_ 지구온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 전 세계적으로 에너지 효율 향상, 신재생 에너지 사용 및 개발에 힘을 쏟고 있다. 그러나 이런 방법만으로는 기후변화를 완화시킬 만큼의 충분한 온실가스를 감축하기 힘들다. 국제에너지기구는 '06~30년간' 우리나라 CO2 배출 연평균 증가율은 1.2%로 '30년까지 OECD국가들 중 최고 수준이 될 것으로 전망하고 있다. 그럼에도 우리나라가 주력하고 있는 반도체, 자동차, 조선 등 산업시설을 가동하기 위해서는 화력발전소를 가동할 수밖에 없는 것이 현실이다. 이에 우리나라는 화력발전소 등 대규모 배출원에서 나오는 대량의 CO2를 땅 속으로 처리하는 이산화탄소 포집 및 저장(CCS)기술을 통해 극복하려는 노력을 시도하고 있다.
* CCS : 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon dioxide Capture & Storage)의 줄임말로써 발전소나 제철소 등의 대규모 배출원에서 배출되는 CO2를 분리‧포집한 뒤 지질학적으로 안정적인 지질구조(지하800~3,000m)에 주입하여 장기간(수백~수천 년간) 안전하게 저장하는 기술이다.
CO2를 잡아 땅속에 가두는 CCS, 어떤 기술일까?
_CCS를 수행하는 과정은 발전소나 제철소 등의 대규모 배출원에서 나오는 배출가스를 대상으로 ▲연료를 연소하기 전 화학적 반응을 통해 CO2를 분리하는 연소 전 포집 ▲연소 후 CO2를 분리하는 연소 후 포집 ▲연료와 산소만을 반응시킴으로써 대기 안에 포함된 불순물들의 유입을 방지하는 순산소 연소 등의 기술을 활용해 CO2분리시킨다. 분리된 CO2는 높은 압력으로 압축되어 고밀도의 초임계(일정한 고온과 고압의 한계를 넘어선 상태에 도달하여 액체와 기체를 구분할 수 없는 상태)나 액체 상태로 만들어진 후 파이프라인을 통해 수송되거나 영하 40~50℃로 냉각‧액화시켜 선박을 통해 수송된다. 이렇게 수송된 CO2를 지하 800m 이상 깊이의 안정적인 지질구조에 주입해 대기로부터 격리시키는 기술이다.
안전하게 CO2를 땅속에
저장소로는 이미 고갈된 유‧가스전과 심부 염대수층, 메탄을 함유한 석탄층을 선택할 수 있다. 자연적으로 오랜 기간 석유와 가스가 저장되어 있는 지질 구조에는 인위적으로 CO2를 주입하더라도 안전하게 저장할 수 있는 곳이다. 유전 개발 시 이미 많은 연구가 진행된 곳이기 때문에 정보가 많고 기존 설비를 사용할 수 있다는 장점이 있다.
심부 염대수층은 CO2는 저장 후보지로 손꼽히는 지질 구조 중 하나로 전 세계적으로 대륙과 해양에 폭넓게 분포되어 있고 저장 용량 또한 지중 저장소 중 가장 큰 것으로 알려져 있다. 해수보다 더 높은 염분농도로 채워진 다공질의 암석층으로 배사구조 또는 경계면에 불투수층이 잘 발달되어 CO2 저장에 적합하다.
메탄을 함유한 석탄층을 활용하면 메탄이 흡착되어 경제성이 없는 석탄의 생산성을 높일 수 있다. 메탄에 비해 기체 상태의 CO2는 더 높은 흡착력을 갖고 있기 때문에 석탄층에 CO2를 주입하면 석탄 표면에 흡착된 메탄가스를 회수하는 효과도 낼 수 있다.
_땅속에 저장된 CO2는 다공성 암석 내부의 암석 입자 사이사이에 다양한 방법으로 포획(Trapping)된다. 포획 방법은 크게 4가지로 구조적 포획, 잔류 포획, 용해 포획, 광물화 포획으로 이들 메커니즘이 전부 또는 일부가 동시에 일어남으로써 CO2가 덮개암 상부 쪽으로 움직이지 못하고 저장소 내에 안정적으로 저장된다.
* 구조적 포획 : 땅속 저장소의 CO2는 상부의 덮개암에 의해 위로 상승하지 못하고 고립되는 것
* 잔류 포획 : 고밀도의 CO2가 염수로 채워진 다공성 암석층 내부로 들어갈 경우 상당량의 CO2가 공극에 갇혀 움직이지 못하게 되는 것
* 용해 포획 : 설탕이 물에 녹듯 고밀도로 주입된 CO2 또한 저장소 내부의 유체에 의해 용해되고 CO2가 용해된 액체는 주변의 염수보다 미세하게 무거워져 아랫부분으로 가라앉아 보다 안정적인 상태로 암반층 내부에 존재하게 되는 것
* 광물화 포획 : 용해 포획 방법으로 염수에 용해된 CO2는 약산성의 탄산수를 생성한다. 이 상태로 장기간 저장되면 탄산수 주변 암석의 미네랄과 반응해 조개껍질과 비슷한 조성의 탄산염을 생성하게 되는 것
CCS 기술, 안전한가요?
_보이지 않는 땅속으로 CO2를 주입하는 기술인만큼 누출 가능성과 그로 인한 피해가 얼마나 되는지 그 안정성을 파악할 필요가 있다. 때문에 주입 전, 주입 후로 나누어 각각 모델링, 모니터링 기법을 활용해 안전성에 대해 검토하는 방법을 사용하고 있다. 모델링은 쉽게 말해 사전에 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 시추, 물리탐사 등을 통해 결정된 변수를 입력하여 CO2 주입이 잘 되는지, 누출 가능성은 없는지를 확인하는 기법이다. 모니터링은 사후에 CO2의 이동 경로와 지층의 움직임을 지진파를 통한 탄성파 탐사를 통해 파악하는 기법이다.
만약 CO2의 누출이 장기간 대규모로 발생하게 된다면 해양 생태계에 간접적인 영향을 미칠 수 있다. 누출이 발생하면 주변 해수의 화학적 특성이 변화해 해양생물의 생장환경도 영향을 받게 된다. 한국해양과학기술원에 따르면 이런 환경 변화와 함께 특히 CO2 노출에 민감한 생물종이 영향을 받게 될 것으로 예측하고 있다. 대표적으로 CO2에 민감한 생물은 조개류와 성게 등 패각 형성과 수정 발달에 영향을 받는다고 한다. 때문에 CCS기술의 안정성에 관한 연구 뿐 아니라 CO2에 민감한 생물종에 대한 피해 최소화를 위한 노력들이 국내 뿐 아니라 유럽 등지에서 수행되고 있다.
2005년부터 추진한 CCS, 앞으로의 계획은?
_해양수산부는 해양수송‧저장분야를 맡아 2005년부터 CCS 기술개발을 추진했다. 지난 2012년 동해 울릉분지(울산에서 동쪽으로 약 60~90km떨어진 대륙붕)의 깊이 800~3,000m사이의 퇴적층에 약 51억 톤의 이산화탄소를 영구 저장할 수 있는 공간을 발견하는 성과도 도출했다. 이는 2030년 우리나라의 CCS를 활용한 연간 CO2 감축 목표량 중 약 10%인 3,200만 톤을 기준으로 150년 동안 저장할 수 있는 규모다.
최근 해수부는 현재까지 개발된 CCS기술을 토대로 2017년경부터 100만 톤 급 실증 사업을 실시하고 이후 대규모 CO2 감축 사업을 진행할 예정이라고 밝혔다. 올해 3월 CO2 수송을 위한 선박 3척과 임시저장설비 4기의 도면 제작을 완료한 상태이며, 해저배관과 주입설비를 위한 도면을 제작 및 확보한 상태다.
이런 계획을 토대로 2020년 이후 CCS 산업시장이 형성된다면 CCS시장규모는 2초 6천억 원이 될 것으로 예상하고 있으며, 저장 분야의 경우 8천억 원이 될 것으로 전망하고 있다. 또한 2030년까지는 누적매출 100조, 세계시장 20% 점유, 10만 명 이상의 일자리 창출을 목표로 하고 있다. 이를 통해 관련 해양플랜트 공정설계 등 최첨단 산업기술 확보와 해양지질구조 데이터베이스 등의 다목적 과학기술을 구축하는 효과를 기대하고 있다.
도움주신분: 선박해양플랜트연구소
* 시스템 문제로 CO2로 표기하는 것에 대해 양해 바랍니다.
