지구온난화 해결의 열쇠, CCS와 화공학 이야기
왜 이산화탄소 포집(CCS)이 필요한가?
지구온난화의 주범은 온실가스, 특히 이산화탄소(CO₂)입니다. 전 세계 온실가스 배출량의 70% 이상이 화석연료 연소에서 나오며, 단기간에 에너지 구조를 완전히 바꾸기는 어렵습니다. 따라서 이미 배출된 CO₂를 줄이는 기술이 필요한데, 그것이 바로 CCS (Carbon Capture & Storage)입니다.
CCS의 기본 개념
CCS는 발전소·산업체에서 발생하는 CO₂를 포집 → 압축 → 수송 → 지하 저장하는 기술입니다.
- Capture: 배가스에서 CO₂만 분리
- Transport: 압축 CO₂를 배관·선박으로 이동
- Storage: 지하 깊은 대염수층, 고갈 유전·가스전에 주입
즉, CCS는 대기 방출을 차단해 온실가스를 “지하로 되돌려 보내는” 기술입니다.
화학공학적 CO₂ 포집 기술
화공학은 CCS의 Capture 단계에서 핵심 역할을 합니다. 주요 방식은 다음과 같습니다.
1. 흡수 (Absorption)
아민(Amine) 수용액을 사용해 CO₂를 선택적으로 흡수. 흡수탑에서 포집 → 재생탑에서 가열해 CO₂를 방출, 용액은 다시 재사용합니다.
2. 흡착 (Adsorption)
활성탄, 제올라이트, MOF(Metal-Organic Framework) 같은 고체 흡착제를 사용. 저온에서 흡착·고온에서 탈착하는 방식으로 운전합니다.
3. 막분리 (Membrane Separation)
고분자 막을 통과할 때 CO₂가 선택적으로 투과되는 성질을 이용. 간단한 구조와 연속 운전이 가능하지만, 막의 내구성이 과제입니다.
4. 극저온 분리 (Cryogenic Separation)
가스를 극저온으로 냉각해 CO₂를 액화·분리. LNG 액화와 유사한 원리로, 에너지 소비가 크지만 고순도 CO₂ 확보가 가능합니다.
CO₂ 저장(Storage) 방법
- 지중 저장: 800m 이상 깊이의 대염수층, 유전, 가스전에 주입
- EOR (Enhanced Oil Recovery): CO₂를 유전에 주입해 원유 회수율 증가 + CO₂ 저장
- 광물화(Mineralization): CO₂를 탄산칼슘(CaCO₃) 등 안정한 광물 형태로 고정
즉, 단순히 “보관”이 아니라, 활용·전환(CCU)까지 확장되고 있습니다.
산업 적용 사례
전 세계적으로 다양한 CCS 프로젝트가 진행 중입니다.
- 노르웨이 Sleipner 가스전: 1996년부터 CO₂ 지중 저장
- 호주 Gorgon 프로젝트: 연간 400만 톤 CO₂ 포집
- 한국: 발전소·제철소 배출가스 CCS 실증 연구 진행 중
이는 탄소중립(Net Zero) 달성을 위한 중간다리 역할을 합니다.
화학공학의 도전 과제
- 에너지 효율: 포집 과정의 재생열, 압축에너지 최소화
- 경제성: 톤당 포집 비용을 낮추는 새로운 흡수제·막 개발
- 안정성: 지중 저장의 장기 안전성 확보
- 통합 설계: 화력발전, 제철소, 시멘트 산업에 CCS를 최적 통합
즉, CCS는 아직 완성된 해법이 아니며, 화학공학적 혁신이 필요합니다.
FAQ
Q. CCS는 온실가스 문제를 완전히 해결할 수 있나요?
A. 배출량을 크게 줄일 수 있지만, 에너지 소비와 비용 문제 때문에 신재생에너지 확대와 병행이 필요합니다.
Q. 포집한 CO₂는 새지 않나요?
A. 적절한 지질 조건에서는 수천 년 이상 안정적으로 저장 가능하다고 평가됩니다.
Q. CCS와 CCU의 차이는?
A. CCS는 단순 저장, CCU는 이산화탄소를 화학물질·연료로 전환해 활용하는 기술입니다.
핵심 요약
- CCS = CO₂를 포집 → 압축 → 수송 → 저장하는 기술
- 흡수·흡착·막분리·극저온 분리 등 화학공학적 포집 방식 존재
- 지중 저장, 광물화, EOR 등 다양한 저장 방법
- 탄소중립 시대의 핵심 해법이지만, 효율·경제성 과제 남음