이산화탄소 포집, 이용 및 봉인

CCUS란 무엇입니까?

이산화탄소(CO2) 포집 이용 및 봉인(CCUS)은 CO2를 산업 과정, 에너지 이용 또는 대기에서 분리해 CO2의 영구적 감축을 위해 지층에 직접 이용하거나 주입하는 과정을 말한다.CCUS는 이산화탄소 포집과 봉인 (CCS)에 기초하여”이용 (Utilization)”을 추가하였는데, 이 이념은 CCS 기술의 발전과 CCS 기술에 대한 인식의 부단한 심화에 따라 중미 양국의 강력한 창도 하에 형성되었으며, 현재 이미 국제적인 보편적인 인정을 받았다.CCUS는 기술 절차에 따라 포집, 수송, 이용 및 봉인 등의 단계로 나뉜다.

CO2 포집이란 CO2를 산업 생산, 에너지 이용 또는 대기에서 분리하는 과정으로, 주로 연소 전 포집, 연소 후 포집, 부산소 연소 및 화학 사슬 포집으로 나뉜다.

CO2 이송은 포집된 CO2를 이용 가능하거나 봉인된 장소로 운송하는 과정을 말한다.운송 방식에 따라 탱크로리 운송, 선박 운송과 파이프 운송으로 나뉘는데 그 중에서 탱크로리 운송은 자동차 운송과 철도 운송 두 가지 방식을 포함한다.

CO2 활용은 포집된 CO2를 공정 기술 수단을 통해 자원화해 활용하는 과정을 말한다.공정 기술 수단에 따라 CO2 지질 이용, CO2 화학공업 이용, CO2 생물 이용 등으로 나눌 수 있다.그중 CO2 지질리용은 CO2를 지하에 주입하여 나아가 에너지생산을 강화하고 자원채굴을 촉진하는 과정으로서 례를 들면 석유, 천연가스의 채굴률을 높이고 지열, 심부함 (할로겐) 수, 우라늄광 등 여러가지 류형의 자원을 채굴한다.

CO2 봉인은 포집된 CO2를 공사 기술적 수단을 통해 심부 지질 매장층에 주입해 CO2가 대기와 장기간 단절되는 과정을 말한다.봉인 위치에 따라 육지 봉인과 해양 봉인으로 나눌 수 있다.지질봉존체에 따라 함수층봉존, 고갈유가스장봉존 등으로 나눌 수 있다.

바이오매스 탄소 포집 및 봉인 (BECCS) 과 직접 공기 탄소 포집 및 봉인 (DACCS) 은 음탄소 기술로 매우 중시되고 있다.BECCS는 바이오매스의 연소 또는 전환 과정에서 발생하는 CO2를 포집, 이용 또는 봉인하는 과정을 말하며, DACCS는 대기에서 CO2를 직접 포집해 이용하거나 봉인하는 과정이다.

CCUS 기술 및 주요 유형 다이어그램

이산화탄소 포집

이산화탄소 포집 기술의 핵심 임무는 액화천연가스, 수소 공장, 제철소, 시멘트 공장, 발전소, 그리고 석유 정제소 등’탄소 배출 큰손’에서 발생하는 이산화탄소를 수집하여 대기 중으로 배출되지 않도록 각종 방법으로 저장하는 것이다.생산 공정에서 이산화탄소를 어떻게 포집할 것인가가 문제의 관건이다.현재 이산화탄소 포집은 일반적으로 다음과 같은 몇 가지 방식을 채택하고 있다.

1.연소 후 포집

연소 후 포획은 국내에서 주로 사용하는 방법이다.용액흡수법, 고체흡수법, 막흡수법 등을 통해 연소 후 배출되는 연기에서 이산화탄소를 포착해 화력발전에 비교적 적합하다.

장점: 개조 폭이 작고 설비가 치밀하다.

단점: 높은 에너지 소비량, 높은 비용, 낮은 효율성

2.연소 전 포집

산소나 공기를 전체 가스화 합동순환시스템에 도입하면 석탄과 바이오매스 연료 등 원료를 고압으로 가스화한 뒤 수돗물 가스 전환을 해 이산화탄소와 수소를 생산할 수 있다.이때 이산화탄소의 압력과 농도가 매우 높아 이산화탄소를 쉽게 포획할 수 있다.

장점: 시스템 크기가 작고 에너지 소비량이 적으며 효율성이 높습니다.

단점: 투자 비용이 많이 들고 신뢰성이 향상되어야 합니다.

3.산소가 풍부한 연소

산소 제조 기술을 통해 공기 중의 질소를 탈출하고 고농도 산소와 배출된 연기로 직접 연소함으로써 연소 효율(약 17~35% 향상), 이산화탄소 순도 향상, 일산화탄소 등 부산물 발생을 낮춘다.

장점: 에너지 효율적인 환경 보호.

단점: 조작 환경에 대한 요구가 있고 산소 제조 단계가 어렵다.

4.용액 흡수법

용액 흡수법도 국내에서 주로 사용되는 방법이다.주로 에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 이소프로필아민, 메틸프로필아민 등의 용제를 사용한다.

장점: 흡수 속도가 빠르고 정화도가 높으며 이산화탄소 회수율이 높다.

단점: 용제 재생 에너지 소모가 높고 용제 부식성이 강하다.

5.고체 흡수법

주로 활성탄, 분자체, 수활석, 케이지 모양의 수화물, 규산염, 탄산염 등의 물질을 사용한다.

장점: 흡수 용량이 크고 에너지 소모가 낮으며 부식성이 적다.

단점: 이산화탄소 회수율이 낮다.

6.막 흡수

막흡수법은 막과 화학흡수를 결합시켜 주로 미공막의 기술을 채용하여 혼합기체와 흡수액을 격리하고 막의 다른 한쪽의 흡수액의 선택적흡수에 의거하여 혼합기체의 이산화탄소를 분리하는 목적을 달성한다.

장점: 낮은 전력 소비량과 간편한 운영

단점: 투자가 높고 공업화가 성숙하지 않다.

연소 후 포집 화학 흡수법의 경우, 그 이산화탄소 포획은 탈탄소-흡수 재생-압축 건화-재활용 등의 단계를 거쳐야 하며, 연기 흡수탑, 환열기 등의 설비와 관련된다.

이산화탄소의 이용과 봉인

포집해서 얻은 이산화탄소를 우리는 어떻게 처리해야 합니까?일반적으로 이용과 봉인 두 가지 방식을 사용한다.

이산화탄소 이용

1.오일 흡입

원리: 원유를 채굴할 때 원유를 지저에서 압출하여 채취률을 높여야 한다. 이전에는 일반적으로 수압이나 기타 기체조작을 취하였는데 지금은 포집된 이산화탄소를 리용하여 기름을 제거할수 있다.

단점: 이런 방법은 봉인작용을 하지 못하고 포착된 이산화탄소도 대기중으로 도망간다.

2.촉매 반응

원리: 포집된 이산화탄소와 수소를 촉매를 통해 메탄올로 환원시킨다.

단점: 비용이 많이 들고 이산화탄소를 얻는 성분이 청결하지 못하며 반응하는 촉매가 효율적이지 못합니다.

3.광합성

원리: 포집된 이산화탄소를 식물하우스에 주입하여 그중의 이산화탄소농도가 몇배의 대기보다 높도록 하고 식물의 광합성을 강화하여 식물의 생장을 가속화하는 동시에 이산화탄소를 소모하여 산소를 생성한다.

단점: 활용도가 매우 낮습니다.

이산화탄소 봉인

1.지질 보존

원리: 포집된 이산화탄소를 적합한 지질구조 심층 (예를 들면 성숙되었거나 이미 소진된 가스유전 지질구조, 심층 알칼리 함수층, 폐기된 석탄 함유층) 에서 압력은 이산화탄소를”초임계 유체”로 전환하여 쉽게 누출되지 않도록 한다.

단점: 적합한 지질 구조가 제한되어 있고 주입 방식이 쉽지 않다.

2.해양봉인

원리: 포집된 이산화탄소를 기선, 파이프를 통해 심해 해저로 운송하여 바닷물을 이용하여 봉인한다.

단점: 고농도 이산화탄소 함량은 해저 생물을 죽이고 바닷물의 산성화를 초래하기 쉽다.

중국은 이미 CO2를 대규모로 포집하고 이용하고 봉인할 수 있는 공정 능력을 갖추고 있으며, 전 과정 CCUS 산업 클러스터를 적극적으로 준비하고 있다.CCUS의 각 기술고리는 모두 뚜렷한 진전을 가져왔으며 일부 기술은 이미 상업화응용잠재력을 갖추었다.

포집기술: CO2 포집기술의 성숙정도의 차이가 비교적 크다. 현재 연소전 물리흡수법은 이미 상업응용단계에 처해있으며 연소후 화학흡착법은 아직 중간시험단계에 처해있으며 기타 대부분 포집기술은 공업시범단계에 처해있다.연소후포집기술은 현재 가장 성숙된 포집기술로서 대부분 화력발전소의 탈탄소개조에 사용할수 있으며 국화금계발전소에서 전개한 15만톤의 탄소포집과 봉인시범프로젝트가 건설중에 있으며 현재 중국에서 규모가 가장 큰 석탄발전소의 연소후탄소포집과 봉인전 과정시범프로젝트이다.

연소 전 포집 시스템은 상대적으로 복잡하며, 전체 가스화 결합 순환(IGCC) 기술은 연소 전 탄소 포집을 할 수 있는 전형적인 시스템이다.국내의 IGCC 프로젝트에는 화넝톈진 IGCC 프로젝트 및 롄윈강 청정에너지 동력시스템 연구시설이 있다.부산소연소기술은 가장 잠재력이 있는 석탄화력발전소의 대규모 탄소포집기술의 하나로서 산생된 CO2의 농도가 비교적 높음(약 90%~95%)으로 포획이 더욱 쉽다.

부산소 연소 기술은 신속하게 발전하여 석탄 화력 발전소를 새로 건설하고 일부 개조 후의 화력 발전소에 사용할 수 있다.현재 1세대 탄소 포집 기술 (연소 후 포집 기술, 연소 전 포집 기술, 산소 풍부한 연소 기술) 의 발전이 점차 성숙해지고 있으며, 주요 병목 현상은 원가와 에너지 소모가 높고, 광범위한 대규모 시범 공사 경험이 부족하다는 것이다;그러나 2세대 기술 (예를 들면 신형 필름 분리 기술, 신형 흡수 기술, 신형 흡착 기술, 증압 산소 연소 기술 등) 은 여전히 실험실 연구 개발 또는 소시 단계에 있으며, 기술이 성숙되면 그 에너지 소모와 원가는 성숙한 1세대 기술보다 30% 이상 낮아져 2035년 전후에 대규모로 보급 응용될 전망이다.

수송 기술: 기존 CO2 수송 기술 중, 탱크 운송 및 선박 운송 기술은 이미 상업 응용 단계에 도달했으며, 주로 규모 10만 톤/년 이하의 CO2 수송에 응용된다.

중국에 이미 있는 CCUS 시범 프로젝트는 규모가 비교적 작으며, 대부분 탱크로리 수송을 채택하고 있다.화동석유가스전과 여수가스전의 CO2 일부는 선박을 통해 운송된다.도관수송은 아직 중간시험단계에 처해있으며 길림유전과 제로석유화학은 도로도관으로 CO2를 수송한다.해저배관 운송 비용은 육상배관보다 40~70% 높으며, 현재 해저배관이 CO2를 수송하는 기술은 경험이 부족해 국내에서는 아직 연구 단계다.

이용 및 봉인 기술: CO2 지질 이용 및 봉인 기술 중, CO2 지침 채굴 우라늄 기술은 이미 상업 응용 단계에 도달했고, EOR는 이미 공업 시범 단계에 있으며, EWR은 이미 선도적 시험 연구를 완료했고, ECBM은 이미 중시 단계 연구를 완료했으며, 광화 이용은 이미 공업 시험 단계에 있으며, CO2는 천연가스를 강화하고 셰일가스 채굴 기술을 강화하는 것은 아직 기초 연구 단계에 있다.

중국 CO2-EOR 프로젝트는 주로 동부, 북부, 서북부 및 서부 지역의 유전 부근과 중국 근해 지역에 집중되어 있다.국가에너지그룹의 오르도스 10만 톤/년의 CO2 함수층 봉인은 이미 2015년에 30만 톤의 주입 목표를 달성하고 주입을 중단했다.국가에너지그룹 국화금계발전소 15만톤/년 연소 후 CO2 포집과 봉인 전 과정 시범프로젝트는 포집한 CO2를 함수층 봉인하여 현재 건설 중이다.

장경유전회사 유림정변희유전 CO2-EOR시험구 프로젝트

2021년 7월, 중국석유화학은 정식으로 우리 나라 첫 백만톤급 CCUS프로젝트 (제로석유화학-승리유전 CCUS프로젝트) 를 가동하여 국내 최대 CCUS 전산업사슬시범기지로 건설될 전망이다.중국과학원 과정공정연구소는 쓰촨 다저우에서 5만 톤/년 슬래그 광화학업 검증 프로젝트를 전개했다;절강대학 등은 하남강내신재주식유한회사에서 CO2 심층광화보수제 건재 만톤급 공업시험프로젝트를 전개하였다.사천대학은 중국석유화학 등 회사와 련합하여 저농도배기가스 CO2 직접광화린석고련산황기복합비료기술연구개발면에서 량호한 진전을 가져왔다.중국의 CO2 화학공업 이용 기술은 이미 비교적 큰 진전을 실현하였고, 전기 촉매, 광촉매 등 신기술이 대량으로 출현하였다.그러나 연소 후 CO2 포집 시스템과 화학 공업 전환 이용 장치의 결합 방면에는 여전히 일부 기술적 병목 현상이 아직 돌파되지 않았다.생물 이용은 주로 미세조류 고정과 기비 이용에 집중된다.

중국 CCUS 현황

중국이 이미 운송하거나 건설 중인 CCUS 시범 프로젝트는 약 40개이며, 포집 능력은 연간 300만 톤이다.대부분 석유, 석탄화학공업, 전력업종의 소규모의 포집구유시범을 위주로 하고 대규모의 여러가지 기술조합의 전반 과정의 공업화시범이 부족하다.2019년 이후 주요 진전은 다음과 같다.

포집: 국가에너지그룹 국화금계발전소 신축 15만톤/년 연소 후 CO2 포집 프로젝트;중해유 여수 36-1 가스전은 CO2 분리, 액화 및 드라이아이스 제조 프로젝트를 전개하며, 포집 규모는 5만 톤/년, 생산능력은 25만 톤/년이다.

지질리용과 봉존: 국화금계발전소는 포집한 CO2를 함수층봉존하고 일부 CO2-EOR 프로젝트의 규모를 확대할 예정이다.

화학공업, 생물이용: 20만톤/년 미세조류 고정 석탄화학공업 연기 CO2 생물이용 프로젝트;1만 톤/년 CO2 보수 콘크리트 광화 이용 프로젝트;3000톤/년 탄화법 슬래그 화학공업 이용 프로젝트.

중국은 이미 CO2를 대규모로 포집하고 이용하고 봉인할 수 있는 공정 능력을 갖추고 있으며, 전 과정 CCUS 산업 클러스터를 적극적으로 준비하고 있다.국가에너지그룹 오르도스 CCS 시범프로젝트는 이미 10만톤/년규모의 CCS 전반 과정시범을 성공적으로 전개했다.중국석유 지린유전 EOR 프로젝트는 전 세계에서 운행 중인 21개 대형 CCUS 프로젝트 중 유일한 중국 프로젝트이자 아시아 최대의 EOR 프로젝트로 누적 CO2가 200만 톤을 넘어섰다.국가에너지그룹 국화금계발전소 15만톤/년연소후 CO2 포집과 봉인 전반 과정 시범프로젝트는 이미 2019년에 건설을 시작했으며 건설후 중국 최대의 석탄화력발전소 CCUS 시범프로젝트로 될것이다.2021년 7월, 중국석유화학은 우리 나라 첫 백만톤급 CCUS 건설 프로젝트 (치루석유화학-승리유전 CCUS 프로젝트) 를 정식으로 가동했다.

중국 CCUS 기술 프로젝트는 19개 성에 분포되어 있으며, 포집원의 업종과 봉인 이용의 유형은 다양한 분포를 보이고 있다.중국의 13개 발전소와 시멘트 공장과 관련된 순수 포집 시범 프로젝트의 전체 CO2 포집 규모는 85만 6500톤/년에 달하고, 11개의 CO2 지질 이용 및 봉인 프로젝트 규모는 182만 1000톤/년에 달하며, 그 중 EOR의 CO2 이용 규모는 약 154만 톤/년이다.중국 CO2 포집원은 석탄 화력 발전소의 연소 전, 연소 후 및 부산소 연소 포집, 가스 발전소의 연소 후 포집, 석탄 화학 공업의 CO2 포집 및 시멘트 가마 배기가스의 연소 후 포집 등 다양한 기술을 커버한다.CO2 봉인 및 이용은 함수층 봉인과 관련된다.EOR、대체탄층가스(ECBM), 지침채우라늄, CO2 광화이용, CO2 합성분해성 폴리머, 중정제비 합성가스와 미세조류 고정 등 다양한 방식이다.