[탄소중립과 CCS](4) 여수국가산단 석유화학, 국내 첫 CCUS 상용화 전초기지

▲여수국가산단 전경

CCS(Carbon Capture and Storage)란 발전소, 제철소, 석유화학공장, 수소생산공장 등 산업시설에서 배출되는 고농도 이산화탄소를 포집해, 고갈된 유전·가스전의 빈 공간에 포집한 이산화탄를 고압으로 주입해 반영구적으로 저장하는 기술이다.

미국이나 캐나다, 호주, 노르웨이 등 선진국에서는 이미 대규모 CCS 프로젝트를 진행하고 있고, 글로벌 에너지기업들은 시장 선점을 위해 투자를 가속화되고 있다.

우리나라에서도 한국석유공사를 비롯한 주요 대기업들이 국내, 호주, 말레이시아의 CCS사업에 참여하고 있다. CCS사업을 지원하기 위하여 이미 우리 정부는 올해 동해가스전 활용 CCS실증사업에 대한 예비타당성조사를 실시하고 있으며, 지난 5월 22일 산업통상자원부에서 CCS 산업육성 전략(안)을 발표했다.

여기에는 기술·인력·기업을 확보하여 초기시장을 창출하고, CCS산업 생태계를 조성하는 내용을 포괄하고 있다. 현재와 같이 산업구조가 탄소감축이 어려운 업종 중심으로 구성돼 있는 우리나라로서는 대규모 탄소감축을 할 수 있는 CCS를 활용하는 것이 필수 불가결한 상황이다.

우리나라는 2005년초에 CCS기술 연구를 시작해 25년째 진행중이다. 아직 완벽한 실증단계는 이루지 못했으나, 시간이 갈수록 소량의 생산 공정시설에서는 성과가 드러나고 있다. 정부는 지난 2023.4경 제1차 국가탄소중립 녹색성장 기본계획을 공개하면서 국가온실가스감 목표 (NDC)달성의 핵심으로 CCS기술 고도화의 필요성을 제시했다. 즉 국가 녹색성장 기본계획의 핵심은 CCS 기술활용을 통한 2030년 온실가스감축 목표치 달성하는 것이다. 지난해 기후변화협약당사국총회(COP280에서도 CCS기술이 탄소 감축 기술로 인정됐다.

여수국가산단은 이같은 국가 목표의 전초기지다. 여수국가산단 석유화학산업의 CCUS 활용 성공은 2030온실가스 감축목표 및 2050탄소중립 실현의 미래를 결정할 것으로 주목받고 있다. CCU(Carbon Capture and Utilization)는 CCS기술을 기반으로 저장을 제외하고 이산화탄소를 투입요소로 활용(Utilization)하는 생산 공정을 일컫는다.

여수시는 산업체, 연구기관, 학계 등과 함께 산단을 친환경·저탄소 산업단지로 전환하기 위한 신산업 육성에 본격 나서고 있다.

▲탄소중립화학공정실증센터 실증실험동 내부 장비 전경.

올해 초 여수미래혁신지구에 문을 연 한국화학연구원 탄소중립화학공정실증센터는 국내 유일 탄소중립형 석유화학 공정 실증 연구시설로 △저탄소 고부가 산업공정에 필요한 촉매 개발 △CCU실증에 필요한 장비와 시제품 제작지원 △탄소중립 대응기술개발 등 핵심 역할을 담당한다.

실증센터는 1차 사업인 '석유화학산업 고도화' 기반 구축 사업으로 추진된 국내 유일의 탄소중립화학공정실증 시설이다. 촉매·분리 소재를 실증 규모로 제조, 검증하고 실증연구를 수행하는 등 산업계 지원을 위한 거점 역할 수행할 예정이다.

실증센터에는 실증 장비 12종, 유틸리티 설비 5종과 분석 장비 7종 등, 총 24종의 장비를 갖추고 있으며, 특히 분석 장비는 가동을 정상화하여 올해 4월부터 기업체 분석 서비스를 지원하고 있다. 원천기술의 대규모 실증 지원을 위한 장비는 통합 모니터링 및 운전 시스템 구축과 개별 장비들의 시운전 중이며, 올해 9월부터 산업계 지원을 목표로 차질 없이 준비 중이다.

현재 국내 석유화학산업은 다양한 요인에 따른 어려움을 겪고 있다. 중국 내 석유화학 생산 시설이 지속 확대돼 자급률이 높아 대중국 수출 수요는 감소하고, 글로벌 석유화학 시장의 공급 과잉으로 수출 단가 또한 하락했다.

또한 각국의 저탄소 정책 추진에 따른 탄소저감 기술 확보가 시급해지고 있다. 이에 여수 실증센터에서는 납사의 열분해 공정에서 연료로 사용돼 석유화학공정의 주요 온실가스 발생원으로 꼽히는 '메탄'을 활용, 석유화학 산업에서 매우 중요한 에틸렌, 프로필렌 등의 물질로 전환하는 연구를 수행 중이다.

본 연구는 온실가스 발생량을 저감하는 실증 기술로서, 1단계(2023.7.~2026.12) 목표인 벤치급 촉매 및 공정 기술에 대한 검증을 통해 2단계(2027.1~2030.12)부터는 실증센터 내 구축한 인프라를 활용하여 기술을 스케일-업하고 검증하는 연구를 수행한다. 화학연은 1차 사업에 이어 2차 사업인 '탄소포집활용(CCU) 실증지원센터 구축' 사업을 통해 이산화탄소의 화학적 전환 기술 실증을 위한 'CCU 실증지원센터'를 올해 12월 완공을 목표로 건축 중이다.

'CCU 실증지원센터'에는 일 150kg CO2를 처리할 수 있는 CO2 기상전환 설비, 합성연료 기준 일 50kg 생산 규모의 CO2 전환 액상화합물 제조설비, 일 23kg의 CO2 처리할 수 있는 CO2 고압액상화합물 제조 설비 등 원천기술을 스케일-업 및 실증할 수 있는 pilot급 이산화탄소 화학적 전환설비를 보유한다.

이러한 시설 구축을 통해 '2030 국가 온실가스 감축목표' 달성 및 CCU 분야 신시장 창출을 위한 다양한 사업을 기획 중이다. 특히, 온실가스 다배출 산업 CCU 기술 실증 R&D 사업을 위해 다양한 유관기관과 협업하여 'CCU 메가프로젝트'를 준비 중에 있다.

화학연 관계자는 “탄소중립화학공정실증센터는 CO2 기반 친환경 화합물 제조 기술 개발과 실증 인프라 구축을 통해, 국가 경쟁력을 확보하고 세계 최고의 선도기술을 선점하는 역할을 수행할 것으로 전망된다"고 말했다.

또한 여수국가산단은 CCUS클러스터를 구축해 올해부터 관련 작업에 본격 착수한다. CCUS는 화석연료를 사용할 때 발생하는 이산화탄소를 포집해 저장하는 기술(CCS)과 포집한 탄소를 활용하는 기술(CCU)로 탄소중립의 핵심 수단이며, CCUS클러스터는 두 산업의 결합을 목표로 한다.

CCUS클러스터는 민간기업 차원에서 구축하기 어려운 CCUS 인프라를 정부 주도로 조성하는 사업으로 크게 △CCS 공공인프라 구축사업 △CCU사업을 합한 CCUS클러스터 구축 △CCUS를 통한 그레이수소의 블루수소 전환으로 나뉜다.

이를 위해 시는 지난해 12월 타당성 조사 용역비 5억원을 정부 예산으로 편성했으며, 올해는 국가가 직접 용역을 수행해 클러스터 구상과 관련 세부 사업을 담는 작업에 착수한다.

또 석유기반 고탄소 화학산업을 저탄소 산업으로 전환해 탄소중립을 실현하기 위한 기반 조성에도 힘쓴다.

화이트바이오, 생분해 플라스틱, 리사이클산업을 포함하는 탄소중립형 친환경 화학산업 육성을 위해 소재·부품·장비(이하 소부장) 특화단지 지정을 추진하고 있다. 소부장 특화단지는 관련 산업분야의 핵심 기업을 중심으로 연관 기업을 집적화해 수요와 공급의 전주기 공급망의 안정화 및 기술 자립화를 목적으로, 정부에서 지정하는 특화단지다.

앞서 시는 소부장 특화단지를 탄소중립형 친환경 화학산업 특화단지로 지정받기 위해 지난해 10월부터 전남도와 함께 타당성 조사 연구 용역에 나섰으며, 올 하반기에 특화단지 신청을 준비하고 있다.

특히 이 같은 사업이 조기에 안착할 수 있도록 미래혁신지구 조성 등 관련 산업 기반을 지속적으로 준비해 왔으며, 많은 연구기관 유치 등 연구기관 집적화에 공을 들여왔다.

여수시 관계자는 “CCUS 클러스터 구축과 탄소중립형 친환경 화학산업 소부장 특화단지 지정 등을 통해 여수국가산단을 탄소중립 대응을 위한 신산업 메카로 육성 할 것"이라며 “여수산단 입주기업의 국내외 경쟁력 강화는 물론 탄소중립 실현, 지역경제 활성화 등 다양한 효과를 가져 올 것으로 기대한다"고 말했다.

탄소감축, 이산화탄소 저장 부상

탄소중립이 곧 산업경쟁력으로 인정되는 만큼 국내 산업계에서는 석유화학 기업이 몰려있는 여수국가산단은 CCUS에 주목하고 있다.

CCUS는 화석연료 사용 과정에서 배출되는 탄소를 포집해 저장하거나 활용하는 기술, 화석연료로부터 나오는 탄소를 모아 저장하는 CCS와 포집한 탄소를 유용하게 활용하는 CCU을 모두 포함하는 개념이다.

정부 CCUS(탄소포집·활용·저장) 사용화 추진전략을 보면 2023년 신규사업으로 2030온실가스 감축목표 및 2050탄소중립 이행에 필요한 대규모 이산화탄소 저장소 확보를 위해 한반도 인접 해역 종합탐사 추진이 눈에 띈다.

이산화탄소는 특정한 온도와 압력 조건에서 부피가 크게 감소한다. 해당 조건은 바로 온도 31도, 압력 7.4㎫(메가파스칼)이다. 7.4㎫은 수심 약 740ｍ에서 나타나는 압력이다. 학술적인 용어로는 '초임계 상태'이다.

땅 밑에 이런 이산화탄소를 저장할 만한 공간을 지닌 지층이 있다. 그 위쪽에는 매우 치밀한 지층이 있다면 하부에 저장된 이산화탄소는 빠져나가지 않게 된다. 이산화탄소를 저장할 좋은 최적의 조건이다.

▲동해가스전

당장 탄소배출량을 줄일 수 없다면 이산화탄소를 포집해 땅에 저장시키는 방안이 유일

우리나라에서 이산화탄소가 가장 많이 발생하는 곳은 화석연료를 사용하는 발전소다. 석탄의 경우 1톤에서의 탄소함유량에서 2.7톤의 이산화탄소가 발생하고. 고체 석탄이 연소할 경우 기체 이산화탄소가 발생하며 발생하는 이산화탄소의 부피는 고체에 660배에 해당한다. 그러나 아직 발전소 자체적으로 CCUS 기술을 활용하기는 어려운 실정이다.

또한 대규모 장치산업인 석유화학 기업이 몰린 여수산단의 경우 포집한 탄소를 재활용하기에는 채산성이 떨어진다. 기업들이 기존 시설 이외 추가로 설비를 갖춰야하는 비용부담이 발생한다.

따라서 당장 탄소배출량을 줄일 수 없다면 이산화탄소를 포집해 땅에 저장시키는 방안이 대안으로 제시된다. 특히 단기간에 이산화탄소 배출을 줄이기 어려운 시멘트, 석유화학, 철강 등의 산업에 대량 감축수단으로 CCS가 떠오르고 있다. 배출된 이산화탄소를 포집해 국내외 폐 가스전으로 이동·저장시키는 것이다.

다만 문제는 있다. 여수산단에서 CCS를 추진하기에는 초기투자비용이 크고 제도·정책적 변수가 리스크다는 점이다. 산단에서 배출된 이산화탄소를 포집해 전용 관로를 통해 임시 저장소로 이동시켜 저장해야 한다. 고압상태 액화로 변환시킬 시설과 저장 탱크뿐만 아니라 가스전으로 이동시킬 전용선박도 필요하다.

또한 국내 탄소배출권 가격이 톤당 3만 원대로 탄소포집 비용보다 낮은 것도 문제점이다. 외국과 비교해 비싼 비용이 걸림돌이지만 향후 기술발전과 추세를 감안하면 역전은 불가피해 보인다.

국내 가스전 개발 뿐만 아니라 산단 내 이산화탄소 포집과 이동과정에서도 정부 외교·기술·제도적 지원이 뒤따라야한다. 정부의 국내외 대규모 이산화탄소 저장소 확보를 위한 추진 과정에 보조를 맞춰가며 기업들도 적극 지원을 요청할 필요가 있다.

정부는 지난 2022년 기준 탄소중립 R&D 예산을 2021년 8000억원이던 것을 1조 2000억원으로 대폭 확대하고 2030년까지 산업부 R&D의 30%이상을 탄소중립에 전략적으로 투자한다는 방침이다.

그 일환으로 지난 2021년말 생산이 종료된 동해가스전에서 천연가스가 차지했던 지하공간을 이산화탄소 저장소로 활용할 방침을 세웠다. 동해 가스전은 2027년 주입 시작해 2030년 이후 매년 120만톤 CO2 주입 국내 CCS사업의 범위를 확대할 수 있는 최초의 실증 플랫폼으로 국민적 관심이 크다. 현재 우리나라 CCS사업은 저장소 확보문제가 가장 큰 문제이다.

포집된 온실가스를 저장할 공간이 없다면 CCS 사업의 성공은 불가능하기 때문이다.

1998년 발견된 동해가스전은 울산에서 남동쪽으로 58㎞ 지점에 있다. 2021년 12월 가스생산을 종료한 국내 유일의 석유자원 생산시설이었다. 고갈된 저류층은 충분한 용량의 저장공간을 확보하고 있어 최적지로 부상했다.

동해가스전 CCS 실증사업은 연간 120만 톤의 이산화탄소를 포집·저장하는 프로젝트로 국가 온실가스 감축 목표(NDC) 달성과 안전하고 경제적인 CCS실현을 통한 기술 상용화를 목표로 한다. 다만 국내 CCS 상용화에 저장과정에서 지진 등 부작용에 대한 우려 해소 등 주민 수용성 확보가 선결과제다.

<본 기사는 정부광고 수수료로 조성된 언론진흥기금의 지원을 받았습니다.>