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이산화탄소포집기술 상용화를 위한
기술이전 사업화 사례

기고자. 임재용 변리사(한국전력공사 기술기획처)

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파리기후협약과 CCUS

파리기후협약¹⁾에 대응하기 위하여 2015년 6월 정부는 2030NDC(Nationally Determined Contribution, 국가 온실가스 감축목표)를 수립하였고 2021년 12월에 2030NDC상향안을 UN에 제출했다. NDC상향안은 2030년 온실가스 배출량을 2018년 우리나라 온실가스 배출량(727.6백만톤) 대비 40% 감소된 436.6백만톤을 목표로 하고 있는데, 각 부문별로 감축 목표를 설정했고 CCUS부문에는 10.3백만톤 감축이 목표로 할당됐다.

CCUS 기술개요

CCUS는 화석연료에 포함된 이산화탄소를 포집(Carbon Caupture)하고, 포집된 이산화탄소를 광물화, 화학전환 등 전환을 통해 연료, 소재, 건축자재 등으로 활용(Utilization)하거나 폐유전, 가스전, 심부염수층 등에 저장(Storage)하여 대기로부터 분리하는 기술을 말한다. 이산화탄소 포집기술은 화석연료 연소 후에 발생하는 배기가스에서 이산화탄소를 포집하는 '연소 후 포집'과, 화석연료로 합성가스를 제조하는 과정에서 이산화탄소를 포집하는 '연소 전 포집' 및 화석연료를 연소할 때 산화제로 공기대신 순수한 산소를 사용하는 '연소 중 포집' 또는 '순산소 연소'로 나눌 수 있는데, 현재 이 중에서 '연소 후 포집'기술이 가장 널리 사용되고 있다.

이산화탄소포집 기술의 종류

'연소 후 포집' 기술은 화석연료를 연소한 후 발생하는 배기가스에서 이산화탄소를 포집하는 방식에 따라 '습식 포집', '건식 포집', '분리막 포집', '심냉 포집' 등으로 나눌 수 있는데 현재 '습식 포집'의 기술적인 완성도(경제성, 대용량화)가 가장 높은 상태이다. '습식 포집' 기술에 사용되는 흡수제로는 MEA, DEA, TEA, MDEA, AMP 등이 있고, 국내에서 개발한 흡수제로는 한국전력공사(이하, 한전)의 'KOSOL-6', 에너지기술연구원의 'KIERSOL', 에너지기술연구원과 경희대, 서강대 등이 공동개발한 'MAB'가 있다.

이산화탄소포집 프로젝트 및 현황

이산화탄소 포집 프로젝트로 가장 규모가 큰 것은 2017년 1월에 가동을 시작한 미국 텍사스주에 소재한 Petra Nova 시스템으로 매년 160만톤의 이산화탄소를 포집하여 82마일 떨어진 유전에 매장하고 있다. 국내 최대 규모의 이산화탄소 포집 장치는 중부발전 보령발전소에 설치되어 있는데 연간 7만톤의 이산화탄소를 포집하고 있다. 한편 국내에는 포집된 이산화탄소를 저장하기 위한 상용 저장소가 부재한데²⁾, 이 때문에 국내의 이산화탄소포집 프로젝트는 해외에 비해 상당히 작은 실증규모 수준에 머물러 있다. 다시 말하면 탄소중립을 달성하기 위한 핵심기술인 이산화탄소포집기술이 현시점에서 기술 자체의 문제가 아닌 저장소 부재라는 문제 때문에 상용개발이 아닌 연구과제 수행목적의 기술수준에 머물러 있다.

동해가스전을 활용한 CCS 통합실증사업 (2021.11.19. 산업통상자원부 보도자료)

국내 탄산업계 동향

기후변화 관련하여 탄소배출이 문제가 되는 것과는 대조적으로 최근 몇 년간 국내 산업계는 심각한 액체탄산 부족 문제에 직면해 있다. 액체탄산은 음료뿐만 아니라 반도체, 철강, 조선, 의료, 폐수처리 등에 사용되고 있고, 최근에는 신선식품 배달을 위한 드라이아이스제조를 수요가 급증하고 있다. 탄산 부족은 탄산가격 폭등을 야기하여 코로나 이후 탄산가격은 2배 이상 상승했고, 탄산부족으로 국내 주력산업인 반도체, 조선업 등이 조업이 중단될 위기까지 발생했다.³⁾ 탄산부족의 원인은 국내에서는 주로 석유화학 플랜트 등의 제조공정에서 발생한 원료탄산을 정제, 압축, 액화하여 탄산을 생산하는데, 고유가와 경기침체 및 플랜트 정비 등에 따른 원료탄산 공급처의 가동률 저하에 의해 공급이 감소했고 최근 국내 조선소의 선박수주 급증, 신선식품 배달 급증 등에 따른 수요 폭증이 있었기 때문이다. 이러한 만성 탄산공급부족 문제를 해결하기 위하여, 정부는 2022년 11월에 '탄산 얼라이언스'를 발족했고 탄산 공급망 안정화와 공급량 확대를 지원하기로 했다.

기술상용화를 위한 비즈니스 모델제시 : 이산화탄소포집 기술을 활용한 탄산공급

상용 저장소 부재에 따른 대규모 상용 이산화탄소포집 프로젝트 개발의 어려움이라는 현실에 직면하여 한전은 상용 저장소가 개발될 때까지 기다리기보다는 국내 탄산공급 만성부족 문제 해결이라는 방식으로 2020년부터 중간규모 상용 이산화탄소포집 프로젝트를 추진했다. 한전은 상용 이산화탄소 프로젝트 추진에 앞서 보령 석탄화력발전소에서 10년 이상 연간 7만톤 규모의 이산화탄소포집 공정과 자체 흡수제를 검증했고, 검증된 기술을 국내 석탄화력발전소 등에 제공하고 석탄화력발전소 등은 포집된 이산화탄소를 액화하여 국내 산업계로 제공하는 비즈니스모델을 제시했다.

기술상용화를 위한 구체적인 비즈니스모델 설계

이산화탄소포집기술 상용화 프로젝트가 사업적으로 성공하기 위해서는 플랜트의 규모가 매우 중요하다. 플랜트 규모가 크면 클수록 탄산 생산비용이 감소하지만 생산된 탄산의 판매라는 부담이 발생하고 플랜트 규모가 너무 커지면 보령 석탄화력발전소에서 검증한 공정의 기술적인 범위를 넘어설 가능성이 있다. 반면 플랜트 규모가 작으면 탄산 생산비용이 증가하지만 생산된 탄산의 판매에 대한 부담은 감소할 수 있다. 한전은 기술상용화를 위한 적정 플랜트 규모를 연간 10만톤 수준으로 설정했는데, 이는 현 시점에서 국내 연간 탄산부족량이 약 30만톤이라는 것과 지난 10년간 연간 7만톤 규모의 플랜트에서 공정기술과 흡수제를 검증한 것을 고려한 것이다. 이 후 한전은 연간 10만톤 규모의 이산화탄소포집 및 액화 플랜트 신설비용(CAPEX)과 이를 운영하는데 필요한 비용(OPEX)을 기존 보령 석탄화력발전소에 설치된 이산화탄소포집 및 액화플랜트 운영을 통해 얻은 데이터를 참조하여 잠정 산정했고, 수익성을 극대화하기 위하여 설비투자를 위한 금융비용, 운영비용 산정을 위한 스팀가격, 전기료, 액체탄산 판매가격, 이산화탄소배출권가격 등의 변동에 따른 수익의 민감도를 분석하여 비즈니스모델을 구체적으로 설계했다.

국내 최초 이산화탄소포집기술 상용화를 위한 기술이전체결

한전은 10년 넘게 실증플랜트를 통해 기술검증 사실과 현실적인 수익성 계산이 가능한 비즈니스모델을 제시하면서 CCUS 기술을 이전받을 업체를 찾았고, 2021년 11월에 에스지씨에너지와 국내 최초로 이산화탄소포집기술 상용 프로젝트 추진을 위한 100만달러 규모의 기술이전계약을 체결을 발표했다.⁴⁾

기술이전이후 후속지원

한전은 기술이전 이후 기술도입자인 에스지씨에너지의 사업이 성공할 수 있도록 사업에 도움이 될 수 있는 각종 정보를 제공했고, 정부의 지원사업에 참여할 수 있도록 기술이전대상 특허권에 대한 통상실시권 설정등록을 했다. 이와 같은 후속지원은 에스지씨에너지가 환경부에서 지원하는 '탄소중립설비 지원사업'을 통해 약 60억원의 설비투자를 위한 보조금을 지원받고, 플랜트가 완공되기 전인데도 2024년~2034년까지 10년치의 액체탄산에 대한 판매를 완료하는 결과를 창출했다.⁵⁾

적극적인 기술이전과 후속지원의 효과

한전은 에스지씨에너지와의 이산화탄소포집기술에 대한 성공적인 기술이전계약체결 이후에도 두산중공업과 국내 최초 블루수소 생산 상용화를 위한 기술이전계약체결, 현대중공업파워시스템과 국내 최대규모 상용 이산화탄소포집플랜트 신설을 위한 기술이전계약체결, 금호석유화학과 기술이전계약 추진 등의 추가적인 성과를 창출했다. 이러한 프로젝트들이 정상궤도에 오르면 국내 탄산부족문제가 완전히 해결될 것으로 기대된다. 아울러 상용운전을 통한 기술의 고도화 달성과 상용 저장소를 쉽게 구할 수 있는 해외 대형 플랜트 사업진출에 필요한 실적을 제공할 것으로 기대된다.

주석

¹⁾ 2015년 12월 12일 파리에서 열린 COP21(21차 유엔기후변화협약당사국총회) 본회의에서 195개 당사국이 채택한 협정으로 1997년 채택한 교토의정서를 대체한다. 동 협약은 지구 평균기온 상승을 산업화 이전 대비 2℃ 아래로 유지하고 최대한 1.5℃로 제한하는 것을 목표로 하여 모든 국가가 2020년부터 기후행동에 참여하고 5년 단위로 온실가스 감축목표를 제출하고 이행하도록 하고 있다.
²⁾ 동해가스전의 가스 생산종료 후 2025년부터 매년 40만톤의 이산화탄소를 30년간 저장할 수 있는 1,200만톤 규모의 저장소 실증사업이 수행될 예정
³⁾ 조선·반도체·식품·의료 셧다운 될 수도... [가스신문, 2022.3.28.]
⁴⁾ 한전-SGC에너지, CO₂ 포집 기술이전 협약 체결... [에너지신문, 2021.11.12.]
⁵⁾ 아직 공장도 안 지었는데…10년 치 '완판'... [한국경제신문, 2022.12.19.]

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