기후변화 대응기술로서 CCS 지금까지 기후변화 대응기술 로서 크게 대체/청정에너지를 개발하거나, 에너지 이용효율 개선, 생물 흡수원 확대 등을 우선적 대안으로 여겨 왔다. 그 러나 선진국은 이들 기술만으 로는 기후변화를 완화하기 위해 요구되는 대량의 온 실가스(주로 CO2) 배출감축량 의무를 충족시킬 수 없고 또한 기존의 석탄·석유와 같은 CO2 배출 에너 지 기반 산업구조를 갑작스럽게 바꾸는 것이 어렵다 는 판단을 하고 있다. 이에 세계는 장기적으로는 CO2
발생이 전혀 없는 청정 신에너지 자원을 확보하기 위 한 노력을 하면서 동시에 기존의 화석연료 기반 CO2
발생을 그대로 유지시키면서 다만 대규모 발생원에서 배출된 CO2를 포집하여 대기에 방출시키지 않고 영 구 처리함으로써 기후변화에 대응할 수 있는 기술을 경쟁적으로 개발하고 있다.
특히 지구온난화 주범인 CO2의 40% 가량이 발전 소 등과 같은 특정 발생원에서 배출되는데, 이와 같이 CO2 대량 발생원으로부터 CO2를 대량으로 분리, 포 집 및 수송하여 저장용량이 매우 큰 육상지중/해저의 유·가스전, 대수층, 석탄층 또는 심해에 안정적으로 장기간(수천년 이상) 저장시키고자 하는 ‘이산화탄소 포집 및 저장기술(Carbon Capture and Storage, CCS)’이 새로운 기후변화 대응기술의 하나로서 주목 받고 있다[그림 1].
포집된 CO2를 저장하는 방법으로는 크게 퇴적층내 석유·가스 채굴공, 염대수층, 석탄층 등을 활용하는
‘지중저장(geological storage)법’과 수심 2,500m 이 하의 심해 수중 또는 해저에 저장시키는 ‘해양분사·
저류법(총칭하여 해양저장(ocean storage)이라 불리 기도 한다)’으로 구분된다. CO2 지중저장법의 경우 육상이나 해양의 퇴적층에 CO2를 장기간 안정적으로 저장할 수 있는 기술로서 이미 국제적으로 이미 실용 화 단계에 진입하고 있는 기술인 반면에, CO2해양분 사·저류 처리방법은 그 기술적 및 환경적 타당성 연 구가 필요한 단계로서 아직 학술적 연구가 요구되는 상황이다. 일부에서는 포집된 CO2를 바다나 지하에 그냥 버릴게 아니라 산업적으로 또는 생활에 유용한
그림 1. 이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS)의 적용 모식 도. CCS 기술은 (1)대규모의 CO2를 배출하는 발전소, 제 철소 등 발생원에서 화공학적 공정에 의해 CO2를 회수 하는‘포집단계’, (2) 포집된 대용량의 CO2를 압축시켜 가 스 형태로 파이프라인을 이용하거나 액화시켜 선박을 통 해 운반하는‘수송단계’와 (3) 수송된 CO2를 육상지중, 해 저지중 또는 심해(해양분사/저류법)에 장기간 안정적으로 주입하는‘저장단계’로 이루어진다.
물질로 재활용 또는 재이용하는 기술까지를 CCS의 일환으로 간주하는데, ‘재이용’을 통해서 처리할 수 있는 CO2 양이 제한적이고 처리과정에서 또다른 막 대한 CO2를 발생시킴과 동시에 CO2격리기간이 상대 적으로 짧다라는 점에서 지구온난화 대응기술로서의
‘재이용’ 기술의 위상은 어느 정도 제약점이 있을 수 있다.
CO2 저장용량 및 저장기간과 관련하여 IPCC 등의 자료를 보면[표 1], 막대한 양의 CO2를 해저/육상지 중의 유·가스전, 심부대수층 및 난채굴 석탄층에 장 기간 안정적으로 저장할 수 있는 것으로 나타났다. 참 고로 지난 2002년 한해에 전 세계에서 배출된 CO2양 이 대략 26GtCO2임을 감안하면 CO2 저장에 의한
CO2감축량의 잠재성은 상당하다고 하겠다.
[표 2]는 CO2 저장기술을 포함하여 포집/수송/저 장 등 CCS 기술단계별 포집기술 등의 세부 기술종류 별 기술현황 및 현재 비용수준을 보여준다. 전체적으 로 포집(capture) 부문에서 비용이 많이 소모되고 있 으며 저장분야, 특히 지중저장분야는 상대적으로 비 용이 많이 소요되지 않는다. 포집분야는 그동안 화공 분야에서 특히 많은 연구가 진행되어 왔으며, 앞으로 CCS의 폭넓은 상용화를 위해서는 비용절감을 위한 기술개발이 계속 요구된다 하겠다.
현재 CCS의 실용화를 위해 국제적으로 다양한 노 력들이 진행되고 있다. 예를 들면, 미국 주도로 2003 년 6월 창립되어 현재 우리나라를 비롯해 21개국이
유전 및 가스전(Oil and gas fields) 675~900 >100,000
심부염대수층(Deep saline formations) 1,000~10,000 >100,000
난채굴성석탄층(Unminable coal seams) 3~200 >100,000
해양(Oceans-분사, 저류식) 2,300~10,700 Up to 1,000
표 1. CO2 저장방식(지역)에 따른 저장 가능량 및 저장가능기간 추정치(IPCC, 2005)
저장방식 용량(GtCO2) 저장가능기간(year)
Post-combustion ○
Pre-combustion ○ 15~75
Capture Oxyfuel combustion ○
Industrial separation(natural gas
processing, ammonia production) ○ 5~55
Transportation Pipeline ○
Shipping ○ 1~8
Enhanced Oil Recovery(EOR) ○
Gas or oil fields ○
Geological storage Saline formations ○ 0.5~8
Enhanced Coal Bed Methane recovery(ECBM) ○
Ocean storage Direct injection(dissolution type) ○ Direct injection(lake type) ○ 5~30
Mineral carbonization Natural silicate minerals ○
50~100
Waste materials ○
Industrial uses of CO2 ○
표 2. CCS 요소기술의 종류 및 현재의 기술발달수준(IPCC, 2005)
CCS component CCS technology 연구개발 시범사업 시장진입 시장성숙 비용 단계 단계 단계 단계 (US$/tCO2)
가입한 Carbon Sequestration Leadership Forum은 포집된 CO2를 격리/저장시키는 기술을 공유하고 관 련 실용화 사업을 촉진하는 국제협력활동을 활발히 수행하고 있다. 지난 2005년 9월 24차 정부간기후변 화패널(IPCC)회의에서는 CCS의 기술적 현황 및 실 용화 가능성을 면밀히 검토한 특별보고서를 채택하였 으며, 동년 12월 11차 유엔 기후변화협약 당사국회의 (COP)에서는 본 기술을 청정개발체제(CDM)사업의 하나로 인정하는 방안을 논의하였다. 아울러 2006년 4 월 국제해사기구(International Maritime Organization;
IMO)에서는 CO2 해양지중저장을 촉진하기 위해 해 양으로의 폐기물 투기를 금지하는 런던협약 96의정서 를 개정하여 CO2를 해양의 퇴적층에 저장시키는 것 을 국제법적으로 허용하는 방안을 마련하고 그에 따 른 환경위해성 평가관리체계를 구축하고 있다.
교토의정서 2차 공약기간(2013~2017)중에 온실가 스 감축의무국가로 지정될 가능성이 높은 우리나라에 서도 위와 같은 CCS 관련된 국제 동향을 감안하여 CCS 기술개발이 일부 추진되었다. CCS 기술 분야중 에서 CO2 포집기술 분야는 ‘화학공학’ 등의 분야를 중심으로 하여 지난 10여년전부터 여러 연구개발 사 업들, 대표적으로 과학기술부의 ‘이산화탄소저감및처 리(CDRS) 프론티어사업’과 산업자원부 에너지관리 공단의‘온실가스처리기술개발사업’ 등에서 관련 기 술개발을 추진하고 있으며 앞으로도 보다 ‘고효율’,
‘대용량’의 CO2포집이 가능한 기술개발을 위해서 많 은 투자와 노력이 요구되고 있다. 상대적으로 ‘CO2저 장기술’ 분야는 ‘포집분야’보다 낙후되어 있는데, 2002 년 CDRS 사업단에서 소규모로 시행하다가 해양수산 부에서 2005년부터 10개년 사업으로 ‘CO2 해양처리 기술개발사업’ 과제를 통해 CO2저장기술을 본격적으 로 개발하기 시작하였다. 해양수산부 연구사업에서는 해양연구원(주관)과 지질자원연구원(협동), 민간연구 소인 (주)네오엔비즈 및 관련 대학(고려대, 한양대) 등의 해양학, 화공학, 환경학, 지질학, 자원공학, 조선 공학, 생태학 등 다학제적 전문 연구팀들이 참여하여
‘해양’을 매개로 한 CO2저장기술들을 개발하고 있다.
해수부 사업에서는 CO2 저장지역을 선정함에 있어 육지공간이 부족하고 인구밀도가 높은 우리나라는
‘해양’을 매개로 한 CO2 저장의 중요성이 높음에 착 안하여 해양을 매개로 한 관련 기술개발을 주도하고 있다. 아래에서는 주로 ‘해양’을 중심으로 하여 국내 에서 추진되고 있는 CO2 저장기술의 세부기술 현황 을 분석하고 향후 국내에서의 기술개발 추진방안을 간략히 소개한다.
CO2저장기술의 현황분석
앞에서 언급한 바와 같이 CO2를 저장시키는 방식 은 이미 국제적으로 상용화 직전의 시장 진입기에 들 어간 ‘지중저장’과 아직 학술적 기반연구 단계인 ‘해 양저류’나 ‘해양분사’ 등으로 구분된다. ‘지중저장’의 경우 그 지역이 육상이냐 해양이냐의 관점에서 볼때, 육상에 석유·가스 채굴공이 많은 미국, 캐나다와는 달리, 육상공간이 빈약한 우리나라는 일본과 마찬가 지로 해양을 매개로 한 CO2 저장방법을 우선적으로 고려할 필요가 있다. CO2저장종류별, 즉 지중저장(해 양지중저장을 중심으로 하여)의 세부영역별(유·가 스전, 대수층, 난채굴석탄층)과 해양저류/분사법의 기 술 현황과 향후 국내적용성을 살펴보면 아래와 같다.
1) CO2해양지중저장기술
CO2의 지중저장이 가능한 지질구조로는 생산중이 거나 고갈된 유·가스전, 심부 염대수층 및 석탄층 등 으로 구분할 수 있다.
유·가스전
유·가스전(oil and gas reservoirs)은 구조 지질학 적으로 투수성이 높은 암석으로 형성되어 있고 그 상 부는 불투수층인 덮개암(caprock)이 존재하여 오랜 지질시대 동안 가압된 오일과 가스의 부존 능력을 검 증 받았다. 이러한 구조를 이용할 경우 장기간 안전하 게 CO2를 저장할 수 있는데, 고갈된 유·가스전의 경 우 이미 개발이 완료되어 지질학적 특성에 관한 많은
정보를 보유하고 있으며 기존의 생산설비 기술들을 효율적으로 활용하면 단기간 내에 가장 저렴한 비용 으로 안전하게 CO2를 저장할 수 있는 장점이 있다. 과 거부터 고갈된 유·가스전은 가스 저장장소로 활용되 어 왔으며 대표적으로 1915년 캐나다에서 성공적으로 천연가스를 지중에 주입한 첫 번째 프로젝트가 있다.
이러한 과거의 선행연구를 바탕으로 현재 북중미와 유럽 등 지역에서 CO2를 폐 유·가스전에 저장하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 생산중인 유·가 스전의 경우 생산성을 높이기 위해 CO2를 재주입하 는 방식으로 CO2를 저장하기도 한다. 일반적으로 유 전의 경우 1, 2차 회수를 통해 매장량의 30~40% 가 량을 회수할 수 있으며 CO2를 주입하여 추가적으로 10~15% 정도를 회수할 수 있게 된다. 이를 오일회수 증진법(Enhanced Oil Recovery, EOR)이라 하며 유 류회수/CO2주입의 일석이조 효과를 얻을 수 있다[그 림 2].
전세계적으로 2000년까지 84개의 오일회수증진 (EOR)법을 이용한 CO2 저장 프로젝트가 추진되었 으며 현재에도 많은 사업들이 진행되고 있다. 대표적 인 사례로는 CO2 육상 지중저장으로 상업용인 캐나 다의 Weyburn, CO2 해저 지중저장으로 연구개발 단 계인 호주 남동쪽 연안에 위치한 Monash 프로젝트를 들 수 있다. 캐나다 Saskatchewan 유전에서 수행되 는 Weyburn 프로젝트는 지난 2000년부터 미국 북
Dakota 지역의 Great Plains Synfuels 공장에서 포집 된 CO2를 330km의 파이프를 통해 캐나다로 수송하 여 육상지중에 연간 ~1MtCO2를 주입하고 있다(총 주입용량 : 20MtCO2). 호주 Monash 프로젝트는 호 주 남동쪽 육상 발전소에서 포집된 CO2를 파이프를 통해 인근 해역으로 수송하고 Halibut, Mackerel, Yellowtail 및 Kingfish 유전의 해저지중에 주입하여 오일을 회수한다. 또한 가스회수증진(EGR)법을 이 용한 CO2 육상 지중저장기술로는 2004년부터 알제리 의 4개 가스 생산정에서 함유된 약 5~10% CO2를 아 민(amine)으로 흡착하여 0.3% CO2로 감소시키고 포 집된 CO2를 3개의 공으로 재주입(~1.2MtCO2/yr)하 여 천연가스의 생산을 향상시키는 상업용인 In Salah 프로젝트, CO2 해저 지중저장기술로는 육상으로부터 160km 떨어진 노르웨이 Barents Sea의 수심 330m 에 CO2를 수송 후 주입하는 Snohvit 프로젝트가 진행 중이다. 국내의 경우 캐나다, 유럽 및 미국과 같이 대 규모의 유·가스전을 보유하고 있지 않지만 소규모의 천연가스를 생산하고 있는 동해-1 가스전(2004~
2018)을 활용하게 되면 향후 대략 35MtCO2의 CO2를 해저지중에 저장할 수 있을 것으로 예측되어진다.
심부 염대수층
심부 염대수층(deep saline aquifers)은 전세계적으 로 대륙과 연안 해저 아래에 폭넓게 분포되어 있어 CO2의 주 배출원인 발전소로부터 접근성이 용이하며, 그 잠재적 저장용량은 지중저장소들 중에서 가장 큰 것으로 알려져 있다[표 1]. 장기간 안정적으로 CO2를 저장하기 위한 적합한 지질학적 구조는 많은 양의 CO2를 균일하게 주입할 수 있는 투수성이 높은 저장 소와 상부에 주입된 CO2의 누출을 방지하는 불투성 인 덮개암이 존재해야 하므로 기술적, 구조지질학적 측면에서 유·가스전과 유사하다. 특히 지면으로부터 약 800m 심도 이상의 지층에 CO2를 주입하면 높은 압력(7.38MPa)과 온도(31.4℃)에 의하여 높은 밀도 로 저장이 가능한 초임계상태(supercritical state)에 도달하게 되어 CO2의 저장효율이 높아진다. 화학적으 그림 2. 오일회수증집법(EOR)을 이용하여 CO2를 저장시
키는 기술개념도(자료 : IEA GHG R&D Programme).
로 물에서 용존성인 CO2를 염대수층으로 주입하면 물과 혼합하지 않고 용해되며 그 속도는 가스와 물의 경계면 크기 및 모양에 따라 달라진다. 즉 유체 거동 특성은 압력, 온도 및 염분과 같은 물의 물리적인 인 자에 의해 결정된다. 이러한 대수층 환경 하에 용해된 CO2는 주변 광물 또는 암석들과 서서히 상호작용을 통해 화학 반응을 일으켜 안정된 탄산염을 형성한다.
본 방법과 관련된 대표적인 예로 노르웨이 북해에 위치한 상업용인 Sleipner 프로젝트를 들 수 있는데, 이 사업은 Statoil 회사가 지난 1996년부터 노르웨이 정부에서 부과한 탄소세(2000년：$38/tCO2)를 계 기로 천연가스 생산으로부터 발생된 CO2를 포집하여 해저지중 즉, ~1,000m 깊이의 염대수층(Utsira formation; 200m 두께)에 연간 ~1MtCO2 규모로 재주입하고 있다[그림 3]. 본 사업은 가스전에서 생산 되는 천연가스내의 높은 CO2농도(9%)를 판매가능한 저농도(CO2가 최대 2.5% 이하로)로 하기 위하여 아 민 흡착(amine absorption)법을 사용하여 CO2를 포 집하고 있다. 또한 Exxon, Mobil 및 Pertamina 회사 가 유사한 사업을 계획하고 있으며 인도네시아에서는 남중국해 보르네오 연안의 Natuna 천연가스전에서 훨씬 큰 프로젝트를 추진중에 있다. 앞으로 국내에서 도 한반도 주변 연안 대륙붕을 대상으로 하여 기존의 물리 탐사 및 시추자료를 재분석하고 일부 대상후보 지역을 추가적으로 정밀탐사하여 유망 대수층 격리지
역을 선정하고 이들을 대상으로 하여 CO2 해양지중 저장을 추진할 가능성이 있다.
석탄층
메탄을 함유한 석탄층으로 주입정을 통해 CO2를 주입하면 석탄 표면에 흡착되어 있는 메탄을 CO2가 선택적으로 치환하여 메탄의 탈착이 촉진됨에 따라 생산정을 통하여 메탄의 생산성이 향상될 수 있다. 이 러한 석탄층 메탄회수증진(Enhanced Coal-Bed Methane;ECBM)법은 CO2를 석탄층에 저장함과 동 시에 메탄을 생산하여 경제적인 효과를 발생시키는 점에서 유·가스전 방법과 유사하지만 기술적인 측면 에서는 지질학적 구조를 이용한 EOR·EGR 방법과 는 다르다[그림 4]. 특히 2~3개의 CO2 분자가 하나 의 메탄 분자를 치환하는 높은 흡착력을 갖기 때문에 석탄채광이 더 이상 진행되지 않는 폐석탄층이라면 ECBM을 이용한 CO2저장을 고려할 수 있겠다.
본 방법을 이용한 첫 번째 상업적 규모의 기술개발 은 미국 New Mexico, San Juan Basin에서 1996년부 터 약 23,000m3/d/well의 석탄층 메탄을 회수하는 Burlington Resources Allison Unit 파일럿 프로젝트 를 들 수 있다. 본 사업결과에 의하면, ECMB의 전과 정 공정 후에 약 75%의 메탄 생산이 증가하였다. 현 재 ECBM 기술개발이 Alberta Research Council에 의해 캐나다 Alberta 지역의 균질한 석탄층 (600~1,000m)에서 추진중에 있다. 네델란드 에너지 환경청은 2002년 자국의 석탄층 메탄증진법에 관한
그림 4. 석탄층메탄회수증진법을 활용한 CO2 저장기술 개념도 (자료 : IEA).
그림 3. 염대수층을 활용하여 CO2 저장을 하는 Sleipner 프로젝트 개념도(자료 : Statoil사).
연구를 통하여 보고서를 출판하였으며, 최근에 네델 란드 Peel, Zuid Limburg, Achterhoek 및 Zeeland 지역의 잠재적인 저장용량과 그 기술적, 경제적 실현 가능성을 위한 구체적인 연구가 수행되었다. 국내의 경우 이미 육상 석탄 채광 그 자체는 거의 개발되어 더 이상 경제성이 없는 것으로 평가되고 있는데, 이에 ECBM의 적용가능성을 면밀히 검토할 필요가 있고 아울러 앞으로 육상심부와 대륙연안의 해저지중에 추 가적인 정밀 지질탐사를 통하여 CO2를 저장할 수 있 는 석탄층 존재 가능성을 지속적으로 조사하여야 할 필요가 있다.
2) CO2해양분사·저류 기술 해양분사
해양분사법(dissolution type)은 발전소 및 제철소 등 CO2의 발생원으로부터 분리·회수 단계를 거친 후 액화 저장되어진 CO2를 선박을 활용하여 연안으 로부터 수백 km 떨어진 지정 해역(심층수의 순환을 고려하여 저장효율이 가장 높은 해역을 선정)으로 운 송해서 해양의 중·심층(2,000~2,500m)에 파이프를 통해 CO2를 수 cm 크기의 액적으로 방출시켜 심해의 자연희석능력을 이용하여 친환경적으로 용해·희석 시키는 방식이다. 본 기술은 CO2노출에 의해 예민하 게 반응할 수 있는 표층 생태계를 거치지 않고 CO2가 불포화되어 있는 심해에 분사하여 환경피해를 최소화 하고자 하는 방법으로써 대량의 CO2를 안정적으로 장기간 격리시 대기의 CO2 농도를 인위적으로 안정 화시킬 수 있다는 가정하에 실용화를 꾀하고 있다. 이 방법은 선박을 이동시키면서 방출한다고 하여 Moving Ship법이라고도 하며[그림 5], 방출된 CO2
는 직경 수 mm 정도의 액적이 되어 해류를 따라 흘 러가면서 해수에 천천히 용해된다. 초기 분사농도는 대략 6만분의 1로 약 17ppm으로 설정되어 있으며, Moving Ship이 100km 사방의 해역을 왕래하면서 운 항하며, 두께 1,000m의 해수에 균일하게 CO2를 희석 했다고 하면, 그 해역의 CO2 농도 상승분은 발전소 1
기당 0.4ppm로 2.5기분의 CO2를 방류하면 1ppm이 증가하게 된다. 해양의 중·심층에는 현재 약 100ppm 의 CO2가 존재하는데, 결과적으로 Moving Ship방식 은 해양환경의 CO2 농도를 약 1%정도 올리게 된다.
해양에 용해되어 희석된 CO2의 해양저장효율은 다양 한 해양 순환모델링으로 추정한 결과 심해 수괴의 혼 합정도와 위도에 따라 다르지만 약 200년 후에도 초 기 주입량의 60~80%가 해양에 잔류할 것으로 예측 된다. 최근 한 연구에 따르면, 우리나라 부근인 북서태 평양 지역에서 충분한 수심, 즉 3,000m에 주입된 CO2
의 80~100%는 500년 후에도 해양에 잔류하는 것으 로 나타났는데, 주입된 CO2에 의해 수심 800m에서 pH가 0.7, 3000m에서는 1.0 정도 낮아져 심해 및 저 서 생물체가 영향을 받을 수 있는 것으로 예측되었다.
앞으로 일본 등과 연계하여 본 기술을 실용화하기 위한 다각도의 연구가 요구되는데, 특히 희석노즐 개 발, 방출파이프의 개발, Moving Ship의 진행방향 결 정기술, 방출해역에서의 CO2의 희석, 거동 시뮬레이 션을 위한 모델 개발, 방출된 CO2의 모니터링 기술, 심해저 생물영향평가와 경제성 및 안전성평가 등에 관한 연구가 필요하다. 참고로 일본에서는 2015년 이 후 일본의 연간 CO2 총배출량인 약 12억톤중 화력발 전소 2.5기에서 방출하는 1,000만톤의 CO2를 해양에 처리할 수 있는 제반 기술 및 시설개발을 목적으로 그림 5. 일본에서 중점추진중인‘Moving Ship’법에 의한 CO2 해양분사기술의 모식도(자료 : 일본 RITE).
1997년부터 관련 연구개발을 수행중에 있는데, 일본 의 사례를 참조하여 우리도 본 방법의 실용화를 다각 적인 연구, 특히 환경 위해성에 대한 충분한 과학적 검토 및 이를 제어하기 위한 다양한 기술적 방안들이 축적되어야만 할 것이다.
해양저류
해양저류법(lake type)은 화력발전소 등으로부터 분리 회수된 CO2를 심해 3,000m 이하의 심해 해저계 곡 등에 쌓아두는 방식으로 CO2를 처리하는 방식이 다[그림 6]. 먼저 화력발전소 등으로부터 분리 회수된 CO2를 탱크선으로 운송할 때에는 탱크 압력을 가능 한 한 저압으로 유지하기 위해 -55℃ 정도의 저온액 체로서 운송된다. 이와 같은 저온 CO2를 심해 500m 의 해중에 방출될 때의 온도는 -35℃ 이하로 되나 열 팽창계수가 물의 열배 이상인 CO2는 이 심도에서 해 수보다 충분히 무겁게 된다. 따라서 방출 CO2액포의 크기를 한계치(약 1m)보다 크게 하면 해수로부터 수 열에도 관계하지 않고, 해수와 같은 온도의 CO2가 해 수와 같은 밀도가 되는 심도(약 2,700m)를 넘어 저류 가능한 3,500m 수심까지 자유낙하 하게 된다라는 점 을 이용한다. 저온 CO2의 물성을 이용한 새로운 CO2
투입법으로 일본을 중심으로 하여 미국, 노르웨이 연 구팀이 공동 연구 중에 있다. 본 CO2 해양 저류법은 대기로부터의 해양격리기간이 1,000년 이상이 된다는
장점이 있으나, 처리수심 때문에 기술과 비용, 특정 투 기지역의 환경문제가 이슈화 될 수 있다는 단점이 있 다. 대전 MOERI에서 내년에 설치하는 1만m 초대형 고압탱크는 본 연구에서 요구하는 다양한 실험들을 할 수 있게 할 것이다. 특히 앞으로 본 해양저류와 관 련하여 저온 CO2큰 액포를 안정적으로 방출하는 것 이 가능한 능동형 방출노즐의 개발, 저류 장소로부터 의 CO2 용해, 감시용으로서 사용되는 고신뢰성, 고내 압 pH 센서의 개발, 얼음과 하이드레이드막에 둘러싸 여진 저온 CO2 대액포의 해중 다이나믹스의 해명, 심 해해저의 해저분지에 저류된 CO2의 안정성과 하이드 레이드막의 용해성 평가, 저류 저장지역 주위의 CO2
에 대한 심해생물의 내성평가, 개발된 능동형 방출노 즐의 실해역 실증실험 등에 관한 세부연구를 추진할 필요성이 있다.
최근 우리나라 동해 저류층에 대규모로 매장되어 있는 메탄하이드레이트 자원화 방안과 관련하여 CO2
와 질소 혼합가스를 직접 해저 메탄하이드레이트층에 주입할 경우 CO2와 메탄이 맞교환되는 기작이 국내 연구진에 의해 규명되었는데 앞으로 본 기술은 CO2
배출규제와 미래 에너지문제를 동시에 해결할 수 있 는 방안으로서 시사점이 있다.
그림 6. 일본에서 추진중인 다양한 CO2 해양저류기술의 모식도(자료 : 일본 NMRI).
우리나라의 CO2저장기술 실용화방안
현재 기후변화 대응기술에서의 CCS 중요성을 감안 하여 우리나라에서도 해양수산부 CO2 해양처리기술 개발사업 등 몇몇 관련 연구들이 진행되고 있다. 국내 CO2해양저장 기술개발의 경우 저장방법과 관련하여 국제적으로 시장진입 직전 단계에 진입한 CO2 해양 지중저장기술은 국내 적용을 위한 제반 실용화 연구 를 중점적으로 수행하고 있으며, 해양분사나 해저저 류법 등은 그 기술적, 환경적 및 경제적 타당성 기반 연구를 추진하고 있다. CO2해저지중저장의 실용화를 위해서 앞으로 ① 국내 유망 저장해역 적지선정, 용량 산정 및 정밀탐사, ② 해저퇴적층 내 CO2거동해석 및 예측모델 개발, ③ CO2지중 모니터링 기술 및 안정성 평가모델 기반구축, ④ 관내 CO2 유동해석과 플랜트 등 시설 및 주입장비 설계기술 확보, ⑤ 경제성 평가 기술, ⑥ IMO, 일본 등과의 국제협력 및 국내 관련 법 /제도 정비 등이 요구된다. 기술적, 환경적, 경제적 타 당성 연구가 필요한 학술기반연구의 CO2해양분사·
저류저장은 먼저 ① 최적의 CO2 해양처리 운영기술 을 확립하고 ② CO2 심해저장에 따른 해양생태계 영 향평가 연구를 수행하고 이를 토대로 ③ 환경적으로 안전한 CO2해양처리 장비 및 시스템 구축을 위한 핵 심 설계기술을 개발해야 한다. 또한 ④ 심해환경 내 CO2 물성특성 분석 및 거동 예측모델을 구축하고 ⑤ 일본 등과의 지속적인 국제협력 및 국내·외 PA/PO 제고 활동을 추진할 필요가 있다. 이러한 연구개발을 위해서는 일정 규모의 연구비가 담보되어야 하는데, 참고로 일본의 경우 CO2 저장기술개발사업에 연간 약 130억원 규모가 투입되고 있다라는 점을 감안할 필요가 있다.
지중저장과 관련하여 우리나라는 육상에 유·가스 전 등이 잘 발달되고 육지면적이 넓은 미국(Frio), 캐 나다(Weyburn), 알제리(In Salah) 및 중국(Qinshui Basin) 등과는 달리 육상공간이 빈약하고 인구밀도가 높기에 일본과 마찬가지로 ‘해양’ 지역이 잠재 대상역 으로 강조될 수 있다. [그림 7]은 일본의 CO2지중저
장(염대수층) 후보지역을 보여주는데, 대부분 해양영 역이 대상지역임을 알 수 있다. CO2 지중저장 격리적 지 선정을 위하여 우선적으로 지질탐사를 통해 심부 지층구조를 파악하여야 하는데, 현재 국내 육상지역 의 탐사실적은 천부지층 탐사에 국한되어 있어 심부 층을 대상으로 할 경우 많은 비용을 투자하여 새롭게 조사를 수행하여야 한다. 반면에 해양을 대상을 할 경 우 기존의 탐사자료를 활용할 수 있는 장점이 있고 현 재 계속 추진되는 대륙붕 석유탐사 및 시추사업, 가스 하이드레이트 탐사사업 등의 자료를 활용할 수가 있 어 경제적인 측면에서도 해양을 선택하는 게 유리하 다. 환경 위해성 측면에서 볼때도, 인구밀도가 높은 국 내특성상 육상에 저장된 CO2가 누출시 수자원, 대기 환경 및 인명 손상등에서 상당한 피해가 예상된다. 반 면 한반도 주변해역의 일부 천연가스 부존지역 등은 심부 지층의 상부가 불투수성이 높은 덮개암 (caprock)으로 형성되어 있어서 CO2를 장기간 저장 하기에 매우 안정된 지질구조를 갖는 것으로 알려져 있는데 기존의 국내 인근 해역의 탐사자료와 추가 자 료를 효율적으로 활용하면 누출로 인한 환경위해성을 최소화하는 CO2 해저지중저장 유망지역을 선정할 수 있을 것이다. 아울러 현재 해양을 매개로 한 CO2해저 지중저장 영역이 국제법적으로 국제해사기구(IMO), 국내법적으로 해양수산부 해양오염방지법의 관할임
aquifer with drillhole data closure identified by seismic dissolved methane reservoir
scale 200km
그림 7. 일본에서 계획하고 있는 CO2 지중저장 후보지역 들. 주로 해양퇴적층(염대수층)을 대상으로 하며, 약 300 억톤 CO2을 저장가능한 양으로 추정하고 있다.
을 감안하여 IMO에서 현재 진행중인 CO2 해저지중 저장의 허용방안(런던협약 96의정서 개정중)과 관련 위해성 평가관리 체제를 국내법적으로 수용하여 국내 에 적용할 경우 보다 안전하고 환경위해가 적은 CO2
저장이 구현될 수 있을 것이다.
앞으로 CO2 해양저장기술 실용화를 위한 연구개발 을 추진함에 있어 언제, 어느 정도 규모의 CO2를 CCS 로 처리하겠다라는 기술상용화 전략설정이 중요하다.
물론 이 문제는 국가 전체적인 기후변화 대응전략과 맞물려서 결정되어야 하는데, 예를 들면 국가적으로 언제부터 어느 정도의 CO2를 어떤 기술들 또는 정책 들에 의해 어느 업체/주체들이 감축할 것인가라는
‘CO2 감축시간표’에 의거하여 CCS기술의 상용화 전 략이 크게 달라질 수 있기에 앞으로 정부에서 관련 전 문가들의 참여하에 국가적인 CO2감축전략을 구체화 할 필요가 있다 하겠다. 참고로 CCS에 의해 과연 어 느 정도의 CO2를 감축할 것인가라는 전략을 수립함 에 있어 일본의 사례는 좋은 예이다. [그림 8]에서 볼 수 있듯이 일본의 경우 현재 CO2톤당 약 6,700엔 정 도의 CCS 비용을 R&D를 통해 2015년까지 3,000엔
/CO2톤 이하로 감소시켜 2015년부터 매년 약 1억톤 의 CO2를 주로 해양의 심부대수층에 저장하는 계획 을 수립하고 있다. 아울러 해외 개발도상국에게 온실 가스를 감축시켜 자국 실적으로 인정받는 CDM을 활 용하여 추가적으로 매년 약 1억톤의 CO2를 추가적으 로 감축할 계획이다. 물론 일본과 우리나라는 경제규 모 및 구조, 감축해야 할 CO2 총량, 교토의정서상의 배출압력 강도가 서로 상이한 면이 있기에 이를 우리 나라에 바로 도입하는 것은 어려운 실정이나 만약 국 내에서도 CCS 기술개발을 통해 2015년 이후 일본과 같이 연간 1억톤의 CO2를 해저지중에 저장시키게 될 경우 이에 따른 경제효과는 최소 매년 10조원[1억톤 CO2/년(예상처리량)*$100/톤CO2(거래가)]이상의 직접적인 경제이득을 CCS를 통해 창출할 수 있을 것 이다.
결론
교토의정서 2차 공약기간(2013~2017)중에 교토의 정서상의 온실가스 감축의무국가로 지정될 가능성이 높은 우리나라는 CO2 배출감축에 따른 경제, 산업피 해를 최소화하기 위하여 최근 기후변화 대응기술의 새로운 대안기술로서 대두되고 있는 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 기술 개발을 중점 추진할 필요가 있다.
특히 기존 화공분야의 CO2 포집분야와 연계하여 우 리나라에서 향후 실용성이 높을 것으로 예상되는 ‘해 양’을 매개로 한 CO2저장기술의 개발이 요구된다. 현 재 CCS 기술의 중요성을 인식하여 여러 부처에서 관 련 기술개발들을 추진하고 있는데, 연구개발 관련 예 산 중복투자 및 연구추진 비효율성을 예방하기 위해 서 부처 및 사업간 역할분담과 관련 추진일정 등을 통 합한 범부처 R&D 추진전략을 조속히 수립하여야 한 다. CCS 기술개발에 화학공학 전문가들의 많은 관심 과 참여를 기대한다.
그림 8. 일본의 CCS 실용화 전략. 2015년 이후 자국의 심 부 염대수층에 연간 1억톤 CO2를, 해외 CDM체제를 활용 하여 해외에서 1억톤 CO2 등을 CCS에 의해 감축하겠다 라는 목표를 갖는다.
METI’s target of cost and implemented storage rate
