CO2를 산업원료로 만든다… 넷제로 ‘게임체인저’ 신기술 [탄소 포집·활용 기술(CCU) 中]

탄소중립·수소경제가 온다
22개 기관 참여 연구단 R&D 한창
버려지는 탄소 고부가 물질로 전환
실증기술 개발 온실가스 감축 효과
콘크리트·액체연료 등 상품화 진행
2030년 CCU 시장 1139兆로 성장

탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단이 이산화탄소로 하루 3kg의 납사를 생산할 수 있는 플랜트 시설을 개발, 실증연구를 진행중이다. 화학연구원 제공

전 세계 기업들이 오는 2030년 1139조원으로 전망되는 탄소 포집·활용(CCU) 시장을 장악하기 위한 연구개발(R&D) 경쟁을 벌이고 있다. 우리나라도 산학연 22개 기관이 '탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단' 아래 뭉쳐 기후변화를 극복하고 산업 생태계를 탄소중립 경제로 전환하기 위한 연구개발이 한창이다.

이윤조 탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단 단장은 8일 "이산화탄소를 석유화학 제품의 원료로 직접 전환하는 파일럿 플랜트를 실증함으로써 국내 CCU 기술 상용화 기반을 확보할 것"이라며 "음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐자원을 재활용해 항공유로 변환하는 지속 가능한 방식의 기술도 상용화해, 탄소저감 및 새로운 시장을 창출함으로써 산업계에 도움을 주겠다"고 의지를 표명했다.

■ 탄소배출 많은 산업구조

CCU시장은 아직 초기 형성 단계로 콘크리트와 연료, 건축골재 등을 중심으로 2030~2040년대에는 크게 성장할 것으로 전망된다.

글로벌 이산화탄소 이니셔티브(GCI)는 2030년 기준 CCU시장 규모가 최대 8370억달러(약 1139조원), 이산화탄소 활용 규모도 72억t으로 예측하고 있다. 또 럭스 리서치에서는 2040년 기준 5500억달러(약 748조5500억원)로 예측했다. 일부 기업에서는 CCU기술을 이용해 고분자 및 액체연료와 바이오매스 기반 건강보조식품, 시멘트 및 콘크리트 등을 이미 상품화했다.

반면, 국내 산업 구조는 에너지를 많이 사용하는 제조업 비중이 높아 대응하기 쉽지 않은 상황이다. 특히 철강, 석유화학 등 탄소 배출이 많은 산업체들은 이미 에너지 효율이 높아 새로운 기술이 없다면 추가로 탄소 배출을 줄이기 어려운 한계가 있다.

이를 극복하기 위해 한국화학연구원을 중심으로 2022년 5월, CCU 실증 연구에 특화된 '탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단'이 출범했다. 이 연구단은 화학연구원이 총괄하며 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원 등 출연연구기관과 성균관대, 서울대 등 대학, LG화학, GS건설 등 기업체를 포함 총 22개 기관 160여명의 연구 인력이 투입돼 CCU 상용화 연구를 진행하고 있다.

연구단은 기존 산업에서 버려지는 저렴한 탄소 자원을 이용해 고부가 물질로 전환하는 기술을 연구한다. 연구 분야는 크게 3가지로, 산업 부생가스의 고부가 활용 기술, 이산화탄소의 직접 전환 기술, 유기성 폐자원의 활용 기술이다.

■ 온실가스가 자원이 된다

탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단은 실용화 가능한 탄소자원화 기술이전 3건 이상과 세계 최고 수준 스케일업(대형화) 핵심기술 3건 이상 확보 등을 목표로 하고 있다.

우선 제철 부생가스에서 일산화탄소를 정제하는 기술을 개발하고 있다. 지금까지 다양한 석유화학 제품의 기초 원료로 사용되는 일산화탄소를 만들려면 많은 이산화탄소가 발생한다. 이를 제철 산업에서 부가적으로 발생돼 버려지는 연간 약 2000만t의 일산화탄소를 모아 해결하겠다는 것이다. 연구진은 현재 1시간에 10㎥ 규모로 일산화탄소를 고효율 분리, 정제하는 기술을 실증 중이다.

또 합성 납사를 제조하는 기술을 개발하고 있다. 납사란 석유화학 공정에서 올레핀 같은 기초 원료를 제조하는 원재료다. 지금까지 납사는 주로 화석연료에서 생산됐으나, 연구단에서는 이산화탄소로부터 납사를 하루에 50㎏ 규모로 만드는 실증 기술을 개발 중이다.

추가로 전기화학적 방법으로 이산화탄소로부터 에틸렌을 직접 생산하는 기술을 개발, 하루에 100kg을 생산하는 규모의 설계 패키지가 확보될 예정이다. 이는 신재생에너지를 활용하는 기술로, 온실가스 감축 효과와 더불어 재생에너지 분야의 유동성을 보완할 수 있다는 면에서 주목할 만하다.

다음으로는 하수찌꺼기, 분뇨, 음식물 폐기물과 같은 '유기성 폐자원'에서 고효율로 바이오가스를 생산하는 기술이다.

아울러 만들어진 가스로부터 바이오 납사 또는 바이오 항공유를 제조하는 기술로, 하루에 100kg을 만드는 통합 실증기술을 개발 중이다.

이밖에 바이오매스 등으로부터 추출한 그린 탄소 함유량 70% 이상, 석유 원료 함유량은 30% 미만인 친환경 폴리우레탄을 만드는 기술을 개발하고 있다.

접착제로서의 우수한 성능과 친환경 제품의 가치를 고려해 관련 기업체의 제품 상용화를 기대하고 있다.

[e-mail] 김만기 기자