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탄소감축 시간표 확정 대규모 시범사업 돌입
[TECHNOLOGY] 중국 이산화탄소 포집·활용·저장- ① 기술 개발 현황
[141호] 2022년 01월 01일 (토) 바이위제 economyinsight@hani.co.kr

바이위제 白宇潔 <차이신주간> 기자

   
▲ 중국 허난성 푸양의 중국석유화공(SINOPEC) 천연가스 저장시설 공사 현장. 중국석유화공 등 국유 에너지기업은 2021년 7월부터 탄소 포집·활용·저장(CCUS) 사업 계획을 발표했다. REUTERS

중국의 탄소감축 시간표가 명확해지자 지난 10여 년 동안 전략적 기술로 분류됐던 탄소 포집·활용·저장(CCUS·Carbon Capture Usage Storage) 기술이 대규모 시범단계를 앞두고 있다. CCUS 기술은 대기 또는 발전소, 공장, 제철소에서 발생한 이산화탄소를 분리해 활용하거나 저장하는 과정을 말한다.
중국은 에너지구조를 전환해 ‘2030년까지 탄소배출량의 정점을 찍고 2060년까지 탄소중립을 실현한다’(탄소배출 정점과 탄소중립)는 목표를 실현하기 위해 △에너지 저장 기술을 개발하고 △풍력, 태양광, 수력 등 재생에너지의 불안정한 발전량을 조정하고 전력계통에 연계해 화석에너지를 대체하며 △석탄과 석유 등 ‘옛 에너지’에서 내뿜는 이산화탄소를 최대한 줄일 계획이다. 이를 위해 CCUS 기술 개발이 중요해졌다.
탄소중립을 추진하는 과정에서 CCUS가 어떤 역할을 할 수 있을까? 장센은 “탄소중립을 위해 없어서는 안 되는 핵심 기술이 CCUS”라고 말했다. 그는 지난 10여 년 동안 CCUS 기술 개발과 시범사업을 맡은 과학기술부 직속 기관에서 근무 중이다.

탄소중립 핵심 기술
CCUS 기술 개발은 중국 에너지전환 계획의 중요한 부분이 되었다. 2021년 10월24일 발표한 중국 공산당 중앙·국무원의 의견은 대규모 탄소 포집·활용·저장 기술 개발과 시범사업, 산업화 응용을 추진하고 관련 사업 지원을 확대한다는 내용을 포함했다.
정부 부처에서 준비하는 ‘탄소배출 정점과 탄소중립’ 이행에 관한 문건도 CCUS 기술을 중점적으로 다룬다. 국가생태환경부와 발전개혁위원회는 관련 지도의견을 연내에 발표할 계획이다. 국가에너지국이 내놓을 ‘에너지 탄소배출 정점 실시 방안’도 CCUS 기술에 주목했다. 에너지국 관계자는 “실시 방안에서 CCUS 기술을 결합한 화석에너지 발전사업을 청정에너지 발전사업과 동일하게 간주하는 정책을 검토하고 있다”고 전했다.
2021년 3월 발표한 ‘제14차 5개년(2021~2025년) 규획’ 요강에도 “탄소제로 건물, 탄소제로 배출, CCUS 등 주요 시범사업을 추진한다”는 내용이 있다. 앞의 관계자는 “국가 5개년 규획에서 처음으로 CCUS 시범사업을 언급한 것”이라고 설명했다.
2021년 7월부터 중국석유화공(SINOPEC)과 국가에너지투자그룹, 중국해양석유(CNOOC) 등 에너지 분야 중앙국유기업이 대형 CCUS 사업 계획을 발표했다. 수인뱌오 화넝그룹(華能集團) 회장은 9월 말 화넝그룹의 탄소중립 계획을 소개하면서 “CCUS의 단계별 기술개발을 강화할 것”이라고 말했다.
중국의 5대 발전 분야 중앙국유기업인 화넝그룹은 1억3천만㎾가 넘는 화력발전 설비용량을 보유하고 있다. 전국 화력발전 설비용량의 10%를 차지한다. 그만큼 탄소감축 부담이 큰 기업이다. 2008년부터 베이징 가오베이뎬과 상하이 스둥커우, 톈진 빈하이구에 있는 화력발전소에서 탄소포집 시범사업을 시작했다. 현재 전통 에너지기업 중에서 CCUS 기술 개발을 가장 강조하는 곳이다.
그러나 중국의 CCUS 기술이 소규모 시범사업에서 대규모 응용으로 확대하려면 크고 작은 도전을 극복해야 한다. 오랫동안 CCUS 기술에 주목한 에너지시장 연구담당자는 “앞으로 10~15년이 이 산업을 육성하는 기회가 될 것”이라고 말했다. “기술력 검증과 산업가치사슬 구축을 함께 추진하지 않으면 이 기술이 필요할 때 능력이 부족해 해외에서 기술과 장비를 구입해야 한다. 그렇게 되면 중국의 ‘목을 조르는’ 또 하나의 기술이 될 것이다.”

   
▲ 옥수수를 가득 싣고 간쑤성 핑량 시내를 지나가는 농부의 소형트럭 뒤로 화넝그룹의 석탄화력발전소가 보인다. 전국 화력발전 설비용량의 10%를 차지하는 화넝그룹은 탄소감축 부담이 커 CCUS 사업에 적극적이다. REUTERS

CCUS 개발 역사
2021년 들어 CCUS에 대한 시장의 관심이 높아졌다. 이미 시한을 명시한 탄소저감 목표를 실현하려면 화석에너지 비중을 줄여야 하지만 완전히 배제할 수 없기 때문이다. 2060년에도 일부 분야에서는 화석에너지를 소비할 것이다. 이 부분의 배출량을 CCUS 같은 ‘배출 흡수 기술’로 줄여야 ‘탄소배출 제로’를 실현할 수 있다.
에너지기업에 CCUS는 신기술이 아니다. 유전에 이산화탄소를 주입해 석유 생산량을 늘리는 것이 이 기술의 주요 활용법 중 하나다. 1970년대부터 미국 석유기업은 원유 채취를 목적으로 CCUS 기술의 활용법을 연구했다. 미국 텍사스주 발베르데카운티의 천연가스 처리 공장은 1972년 이산화탄소 주입을 통한 원유 회수 증진 기술을 도입했다. 이산화탄소를 이용해 채유율을 높이고 생산량을 늘리는 기술이다. 미국은 CCUS 기술을 가장 많이 활용하는 국가다. 세계 CCUS 사업의 절반을 미국에서 진행하고 있다.
중국은 기후변화에 대응하기 위해 CCUS 기술에 주목했다. 2005년 온실가스 감축 조약인 교토의정서가 발효되자 정책 결정층에서 CCUS를 탄소감축 방안의 하나로 검토했다. 국무원이 2007년에 발표한 ‘기후변화 대응 국가방안’에서 CCUS 기술을 포함한 석탄의 청정·고효율 이용 기술 개발과 보급을 강화할 것이라고 밝혔다. 이후 2009년 코펜하겐 기후변화회의가 열리고 2015년 파리기후변화협약이 발효되면서 국가과학기술부와 발전개혁위원회가 중국의 CCUS 기술 발전 로드맵을 제정했다.
2008년을 전후해 에너지 분야 중앙국유기업들이 CCUS 시범사업을 시작했다. 화넝그룹, 국가에너지투자그룹, 중국해양석유, 중국석유화공이 석탄화력발전소와 석탄화학공업, 천연가스 분야에서 탄소포집 시범사업을 진행했다. 유전과 염수층 등 육상 지질에 이산화탄소를 주입해 저장하는 경험을 축적했다. 이런 시범사업을 통해 CCUS 기술의 가능성을 검증했다. 리양 중국공정원 원사는 “현재 중국의 CCUS 기술은 대규모 보급과 응용, 산업화의 기반을 갖췄다”고 말했다.
업계 관계자들은 지난 10여 년 동안 시범사업이나 정책적 지원이 ‘소규모 분산투자’ 단계였다고 말했다. 생태환경부 생태규획원에서 작성한 ‘2021 중국 CCUS 연도보고서’ 통계를 보면, 2021년 7월 현재 중국에서 약 40개 CCUS 시범사업이 운영 또는 준비 중이다. 연간 탄소포집 설비용량은 약 300만t이다. 같은 기간 미국의 CCUS 사업 포집량은 중국의 10배인 3천만t이 넘는다. 탄소감축이 절실한 석탄화력발전 분야에서 중국의 연간 탄소포집 설비용량은 42만t에 불과하다.
시범사업의 유형을 보면 과거에는 개별 단계의 시범사업 비중이 높았다. 포집과 운송, 저장 등 각 단계 기술을 조합해 전체 공정을 수행하는 사업이 드물었다. 석탄화력발전소는 CCUS 기술 수요가 가장 많은 분야지만 배출하는 이산화탄소 농도가 상대적으로 낮다. 저농도 이산화탄소 포집 기술은 기술력과 비용 문제를 개선해야 한다.
연구 결과를 종합하면 2060년에야 CCUS 사업 규모가 연간 이산화탄소 10억t을 줄일 정도가 될 전망이다. 중국에서 1년 동안 배출하는 이산화탄소의 총량이 약 100억t인 점을 고려하면 전체 탄소시장에서 차지하는 비중이 그렇게 크지 않다. 화석에너지를 청정에너지로 대체하는 것이 여전히 탄소감축의 가장 중요한 방법이다.

   
▲ 중국해양석유(CNOOC)가 2021년 8월 광둥성 주장커우 분지 언핑 15-1 유전에서 이산화탄소 해상 저장 사업을 시작했다고 <중국중앙텔레비전>(CCTV)이 보도하고 있다. CCTV 화면 갈무리

다양한 시도
2021년 여러 대형 중앙국유기업이 신규 CCUS 시범사업에 들어갔다. 각 기업의 계획을 보면 신규 시범사업의 규모와 기술 수준이 과거보다 크게 나아졌다. 지질탐사에 강한 석유기업은 CCUS 시범사업에 적극적이다. 중국해양석유는 2021년 8월 광둥성 주장커우 분지 언핑 15-1 유전에서 이산화탄소 해상 저장 사업을 시작했다고 밝혔다.
지금까지는 유전과 염수층에 이산화탄소를 주입했고, 해상 저장은 선례가 없다. 중국해양석유 관계자는 “주장커우 분지에서 시범사업을 진행하는 것은 이곳에 이산화탄소를 함유한 유전이 많아 원유 채취 뒤 이산화탄소 처리가 중요한 문제이기 때문”이라고 말했다. 이 분지는 침적층이 두꺼워 이산화탄소 저장 조건이 우수하고 저장 가능 규모는 약 3080억t이다.
탄소를 저장하려면 언핑 15-1 유전의 개발 비용이 4억위안(약 743억원) 정도 추가된다. 연간 최고 30만t, 사업 운영 기간에 모두 146만t을 저장할 수 있다. 중국해양석유 관계자는 “이 사업의 탄소배출 감축 효과가 나무 1400만 그루를 심거나 승용차 100만 대가 운행을 멈추는 것과 같다”고 설명했다. “이 분지에서 저장 능력의 10%만 효과적으로 이용해도 앞으로 150년 동안 광둥성 전력 분야의 이산화탄소 배출 감축과 저장 수요가 해결될 것이다.”
중국해양석유는 탄소저장 규모를 늘릴 계획이다. 현재 CCUS 자원을 조사해 이산화탄소를 저장하기에 적합한 지질구조를 찾고 있다. 앞으로 CCUS는 새로운 유전 개발 서비스가 될 것으로 보인다.
중국석유화공은 2021년 7월 산둥에서 중국 최초로 100만t 규모 CCUS 사업을 시작했다. 자회사 치루(齊魯)석유화공이 배출하는 이산화탄소를 포집한 뒤 수송관을 통해 80㎞ 떨어진 성리(勝利)유전으로 운송하는 사업이다. 21세기 초부터 중국석유화공은 화동지사와 치루석유화공 등 자회사를 통해 CCUS 기술을 시도했다. 하지만 그동안에는 규모가 큰 사업도 연간 처리 능력이 35만t에 불과했다.
리양 중국공정원 원사는 “산둥성의 100만t 규모 CCUS 사업은 규모를 늘렸을 뿐 아니라 기술혁신으로 비용을 줄이고 생산효율을 개선했다”고 말했다. 예를 들어 원유 채취와 이산화탄소 저장 과정에서 발생하는 배출가스와 이산화탄소 함량의 차이를 고려해 배출가스 회수와 순환이용 기술을 개발했다. 이산화탄소 이용률과 매장 효율을 개선하는 방안이다.
석탄화력발전소에서는 이산화탄소 감축 부담이 크다. 일부 탄소포집 시설을 갖춘 발전소는 규모를 늘릴 계획이다. 2019년부터 화룬(華潤)전력은 하이펑(海豐)발전소에서 연간 2만t을 포집할 수 있는 시범사업을 진행했다. 탄소포집 규모를 연간 100만t 이상으로 확대하고 중국해양석유를 협력사로 선정했다.
2021년 6월 국가에너지투자그룹 궈화진제(國華錦界)발전소는 연간 15만t을 처리할 수 있는 CCUS 전체 공정 시범사업의 시운행을 시작해 중국 석탄화력발전소 탄소포집 규모 신기록을 세웠다. 과거 이 분야에서 최대 규모는 2009년부터 운영하기 시작한 화넝 스동커우발전소의 연 12만t 규모였다. 계획에 따르면 석탄화력발전 분야의 탄소포집 규모가 계속 늘어날 전망이다. 국가에너지투자그룹은 장쑤성 타이저우(泰州)발전소에 연간 50만t 규모의 탄소포집 시범사업을 추진하고 있다.

   
▲ 2021년 6월 중국 국가에너지투자그룹 궈화진제(國華錦界)발전소가 시운행에 들어간 연간 15만t 이산화탄소 처리 CCUS 시설. 중국 석탄화력발전소 탄소포집 규모로는 가장 크다. 국가에너지투자그룹 누리집

과도기적 해법
이렇게 정부와 기업이 CCUS 기술에 관심을 갖는 것은 중국이 달성해야 할 탄소저감 목표와 관련 있다. 특히 전력 분야에서 그 중요성이 부각된다. 전력 생산은 탄소를 가장 많이 배출하는 분야로 중국 탄소배출 총량의 약 40%를 차지한다. 석탄발전량을 감축할 수밖에 없다. 하지만 신에너지를 이용한 발전은 규모가 작고 불안정하다. 업계에서는 여전히 석탄발전이 뒷받침해야 한다고 생각한다. 어떻게 해야 석탄발전이 전력공급을 뒷받침하는 동시에 탄소배출도 줄일 수 있을까?
CCUS 기술을 지지하는 전문가들은 석탄발전소에 탄소포집 장치를 추가하는 것이 실현 가능성이 가장 높은 과도기적 해법이라고 지적한다. 에너지시장 연구담당자는 “전력계통의 안정성 관점에서 볼 때 석탄발전이 CCUS와 결합하면 전력업계의 탄소배출 감축에 도움이 되고 석탄발전의 과도한 감축으로 인한 전력공급 충격을 방지할 수 있다”고 말했다.
에너지 계통의 안정성을 고려한 연구 결과 2060년에도 중국은 일정한 비율의 화석에너지를 소비해야 한다. 그리고 일부 산업은 원료에 탄소가 포함돼 청정연료를 선택해도 탄소배출이 불가피하다. 장센은 “시멘트 산업에선 탄소배출량의 55~60%가 제조 과정에서 발생한다”며 “시멘트 생산을 위해 석회석을 사용하면 석회석의 화학반응으로 이산화탄소를 배출한다”고 말했다.
국무원 발전연구센터에서 내놓은 ‘탄소중립 목표 실천 로드맵’을 보면 2060년 중국은 약 25억t의 이산화탄소를 배출할 예정이다. 전력원 부하 조절을 위한 석탄발전 설비에 쓰이는 석탄과 가스, 산업·교통·건축 분야에서 사용하는 소량의 화석에너지에서 나오는 것이다. 이 부분의 탄소배출은 CCUS 같은 인위적인 방법으로 소화해야 한다. 장센은 “CCUS는 탄소중립 목표 아래 화석에너지를 소비하면서 탄소제로 배출을 실현하기 위한 핵심 기술”이라며 “감축이 힘든 업종에서 탄소를 줄이는 현실적인 기술”이라고 말했다.
업계에서는 2060년 CCUS 기술로 줄일 수 있는 이산화탄소가 10억t 정도 될 것으로 예상한다. CCUS 보고서는 국내외 연구 결과를 종합해 중국이 2060년 10억~18억2천만t의 탄소를 줄여야 한다고 전망했다. 리양 중국공정원 원사에 따르면 중국의 에너지 구조와 기술 조건, 산업의 발전 수요 등을 고려했을 때 2060년에 탄소중립 목표를 실현하려면 CCUS 기술로 10억4천만t을 줄여야 한다.
하지만 에너지시장 연구자들은 “탄소감축 기술의 불확실성을 고려하면 부담이 더 커진다”며 “2050년과 2060년에 CCUS가 10억~30억t의 탄소감축을 감당해야 할 것”이라고 말했다. “하지만 CCUS의 역할은 다른 기술의 성숙도와 응용 규모에 따라 대체될 수 있다. 탄소중립 단계에 진입하면 그 규모가 줄어들 것이다.”
‘제14차 5개년 규획’ 기간에 중국의 CCUS 시범사업 규모가 크게 늘어날 것은 확실하다. 에너지시장 연구담당자는 “10년 넘게 준비하면서 중국은 탄소 포집·운송·저장 등 각 단계의 기본적인 기술을 갖췄지만 산업가치사슬이 만들어지지 않았다”고 지적했다. “대형 에너지기업의 계획을 보면 앞으로 5년 동안 중국에서 100만t 규모 CCUS 시범사업 3~5건이 완공돼 가동될 것이다.” 이런 사업은 해당 기술의 대규모 응용 가능성을 검증해 CCUS 산업사슬 구축을 촉진할 것으로 보인다.
응용 전망은 밝지만 CCUS 기술을 대규모로 보급하려면 비용 문제를 해결해야 한다. 에너지자문기관 IHS마킷의 업스트림 연구책임자 주쿤펑에 따르면 세계 이산화탄소 포집과 저장 사업은 비용 격차가 크다. 평균비용은 t당 56달러(약 6만6천원) 수준이다. 2021년 7월 개장한 중국 탄소배출 시장 운영 현황을 보면 최근 탄소배출권 가격은 t당 50위안(약 9천원)을 오르내리고 있다. 경제성을 고려할 때 기업으로선 탄소배출권을 직접 구매하는 것이 CCUS 사업을 추진하는 것보다 이익이다.

ⓒ 財新週刊 2021년 제42호
“改造"二氧化碳
번역 유인영 위원

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