CCS

왜 배우는가: CCS는 화력 발전과 철강·시멘트 같은 산업 공정의 배출을 직접 줄이는 핵심 수단으로 꼽혀 정책과 실무에서 계속 다뤄진다. 시험에서는 포집·수송·저장 세 단계의 원리와 기술개발의 필요성을 묻는 문항이 여러 교시에 걸쳐 나오므로 단계별 설명을 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제114회 3교시 4번, 제104회 1교시 8번, 제98회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

CCS는 산업시설과 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 분리·포집하여 수송한 뒤 지중이나 해저 지층에 영구적으로 격리하는 기술이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 이산화탄소 포집: 배기가스에서 CO2를 분리하는 단계이다.
• 연소 후 포집: 연소가 끝난 연도 가스에서 CO2를 분리하는 방식이다.
• 연소 전 포집: 연료를 가스화하여 CO2를 먼저 분리하는 방식이다.
• 순산소 연소: 공기 대신 고순도 산소로 연료를 태우는 방식이다.
• 초임계 수송: CO2를 고밀도 상태로 압축하여 파이프라인으로 보내는 방식이다.
• 지중 저장: 지질 구조에 CO2를 주입하여 장기간 가두는 방식이다.
• CCUS: 포집한 CO2를 저장뿐 아니라 활용까지 포함하는 상위 개념이다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 다음과 같다. CCS는 점배출원(point source)에서 CO2를 분리하고, 이를 압축하여 수송한 뒤 지하 지층에 장기간 격리하는 기술 체계이다. 목적은 CO2가 대기로 다시 방출되지 않도록 격리 상태를 유지하는 데 있으므로, 포집·수송·저장 세 단계를 하나의 사슬로 설계해야 한다. 포집한 CO2를 원료로 활용하는 CCU와 구분해야 하며, CCS는 CO2를 영구적으로 격리하는 데 목적이 있다.

원리 측면에서 포집 단계는 CO2 농도가 낮은 배기가스에서 CO2만 골라내는 분리 과정이므로 세 단계 중 에너지 소모가 가장 크다. 화학 흡수제, 분리막, 흡착제가 이 분리를 담당하며, 연소 후 포집 설비는 일반적으로 포집률 95% 이상을 목표로 한다. 포집 설비를 붙이면 발전 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 따라서 포집 설비는 발전소 운영 효율과 함께 설계해야 한다.

포집 방식은 연소 후 포집, 연소 전 포집, 순산소 연소의 세 가지로 나뉜다. 연소 후 포집은 연도 가스에서 CO2를 분리하는 방식으로, 기존 발전소에 설치하기 쉬우며 화학 흡수법이 가장 많이 개발되어 있다. 연소 전 포집은 연료를 부분 산화나 가스화하여 수소와 CO2를 얻은 뒤 CO2를 먼저 분리하는 방식이며, 비료·화학·수소 생산 공정에 폭넓게 쓰인다. 순산소 연소는 연료를 공기 대신 고순도 산소 속에서 태워 배기가스가 주로 CO2와 수증기로 구성되게 하는 방식이다. 수증기는 냉각하면 응결되므로 거의 순수한 CO2를 얻을 수 있고, 질소산화물(NOx) 배출도 억제된다.

수송 단계는 CO2를 압축하여 고밀도 상태로 보내는 과정이다. CO2는 임계온도 약 31.1℃, 임계압력 7.38MPa 이상에서 초임계 상태가 된다. 엄밀하게는 임계온도 31.0℃(304.13K), 임계압력 7.3773MPa를 초과할 때 초임계 상태가 된다. 이때 밀도는 액체에 가깝고 점성은 기체에 가까워 파이프라인으로 보내기 쉽다. 초임계 CO2는 액체의 밀도와 기체의 점성을 함께 가져 대량 수송에 유리하다. 수송 수단은 파이프라인, 선박, 탱크로리이며, 대량 수송에는 파이프라인이 가장 낮은 비용이다. 석유·천연가스 배관과 안전성 수준이 비슷하여 기존 배관을 전용하는 사례도 있다.

저장 단계는 CO2를 지하 심부의 지질 구조에 주입하는 단계이다. 대표적인 저장층은 고갈된 석유·가스전, 염수층(saline aquifer), 심부 암반 지층이며, 그 위를 덮는 덮개암(caprock)이 CO2의 상승을 막아 가두는 역할을 한다. 저장된 CO2는 지층에 갇혀 장기간 머무르므로 저장소 선정과 모니터링이 필수이다. 모니터링은 지표와 지하 양쪽에서 이루어지며, 가장 널리 쓰이는 방법은 지진파 탐사 영상이고 지화학 분석이 이를 보완한다.

3. 등장 배경과 필요성

2022년 국가 온실가스 잠정배출량은 6억 5450만 톤으로 2018년 대비 약 10% 감소했다. 배출량이 2018년 이후 감소 추세로 바뀌었지만, 산업 공정에서 불가피하게 나오는 CO2는 재생에너지 확대나 산림 조성만으로 줄이기 어렵다. 화력 발전 비중이 높고 국토가 좁은 나라일수록 이 한계가 커지므로, CCS는 배출을 직접 처리하는 수단으로 주목받는다.

국제에너지기구는 CCUS의 2050년 탄소중립 기여도를 18% 수준으로 전망했다. 중공업 부문에서는 기여도가 약 30% 수준으로 더 높게 전망되었다. 국내에서는 2023년 4월 「탄소중립·녹색성장 국가전략 및 제1차 국가 기본계획」에서 CCUS 감축목표가 1030만 톤에서 1120만 톤으로 상향되었다. 2030 NDC 달성에 CCUS 기여도는 3.8% 수준이며, 2050년 탄소중립 목표 달성에는 8.0~12.3% 수준으로 기여도가 높아진다고 제시되었다.