CCUS로 온실가스 감축 기술력 실증해야
CCUS로 온실가스 감축 기술력 실증해야
  • 최성웅 강원대학교 교수/한국암반공학회 회장
  • 승인 2022.01.11 17:00
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국가 차원 수급 아젠다, 시급히 수립돼야 할 시점
CCUS화력발전·ESS신재생에너지 병행 필요

[에너지신문] 지난달 영국 글래스고에서 개최된 COP26 정상회의에서 우리나라가 발표한 ‘2030 NDC 최종안’은 탄소중립위원회에서 확정한 ‘2050 탄소중립 시나리오안’과 함께 기존의 2030 NDC 안(온실가스 배출량의 28.5%를 감축)을 상향 조정하는 내용을 담고 있다. 

즉 2018년의 배출량인 2억 7000만톤의 온실가스 배출량을 기준으로 이의 44.3%에 달하는 만큼을 감축, 온실가스 최종 배출량을 1억 5000만톤으로 조정하겠다는 내용이며, 이를 국제사회에 공언했다는 점에서 향후 국내 전력구조의 큰 변화가 필연적으로 동반될 것임을 예상할 수 있다. 

또한 반도체 대란, 요소수 대란 등 최근 사회기간망을 위협하는 여러가지 상황들이 적지 않게 발생함에 따라 전략자원에 대한 국가 차원의 수급 아젠다도 시급히 수립돼야 할 시점이다.

따라서 필자는 탄소중립을 향한 에너지의 전환에 관한 이슈와 미래 디지털시대를 대비하는 핵심전략자원의 확보에 관한 이슈를 동시에 고민하는 방안의 하나로, 발전회 기반의 희토류 추출에 관한 실증화 전략의 필요성을 강조하고자 한다.

먼저 희토류(REE, Rare Earth Elements)에 대해 간략히 정리하자면, 원자번호 57번의 란타늄(La)부터 71번의 루테늄(Lu)까지 15개 원소를 포함해 이와 화학적 성질이 유사한 제3족의 금속인 스칸듐(Sc), 이트륨(Y) 등 총 17개 원소를 ‘희토류’라 지칭하며, 이들이 가지고 있는 물리·화학적 특성으로 인해 다양한 산업분야, 특히 4차 산업혁명시대의 핵심산업 분야에서 유용하게 활용되고 있어 첨단산업의 비타민이라고도 불리는 희귀한 금속이다. 

그러나 지금은 세계 최대의 희토류 생산국인 중국이 세계 희토류 시장의 지배력을 더욱 강화하기 위해 수출통제 정책을 강력히 추진하고 있어, 희토류 금속 전량을 수입에 의존하는 우리나라로서는 핵심전략자원의 자급방안 마련을 통해 중단없는 미래핵심산업의 추진을 강구해 나가야 할 중요한 시점이다.  

한편 우리나라의 에너지 공급구조를 살펴보자. 에너지경제연구원의 발표에 의하면, 2020년 현재 국내 에너지공급의 81%는 화석에너지가 차지하고 있으며, 약 1%를 차지하는 신재생에너지와 약 5%를 차지하는 원자력 등으로부터 생산되는 전기에너지는 19%에 불과한 것으로 보고되고 있다. 

다시 말해 대한민국이 국제사회에 공언한 국가온실가스감축목표(NDC)를 이행하기 위해서는 대단히 드라마틱한 에너지 전환이 수반돼야 할 것임과 짧은 기간 동안 이뤄져야 하는 에너지 전환을 통해 관련 산업들은 물론 사회 전반에 걸쳐 커다란 쇼크가 발생할 것임을 예측하는 데에는 전문가적 지식이 크게 요구되지 않을 것이다.

결국 발전효율과 환경성을 함께 고려한 화력발전의 점진적 퇴장, 가교에너지 또는 유연성 전원의 적정 비율 확보 등이 현재 시점에서 대다수 전문가들이 에너지전환을 언급할 때 제안하는 일반적인 전략이다. 

하지만 화력발전 감축에 따른 생산성 감축, 발전비용의 증가에 따른 제품가격의 상승, 탄소배출세의 증가에 따른 철강·화학·시멘트업계의 수출전략구조 약화 등을 우려하는 전문가들은 보다 적극적인 탄소중립 전원믹스로서 CCUS 기반의 화력발전과 ESS 기반의 신재생에너지가 병행하는 구조를 더욱 바람직한 전략이라 강조하고 있다. 

즉 사회적 충격이 예상되는 급격한 화력발전의 퇴장보다는 첨단기술을 바탕으로 한 발전방식의 혁신으로 넷제로를 달성하는 혁신적 화력발전시스템을 추진함으로써 기저전력 및 유동성 전원을 확보해나가자는 것이다. 

그렇다면, 발전회 기반의 희토류 추출이란 무엇인가? 희토류 금속의 일반적인 제조과정은 광산채굴→파·분쇄→부유선광→희토류 농축→침출·추출로 이뤄진다.

따라서 정광 제조과정에서 필연적으로 발생하는 다량의 폐기물로 인해 폐기물매립장은 필연적으로 설치돼야 하며, 특히 농축 및 침출과정에서 적용되는 리칭방식에 의해 심각한 환경오염이 유발될 가능성이 높다.

그러나 석탄화력발전소에서 부산물로 회수되는 Bottom Ash 및 Fly Ash와 같은 발전회에 이산화탄소를 공급, 발전회 내 잔류하고 있는 희토류를 농축·추출할 경우, 통상적인 희토류 제조과정에서의 채굴, 파·분쇄, 농축작업 등을 거치지 않아도 됨에 따라 친환경적 공정을 따르는 되는 것은 물론, 다양한 종류의 희토류가 함유된 발전회를 원료로 사용하므로 단일 공정을 통해 다종의 희토류를 동시에 추출해 낼 수 있는 장점이 있다. 

또한 넷제로 부분에서의 역할은 더욱 괄목할만한데, 희토류가 회수된 발전회에는 화학적 작용으로 이산화탄소가 치환돼 있어 이를 지하 암반 내 영구히 처분할 경우 ‘이산화탄소 활용 및 처분(CCUS, Carbon Capture Utilization and Storage)’의 대표적인 실증 사례로 적용될 수 있으므로 발전회 기반의 희토류 추출은 온실가스 배출량 감축과 핵심전략자원확보를 동시에 달성할 수 있는 대단히 전략적인 에너지·자원 접근법으로 활용될 수 있을 것이다. 

특히 CCUS 기술을 통해 온실가스배출량의 13% 가량을 감축할 수 있다고 제안한 국제에너지기구(IEA)의 발표는, 발전회 기반의 희토류 추출에 대한 실증화 전략의 당위성을 더욱 구체화하고 있다.

ESS를 동반하는 재생에너지와 CCUS 기반의 화력에너지의 병행을 통한 전원믹스로 넷제로 달성이 가능하다는 전문가들의 주장에도 불구하고, 온실가스의 주범인 화석연료는 멀지 않은 미래에 세계전력시장에서 사라질 것이라는 예상이 지배적이다.

하지만 적어도 그 시점까지 에너지공급을 담당하게 될 화력발전소의 운영전략에 대한 세밀한 검토가 절실히 요구된다.

즉, 노후돼 또는 연료전환이 불가해 폐지가 예상되는 화력발전소를 제외하고 일정기간 동안 운영될 수 밖에 없는 화력발전소에 대해서는 2030 NDC안에 부합하는 운영전략이 치밀하게 수립돼야 할 것이며 ‘발전회 기반의 희토류 추출과 CCUS’가 대표적인 전략의 하나로 제안될 수 있을 것이다. 

알려진 바와 같이, 최근 건설된 국내 석탄화력발전소는 저열량의 석탄으로도 연소가 가능한 순환유동층(CFBC) 방식을 채택하고 있다. 특히 국내에 현재 가동 또는 가동예정인 CFBC 발전소는 총 6기로서 그 중 5기가 강원도에 위치하고 있으며 이들은 대부분 2000MW급 이상의 대용량 발전소여서 다량의 발전회가 수반될 것으로 예상된다. 

따라서 많은 광산들이 분포하고 있고 다량의 이산화탄소를 배출하는 시멘트산업이 밀집돼있는 강원도의 지역적 특성 등을 고려할 때, 희토류 추출과 이산화탄소광물화 및 지하처분을 동시에 달성할 수 있는 천혜의 지역적 조건을 적극 활용하는 전략이 검토될 수 있을 것이다. 

즉, 2021년 광업협회의 발표에 의하면 강원도 지역에 분포하는 지하석회석광산 내의 채굴후 빈공간은 약 9000만㎥에 달하며 이 공간을 채움재로 채울 경우 약 1억 5000만톤까지 시공이 가능한 것으로 조사된 바 있다. 

따라서 앞서 언급한 바와 같이 이산화탄소를 치환시킨 발전회를 채움재로 사용, 이들 빈공간 내에 영구히 처분할 경우, 기술적으로 7500만톤의 이산화탄소 처분이 가능하다는 것을 의미하며, 이는 2030 NDC안에 따른 온실가스감축목표의 50% 이상에 해당한다.

즉, 국가 차원의 온실가스 감축 목표에서 대단히 큰 비중을 차지하는 전략임은 물론, 강원도 외의 타지역으로의 CCUS 확대 적용을 통해 궁극적으로는 넷마이너스를 구현함으로써 2030 NDC안과 2050 시나리오를 견인하는 전략까지 확장될 수 있을 것이다. 

2021년 J.P. Morgan의 발표에 의하면, 여전히 전세계 에너지원의 5% 만이 재생에너지로 채워지고 있다. 그리고, 안전하면서도 깨끗하고 동시에 지속가능한 신재생에너지로만 전체 에너지를 공급하겠다는 생각은 현재 인류가 가지고 있는 기술력으로는 실현불가능하다는 것을 우리는 잘 알고 있다. 

하지만 우리가 가진 기술로 자연을 덜 훼손하며 자연으로부터의 편익을 충분히 얻어낼 수 있다. 여전히 주 에너지공급원의 역할을 하고 있는 화력발전에서 발생하는 온실가스를 CCUS로 대응하고 발전부산물에서조차 핵심전략자원을 확보하는 적극적인 전략을 통해 온실가스 감축을 견인하고 디지털 미래시대를 개척하는 우리의 기술력을 실증해야 할 시점이다.   


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