A. 연도(flue gas, 煙道)가스 및 대기에서 이산화탄소를 제거하는 방법

연도가스와 대기에서 이산화탄소를 목표로 포집하지 않으면 기후 변화를 막을 수 없다. 이는 기후 변화에 관한 정부간협의체(IPCC)가 최근 보고서에서 인정한 내용이다. 그러나 CO₂ 포집에는 함정이 있다. 특히 CO₂ 수준이 낮을 때 공정이 여전히 비싸고 그다지 효과적이지 않다. 그러나 새로운 기술을 사용한 첫 번째 테스트는 전 세계적으로 실행되고 있다.

탄소 포집 기술의 뒤에 숨은 아이디어는 분명하다. 산업과 에너지 생성을 완전히 탈 탄소화할 수 없는 한 CO₂ 가 방출될 것이다. 이 온실가스가 대기 중으로 들어가는 것을 막으려면 늦어도 굴뚝에서 분리해서 처리하거나 저장해야 한다.

나머지 가스에서 CO₂ 를 어떻게 분리할까?
어떤 방법이 공기 포집에 적합할까?
대기에서 직접 CO₂ 를 분리하는 방법은 무엇이 있을까?

기후 보호의 "갭 필러(Gap Filler)"로서의 CO₂ 포집
인류가 기후 변화를 합리적으로 견딜 수 있는 수준으로 제한하려면 대기 중 이산화탄소 수준이 통제 없이 계속 상승해서는 안 된다. 연간 평균 CO₂ 함량은 이미 411ppm이며, 매년 평균 2.5~2.9ppm이 추가돼 온실 효과를 더욱 가열시키고 있다.

제한된 CO₂ 예산
이론적으로 필요한 조치는 명백하다. 인류는 향후 수십 년 내에 CO₂ 배출량을 순 0(zero)으로 줄여야 한다. 나머지 CO₂ 배출 예산은 관리할 수 있다. 세계 기후 보고서에 따르면 현재 온난화가 산업화 이전 값과 비교하여 1.5도로 제한된다면 모든 인류는 최대 3천억 톤의 CO₂ 만 배출해야 한다. 비교하자면, 전 세계 연간 CO₂ 배출량은 현재 약 360억 톤이다. 순전히 이론적인 용어로, 한계를 넘으려면 10년이 채 남지 않았다.

IPCC에 따르면 2도 목표의 배출량은 약 900기가톤 CO₂ 이다.
그러나 우리 산업, 경제 및 에너지 시스템의 구조 조정은 가까운 장래에 모든 CO₂ 배출을 피할 만큼 충분히 진전되지 않았다. 가장 야심찬 기후 보호에도 불구하고 10년 이상이 필요할 것이다.

연도가스 또는 대기에서 캡처
여기에서 탄소 포집이 시작됐다. 즉, 연도가스 또는 대기에서 직접 CO₂ 를 포집하는 것이다.
첫 번째 경우 온실가스는 굴뚝을 떠나기 전에 공장이나 발전소의 연도가스 흐름에서 필터링된다. 이것은 대기 중으로 방출되기 전에 배출물에서 CO₂ 를 제거한다. 전 세계적으로 이미 20개 이상의 상업용 플랜트가 배기가스에서 이러한 CO₂ 포집을 대규모로 운영하고 있으며 다수의 소규모 파일럿 플랜트가 있다. IEA(International Energy Agency)는 연간 약 4천만 톤의 CO₂ 용량을 추정했다. 소위 직접 공기 포집(DAC)을 사용하면 CO₂ 가 발생원에서 시작되지 않고 주변 대기에서 회수된다. 이러한 방식으로 DAC는 이후와 같이 대기 중 CO₂ 함량을 낮추기 위한 것이다. IEA에 따르면 현재 유럽, 미국 및 캐나다에 약 15개의 DAC 시스템이 있다.

그중에는 스위스의 클라임웍스(Climeworks) 회사가 2017년에 개장한 파일럿 플랜트와 아이슬란드에 더 큰 플랜트가 있다. 이 시설은 매년 대기에서 4천 톤의 CO₂ 를 추출해 탄산염 암석의 형태로 지하에 묶는다.

"완고한" 산업을 위한 기회
전문가들은 무엇보다도 오늘날의 기술로 CO₂ 배출량을 줄이기 어려운 "굴뚝"(연소 후)에서 탄소 포집에 대한 큰 잠재력을 보고 있다. 이는 우선적으로 전 세계 CO₂ 배출량의 약 8%를 차지하는 시멘트 산업에 적용된다. CO₂ 는 한편으로는 생석회(CaCO3)를 소석회(CaO)로 전환하는 과정, 다른 한편으로는 후속 연소 과정에서 생성된다.

국제 에너지 기구(IEA)의 최근 보고서에 따르면 "탄소 포집 및 사용은 문자 그대로 시멘트 생산에서 강력한 배출 감소를 달성할 수 있는 유일한 확장 가능한 기술 솔루션이다"고 말한다. 그곳에서 생성되는 CO₂ 의 2/3는 화학적으로 발생하고 따라서 거의 피할 수 없기 때문이다.

철강 산업과 화학 산업의 일부 영역에서도 CO₂ 차단은 중요한 잠정 솔루션이 될 수 있다. IEA에 따르면, "CO₂ 포집의 구현은 철강 생산 비용을 10% 미만으로 증가시키는 반면, 전기분해에서 수소를 기반으로 한 접근 방식은 35~70% 더 비싸다"고 한다. 또한 대규모 수소 기반 철강 생산을 가능하게 하는 "녹색" 수소가 단기간에 생산될 수 없다.

CO₂ 포집이 얼마나 효과적이고 저렴한가는 CO₂ 를 분리할 가스 혼합물과 어떤 방법을 사용하는지에 따라 크게 달라진다.

B. 액체 흡수제를 사용한 CO₂ 분리

다양한 가스의 혼합물에서 CO₂ 를 어떻게 분리할까?
이 질문은 탄소 포집의 핵심이며 온실 가스 분리 비용도 상당 부분 결정한다.

CO₂ 함량이 높을수록 더 쉽게
CO₂ 를 포집하는 가장 쉬운 방법은 에탄올이나 암모니아를 생산하는 공장과 천연 가스 처리에서이다. 여기에서 가스는 몇 가지 다른 구성 요소와 혼합되고 배기 가스에서 차지하는 비율은 일반적으로 80% 이상이다. 가장 간단한 경우, 물리적 방법으로 CO₂ 를 분리하는 것으로 충분하다. 예를 들어 극저온 증류에 의해 기체가 서로 다른 응축 거동에 따라 "동결"돼 분리된다.

석유 및 가스 산업에서 CO₂ 포집 공정은 1970년대부터 사용돼 왔지만 이것은 기후 보호와는 아무 관련이 없다. 탄소 포집은 여기에서 매우 실용적인 필요이기 때문이다. 한편으로는 전달되기 전에 전달되는 가스의 CO₂ 함량을 줄여 메탄을 정화하는 역할을 한다. 반면에 지하에 남아 있는 천연 가스를 제거하고 배출하려면 CO₂ 가스가 필요하다. 

 

▲ 출처=스위스 클라임워크 회사
아민 세척 – 클래식
이 CO₂ 분리를 위한 선택 방법은 일반적으로 모노에탄올아민(C2H7NO)을 사용한 아민 스크러빙이다. 이미 1930년에 특허를 받은 이 분리 원리를 사용하면 아민 흡수제의 미세하게 분할된 방울이 분무되는 용기를 통해 세정할 가스가 증가된 압력 하에서 흐른다. CO₂ 는 먼저 물에 용해된 다음 모노에탄올아민과의 화학 반응을 통해 결합된다. 나머지 가스(예: 메탄)는 결과적으로 청소된다.

두 번째 단계에서는 결합된 CO₂ 가 포함된 아민 용액을 더 낮은 압력에서 가열하고 감압한다. 이것은 CO₂ 가 다시 방출되고 추가 처리 또는 저장될 수 있는 반대 반응을 선호한다. 아민은 또한 전환되어 세척에 다시 사용할 수 있다. 사이클이 닫힌다.

이러한 아민 세정의 도움으로 노르웨이 해안의 Sleipner 프로젝트는 무엇보다도 생산된 천연 가스에서 CO₂ 를 분리하고 이를 수중 염 형성으로 공급한다. 1996년에 시작된 CO₂ 포집 및 저장(CCS) 프로젝트는 현재 이러한 방식으로 1600만 톤 이상의 CO₂ 를 분리 및 저장했다.

연도 가스(flue)로 인해 더 어렵다. 그러나 문제는 아민 스크러빙이 CO₂ 수준이 높은 비교적 깨끗한 배기 가스에 매우 적합하다는 것이다. 그러나 대부분의 산업 플랜트 및 발전소의 배기가스는 질소 산화물(NOx)과 황(SOx)을 포함하는 가스를 비교적 많이 포함하기 때문에 이러한 요구 사항을 충족하지 않는다.

이러한 가스와 산소는 아민과 반응해 CO₂ 결합 효율을 감소시킨다. 흡수 장치는 지속적으로 손실되고 있으며 교체해야 한다. 이를 방지하려면 탄소 포집이 적용되기 전에 배기 가스를 먼저 탈황하고 질소 산화물을 제거해야 한다.

또한, 출발 가스에 포함된 CO₂ 가 적을수록 에너지가 더 많이 소모되고 분리 비용이 더 많이 든다. 국제 에너지 기구(IEA)의 추정에 따르면 천연 가스 처리와 같은 고농축 배기 가스 비용은 포집된 CO₂ 톤당 약 15~25달러에 불과하다. 시멘트 또는 철강 산업에서 발생하는 연도 가스의 경우 배기 가스에 약 15~30%의 CO₂ 가 포함되어 있기 때문에 CO₂ 톤당 미화 120달러까지 증가할 수 있다.

발전소에서는 테스트 단계
발전소에서 나오는 고도로 "희석된" 가스 흐름의 경우 모든 것이 훨씬 더 비싸다. 일반적으로 15% 미만의 CO₂ 를 포함한다. 혼합물에서 이 가스를 가능한 한 완전히 분리하려면 선택적 흡수를 크게 증가시켜야 하고 아민 용매에서 CO₂ 를 탈착하는 것도 에너지 집약적이다. 이전 테스트에 따르면 이러한 형태의 탄소 포집은 발전소의 효율성을 최대 15%까지 감소시킨다.

따라서 일상적인 작동에서 CO₂ 를 포집하는 더 큰 상업용 발전소가 전 세계에 단 두 곳뿐이라는 것은 놀라운 일이 아니다. 그 중 하나는 캐나다 서스캐처원(Saskatchewan, 캐나다 서부에 있는 주)에 있는 바운더리 댐(Boundary Dam) 갈탄 발전소로, 2014년에 CCS용 4개 장치 중 하나에 아민 세정 시스템을 추가했다.

연간 최대 백만 톤의 CO₂ 를 포집했다고 알려졌다. 그러나 이 시스템은 고장이 나기 쉽고 수익성이 좋지 않아 운영자는 이제 남은 단위를 같은 방식으로 변환하지 않을 것이라고 발표했다. 독일의 여러 발전소는 약 10년 전에 연소 후 분리를 위한 파일럿 시스템을 실험했다.

이러한 아민 스크러빙 테스트 시설의 대부분은 더 이상 운영되지 않는다. 유일한 예외는 니더아우셈(Niederaussem) 갈탄 발전소다. 2009년부터 아민 스크러빙을 통해 발전소 블록에서 CO₂ 의 일부를 분리해 왔다. 다양한 아민 용액이 적합성과 효율성에 대해 테스트된다. 일부 변형된 시스템은 모노에탄올아민을 사용한 기존 아민 스크러빙보다 20% 더 낮은 에너지 소비를 달성했다고 한다. (다음호에 계속)

 

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