머리말
최근 급속한 산업사회로의 발달은 인류의 생활 수준을 향상시켰지만, 화석에너지의 과다한 사용 으로 지구온난화의 주범인 이산화탄소와 같은 온 실가스를 다량 발생시켰다. 2001년 전세계 2천명 이상의 과학자들이 참여해 발표한 ‘기후변화에 관 한 정부간 협의체(IPCC)’의 3차 평가보고서는 특 단의 조치가 없을 경우 21세기 지구평균기온이 최 대 5.8℃, 해수면은 88cm까지 상승할 것이라는 충 격적인 연구결과를 내놓았다. 따라서 21세기 지구 온난화는 자연생태계는 물론 인간의 건강과 사회 경제적 활동 등 인간의 모든 부분에 지대한 영향 을 미칠 것으로 전망되고 있다.
2000년 발표된 미국의 PNNL 보고서(Pacific Northwest National Laboratory, PNN L-13095) 에서는 인류가 현재와 같은 지구환경을 유지하기 위해서는 대기 중 CO2농도를 최소한 550ppm 이 하로 유지해야 한다고 보고된 바 있다.
1996년 기준으로 대기 중 CO2 농도는 363ppm 으로, 연간 CO2 6.2GtC(기가탄소톤, 1GtC=
109tC)을 대기 중으로 배출하고 있다. 2030년이 되면 현재보다 약 2배 많은 연간 CO2 11.4GtC를
배출하리라 예상되는데, 대기 중의 CO2 농도를 550ppm 이하로 유지하는 일은 그리 쉽지만은 않 을 것으로 전망된다. 국제사회의 최대 환경이슈로 등장한 온실가스 저감 문제는 기후변화협약을 통 하여 활발히 논의되고 있으며, 특히 제3차 당사국 총회(1997.11, 교토)에서 채택된 교토의정서에서 는 2012년까지 1990년 기준 5.2% 감축을 목표로
박 상 도
1980 고려대학교 화학공학과 학사 1982 고려대학교 화학공학과 석사 1990 서강대학교 화학공학과 박사 한국에너지기술연구원 이산화탄소 저감 및 처리기술개발 사업단장
그림 1. CO2 배출 시나리오(Wigley; Richels; Edmonds, Nature, Vol. 379, p.240, 1996). CO2 저감 노력이 없 을 경우, IS92a와 같이 증가예상. 자발적인 CO2 저감 노력에 의하여 350~750 Ceiling(ppm)을 유지할 경 우, 2010년부터 2060년 이후에는 혁신적인 CO2 저감 및 처리 기술 필요.
하고 있으며 이를 달성하기 위하여 ET(Emission Trading), CDM(Clean Development Mechan- ism), JI(Joint Implementation) 등 온실가스(주로 이산화탄소)를 상품으로 거래할 수 있는 교토메카 니즘 도입으로 환경에서 경제문제로 발전되고 있다.
따라서 기후변화협약의 적극적인 대응만이 자 국의 경제발전을 기약할 수 있는 동시에 에너지, 경제 및 환경의 조화를 통한 지속가능한 발전이 가능하다. 이를 위하여 이산화탄소 배출을 저감할 수 있는 혁신적인 선진기술의 확보가 중요하다.
즉, 이산화탄소 저감 첨단기술(BAT, Best Available Technology)을 많이 보유하고 있는 국 가가 세계 경제 우위를 차지할 수 있으므로, 선진 국에서는 이산화탄소 저감을 위한 혁신적인 기술 개발에 박차를 가하고 있다.
이산화탄소 감축을 위한 에너지기술 개발 온실가스 배출량 중 90% 이상을 차지하고 있 는 이산화탄소는 화석연료 사용으로 59억 탄소톤 이(1992년) 배출되며, 이는 인간이 배출한 전체 이산화탄소 배출량의 4분의 3을 차지한다. 이러한 이유로 화석에너지 사용을 극대화 할 수 있는 에 너지 관련 기술 개발을 통한 고효율 에너지 이용 기술 확보는 이산화탄소 배출을 획기적으로 저감 할 수 있으며 나아가서 기후변화 협약에 능동적으 로 대처할 수 있는 유일한 방법이다. 특히, 우리나 라는 철강, 화학, 시멘트 등 에너지 다소비 산업구 조를 갖고 있으므로 에너지 부문이 기후변화협약 대응에 있어서 가장 중요한 부문임을 알 수 있으 며, 에너지기술 개발은 이산화탄소 감축목표를 달 성할 수 있는 가장 현실적이고 핵심적인 대안이 될 수 있다. 선진국에서도 이산화탄소를 획기적으 로 줄일 수 있는 미래 에너지 기술을 개발하기 위 한 장기계획을 수립·추진하고 있다.
국외 기술개발 동향 1) 미국
미국은 2010년 이산화탄소 배출량은 BAU (Business as usual, 에너지 소비형태가 저감 노력 없이 현상태로 지속될 경우) 기준으로 1990년 대 비 26% 증가가 예상됨에 따라 에너지부(DOE, Department of Energy)를 중심으로 기후변화협 약 대비 향후 추진계획을 수립하고 관련기술 개발 에 집중적으로 투자하고 있다. 따라서 1997년 12월 에너지부를 중심으로 온실가스 저감을 위한 중장 기 기술개발 기본계획인 ‘Technology Opportunities to Reduce U.S. Green House Gas Emissions’을 수립하였다. 본 계획은 기술개발을 통하여 2030년 까지 이산화탄소를 400~800 메가탄소톤(MTC, 106 Ton of Carbon)/년 저감을 목표로 하고있다.
이는 BAU 기준 2030년 2,089 MTC 배출 중 19~38%이며, 1990년 대비 2030년 증가량 745 MTC 중 54~107%에 해당한다. 특히, 본 개발계 획에서는 이산화탄소를 사고 파는 배출권(ET, Emission Trading) 거래 시 최저가격인 $14/TC 를 겨냥한 2030년까지 $10/TC 이하로 낮출 수 있는 이산화탄소처리기술(Carbon Sequestration) 개발을 [그림 2]와 같이 추진하고 있으며, 이는 현 재 처리 기술 비용인 $100~300/TC의 1/10~
1/30에 해당한다.
기술개발의 기본방향은 [표 1]과 같이, 에너지 효율향상(Energy efficiency), 청정에너지(Clean energy), 이산화탄소 처리(Carbon sequest ration) 분야로 구분하여 9개 기술 군으로 구분하고 있다.
단계별 기술개발 성숙도에 따른 추가적인 이산 화탄소 저감량 증가는 1단계(2000~2010년)는 에 너지 효율향상, 2단계(2011~2020년)는 청정에너 지, 3단계(2021~2030년)는 온실가스 처리기술 분야로 이동됨을 알 수 있다.
2) 유럽연합(EU)
유럽연합(EU)은 Joule-Thermie, Save 및 Altener 프로그램 등 에너지 관련 기술개발을 공 동으로 추진하여 온실가스 저감목표를 달성하고 자 하고 있다. Joule-Thermie 사업은 1984년부터 유럽차원에서 비핵에너지 기술개발로 ① 에너지 R&D 전략, ② 에너지 합리적 이용기술, ③ 재생 에너지 기술, ④ 화석연료 기술 및 ⑤ 연구결과 확 산 등 총 5개 분야로 구성되어 있다. 과제들은 기 술 특성에 따라 연구개발사업 성격(Joule 파트) 또는 시범사업 성격(Thermie 파트)을 갖는다. 대 부분의 과제는 EU와 참여기관이 비용을 분담하는 형태로 추진하고 있다. SAVE(Specific Action on Vigorous Energy Efficiency) 사업은 1991년부터 사용자 측면에서의 에너지절약과 효율제고를 통 해 유럽지역의 CO2 배출 저감을 목표로 하고 있 다. Altener 사업은 EU의 재생에너지 분담율 향 상목표(1996년의 6%에서 2010년까지 12%)를 만족시키고 궁극적으로는 재생에너지 사용 확대 를 통해 유럽지역의 CO2 배출을 저감시키고자
EU의 에너지총국(DG XVII)에서 추진하고 있다.
3) 일본
1993년 기존의 Sunshine, Moonlight, 지구환경 기술개발을 통합한 종합에너지환경기술 개발을 New Sunshine 사업을 통하여 수행하고 있다. 또 한 기후변화협약에 적극 대응하고자 ‘30년 중장기 이산화탄소 저감기술개발’을 수립하여 단기 2010 년까지 1990년 기준 6%의 온실가스 저감목표 중 2%(28백만탄소톤)을 달성하기 위하여 신에너지 기술, 환경친화적 공정개발, 이산화탄소 처리기술 과 같은 혁신적인 에너지관련 기술 12개를 선정하 여 국가 주도로 중장기 연구개발을 추진하고 있다.
이산화탄소 저감 및 처리 기술
이산화탄소 감축을 위한 기술은 [표 2]와 같이 화석에너지를 사용할 때 발생되는 이산화탄소를 줄이는 이산화탄소 저감기술과 발생된 이산화탄 소를 처리하는 이산화탄소 처리기술로 구분되며, 구체적으로 에너지절약, 신재생에너지 및 이산화
VISION 21 Program Dry Sorbent Membrane
2013 2015 2030
Technology Opportunities
to reduce US Green House
Gas Emissions (DOE, 1998) Pre-Combustion
Geological, Ocean Sequestration
SCENARIO of ET No Trading Abbex I Trading
Global Trading World Bubble
$193/TC
$ 61/TC
$60/TC
$50/TC
$10/TC
$ 23/TC
$ 14/TC
J. Yellen, Council of Economic Adviser, Report, 1998
ZEP Oxy. Comb.
IGFC
Cost of Carbon Sequestration
2000. 2 : $ 50/TC (2015), $ 10/TC (2030) PNNL 13095, Report 2000. 7. 26 : $ 10/TC (2015) DOE Techline (www.fe.doe.gov) 2001. 3. 14-17 : $ 10/TC (Long term cost goal)
1'st National Conference on Carbon Sequestration(NETL)
2030 2015 2000
그림 2. 미국의 이산화탄소 처리기술개발 방향 및 목표.
표 1. 미국의 기술개발 분야 및 개발연도에 따른 CO2 저감 잠재량
Equipment and application
Buildings Building envelopment L/H M/H H
Intelligent building systems Energy conversion and utilization Industry Resource recovery and utilization
L/M M/H H
Industrial process efficiency
Energy Enabling technologies
efficiency Advanced conventional vehicle Freight vehicle
Transportation Hybrid, electric, and fuel cell vehicle M H H
Alternative fuel vehicles
Air and high-speed ground transport Agriculture Conversion of biomass to bioproducts
and forestry Advanced agricultural systems L L L/H
Plant/crop engineering
Energy efficiency for crude oil refining Fossil Natural gas to liquids
resource Increased natural gas production L M/H H
development Co-production with IGCC
CO2for improved oil and gas recovery
Fossil power Accelerated development and high-efficiency power generation
generation Low-carbon fuels and high efficiency power generation L M H Ultra-high efficiency, zero-carbon emission energyplexes
Clean Lifetime extension and generation optimization
energy Nuclear energy Next-generation fission reactors L M H
Fusion power Biomass electric Wind energy Advance hydropower
Renewables Solar photovoltaics L/M M H
Geothermal energy
Solar thermal electric and buildings biomass transportation fuels Solar advanced photoconversion
Augmented ocean fertilization to promote additional CO2
sequestration
Advanced chemical and biological conversion and sequestration
Carbon sequestration Terrestrial storage of CO2 NA NA NA
Caron sequestration in soils Elemental caron sequestration Ocean storage
* CO2저감잠재력(TC): L=0~25, L/M=25~50, M=50~75, M/H=75~100, H=100+
* NA: Not applicable because the carbon reductions require policy changes
* Shade areas show significant additions to the routes to reducing greenhouse
Technologies 2010 2020 2030
탄소 처리 기술로 분류된다.
지구온난화 방지를 위한 이산화탄소 저감 및 처 리 기술은 [그림 2]와 같이 단계적으로 적용할 예 정이다. 즉, 1단계로 이산화탄소 저감기술(에너지 절약기술, 청정에너지 이용기술), 2단계로 이산화 탄소 처리기술(혁신적인 환경기술, CO2 흡수원 확대), 3단계로 혁신적인 이산화탄소 저감기술(차 세대 에너지기술)의 개발·보급을 통한 청정한 지구로의 재생을 계획하고 있다.
1) 에너지 절약·이용효율향상 기술
에너지 절약 및 이용효율 향상 기술은 화석연료 의 사용 및 관련기술의 에너지 사용을 저감시키므 로 직접적인 이산화탄소 저감효과를 나타내는 기 술로 산업, 건물, 수송, 전기 에너지 및 석탄·석유 의 이용효율향상 기술로 분류할 수 있다. 산업에 너지 기술은 산업공정에 투입하는 에너지를 줄이 는데 기존공정을 탈피한 새로운 공정기술 개발, 화석에너지를 연소시켜 열이나 동력을 얻는 열이 나 동력발생장치의 효율향상기술 및 생산된 열에 너지를 보다 시간적으로나 공간적으로 효율적으 로 이용할 수 있는 시스템의 기술개발 등을 들 수 가 있다. 건물 에너지는 가정용이나 상업용 건물 에 적용되는 각종 공조설비의 효율을 높임으로써 전기나 화석에너지의 소비를 줄이는데 초점을 맞 추었으며 또한 환경친화적 건물의 조건을 만족시 킬 수 있는 자연에너지의 이용기술 등을 중심으로 기술개발을 하고 있다. 수송에너지 기술은 기존차 량의 연비개선에 의한 이산화탄소의 배출을 저감 시킬 수 있는 기술개발, 이산화탄소의 배출이 적 은 대체연료 자동차 개발, 차세대 연료 저소비 자 동차의 개발 등을 들 수 있다. 전기 에너지 기술은 전력에 있어 부하관리 방안을 통하여 전기에너지 의 수요공급을 안정화시키며 다기능 전력저장방 표 2. 이산화탄소 저감 및 처리기술 분류
산업 에너지기술 건물 에너지기술
에너지절약·이용효율향상 기술 수송 에너지기술
이산화탄소 저감기술 전기 에너지기술
청정 발전기술 자연에너지 이용기술
신재생에너지 기술 신에너지 이용기술
폐기물에너지 이용기술
이산화탄소 처리기술 이산화탄소 처리기술 회수 기술
저장/고정화/재활용 기술
기술분류 관련기술 세부기술
온실효과가스 배출총량,
청정한 지구를 재생, 과학적기반장비,
에너지절약추진, 프레온가스사용영규체,
신에너지기술, 환경친화적 공정개발, COs고정화, 재활용,
해양흡수능력 확대 등, 사막녹화,
대체에너지 보급 확대, 제 3세대 프레온 대체물질개발, 복합발전기술개발,
핵 융합기술, 우주태양전지,
BAU안(2030년 온실효과가스온도증가) 에너지절약기술 추진,
청정에너지 이용대폭확대, 혁신적인 환경기술개발,
차세대 에너지 기술개발, CO2흡수원 확대,
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
기후변동,
·지구온도 상승, (현재보다 3℃ 상승),
·해양 상승, (현재보다 65cm 상승), ,
그림 2. 지구재생계획.
법을 갖추어 전기에너지의 소비를 줄이는 것을 핵 심기술로 개발하고 있다. 청정발전기술은 기존의 미분탄발전(Pulverized coal combustion)에서 발 전효율을 향상시킨 신미분탄연소(Advanced pulv-urized coal combustion), 가압유동층복합발 전(Pressurized fluidized bed combustion combined cycle), 가스화복합발전(Integrated gasification combined cycle), 석탄가스연료전지복합발전 (Integrated gasification fuel cell), ZEC(Zero emission coal) 등을 들 수 있으며, 이 기술들은 21 세기 시장이 요구하게 될 고효율, 무공해, 저가의 세가지 목표를 동시에 달성하고 각각의 기술들의 한계성을 극복하기 위하여 경쟁적으로 연구가 진 행되고 있다.
2) 신재생에너지 기술
신재생에너지 기술은 화석연료를 대체할 수 있 는 에너지원으로 태양, 풍력, 소수력, 해양, 지열, 바이오와 같은 자연에너지 이용기술, 연료전지, 수 소에너지 등과 같은 신에너지 이용기술 및 폐기물 에너지화 기술을 들 수 있다. 주요기술로 태양열 에너지 기술은 에너지자립형 태양에너지 건물, 산 업용 태양열 시스템, 태양광발전 기술은 독립형 태양광발전시스템 이용, 계통연계형 태양광발전, 규소계 태양전지, 화합물반도체 태양전지 및 신형 태양전지, 풍력발전 기술은 중형급 풍력발전시스 템 국산화 및 중규모 단지 조성, 소수력 발전 기술, 해양에너지발전 기술, 지열에너지 이용기술, 바이 오에너지 기술은 연료용 에탄올 생산기술, 메탄가 스 전환 이용기술, 미래 바이오에너지 기술, 연료 전지 기술은 용융탄산염, 인산형, 고체전해질형, 고분자전해질형, 수소에너지 응용기술, 폐기물연 료화 기술, 폐기물로부터 에너지회수 기술을 들 수 있다. 신재생에너지원은 에너지자원의 다변화
로 화석연료의 수입의존도 감소 및 청정에너지 사 용으로 환경보전에 기여하고 미래의 에너지원을 확보할 수 있다.
3) 이산화탄소 처리 기술
이산화탄소 처리기술은 [그림 2]와 같이 화석 연료 연소 후 생성되는 이산화탄소를 대기 중으로 배출시키지 않는 것으로 회수, 저장 및 고정화/재 활용 기술로 분류할 수 있다. 회수기술 중 흡수법 은 선진국이 이미 상용화되어 운전하고 있으며, 흡착법은 실증실험단계이며, 막분리법은 연구개발 단계에 있다. 따라서 현재의 분리기술의 완성도와 국내의 기술수준을 보았을때 연소배가스 중에 포 함된 이산화탄소를 분리하기 위하여 단시일내에 적용될 수 있는 기술은 흡수식, 실증공정을 거친 다음 상용화 공정으로 적용할 수 있는 기술로 흡 착식이며 미래 분리공정으로 막분리법을 들 수 있 다. 이와 같은 기술은 현재 재래식기술로 분류할 수 있으며, 재래식 공정에 비교하여 CO2회수비용 을 1/10로 줄일 수 있는 미래기술인 건식재생 sorbent 공정을 들 수 있다.
미국 에너지부(DOE, Department of Energy) 에서는 현재 재래식 CO2 회수기술을 기술혁신 (technology breakthroughs)할 수 있는 미래기술 로 Dry regenerable CO2 sorbents, Vortex tube, CO2hydrate, Recovery of CO2in advance fossil processes using a membrane reactor, Electricity generation using a metal oxide reducing agent 로 5가지를 제시하고 있다.
회수된 이산화탄소 저장은 해양 2,700m 이하의 심해 중에 폐기하는 것이 현재로 가장 경제적이며, 고정화/재활용 기술로 화학적, 생물학적, 광학적, 전기화학적 방법이 이용되고 있다.
이산화탄소 감축을 위한 국내의 노력
기후변화협약이 21세기 전 세계의 환경·에너 지·자원의 가장 주요한 이슈로 작용할 전망인 가 운데 기후변화협약에 능동적으로 대처할 수 있는 나라만이 일등 국가로 살아 남을 수 있다. 기후변 화협약은 지구온난화를 유발시키는 온실가스, 즉 이산화탄소의 배출을 줄임으로 해결할 수 있으며, 이는 지속 가능한 발전을 가능하게 할 수 있는 혁 신적인 이산화탄소 저감 및 처리기술 확보만이 가 능하다.
CO2 저감 및 처리기술은 에너지·자원·환경 문제의 해결과 더불어 이를 통한 국가의 부를 가 져다 줄 뿐만 아니라 엄청난 규모의 미래 시장 점 유를 위한 국가 전략기술과 직결되기 때문에 외부 로의 기술유출과 정보노출을 극히 꺼리는 기술 중 의 하나로 핵심기술에 대한 기술교류가 어렵다.
현재 범지구적 환경문제 해결이라는 슬로건 하에 미국, 일본, EU 등 선진국을 중심으로 콘소시엄을 형성하여 CO2해저저장 등과 같은 일부기술에 대
한 공동연구를 수행하고 있으나, 국내에서는 부족 한 연구자원으로 인해 직접 참여하고 있지 못하고 있는 실정이다. 그 동안 정부에서는 기후변화협약 에 관련하여 에너지기술개발을 추진해 왔으나, 선 진국에서와 같이 이산화탄소 저감 첨단기술 확보 를 위한 종합적인 기술개발 프로그램보다는 단 기·상용화 기술개발 위주로 추진되어 왔다.
이에 국내에서도 선진국에서와 같이 기후변화 협약 대응 장기 기술개발이 필요하다는 판단 하에 과학기술부는 21세기 프론티어 연구개발사업으로
‘이산화탄소 저감 및 처리 기술개발 사업단’을 2002년부터 출범시켜 연구사업을 활발히 추진하 고 있다. 본 사업에서는 이산화탄소 저감 잠재력 이 매우 높은 혁신적인 기술 분야를 발굴하여 집 중적이고 장기적으로 추진함으로써 기술개발 후 파급효과를 높여 이산화탄소 저감효과를 극대화 하는 동시에 차세대 주력산업 성장을 유도하며 앞 으로 형성될 거대 그린시장을 공격하여 새로운 시 장을 창출할 것으로 기대된다.
CO2 처리기술, ,
회수,
고정화,
저장,
건식재생 Sorbent법, 흡수법,
흡착법, 막분리법,
화학적,
생물학적,
촉매이용법,
(접촉산화법, 광화학법)
육상생물 이용,
(미생물이용, 수목이용)
해양저장,
(심해저 저장, 해중 처리법)
지중저장,
(폐유전, 폐가스전,, 원유증진회수법, 대수층이용법)
해양생물 이용,
(미세조류 이용,, 해양성 식물플랑크톤 이용)
전기화학법,
그림 3. 이산화탄소 처리 기술.
![[기획특집: 이온성 액체] 이산화탄소 포집을 위한 이온성액체의 기술 개발 방향 및 동향](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)