에너지정책소통센터

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화력

전 세계적으로 각국 발전원에서 큰 비중을 차지하고 있는 화력발전은 우리나라에서도 안정적인 전력수급에 중추적인 역할을 하며 기저발전을 담당해왔다. 하지만 최근 몇 년간 발표되는 에너지 관련 정책들을 보면, 석탄화력은 온실가스 감축을 이유로 전체 발전원에서 차지하는 비중이 점차 줄어드는 추세이다. 여기에 더해 미세먼지 문제까지 심각해지면서 석탄화력은 점차 가동중지를 앞당기거나 온실가스를 덜 발생시키는 가스화력으로 대체하는 등 그 숫자가 줄어들고 있다. 또한 고농도 미세먼지가 발생했을 때 노후 석탄발전소 가동을 제한하는 기준도 대폭 강화됐다.

화력 (2021년 기준) (출처 : 한국전력)

석탄

발전비중 : 34.3%
발전량 : 197,600GWh

액화천연가스(LNG)

발전비중 : 29.2%
발전량 : 168,262GWh

석탄화력은 이미 높은 수준의 발전기술이 개발되어 신뢰성이 높고, 전력 수요의 변화에 빠르게 대처할 수 있으며, 발전하는 데 비교적 지리적 제약이 크지 않아 어디서든 연료만 공급되면 안정적으로 전력을 생산할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 에너지 인프라가 부족한 데 비해 경제는 급성장해야 하는 개발도상국에는 매우 요긴한 발전원이다. 그러나 화력발전이 미래에도 주요 에너지원 중 하나로 남아있으려면 온실가스와 대기오염이라는 단점을 해결해야 한다. LNG는 1kwh당 이산화탄소 배출량이 549kg으로, 석탄 991kg, 석유782kg에 비하면 낮은 편이다. 또, 셰일가스 개발에 힘입어 채굴 가능한 LNG의 양이 대폭 늘어나서 공급량이 증가한 덕분에 LNG의 단점으로 꼽히는 가격변동폭이 낮아졌다. 또한 세계적으로 볼 때 천연가스 생산량은 석탄 대비 약 2.5배로 중장기적인 가격안정성을 확보했다.

이 밖에도 다양한 연구개발이 이루어지고 있는데, ‘매연 없는 화력발전’을 위한 다양한 기술이 개발되기도 했다. 화력발전 연료를 태우는 과정에서 발생하는 오염물질은 대부분 작은 입자 형태로 배출되어 탄소를 중심으로 한 분진이나 대기중에서 다른 원소와 반응해 2차 오염물질을 생성하는 화합물이 대표적인데, 이들은 크기가 매우 작아 걸러내기가 어렵지만 강한 전극에 통과시키면 전기적 성질을 띠게 할 수 있다. 이러한 성질을 이용해 전기장에 통과시켜서 마치 자석으로 철가루를 골라내듯 정전기적 성질을 지닌 오염물질만 모아주는 청정화 장비가 전기집진기다. 전기집진기는 석탄보일러에서 발생하는 분진을 강한 전극에 통과시켜 전기적 성질을 띤 이온으로 만들고, 이를 집진전극에서 흡착해 깨끗한 공기만 내보낸다.

또한, 이산화탄소를 굴뚝으로 배출되기 전에 액체 또는 고체 상태로 만들어 저장하는 CCS(Carbon dioxide Capture and Storage, 이산화탄소포집 및 저장)기술이 있다. 이 기술을 이용하면 이산화탄소와 아황산가스를 다른 배출가스와 분리해서 여과한 후, 지층에 안전하게 보관할 수 있으며, 화석연료와 함께 지각 속에 잠들어 있던 탄소를 대기 중에 방출되기 전에 붙잡아 다시 지층 속으로 돌려보내는 방법이다 이 밖에도 석탄가스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)은 고온·고압 상태에서 석탄을 기체화하여 합성가스를 만들고 이를 연료로 가스터빈을 돌리는 시스템이다. IGCC기술은 기존 석탄화력에 비해 발전 효율이 높고 유해물질 배출량이 적다.

CCS와 CCU는 어떻게 다를까?

탄소중립에 다가가기 위한 기술 중 하나로 최근 CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage) 기술에 대한 관심이 높습니다. CCUS는 크게 CCS(Carbon Capture Storage)와 CCU(Carbon Capture Utilization)로 나눌 수 있는데요. CCS와 CCU가 기술적으로 어떻게 다른지, 장단점은 무엇인지 살펴보도록 하겠습니다.

*2023년, 10월 27일 열린 재생에너지, 원전, 수소, 탄소포집활용저장기술(CCUS) 등 무탄소 에너지의 활용과 공급을 촉진하기 위한 기구인 CF연합(Carbon Free Alliance) 출범식(출처:산업통상자원부 보도자료)

CCUS, 탄소중립을 위한 핵심 기술

CCUS란 이산화탄소를 포집‧활용‧저장하는 기술을 말합니다. 온실기체인 이산화탄소를 지중이나 해양에 저장하거나, 유용한 재료로 재활용하여 고정함으로써 대기 중 이산화탄소를 직접적으로 줄인다는 개념이죠. CCUS는 이산화탄소를 직접적으로 줄일 수 있는 기술로서 전 세계적으로 활발한 연구 및 투자가 이루어지고 있습니다. 우리나라 또한 2030년까지 국가 온실가스 감축 목표(Nationally Determined Contributions) 달성을 위해 CCUS 기술을 활용한 감축 목표를 수립한 바 있지요.

CCU와 CCS는 기술적으로 어떻게 다를까?

CCUS는 최종적으로 이산화탄소를 고정하는 방식에 따라 CCS와 CCU로 구분할 수 있습니다. CCS는 이산화탄소를 발생원으로부터 포집하여 수송한 후, 지중이나 해양에 장기간 안정적으로 격리시키는 기술을 말합니다. CCS는 저장 용량을 충분히 확보하는 것이 중요하며, 이산화탄소를 지중이나 해양에 오랜 기간 안정적으로 주입할 수 있어야 합니다. 따라서, 고갈된 유전이나 가스전, 석탄층, 대수층 등 이산화탄소 저장이 유리한 특정한 지질 구조에서 주로 수행합니다. CCS가 이산화탄소를 ‘격리’하는데 초점을 둔다면, CCU는 이산화탄소를 자원으로서 ‘활용’하는 것에 초점을 둡니다. CCU는 이산화탄소를 유용한 원료로 ‘전환’하여 경제적인 가치가 있는 제품으로 만드는 기술입니다. 이산화탄소를 화학적으로 전환하여 화학 원료로서 사용하거나, 이산화탄소를 고정할 수 있는 미생물을 바이오매스로 만들고 이를 유용한 물질로 전환합니다. 앞서 살펴본 것처럼 CCS와 CCU는 종국적으로 이산화탄소를 처리하는 방법이 다르기 때문에 기술적으로 차이가 있다고 할 수 있습니다. 실제로 관련 연구의 기술적인 성격이나 난이도에 차이가 있어 별도로 연구 및 투자가 진행되고 있지요.

CCS와 CCU 기술의 장점과 극복해야 할 점은?

먼저 CCS는 이산화탄소의 대규모 감축이 가능하다는 장점이 있습니다. CCS는 유럽과 북미를 중심으로 연구가 활발하며, 국내에서는 동해안에서의 실증이 추진되고 있습니다. CCS는 이산화탄소를 저장하기 위한 물리적인 공간이 반드시 필요하며, 큰 저장 용량을 확보할 수 있는 저장소 확보해야 합니다. 또한, 저장소 선정을 위해 사전 조사를 비롯한 여러 절차들을 필요로 하죠. 반면 CCU는 저장 장소가 따로 필요하지 않고, 이산화탄소를 유용한 자원으로 활용한다는 점에서 이상적이라고 할 수 있습니다.

이에, 오늘날 미국을 비롯해 기술력을 갖춘 선진국을 중심으로 많은 연구가 이루어지고 있지요. CCU는 이산화탄소를 다른 물질로 전환하는 기술의 난이도가 높아 실질적인 상용화를 위해서는 아직 더 많은 연구가 필요한 상황입니다. 또한 이산화탄소 전환 제품이 시장에서 기존 제품 대비 경쟁력을 갖추기 위해 충분한 생산성과 경제성을 확보해야 하며, 이를 위해 세재 혜택 등 국가 차원의 제도적인 지원을 필요로 합니다.

글 : 과학저널리스트 정현섭

:: 참고자료 ::

[도서] 지구대기와 기후변화 (출판사: 학진북스)

KISTEP 브리프 26, CCU(이산화탄소 활용) 기술동향

산업통상자원부 포토뉴스 : 무탄소 CF 연합 출범식