[기획특집: 공기 중 이산화탄소 처리 연구동향] 이산화탄소 지중저장 기술의 환경관리 연구현황: 토양 및 생태계 영향평가 중심으로

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1. 서 론

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기후변화에 관한 정부간 협의체(Intergover- nmental Panel on Climate Change: IPCC)가 미국 의 부통령 앨 고어와 공동으로 노벨 평화상을 수 상한 2007년 이래, 기후변화는 더 이상 새로운 현 상이 아닌 전인류의 일상이 되어 버렸다. IPCC가 2014년 발간한 5차 평가보고서는 전 지구 평균기 온은 인류가 아무런 추가적 노력을 하지 않는 다 면 약 3-5 ℃ 증가할 것이며, 이는 여러 분야의 변 화와 재앙까지 불러일으킬 수 있다고 경고하였다 [1]. 지구평균기온의 상승을 “2 ℃ 이하” 수준으로

저자(E-mail: [email protected])

유지하기 위해서 세계 각국은 2050년까지 전지구 온실가스 배출량을 40-70% 만큼 줄여야 한다[2].

이와 같은 배경 하에 본 원고에서는 온실가스 배 출량을 줄이기 위한 감축 기술의 하나로 이산화탄 소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage:

CCS) 기술에 대해 간략히 알아보고 이 기술의 실 용화를 위해 담보되어야 하는 환경 관리 기술에 대해 소개하고자 한다.

2. 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage: CCS) 기술 소개 및 국내 현황

온실가스 배출량 감축은 파리 협약을 계기로 이

이산화탄소 지중저장 기술의 환경관리 연구현황:

토양 및 생태계 영향평가 중심으로

김 유 진¹⋅유 가 영^1,2,†

1경희대학교 대학원 환경응용과학과, ²경희대학교 공과대학 환경학 및 환경공학과

Current Status on Environmental Management Researches of Carbon Capture and Storage Technology

You Jin Kim¹ and Gayoung Yoo^1,2,†

1Department of Applied Environmental Science, Kyung Hee University

2Department of Environmental Science and Engineering, Kyung Hee University

Abstract: 이산화탄소 포집 및 저장(CCS: carbon capture and storage) 기술은 대규모 이산화탄소 배출원에서 이산화 탄소를 포집하여 이를 수송 후 지중 또는 해양의 적절한 지층에 저장하는 기술이며 확실한 기후변화 완화기술이다.

이 기술의 안정화 및 상용화를 위해서는 혹시 발생할 수 있는 저장소 또는 수송 파이프라인으로부터의 이산화탄소 누출에 대한 잠재적 위해성 및 생태계 영향평가가 선행되어야 한다. CCS 기술에 대한 환경관리를 위해서 국내에서 수행된 누출 영향평가에 따르면 토양 내 이산화탄소가 20% 농도를 초과할 경우 식물의 발아 및 생장이 저해되는 것 으로 나타났다. 토양 내 고농도 이산화탄소 농도에 대한 식물의 반응은 뿌리 기능의 저하에서 비롯된 엽록소 함량 감소 및 나아가 바이오매스의 감소가 관찰되었다. 뿌리의 수분흡수 능력 저하 및 엽록소 함량 감소는 향후 CCS에 따른 잠재적 이산화탄소 누출에 의한 광범위 지역 환경 모니터링에 활용될 수 있다고 판단된다.

Keywords: CO2 leakage, Environmental impact and risk assessment, K-COSEM, bio-monitoring of CO2 leakage, Environmental Impact Evaluation Test Facility on Seepage of Geologically Stored CO2 (EIT)

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포집 및 저장(Carbon Capture and Storage: CCS)”

이다. 이는 발전소, 제철소, 시멘트 생산 시설 등에 서 대규모로 발생하는 이산화탄소를 고농도로 포 집한 후 이를 수송하여 적절한 육상 및 해양 지질 구조층에 저장하는 기술이다. 사실 이 기술은 대 규모 석유 생산 기업이 기존 유전에서의 원유 추 출 효율을 높이기 위해 시추공 내로 가스를 주입 하여 압력차이를 이용해 잔존 석유를 추가적으로 추출하는 기술인 석유회수 증진기술(Enhanced Oil Recovery: EOR)에 뿌리를 두고 있다. 현재 전 세계적으로 약 21개의 CCS 사이트가 운영 또는 건설 중에 있으며 이를 통해 연간 약 3천 7백만 톤 의 이산화탄소가 감축될 수 있다고 보고된다[3].

포집된 이산화탄소의 저장은 육상 또는 해양의 적절한 지질 구조에 하게 되는데, 여기서 “적절한”

이라는 기준을 만족하는 입지는 생각보다 많지 않 다. 일단 안정적 퇴적암의 다공성 지층이 존재해 야 하고, 공극에 포화된 이산화탄소가 누출되지 않도록 상부에 덮개암(caprock)이 존재해야만 한 다. 이러한 입지는 지역마다 상이하지만, 보통 지 중에 몇백 미터 나아가 수 킬로미터까지 구멍을 시추해야 하는데, 이와 관련된 기술도 간단하지 않다. 이 때문에 CCS 기술은 현재까지는 널리 상 용화된 기술이라기보다 경제성을 희생하더라도 미래를 위해 투자하는 상징적 기술로 받아들여진 다. 하지만 온실가스 감축을 위해 화석연료 의존 에너지 구조에서 신재생 에너지 구조로 전환되기 까지는 상당한 세월이 요구될 것임을 고려할 때, CCS 기술도 하나의 중요한 대안으로 고려되어야 함은 의심의 여지가 없다.

우리나라는 2015년 국가 온실가스 감축 목표를 2030년까지 BAU 대비 37%를 감축한다고 발표하 였다[4]. 이 목표가 발표된 후 목표 달성의 현실성 을 두고 산업계와 정부 사이 논란이 가중되었는

도입이라는 방안도 포함되어 있는 상태다. 하지만 국토면적 및 인구밀도가 높은 국내 수준을 고려할 때 CCS 기술의 도입이 말처럼 쉽지만은 않다. 왜 냐하면 지중에 어떤 시설을 매립한다는 사실 자체 가 주변 주민들의 불안감을 조성할 수 있기 때문이 다. 다음 절에서는 CCS 기술 도입의 상용화를 가 로막는 이 불안감과 관련된 CCS 기술의 토양 및 생태계 위해성 평가에 대하여 설명하도록 하겠다.

3. CCS 기술의 토양 및 생태계 위해성 평가 해외 동향

지중 깊이 수백 미터 이하의 깊은 곳에 저장된 이산화탄소는 이론적으로 수백년 동안 누출되지 않고 안정해야만 한다. 하지만 만약 지중저장 탱 크가 고압으로 인해 문제가 생기고 이로 인해 누 출된 이산화탄소가 단층 등의 경로를 통해 빠른 시간에 지표 가까이까지 누출된다면 토양 및 생태 계는 심각한 위해성을 경험하게 될 수 있다. 물론 이런 사고가 일어날 확률은 매우 낮고 지중 저장 기술은 이런 위험을 없애는 것이 목표가 되겠지 만, 아무리 낮은 확률이라 하여도 이에 대한 위해 성 평가는 수행되어야 불확실성에 대한 공포를 제 어할 수 있을 것이다. 또한 포집된 이산화탄소가 파이프라인을 통해 저장소까지 이동되는 경우 파 이프라인은 수미터 정도의 천부 지층에 매립될 것 이므로 이 경우 파이프라인의 작은 천공이라도 인 근 생태계에는 영향을 미칠 것임에 틀림없다.

CCS 기술의 적용 및 안전성 확보를 위해 미국, 영국, 중국, 스페인 등 여러 나라에서는 이산화탄 소의 잠재적 누출에 따른 생태계 영향평가를 진행 하였으며, 영국의 ASGARD (Artificial Soil Gassing and Response Detection), 미국의 ZERT (Zero Emissions Research and Technology), 호주의

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Ginninderra가 대표적인 인위 누출 시험지이다[5].

이에 따르면 고농도(지중 20%-100%)의 이산화탄 소는 식물의 광합성 및 뿌리 호흡 등의 물질대사 및 생장을 억제시키며, 높은 농도에 지속적으로 노 출되면 식물은 더 이상 생존하지 못하고 고사에까 지 이르는 것으로 나타났다[6-9]. 한편, 토양 미생 물은 ATP 활성도 및 호흡량이 감소된 것으로 나타 났으나, 혐기성 및 호산성과 같은 특정 종의 경우는 그 풍부도가 증가한 것으로 보고되었다[6,10-13].

4. CCS 기술의 토양 및 생태계 위해성 평가 국내 동향

우리나라의 경우 CCS 기술의 안정적 상용화를 담보하기 위해 환경부가 2014년부터 “이산화탄소 지중저장 환경관리 기술개발(Korea CO2 Storage Environmental Management: K-COSEM)”이라는 제목의 연구과제를 수행하고 있다. K-COSEM의 연구 결과 중 환경관리 기술 중 하나인 토양 및 생 태계 위해성 평가기술을 소개하도록 하겠다.

Figure 1. Final germination of cabbage, corn, bean and wheat.

(a) Cabbage

(b) Corn

(c) Bean

(d) Wheat

*출처: Int. J. Greenh. Gas Control., 53, 117-126 (2016).

Figure 2. LD50 values, which were CO2 concentrations of 50% of final germination rates of seeds, for cabbage (a), corn (b), bean (c), and wheat (d).

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4.1. 발아 실험

식물의 종자는 고농도의 토양 이산화탄소에 노 출될 경우 식물의 초기 생장 단계인 발아 과정에 부정적인 영향을 주는 것으로 보고되며, 이는 종 자의 최종 발아율이 이산화탄소 누출의 영향평가 지표로 활용할 수 있음을 의미한다[14]. 국내 연구 에서도 종자 발아율을 이용하여 토양 이산화탄소 농도 증가에 따른 식물의 변화를 확인하였다[15].

연구 결과에 따르면, 토양 내 이산화탄소 농도가 4, 12, 30, 50%일 때 배추, 옥수수, 콩, 밀의 발아 속도 및 최종 발아율이 달라지는 것으로 보고되었 다(Figure 1). 토양 내 이산화탄소가 4%인 처리구 에서는 모든 종자의 최종 발아율이 무처리구와 차 이가 없었으나, 배추, 옥수수, 콩이 발아가 진행되 는 속도는 늦어졌다. 12% 처리구의 최종 발아율 은 배추, 옥수수, 콩의 경우 약 62%, 밀의 경우 22%만큼 감소하였다. 그 외 30% 및 50% 처리구 에서는 모든 종자의 발아가 진행되지 않은 것으로 나타났다. 또한, 이 연구에서 식물 종자 발아율이 50%일 때의 이산화탄소 농도를 의미하는 발아반수 치사량(LD50)을 산정하였으며, 이는 약 9-15% (배 추: 13.9%, 옥수수: 10.3%, 콩: 9.2%, 밀: 15.7%)로 나타났다(Figure 2).

4.2. 식물 생장 실험

토양 내 이산화탄소 농도 증가에 따른 식물의 생장 실험을 위하여 경희대학교(국제) 캠퍼스 내 에 온실을 설치하였으며 특수한 생장 실험 용기를

자체 제작하였다(Figure 3). 식물 선정은 다양한 식물의 생장 패턴을 반영하여 C3, C4 식물을 포괄 하였다.

배추(C3 식물)를 이용한 식물 생장 실험은 총 12일 동안 약 65-80% 수준의 토양 이산화탄소 농 도를 유지시킨 조건에서 수행되었다[16]. 토양 수 분 조건은 약 15-20% (v/v) 범위를 유지하여, 고농 도 토양 이산화탄소의 식물에 대한 영향만을 확인 할 수 있도록 하였다. 그 결과, 정상적으로 성장하 는 무처리구와 달리 이산화탄소 처리구에서 누출 9일부터 잎이 힘을 잃어 쳐지는 현상이 관찰되었 으며, 누출 10일부터는 잎이 노랗게 변색되었다 (Figure 4). 배추 잎의 엽록소 함량(Figure 5)이 이 산화탄소 처리구에서 무처리구 대비 급격하게 증 가하여 누출 8일까지 증가한 값이 유지되었는데, 이는 토양 고농도 이산화탄소에 대한 배추의 보상 작용 때문으로 사료된다[17]. 누출 10일 이후부터 종료시점까지 엽록소 함량은 이산화탄소 처리구에 서 무처리구 대비 점차적으로 감소하였다. 누출 종 료 후, 토양 이산화탄소 처리에 따라 지상부 바이 오매스는 변화가 없었으나, 뿌리 바이오매스는 이 산화탄소 처리구에서 무처리구 대비 약 47% 감소 하였다. 배추 잎 내 질소 함량은 이산화탄소 처리 구에서 무처리구 대비 약 23% 감소한 반면, 토양 무기 질소(NH4+, NO3-) 함량은 이산화탄소 처리구 에서 무처리구 대비 약 160% 증가하였다. 이는 배 추 뿌리 생장 및 기능 억제로 인하여 질소의 흡수 및 수송이 정상적으로 일어나지 못하고 토양에 무

(a)

(b)

*출처: Sci. Total Environ., 607-608, 1278-1285 (2017).

Figure 3. Diagram of the growth box (a) and set-up (b) for the experiment.

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기 질소가 잔류하였기 때문으로 추측된다[15,18].

옥수수(C4 식물)를 이용한 식물 생장 실험은 총 30일 동안 약 20-43% 수준의 토양 이산화탄소 농 도를 유지시킨 조건에서 수행되었다[19]. 수분 조 건은 이산화탄소 처리구 및 무처리구에 대해 일주 일에 3회 600 mL 정도의 물을 동일하게 공급하여 조절하였다. 그 결과, 이산화탄소 처리구에서 무처 리구에 비교하여 줄기 길이가 감소하였으며 잎이 쳐지는 것이 관찰되었으나, 생명 유지에는 문제가 없는 모습이었다. 이는 20-43% 수준의 토양 이산 화탄소는 옥수수의 생장에는 부정적이지만, 새로운 생장 평형에 도달하여 옥수수가 환경에 적응할 수 있는 정도의 스트레스로 사료된다(Figure 6). 옥수

수 잎의 엽록소 함량(Figure 7)은 누출 14일까지 식 물의 보상작용에 의해 처리구에 따른 변화가 관찰 되지 않았으나, 그 이후로는 이산화탄소 처리구에 서 무처리구 대비 평균 14% 감소한 수준을 유지하 였다[16-17]. 누출 종료 후, 옥수수의 지상부 및 뿌 리 길이는 이산화탄소 처리구에서 무처리구 대비 각각 21, 30% 감소하였다. 또한, 잎 내 총인(TP), 칼륨(K) 및 칼슘(Ca) 함량은 이산화탄소 처리로 인 하여 무처리구 대비 평균 54% 감소하였는데, 이는 토양 이산화탄소 농도 증가로 인한 뿌리가 손상되 어 양분 흡수 및 수송이 억제되었음을 의미한다. 잎 내 전분 함량은 이산화탄소 처리구에서 무처리구 대비 87% 증가하였는데, 이는 TP, K와 같은 영양 염류 부족으로 광합성 산물이 대사 및 생장에 이용 되지 못하고 잎에 축적된 것으로 보인다[20].

Figure 4. Morphological changes of cabbage leaf under the Control and CO2 injection.

Figure 5. Temporal changes in chlorophyll contents, represented by SPAD values, in the Control (solid line) and CO2 treatment (dash line). Vertical lines represent the standard error (n = 9) and values for the same date with the same letter are not significantly different at a 5%

significance level.

*출처: J. Climate Change Res., 8, 257-264 (2017).

Figure 6. Treatment effects on morphological changes of corn leaves.

*출처: J. Climate Change Res., 8, 257-264 (2017).

Figure 7. Temporal changes in chlorophyll contents, represented by SPAD values, in the Control (solid line) and CO2 treatment (dash line). Vertical lines represent the standard error (n = 9) and values for the same date with the same letter are not significantly different at a 5%

significance level.

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4.3. 야외 토양 인위누출 실험을 통한 이산화탄소 누출 모니터링

K-COSEM 연구단에서는 충북 음성군에 Environ- mental Impact Evaluation Test Facility on Seepage of Geologically Stored CO2 (EIT) 시험지 (Figures 4, 5)를 조성하였는데, 이는 영국의 ASGARD, 미국의 ZERT, 호주의 Ginnindera 등 외국의 여러 선행연구를 검토하여 유사하면서도 독창적으로 구성하였다. 본 EIT 시험지에는 인위 누출 시설을 조성하여 이산화탄소 모니터링 시스템을 구축하 고, 이산화탄소 누출에 따른 토양 및 생태계 위해 성 평가 연구를 진행하였다.

인위 누출 조사지에서는 총 4차례의 이산화탄 소 인위 누출을 통해 토양 및 생태계의 영향평가

를 진행하였는데, 이 중 2차 누출 실험(2016년 6 월 1일부터 30일까지 누출 진행)에 따르면 지중 2.5 미터 깊이에서 100% 농도의 이산화탄소를 인 위적으로 누출할 경우 토양 내 이산화탄소 농도의

Figure 8. The EIT site and schematic experimental design. (a) Location, (b) vertical cross section of artificial CO₂ release experiment site (EIT), and (c) positions of the horizontal injection pipeline (black line) and soil CO2 flux (GMP343) and concentration (GMP221 and GA5000) measurements. Soil CO2 fluxes and concentrations were measured on a grid at 0, 2.5, 5.0, and 10.0 m from the well (red circles) using GMP343 and GA5000. CO2 fluxes were automatically measured at 0 and 6.0 m from the well (blue squares). Green squares indicate the locations of soil [CO2] sensors (GMP221) at depths of 15, 30, and 60 cm at distances of 0, 1.5, 3.0, 4.5, and 6.0 m from the well.

Figure 9. The view of the EIT site.

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Figure 10. Spatial variation map of CO2 fluxes on the local grid. Black dots are sampling points. E, C, and W letters mean East, Center, and West lines in each zone, and distance between each line is 5 m. The CO2 release period was June 1-30, 2016.

Figure 11. Temporal changes in chlorophyll contents, represented by SPAD values in the control and CO2 injection zone (a), and view of each site (b). Vertical lines represent the standard error (n = 9) and values for the same date with the same letter are not significantly different at a 5% significance level.

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지금까지 CCS 기술 도입의 배경 및 의의, 그리 고 이 기술의 안정적 상용화를 위해 거쳐야 하는 토양 및 생태계 위해성 평가의 국내외 동향에 대 해 알아보았다. 본 연구에서 살펴본 K-COSEM 연 구단의 토양 및 생태계 위해성 평가 기술은 비단 이산화탄소 저장시설에 국한되는 것이 아니라 향 후 국토면적이 좁은 우리나라와 같은 경우 다양한 지중저장시설이 도입될 경우 유용한 환경관리기 술로 활용 가능하게 될 것이다.

감 사

본 논문은 환경부 󰡔CO2 저장 환경관리기술 개발 사업(과제번호: 2014001810002)󰡕의 지원을 받아 수행한 K-KOSEM project 연구결과의 일부입니다.

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