바이위제 白宇潔 <차이신주간> 기자

▲ 2008년 4월 중국 네이멍구자치구 어얼둬쓰시에 짓고 있는 석탄액화석유공장. 이 공장에선 2011년부터 작업 도중 생긴 이산화탄소를 포집한 뒤 탱크로리로 운반해 현지의 지하 염수층에 영구히 저장하는 사업을 벌였다. REUTERS

지금까지 CCUS 시범사업에 참여한 기업은 대부분 정책적 필요에 따른 것이고, 자금력이 막강한 국유기업이었다. 10만t 규모의 선화그룹(神華集團) 사업에 참여했던 관계자는 “당시 이 사업을 시작한 배경이 있었다”고 말했다. 중국 정부가 2009년 코펜하겐 기후변화회의를 앞두고 2020년까지 국내총생산(GDP) 단위당 탄소배출량을 2005년 대비 40~45%까지 감축하겠다고 약속했다. 과학기술부는 기술지원계획을 수립해 탄소배출 감축 기술 개발에 자금을 지원했다.
이 사업은 2009년부터 준비해 2011년부터 본격 시작됐다. 네이멍구자치구 어얼둬쓰시에 있는 석탄액화석유공장에서 생긴 이산화탄소를 포집한 뒤 탱크로리로 운반해 현지의 지하 염수층에 영구히 저장하는 사업이다. 2016년 30만t을 저장해 시범사업 목표를 달성한 뒤 가스 주입을 중단했다. CCUS 보고서에 따르면 해당 사업의 t당 이산화탄소 처리 비용은 약 249위안(약 4만6천원)이었다.
처리 비용이 지금의 탄소배출권 가격보다 높지만 세계 평균보다 낮아 우수한 편에 속했다. 사업 참여 관계자는 “탄소가 발생한 지점과 저장 지점의 거리가 10㎞여서 운송 비용이 적었다”고 소개했다. 더욱 중요한 것은 배출원이 석탄화학공장이라 이산화탄소 농도가 90%에 이르렀다는 점이다. 고농도 이산화탄소의 포집 공정은 복잡하지 않아 비용이 낮은 편이었다. 관계자는 “이산화탄소를 다시 압축한 뒤 액화 처리하는 것이 끝이어서 공정이 간단했다”고 말했다.

정책적 참여
하지만 석탄발전, 천연가스발전, 제철 등 탄소배출 감축이 시급한 업종에서 배출되는 가스의 이산화탄소 농도는 낮다. 탄소포집 공정은 복잡하고 만만찮은 비용이 발생한다. 후리밍 광둥룬탄(廣東潤碳)과학기술유한공사 운영 책임자는 “석탄화력발전소에서 배출하는 가스의 탄소 농도가 20% 이하일 때 t당 탄소포집 비용이 300~500위안”이라고 말했다.
대부분 배출원의 탄소 농도가 낮기 때문에 CCUS 사업의 포집 비용이 전반적으로 높은 편이다. 2021년 7월25일 리양 중국공정원 원사는 CCUS산업포럼에서 “현재 포집 비용이 t당 300~350위안”이라고 말했다. 과학기술부 직속기관의 장센은 “상황을 종합하면 포집이 CCUS 전체 공정 비용의 3분의 2를 차지하므로 ‘가장 비싼’ 단계”라고 말했다.
현장에서 이산화탄소를 포집하는 기술에는 순산소 연소, 연소 전, 연소 후 포집의 세 가지가 있다. 이론적으로 앞의 두 가지 포집 기술에 드는 비용이 적다. 순산소 연소 포집 기술은 아직 성숙한 단계가 아니다. 연소 전 포집은 석탄화력발전소에 적용할 수 없다. 이 때문에 중국 발전소에서 진행하는 CCUS 시범사업은 대부분 연소 후 포집 기술을 적용한다.
연소 후 포집은 화석연료가 연소하면서 배출되는 가스에서 이산화탄소를 분리하는 방법이다. 주로 아민계 화학 용제를 사용해 이산화탄소를 흡수한다. 화룬전력의 하이펑발전소에서 진행한 연간 2만t 규모 탄소포집 사업도 이 기술을 채택했다. 광둥룬탄과학기술유한공사가 해당 사업 운영사였다.
후리밍에 따르면, 아민 용액과 배출가스가 흡수탑에서 만나 고농도 이산화탄소를 함유한 카바메이트가 만들어진다. 분해탑에서 카바메이트를 가열하고 분해해 농도가 높은 이산화탄소를 얻을 수 있다. 이런 방법은 아민계 용제의 분해 과정에서 대량의 증기를 사용해야 하므로 에너지와 비용이 많이 든다. CCUS 보고서는 “중국에서 많이 사용하는 알카놀아민 흡수제가 이산화탄소 1t을 흡수하기 위해 4~6기가줄(GJ)의 에너지를 요구하므로 0.14~0.2 표준석탄톤을 소모하는 셈”이라고 추산했다.

비용 절감 노력
여러 업계 관계자는 비용을 낮추려면 아민계 용제의 성능을 개선해야 한다고 지적했다. 장센은 “용제의 에너지소모량을 기존의 t당 3.2GJ에서 2.2GJ로 낮추면 포집 비용의 5분의 1을 절감할 수 있다”고 말했다. 후리밍은 “최근 2년 동안 연구기관에서 개발과 시험을 진행하고 있다”며 “국내에서 효율적이고 에너지 소모가 적은 흡수제를 개발해 t당 에너지소모량을 2.3GJ 이하로 낮출 것”이라고 전했다.
이산화탄소 흡수 공정과 포집 장치를 개선하는 것도 비용 절감 방안이다. 후리밍은 산학협력으로 부식에 강한 재료를 개발해 포집 설비의 재료비를 절감하는 방법을 추진 중이라고 소개했다.
업계에서는 아민계 용제를 사용하는 흡수법 외의 다른 포집 기술도 연구하고 있다. 예를 들어 하이펑발전소는 최근 막분리법을 시험했다. 배출가스가 막을 투과할 때 이산화탄소와 다른 기체를 분리하는 방식이다. 이 방법은 탄소포집에 필요한 에너지 소모를 줄일 수 있지만 아직 대규모 응용 단계가 아니다. CCUS 보고서에 따르면 막분리법을 포함한 2세대 포집 기술이 2035년을 전후해 대규모로 보급될 것으로 보인다. 이런 기술이 성숙해지면 1세대 기술에 비해 에너지 소모량과 비용이 30% 이상 낮아질 전망이다.
이산화탄소의 운송과 저장 단계에도 기술적 한계가 있고, 비용 절감의 필요성이 있다. 업계에서는 앞으로 10~15년 안에 기술 개선과 규모 확대로 CCUS 비용을 낮출 것으로 기대한다. CCUS 보고서는 탄소배출원과 탄소저장 지점의 거리를 250㎞로 잡을 때 CCUS 전체 공정 비용이 2030년 t당 310~770위안에서 2060년 140~410위안으로 떨어지리라고 전망했다.

사업모델의 어려움
CCUS 사업은 막대한 자금이 필요하다. 기존 시범사업에서는 이산화탄소를 이용한 수익창출 방법을 시도했다. 하지만 업계에서는 탄소배출량에 비해 탄소의 시장 수요가 극히 적어 이산화탄소를 대부분 영구 저장할 수밖에 없다고 본다. CCUS가 많은 투자 대비 수익이 적은 사업이라는 뜻이다.
이산화탄소의 용도에는 지질학적, 산업적, 생물학적 이용 등 몇 가지 유형이 있다. 중국에서 진행한 소규모 CCUS 사업은 주로 산업적으로 이용됐다. 후리밍은 하이펑발전소의 시범사업으로 포집한 일부 이산화탄소를 압축해 식품에 사용할 수 있는 등급인 99.99%까지 높여 음료·맥주 공장, 냉장 유통회사에 공급했다고 소개했다. 그 밖에 생물학적 이산화탄소 고정 방법도 시도했다. 이산화탄소를 미세조류 유기물로 바꿔 토지 개량, 수질 정화, 새우 치어 양식, 동물사료 제조에 사용한다.
하지만 이렇게 쓰이는 이산화탄소 물량은 많지 않다. 여러 해 동안 CCUS 기술을 연구한 중국과학원 우한암석토양역학연구소의 웨이닝은 “이산화탄소 연간 수요량이 100만t 수준”이라고 말했다. “발전소 한 곳에서 해마다 1천만~2천만t을 배출한다. 이렇게 많은 양을 대부분 포집하면 지금의 시장으로 소화할 수 없다.”
화학적 이용이란 이산화탄소를 다양한 화학제품으로 합성하는 것을 말한다. 예를 들어 수소와 결합해 메탄올을 만들 수 있다. 웨이닝에 따르면 이산화탄소의 화학적 수요량은 많은 편이다. 적어도 1천만t 규모가 된다. 그러나 이 방법은 전통 공법보다 비싸 타산이 맞지 않는다. 일부 화학적 이용 기술은 대규모 산업화가 요원한 상태다. 에너지시장 연구담당자는 “국내에서 이산화탄소를 이용해 메탄올을 만드는 사업의 규모는 1천t 수준이며, 중간 단계 시험을 진행하는 중”이라고 말했다.
석유회수증진(EOR)은 석유기업이 선호하는 지질 이용 방식이다. 리양 중국공정원 원사는 “이산화탄소를 성리유전 가오89-판142지구에 주입한다”고 말했다. 이곳은 원유 매장 위치가 깊어 물을 주입해 개발할 수 없고 채유 비율이 낮다. 이산화탄소를 주입해 원유 채취율을 11% 이상 높이고, 원유 생산량을 300만t 가까이 늘릴 수 있을 것으로 예상된다.

▲ 미국 텍사스주 페트라노바의 세계 최대 규모 탄소포집 공장. 2020년 5월 국제유가가 계속 하락하자 이 공장은 가동을 중단했다. NRG 누리집

유가 변동 위험
석유의 대외의존도가 70%에 이르는 상황에서 이산화탄소를 이용한 원유 증산은 이상적인 방법이다. 하지만 기술 개선 외에 유가 변동의 위험을 고려해야 한다. IHS마킷의 주쿤펑은 “2009~2013년 정부 지원으로 세계 각국에서 CCUS 사업을 벌였지만 시설 완공 뒤 여러 사업을 계속 추진하지 못했다”고 지적했다. 가장 큰 이유가 유가 변동이었다. “2014년과 2020년 유가가 큰 폭으로 떨어지자 유전은 이산화탄소를 사들여 원유 생산을 늘리려 하지 않았다. 원유 생산량이 늘어도 비용을 상쇄할 수 없었기 때문이다.”
가동을 시작한 CCUS 사업도 유가의 충격을 받았다. 2020년 5월 유가가 하락하자 미국 텍사스주 페트라노바(Petra Nova) 탄소포집 공장이 가동을 중단했다. 2016년부터 가동된 이 공장은 해마다 이산화탄소 140만t을 주입하는 세계적 규모의 사업에 속한다. 운영사인 NRG 관계자는 “석유 가격이 배럴당 75~100달러일 때 해당 사업은 전략적 의의와 경제적 가치를 겸비한다”고 말했다. 하지만 2016년부터 국제 원유가격이 75달러 이하로 떨어졌고, 2020년에는 한 차례 폭락을 겪기도 했다.
CCUS는 탄소 포집, 운송, 활용, 저장 등 여러 단계를 포함한다. 지금까지 진행한 경험을 보면 국가에너지투자그룹과 중국석유화공 등 종합에너지기업은 전반적인 산업을 통합할 여건을 갖췄다. 하지만 발전소와 화학공장 등 업무가 단일한 기업이 CCUS 기술을 도입하려면 다른 기업과 협력해야 한다.
지난 10여 년 동안 업계에서는 명확한 사업협력 모델을 만들지 못했다. 업계 관계자는 “이산화탄소 배출·운송·이용·저장 주체들이 합의하기 쉽지 않다”며 “앞으로 5년 동안 산업가치사슬을 하나로 연결하는 것이 가장 중요한 일”이라고 말했다.
산업사슬을 연결하기 힘든 것은 이익배분 체계가 명확하지 않기 때문이다. 업계 전문가는 “발전소에서 이산화탄소를 포집해 석유회사에 제공할 때 양측의 생각이 엇갈린다”고 지적했다. “발전소는 석유기업의 원유 생산을 도와줬다고 생각해 이산화탄소 유상 판매를 원한다. 하지만 석유기업은 발전소의 탄소 감축을 도와줬다고 생각하기 때문에 유상 구매를 원하지 않을 수 있다.”
업계 전문가는 “친환경 탄소배출 감축 프로그램(CCER) 심사를 재개하고 CCUS 사업이 그 대상에 포함되면 탄소감축 이익을 누가 가져갈 것인지도 문제가 될 것”이라고 지적했다. CCER는 사업장의 온실가스 감축 효과를 계량화해 정부등록시스템에 등록한 것이다. 기업은 CCER를 통해 5% 한도에서 탄소배출 할당량을 상쇄할 수 있고, 탄소시장에서 CCER를 거래할 수 있다. 국가발전개혁위원회가 2017년부터 신규 CCER 사업 허가를 중단해 CCUS 사업은 여기에 포함되지 않았다.
명확한 사업모델을 확립하는 것이 CCUS 기술이 해결해야 할 과제다. 언론 보도에 따르면 2014년 중국석유화공과 구조조정 전의 선화그룹은 어얼둬쓰 CCUS 사업을 추진하기 위한 검토를 마쳤다. 하지만 협력 방식과 이익 기준을 둘러싼 견해차로 성사되지 못했다. 주쿤펑은 “아직 사업 규모가 크지 않아 이 문제가 부각되지 않았지만 대규모 응용 단계에 진입하면 반드시 해결해야 할 것”이라고 말했다.
사업 추진부터 사후 감독까지 CCUS와 관련한 제도와 규범에는 많은 공백이 있다. 업계 관계자들은 “앞으로 10~15년이 대규모 응용으로 전환하는 데 중요한 시기이므로 관련 제도와 표준을 마련하는 것이 과제”라고 지적했다.

제도 공백
2011년부터 가동하기 시작한 10만t 규모 선화그룹 사업은 중국 석유화공업계 최초로 연소 후 포집을 거쳐 이산화탄소를 염수층에 저장하는 공정을 적용했다. 해당 사업에 참여한 관계자는 “선례가 없었기 때문에 사업을 수립·심사하는 과정에서 다른 업계의 규범을 참고할 수밖에 없었다”고 말했다. 예를 들어 저장 단계는 지하수 표준을 적용했다.
이산화탄소 운송 단계에서 더욱 효율적인 펌프와 수송관을 사용할 계획이었지만 결국 탱크로리를 사용했다. 이 관계자는 말했다. “표준을 찾지 못했기 때문이다. 이산화탄소는 부식성을 갖고 있다. 수송관을 현지 동토층 아래 매설할 때 얼마나 깊게 묻어야 하고 수송관의 재질은 무엇으로 해야 하는지 등의 기준이 없었다.”
규범 부재는 안전에 관한 우려로 나타났다. 활용 수요가 많지 않아 CCUS 사업에서 포집한 이산화탄소를 대부분 땅속에 저장한다. 이산화탄소를 지층에 주입해 석유광상의 가스층처럼 저장하는 원리다. 이산화탄소를 가두는 암석은 어느 정도 침투성이 있어 틈새에 이산화탄소를 저장한다. 그리고 그 위에 밀폐성이 좋은 이암이나 혈암층이 이불처럼 덮여야 이산화탄소가 매장된 석유나 가스처럼 장기간 저장된다.
지하에 주입한 이산화탄소의 누출 가능성은 주변 주민들이 가장 우려하는 위험 요소다. 웨이닝은 “지역 선별, 공정 처리, 위험 관리 조치를 통해 위험도를 ‘매우 낮은 수준’으로 낮춘다”고 말했다. “이산화탄소를 저장한 다음 적은 비용으로 장기간 감시한다. 만에 하나 위험이 생기면 지하 1천m 깊이에 매설한 장치가 감지할 수 있다.” 하지만 지금은 기업이 자발적으로 모색하는 단계다. 구체적인 지하 공간의 탐사와 허가, 환경 감시 등 규정을 준비하고 세부 지침을 마련해 안전성을 뒷받침해야 한다.
대규모 시범사업을 통해 업계 규범과 표준을 제정하고 검증할 필요가 있다. 업계 관계자들은 “CCUS가 대규모 시범사업으로 발전하려면 외부 정책 환경을 개선해야 한다”고 지적했다. 예를 들어 중국 석탄화력발전소 대기오염물질 방지 표준에서 이산화탄소 배출량의 명확한 제한이 없다. 발전소의 탄소배출에 관한 강제적 기준이 부족하다.

직접적 지원 필요
또 CCUS 기술에는 비용이 많이 들어 직접적 지원이 없으면 자발적으로 대규모 시범사업을 추진할 동력이 떨어진다. 중국해양석유는 서면 답변에서 “정책적 지원과 감독 규정은 투자자가 CCUS 기술에 장기투자를 결정하도록 만드는 필수 조건”이라고 지적했다.
정부 관련 부처가 준비하는 문건에 CCUS 기술을 장려하는 내용이 포함됐지만 대부분 방향을 제시하는 수준에 그쳤다. 구체적 지원 방법은 언급하지 않았다. CCUS 기술을 보급하려는 사업자는 더욱 실질적인 보상과 장려 정책을 기대한다. 후리밍은 “정부가 CCUS 사업에 자금을 지원하고 금융기관이 저금리 또는 무이자 대출을 제공하면 사업의 규모화, 상업화 속도가 빨라질 것”이라고 말했다. 전문가들은 “미국 ‘45Q 세액공제법’ 수준의 이산화탄소 활용과 저장에 대한 세수 장려책을 도입해야 한다”고 주장했다.
‘45Q법’이란 미국의 1986년 내국세법 45Q 관련 규정에 근거한 법률이다. 기준에 부합하는 CCUS 사업에 해마다 세액공제 혜택을 확대해주는 내용이다. 이 정책은 2008년 도입됐다. 2021년 수정된 세금감면 정책에 따르면 2021~2026년 해마다 이산화탄소 1t을 포집하고 활용하면 22.68~35달러, 저장하면 31.77~50달러의 세금을 감면받을 수 있다.
위안자하이 화베이전력대학 교수는 “기술의 시범사업 단계에서 전폭적인 재정 지원이 필요하다”고 말했다. “대규모 보급 단계에서는 재정 지원에만 의존할 수 없다. 장기적으로 탄소시장과 전력시장에서 비용을 회수하는 방법을 찾아야 한다.” 그는 ‘석탄발전+CCUS’를 청정 전력원으로 간주해 탄소 할당량을 배분하고 이를 거래하도록 허용해 수익을 얻도록 허용하는 방법을 제안했다.
에너지시장 연구담당자는 말했다. “CCUS를 결합한 석탄발전소에 ㎾당 0.2~0.25위안의 보조금을 제공하고 탄소시장, 녹색전력시장 등 ‘준지원금’ 체제와 결합한다면 앞으로 10년 안에 1억t이 넘는 탄소포집 설비를 갖출 수 있다. 다양한 표준과 관리 법규도 완성될 것”이라고 말했다.
이런 구상이 실현되려면 제대로 된 탄소시장이 있어야 한다. 2021년 7월 전국적인 탄소배출권 거래 시장이 개장했지만, 탄소상쇄 제도와 탄소회계 방법 등에 개선해야 할 대목이 많다.

ⓒ 財新週刊 2021년 제42호
“改造＂二氧化碳
번역 유인영 위원