Win-Win Tech - CO2 저장을 위한 광물탄산화
정부출연연구소 등 공공연구기관으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
2008년 우리나라의 온실가스 배출총량은 약 6억톤으로 OECD 회원국 중 미국, 일본, 독일, 캐나다, 영국에 이은 6위이며 배출량 증가속도는 중국과 함께 세계 1위이다.
이는 OECD 평균인 4.37억톤(미국 제외 2.52억톤)에 비해 현격히 높은 수치로서 범국가적으로 감축노력이 시급하다. 산업별로는 특히 화석연료의 사용량이 높은 화력발전소, 제철소 등의 온실가스 배출량이 국내 총량의 약 70%를 차지하고 있어서 이 분야 기업들의 온실가스 감축 노력이 요구되는 바이다.
국가적 차원에서 우리나라는 기후변화에 대응하기 위한 교토의정서에 비준한 바 있으며, 2007년 발리합의에 따라 2014~2015년부터는 CO2 의무감축의 시작이 확실하므로 이에 능동적으로 대처할 수 있는 방안이 신속히 마련되어야 한다.
IEA(국제에너지기구)에 의하면 2050년에는 세계적으로 총 320억톤을 감축해야 하며, 이의 약 20%를 CCS(Carbon dioxide Capture and Storage) 방법으로 처리해야 할 것으로 추정하고 있다. CCS란 CO2가 대기로 배출되기 전 고농도로 모은 후 압축수송해 저장하는 기술을 의미한다.
그러나 CCS 기술은 이제 겨우 개발초기 단계로, 현재 CO2 감축에 전혀 기여하지 못하고 있다. IEA는 CCS기술의 CO2 감축 기여도가 향후에는 크게 높아질 것으로 예상하고 있는데, 그 이유는 선진국들이 대규모 CCS 실증사업에 나서고 있기 때문이다.
일본에서는 전력·석유 분야 29개 기업이 공동 출자해 2015년께 CCS 사업을 상용화할 계획이다. 미국(FutureGen), 유럽(Dynamis), 중국(GreenRen), 호주(ZeroGen)도 CCS 기술실증과 저장소 확보에 나섰다. 한국정부는 우리나라의 CCS 기술개발 수준이 선진국의 약 60~70%인 것으로 자체 진단하고 있다.
한편, 지구온난화의 주요원인인 온실가스에는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화탄소 등이 있으며, 이 중 이산화탄소(CO2)의 영향이 가장 큰 것으로 알려져 있다( 표 1 참조).
현재 CO2 가스에 대한 CCS 기술개발 연구는 선진 각국에서 활발히 진행 중에 있으며 세부적으로는 지중저장, 광물탄산화법, 해저면 처분법 등이 있다( 표 2 참조).
일반적으로 CO2 지중저장은 폐유전, 폐가스전과 같은 CO2 저장시설을 확보하는 것이 매우 어렵지만 비용이 상대적으로 저렴하다는 장점이 있는 것으로 알려져 있다.
반면에 광물탄산화(Mineral Carbonation)에 의한 CO2 가스 저장법 즉, CO2 고정화(Fixation)는 수만년 또는 수십만년 동안 안전성이 보장되는 가장 바람직한 처분법이지만 자연산 광물을 원료로 사용할 경우 비교적 높은 처리비용이 실용화의 걸림돌이 되는 것으로 알려져 있다.
표 1 그린하우스 가스(Greenhouse Gas)의 종류와 발생량
표 2 CCS 기술개발의 현 주소
표 2 에서 보는 바와 같이 광물탄산화 기술은 CCS 기술의 하나로서 배출원에서 포집된 CO2를 자연산 광물 또는 산업체에서 배출되는 무기계 산업부산물(Inorganic Industrial Waste. 결국은 광물)과 반응시켜 새로운 광물로 합성시키는 기술로 결정구조내에 CO2가 고정화되므로 가장 안전하고 확실한 CO2 격리방법이다.
다른 말로 표현하면 광물탄산화기술은 광물과 CO2(g)를 반응시켜 석회석과 같은 탄산염광물(CaCO3, MgCO3)로 만들어 CO2(g)를 저장하는 기술이다( 그림 1 참조).
그림 1 광물탄산화 개념도 (IPGG Report, 2005)
국내에서는 현재 매년 슬래그, 폐콘크리트, 석고 등의 이산화탄소 저장에 응용할 수 있는 산업부산물이 약 5,000만톤씩 발생되고 있으며 이러한 폐 광물자원으로부터 이론적으로 매년 약 1,200만톤의 이산화탄소를 광물탄산화법에 의해 저장할 수 있다.
산업, 경제적 측면에서 이렇게 저감되는 1,200만톤/년 CO2 톤을 돈으로 환산하면 약 3,500억에 해당되는 배출권을 확보할 수 있으므로 (현재, EU의 CO2 가스의 배출권 구입액은 약 30달러/T) 산업부산물의 경제적 가치가 적지 않게 재활용될 수 있음을 알 수 있다( 표 3 참조).
표 3 국내에서 발생하는 산업부산물과 이를 이용하여 CO2를 저장할 수 있는 양
광물탄산화 효과에 대한 구체적인 예로 현재 한국지질자원연구원이 집중적으로 개발 중인 폐석고를 이용한 광물탄산화 기술, 즉 석고탄산화 기술을 살펴보자.
대표적인 산업부산물인 석고는 우리나라 발전소, 비료공장 등에서 연간 약 400만톤이 발생되고 있다.
원자력 발전에 대한 국민의 불안감을 고려할 때 화력발전에 대한 에너지 의존도는 향후 증가할 수밖에 없으므로 따라서 폐석고 발생도 증가하게 된다.
폐석고는 분말상태로 산출되므로 채광, 분쇄 등의 비용을 절약할 수 있으므로 광물탄산화의 약점이 극복될 수 있다.
아래의 반응식에서 석고의 탄산화 반응은 자발적으로 상온상압하에서 진행되며 폐석고 400만톤을 광물탄산화법에 의해 처리하면 매년 약 100만톤의 CO2를 저감시킬 수 있다.
이때 부산물로 약 250만톤의 방해석이 만들어지는데, 이 방해석은 고품질, 미분말, 중성 pH이므로 활용도가 높으므로 국내 자연산 석회석 시장을 부분적으로 대체할 수 있다( 그림 2 참조).
즉, 부산물이 상품성을 갖게 되고 부가가치를 만들어 내게 되므로 CO2 저감효과 이외에 석회석 자원 및 자연보호 효과를 기대할 수 있으며 동시에 새로운 산업이 창출될 수 있으므로 1석3조, 1석4조의 효과가 예상된다.
또한 위의 반응식에서 알 수 있듯이 석고를 탄산화시키면 석회석 이외에 270만톤 정도의 99%의 고순도 황안(암모늄 설페이트)이 부산물로 생성되는데, 이것 역시 비료의 일종으로 부가가치가 크다.
이러한 특징 외에 석고탄산화는 비용절감을 위해 발생현장에 CO2 고정화 플랜트 건설이 가능하며(예: 화력발전소) 이럴 경우 석고는 물론 CO2 역시 현장에서 포획과정없이 그대로 조달되므로 다른 저장옵션에 비해 경제적으로 더욱 유리하다.
이산화탄소 포획(Capture)을 포함하여 모든 이산화탄소 저장법이 적지 않은 비용을 필요로 하지만 석고탄산화는 수익까지 기대할 수 있는 프로세스이므로 탁월한 저장옵션으로 판단된다.
그림 2 석고를 이용한 광물탄산화 반응 후 생성된 방해석(CaCO3)과 황안 단결정[(NH4)2SO4]
광물탄산화의 탁월성에 대해 또 한가지 구체적인 예로 사문석(Serpentine)을 원료로 하는 탄산화 반응을 들 수 있다.
사문석은 제철과정에서 사용되는 중요한 산업원료광물로서 사문석 1톤당 Mg을 440kg 함유하며 한국에서 매년 1800만톤이 채광되므로 이론적으로 연간 800만톤의 CO2를 저장할 수 있는 매우 좋은 탄산화원료로 사용될 수 있다.
사문석은 석면이 미량 함유되어 있어서 제철원료로 사용이 제한되고 있다. 석면은 1급 발암물질로 과학적이고 안전하며 저비용으로 처리하는 기술개발이 절실하다.
지금까지는 화학적 처리방법으로 표면을 강산으로 처리하여 섬유상구조를 제거하는 방법이 있으나, 이러한 방법은 석면 자체가 갖고 있는 유해성보다 더 큰 문제를 야기시킬 수 있다.
또한 1,500℃이상의 고열에서 용융시키거나 그 외에 전자파를 이용하거나 미분화시키는 방법 등이 있는데, 이 또한 상당히 많은 에너지를 요구하므로 경제성에 부합되지 않는다.
그러나 사문석을 탄산화 처리하여 상온에서 석면의 형태를 변경시킬 수 있다( 그림 3·4 참조).
그림 3 탄산화 전 섬유상의 석면 (Chrysotile)
그림 4 탄산화 후 섬유상의 석면이 모두 육면체 및 주상의 광물로 변형되어 무해화된 형상(상온, 압력 없음)
결과적으로 사문석을 탄산화하면 CO2를 대량으로 저장할 수 있으며 부수적으로 백석면(Chrysotile)은 섬유상(Fibrous) 형태에서 육면체(Cubic) 혹은 주상의 형태로 변형됨으로써 저렴한 비용으로 완전히 무해화시킬 수 있다.
이러한 프로세스는 가까운 장래에 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다( 그림 5 참조).
그림 5 탄산화 반응에 의해 사문석 결정 위에 성장하는 정육면체 방해석 결정
위에서 자세히 언급한 바와 같이 광물탄산화 기술은 경제적 측면에서 가장 뛰어나다.
전문기관에 의뢰하여 경제성 평가를 수행한 결과, 연간 100만톤의 폐석고를 탄산화 원료로 사용하여 CO2를 저장할 경우 연간 25만톤의 CO2를 고정화시킬 수 있을 뿐만 아니라 이때, 약 150억원의 수익이 발생(100만톤/년 기준) 하는 것으로 평가되었다. CO2를 저장할 수 있을 뿐만 아니라 추가로 수익이 발생하는 것이다.
만일 지질학적 방법으로 CO2 100만톤을 지중처분을 할 경우 약 500 내지 600억원의 비용이 발생하게 되므로 상호 비용을 비교해보면 광물탄산화 기술은 경제적으로 가장 우수하고 따라서 CO2 저장이 법제화 될 경우 가장 먼저 산업화될 것은 자명하다.
위에서 살펴본 바와 같이 광물탄산화는 온실가스 배출원 내에서 또는 산업부산물이 배출되는 곳으로 수송하여 온실가스를 저장 처분하는 것으로서 현장성(In Situ)이 있으며 안정성이 뛰어나고, 다양한 형태로 CO2를 저장할 수 있다는 장점이 있다.
또한 기체폐기물(CO2) 문제를 해결하기위해 고체폐기물(석고, 석면 등)을 사용하는 방법, 즉 산업부산물을 탄산화의 원료물질로 활용하는 방법이므로 환경문제 해결에 가장 이상적인 방법이며 환경부담비 감소 및 산업경쟁력 향상은 물론 국민 불안 해소효과도 기대된다.