비용 달성을 위한 혁심적 원천기 술 개발이다.
국가CCS종합추진계획은 CCS 추진을 위한 부처별 임무를 비교적 상세하게 구분하여 협력과 경쟁이 이루어지도록 유 도하고 있는데, 관련 부처의 구체적인 주요 역할과 임무를 연구개발과 실증으로 크게 구분하고 포집, 수송, 저장, 전환에 관련하여 세부 추진과제와 추진전략을 제시하고 있다 (표 1).
미래창조과학부는 CO2 포집, 저장, 전환 분야의 기초 원천 기술 개발과 2020년까지 0.5MW급 포집기술 실증과 1만톤급 이하 소규모 육상 저장실증을 추진하는 것을 임무로 하고 있다.
산업통상자원부는 포집, 저장, 전환 분야의 상용화 원천기 술 개발과 2020년까지 10MW급 포집기술 실증과 1만톤급 이 상 중규모 저장실증을 완수하고 100만톤급 대규모 CCS 통합 실증을 착수하는 것이 주요 임무이다. 또한 육상 지중저장소 탐사 및 선정과 해상 지중저장소 선정을 위한 탐사자료 제 공도 산업통상자원부의 역할이다.
환경부는 전환 기술 분야의 CO2 고정화 관련 연구개발과 저장 분야의 육상 지중저장 시 누출방지, 모니터링, 환경위 해성 평가 등의 기술개발과 이를 위한 육상 실증을 담당하 고 있으며, CCS 환경센터 운영과 CCS 사업의 기반이 되는 법과 제도를 준비하는 역할을 갖고 있다.
해양수산부는 저장 분야에서 해양 지중저장소 탐사 및 선 정과 수송기술에 대한 연구개발을 주요 역할로 하고 있으며, 해양 지중저장 시 누출방지, 모니터링, 환경위해성 평가 등 의 기술개발과 이를 위한 해양 실증을 담당하고 있다. 이와 그림 17 (a) 캐나다 Weyburn 프로젝트 [63], (b) 캐나다 Aquistore 프로젝트[62]
더불어 해양 지중저장과 관련한 법과 제도 준비도 해양수산 부의 주요 역할이다.
국내에서 추진되고 있는 CO2 지중저장 관련 연구는 형식 적으로는 혁신적 연구개발과 실증 연구로 나뉘어 진행되고 있으나, 실질적으로는 대부분의 예산인 실증 연구 중심으로 투자되어 추진되고 있다 (표 2).
2016년 현재 국내에서 추진되거나 계획되고 있는 CO2 지 중저장 실증사업은 육상 지중저장 실증으로서 장기분지 1만 톤 이하 소규모 파일럿 실증 프로젝트, 해저 지중저장 실증 으로서 포항분지 1만톤 이상 중규모 통합실증 프로젝트, 동 해 서남부 대륙붕의 동해가스전 및 인근 저장소를 활용하는 대규모 통합실증 및 상용화 프로젝트가 있다 [16].
장기분지 육상 지중저장 실증 프로젝트는 혁신적 저장 원 천기술 개발을 궁극적인 목표로 하고 있으며, 장기분지 심부 저장지층에 대한 다수의 시추탐사를 통해 저장소를 확보하 고 저장 설계를 완료하였다 (그림 18a) [4]. 현재 계획으로는 2017년에 관측공을 확보하고, 2018년 초에 CO2 주입을 시작 할 예정이다.
포항분지 해저 지중저장 실증 프로젝트는 대규모 CCS 통 합실증에 필요한 상용화 기술을 확보하는 것을 궁극적인 목 표로 하고 있으며, 따라서 해저 저장소를 활용이 불가피한 국내 대규모 CCS 통합실증에 개발 기술이 적용되고 활용될 수 있도록 해저 지중저장으로 추진되고 있다 (그림 18b)
부처 프로젝트 진행상황
미래창조과학부 (구, 교과부)
장기분지 1만톤급 CO
2지중저장 실증
∙ 육상 CO
2저장 부지 선정을 위한 지질특성화 기술개발
∙ CO
2지중저장/주입 기반기술 확보 및 인프라 구축
∙ 장기지역 퇴적층에 대해 CO
2저장소 선정을 위한 시추, 물리탐사 및 시료분석 수행
∙ 장기분지 육상 1만톤급 지중저장 실증 계획 수립 중
산업통상자원부 (구 지경부)
포항지역 해상 영일만 중소규모 CO
2주입 실증
∙ 포항분지 영일만 심부 퇴적층에 중소규모 CO
2주입 실증을 위한 지질특성화 및 모델링
∙ CO
2지중저장/주입을 위한 모사실험 및 최적 주입조건 결정 기술개발
∙ CO
2주입을 위한 해상시추-완결 및 모니터링 기술개발
∙ 포항지역 외해 심부 퇴적층에 대해 CO
2저장소 선정을 위한 시추, 물리탐사 및 시료분석 수행 완료
∙ 포항분지 주입 플랫폼, 주입설비, 주입공 설계 및 현장 구축 수행 중
∙ 포항분지 영일만 중규모 해저 주입실증 추진(2016년 말 예정)
해양수산부 (구 국토부)
해양 CO
2지중저장 기술개발
∙ 기존 탐사자료를 이용한 국내 대륙붕 내 해양 CO2 저장소 탐색
∙ CO
2저장 유망구조의 해역별 분포와 잠재 저장용량을 포함하는 CO
2저장소 지도 발간
∙ 해양 CO
2지중저장에 필요한 해양 CO
2수송 및 주입기술 개발
∙ CO
2해양 지중저장에 따른 해양환경 위해서 평가 연구
환경부 CO
2저장 환경관리기술 개발
∙ CO
2주입에 따른 토양생태계 위해성 평가 예측 모니터링, 지중수리적 특성화 및 저심도 지하수 환경예측 모니터링, CO
2누출환경 위해서 통합예측 및 평가
∙ CO
2저장 관련 환경관리 법제도 기반 연구
∙ 충청북도 음성에 현장 소규모 부지를 확보하여 관련연구 진행 중
표 2 한국에서 추진되고 있는 CO2 지중저장 실증 프로젝트국가CCS종합추진계획 관계부처 협력 방안
국가CCS종합추진계획 관계부처 역할 분담
표 1 국가CCS종합추진계획(2010)의 주요 추진전략과 부처간 역할
![그림 11 FPSO 형태의 CO 2 수송 및 주입을 위한 플랜트 특수선 [47]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/4901070.291559/7.936.481.852.118.404/그림-fpso-형태의-수송-주입을-위한-플랜트-특수선.webp)
