[월간수소경제 성재경 기자] 2030년까지 2018년 배출량의 40%를 감축하겠다는 정부의 ‘국가온실가스 감축목표(NDC)’에 따라 탄소 포집·활용·저장(CCUS) 기술이 큰 주목을 받고 있다. 대표적인 온실가스인 이산화탄소를 줄이려면 대량 포집을 위한 CC 기술이 꼭 필요하다. 

씨이텍(CE-TEK)은 아민을 기반으로 하는 CO2 액상 흡수제인 마브솔(MABSol) 기술을 보유한 스타트업이다. 마브솔은 한국전력연구원의 코솔(KoSol), 한국에너지기술연구원의 키어솔(KIERSOL)과 더불어 액상 흡수제를 대표하는 제품이다.

씨이텍은 지난해 천연가스발전 분위기에서 탄소포집에 최적화된 액상 흡수제인 CT-1을 미 켄터키대학의 파일럿 플랜트에 보내 실증을 진행했다. 작년 8월부터 10월까지 약 3개월간 총 379시간을 운전해서 받은 보고서 결과는 고무적이다. 해외 대기업 제품보다 높은 세계 최고 수준의 성능평가를 받은 것이다. 
 
美 켄터키대 CAER 포집시설서 흡수제 실증
대전 대덕테크노밸리 옆에 있는 씨이텍 본사를 찾았다. 이광순 대표이사는 “마브솔이 석탄화력발전을 대상으로 개발한 흡수제라면, CT-1은 천연가스발전을 대상으로 개발한 흡수제”라고 말한다. 

“천연가스발전에서 나오는 이산화탄소는 농도가 낮아요. 석탄발전에서는 13~15%가 나오지만 가스발전은 4% 정도로 3분의 1에 불과하죠. 이산화탄소 농도가 낮기 때문에 포집이 더 어렵습니다. 저농도의 CO2 조건에서 기존 MEA 대비 약 두 배의 흡수 용량, 재생탑에서 이산화탄소를 분리할 때 들어가는 열에너지를 기존 MEA 대비 60% 수준으로 낮췄어요. CC 공정을 위한 건설비나 설비 운용 면에 큰 장점이 있죠.”

MEA는 모노에탄올아민(MonoEthanolAmine)을 뜻한다. 습식 아민을 이용한 이산화탄소 흡수 공정을 대표하는 물질로 성능 비교를 위한 기준이 된다. 

씨이텍이 지난해 실증을 진행한 곳은 켄터키대학의 CAER(Center for Applied Energy Research)이 운영하는 0.7MW급 포집시설로, 미국 내 흡수제 교차 테스트 실증시설 중 가장 큰 규모를 자랑한다. 일본의 히다치, 영국의 스타트업인 카본클린(Carbon Clean)에서 개발한 흡수제도 이곳에서 실증 평가를 받았다. 

“흡수제를 위탁하고 운전조건 정도만 알려줬어요. 나머지 운전방법, 정상상태 결정, 결과값 도출은 모두 CAER에서 결정했죠. 공신력이 있는 해외 기관에서 검증을 받아서 신뢰성을 확보할 필요가 있었어요. 당연히 SK E&S 쪽에도 결과 보고가 됐습니다.”

실증 결과를 보면, 가스발전 조건에서 CT-1은 2.5기가줄(GJ/tCO2)의 성능을 기록했다. 이산화탄소 1톤을 포집할 때 2.5GJ의 에너지가 든다는 뜻이다. 이 수치가 낮을수록 성능이 높다. 

씨이텍은 중소벤처기업부가 추진하는 ‘자상한기업 2.0’의 첫 번째 기업에 선정되면서 지난 2021년 SK E&S로부터 10억 원의 기술개발 자금을 지원받았다. ‘자상한기업’은 대기업이 중소기업이나 소상공인에 상생협력 기금을 지원하고 비즈니스 인프라와 노하우를 공유하는 활동이다. 씨이텍은 지난해에도 18억 원을 지원받아 미국에서 실증사업을 진행했다.

SK E&S는 도시가스 판매, LNG화력발전, 해외 가스전 개발 등을 기반으로 수소사업을 활발히 전개하고 있다. SK인천석유화학 단지 안에 액화수소플랜트를 짓고 있고, 충남 보령의 LNG인수기지를 기반으로 CCS를 접목한 블루수소 생산기지 구축사업을 추진하고 있다. 

“CC 기술은 석탄화력발전에서 나오는 CO2 포집을 위해 시작됐어요. 세계적으로 탄소감축이 가장 시급한 분야라 할 수 있죠. 정부는 석탄발전을 줄이면서 상대적으로 가스발전의 전력비율을 높여가는 추세입니다. 여기에 대한 탄소포집 수요가 있고, 천연가스를 연료로 하는 LNG선박 같은 경우에도 탄소감축에 대한 국제사회의 요구가 있어요. CT-1은 이 시장을 겨냥한 제품이라 할 수 있죠.”

수소생산 쪽은 이야기가 다르다. 천연가스로 수소를 생산하는 가장 대표적인 방식인 SMR(스팀메탄개질)은 고압의 영역으로 배가스 조성부터가 다르다. 가스터빈을 돌리는 LNG발전은 CO2 농도가 4%로 낮고 1기압에서 작동한다. 특히 산소 농도가 13%로 높아 산화제 역할을 하기 때문에 내구성 확보가 매우 중요하다.

그에 반해 수소생산용 SMR 공정의 전체 압력은 20기압으로 CO2 농도는 15%가량 된다. 배가스에 산소가 없고 일산화탄소(CO)가 미량 섞여 있어 흡수제의 산화를 걱정할 일은 크지 않다. 이런 특성에 맞는 다른 조성의 흡수제가 사용된다. 

“SMR용 흡수제는 시중에 많이 나와 있어요. 메탄(천연가스)으로 수소를 생산할 때 고압의 반응조건이 필요하고 이때 많은 양의 CO2가 함께 배출이 되죠. LNG 생산 과정에 탄소포집용으로 오래전부터 적용된 흡수제를 수소생산에 쓰고 있다고 보시면 됩니다. 다만 기술개발이 끝났다고 보는 지점에서 새로운 게 나올 수도 있어요. 수소생산 쪽이 주목을 받으면서 내부적으로 스터디를 하고 있는 단계죠.”
 
아민계 습식 흡수제 마브솔, CT-1 개발
씨이텍은 ‘Korea CCS 2020’ 사업에 참여한 핵심 연구진이 모여 세운 벤처기업이다. 이 사업은 2011년부터 2020년까지 10년간 1,700억 원이 넘는 투자를 통해 과학기술정보통신부(당시 미래창조과학부) 원천기술 개발 사업으로 진행됐다.

당시 설계와 공정 시뮬레이션을 맡았던 서강대 화학생명공학과 이광순 교수(현 대표이사), 흡수제 레시피 개발을 맡았던 경희대 김훈식 교수(현 기술고문), 0.5MW 파일럿 공정 실증을 맡았던 한국에너지기술연구원 유정균 박사가 창립 멤버다. 여기에 Korea CCS 2020 사업을 이끈 핵심 조직인 KCRC(한국 이산화탄소포집 및 처리연구개발센터)의 이윤제, 김해련 박사가 함께 이름을 올렸다.

“탄소포집을 위한 습식, 건식, 분리막 기술을 개발했다고 보시면 됩니다. 마브솔은 이 사업의 핵심 성과물이죠. 사업이 마무리된 2020년 당시만 해도 기업들이 CC 기술에 별 관심이 없었어요. 큰돈이 드는 사업이라 조심스러운 거죠. CC의 필요성에는 공감하지만 CO2 처리 문제도 있고 해서 선뜻 나서지 않고 있어요. 지금도 탄소포집보다는 에너지효율을 높이는 쪽에 초점을 맞추고 있죠.”

KCRC의 연구개발팀장이었던 이윤제 박사의 말이다. 그는 씨이텍의 연구소장을 맡고 있다. 

이 소장은 습식과 건식의 차이를 두고 “물을 섞은 액상 흡수제를 쓰느냐, 유동층 가스화로에 건식 파우더 흡수제를 불어 넣느냐의 차이일 뿐, 아민기에 탄소를 붙여서 회수하는 공정상의 개념은 동일하다”고 말한다.

습식 아민을 이용한 이산화탄소 포집 공정은 크게 흡수탑(Absorber)과 재생탑(Stripper)으로 구성된다. 전처리 공정(탈황)을 거친 배가스에 냉각된 아민용액(Lean Amine)을 떨어뜨려 흡수반응으로 이산화탄소를 용해한다. 배가스 중 질소와 산소, 잔여 이산화탄소는 흡수탑 상단으로 배출되고, 이산화탄소를 포집한 아민용액(Rich Amine)은 흡수탑 하단으로 배출해 열교환기로 예열한 후 재생탑 상단으로 이동시킨다. 

고온의 재생탑(‘탈거탑’이라고도 한다)에서 분리된 이산화탄소는 상단으로 배출해 포집하게 되고, 아민용액은 하단으로 보내 열교환기와 냉각기를 거쳐 다시 흡수탑으로 순환시키는 구조다. 

“흡수제는 기본적으로 탄소를 잘 흡수해야 합니다. 그리고 재생에너지가 적게 들어야 해요. 재생탑에서 탄소를 떨어뜨릴 때 스팀, 즉 열이 필요한데, 이때 에너지를 얼마나 적게 쓰느냐가 관건입니다. 물의 소모량을 줄여서 에너지를 최소화하는 흡수제 개발에 매진하고 있죠.”

마브솔은 아민과 물을 섞은 기존 제품에 모듈레이터(Modulator)라는 특별한 화학물질이 들어간다. 제품 개발은 시간과의 싸움이었다. 백여 종의 물질을 개발해 실험실에서 연속순환장치로 테스트하는 과정에서 이십여 종을 추렸다. 그 중 대여섯 종을 골라 50kW 파일럿 시설에서 실증을 진행했다. 여기서 마지막으로 2종을 확정했고, 태안 서부발전의 0.5MW 파일럿 시설에서 성능평가를 진행해 최종 선정을 마쳤다. 그렇게 살아남은 제품이 마브솔이다.

“오디션 프로그램 결승전처럼 치열했다고 할 수 있죠. 둘 다 성능은 비슷하게 나왔어요. 제품을 상용화하는 데 좀 더 유리한 걸로 선택했습니다. 태안에서 2,000시간 이상 실증을 진행했고, 현재 마브솔로 4,000시간 추가 실증을 진행하고 있어요. 지금도 현장에서 잘 돌고 있죠.”

마브솔은 석탄화력발전소 배가스 분위기에서 2.1~2.3GJ/tonCO2 수준으로 실측됐다. 재생탑의 열손실을 보정하지 않은 실측 에너지라고 한다. 해외 업체의 흡수제 성능은 얼마나 될까? 미쓰비시중공업과 간사이전력이 함께 개발한 KS-1은 2.4GJ/tCO2, 히다치의 H3-1은 2.45GJ/tCO2이다. 흡수제 성능 수치만 놓고 보면 마브솔이 앞선다.

미국 텍사스의 페트로노바(Petra Nova)라는 석탄발전소에 240MW 규모의 탄소포집 설비를 설치했다. 세계 최대 규모의 탄소포집 설비로 여기에 미쓰비시의 KS-1이 흡수제로 들어갔다. 다만 한 가지 짚고 넘어가야 할 점이 있다. 이 시설은 2017년에 처음 운영을 시작해 코로나19 팬데믹 초기인 2020년 5월 이후로 가동을 중지한 상태다. 

전력 판매가가 떨어진 악조건에서 추가 비용이 발생하는 CC 공정을 유지하기가 현실적으로 어렵다. 탄소포집에 대한 수요는 넘치지만, CC 공정의 효율과 운영 경제성을 두고 시장의 의구심이 큰 것은 사실이다. 사우디 아람코만 해도 경제성을 이유로 일본과 한국 등지로 수출하려던 블루수소(블루암모니아로 변환해 수출) 생산 계획을 잠정 보류했다.

“흡수제는 재생에너지 사용량이 적을수록 성능이 뛰어나죠. CT-1은 석탄화력발전 조건에서 2.35기가줄(GJ/tonCO2)로 동일한 설비에서 평가를 진행한 히다치, 카본클린(2.9GJ/tonCO2)의 흡수제보다 낮게 나왔어요. 현장에서 실증을 진행한 흡수제 중에서 가장 낮은 수치라 할 수 있죠. 또 순환용량(Cyclic capacity)이 타 흡수제에 비해 두 배 가까이 높게 나왔어요. 이는 흡수제를 그만큼 적게 돌려도 된다는 말로 배관, 열교환기, 펌프 등의 설비를 작게 구축해서 비용을 낮출 수 있죠.”

환경에 대한 유해성 검사도 빼놓을 수 없다. 씨이텍은 극미량의 환경유해물질 분석에 필요한 분석 시스템을 보유하고 있다. 아민은 암모니아의 수소 원자를 탄화수소기로 치환한 형태의 화합물로 산소와 반응해서 암모니아를 생성할 수 있다. 암모니아는 유해화학물질로 분류된다. 국내 배출허용기준은 12ppm 이하로 규제하고 있다. 

이뿐만 아니라 아세트알데히드, 포름알데히드, 니트로스아민 같은 극미량의 환경유해물질을 분석해 안전한 포집 흡수제를 개발하고 있다.

“성능이 좋다고 그냥 쓸 순 없어요. 대기환경 규제에 맞추려면 암모니아 포집 설비를 추가로 달아야 하죠. 그래서 사전에 꼭 확인이 필요합니다. 켄터키대학에서 실증을 할 때 흡수탑에서 대기로 바로 빠져나가는 배가스에 대한 측정이 이뤄졌어요. CT-1의 암모니아 배출은 4~10ppm 수준으로 측정됐죠. 국내 기준을 충족한다는 뜻입니다.”

암모니아 배출량은 흡수제의 산화 정도를 판단하는 근거가 되기도 한다. 암모니아가 적게 나온다는 건 CT-1의 내구성이 그만큼 좋다는 뜻이다. 흡수제의 교체주기를 길게 가져갈 수 있어 운영효율을 높일 수 있다.
 
신규 흡수제 개발, 환경 유해성평가 진행
산업부는 내년에 시행될 예정인 ‘청정수소인증제’를 앞두고 지난 4월에 설명회를 열었다. 이 자리에서 온실가스 배출량 기준을 수소 1kg당 4kgCO2eq로 제시했다. 미국 수준에 맞춘 수치로, 정부 보조금을 받으려면 수소 1kg 생산 시 탄소배출을 최소 4kg 이하에 맞춰야 한다는 뜻이다. 

“국내 CC 기술 연구는 석탄화력발전에 대응하기 위해서 시작됐어요. 지금은 LNG발전이나 LNG선박의 CO2 포집 쪽으로 시장의 요구가 늘고 있고, 향후 청정연료 수급 여건에 따라 메탄올, 수소나 암모니아 쪽으로 시장이 흘러가겠죠. CC 기술의 상용화는 포집한 이산화탄소의 처리 부분을 빼고 논하기가 어려워요. 포집량이 워낙 많다 보니 지중에 탄소를 저장하는 CCS로 갈 수밖에 없죠. 민간이 나서서 되는 게 아니라 정부 차원에서 정책적으로 추진하는 국가 프로젝트라야 가능성이 있어요.”

이광순 대표가 담담하게 말한다.  

국내 CO2 저장소로 동해의 폐가스전과 대륙붕 지역, 서해 대륙붕에 속한 군산분지가 거론된다. 그러자면 우선 이 지역에 대한 지반탐사가 선행돼야 한다. 지하 800m 이상에 CO2를 주입하기 때문에 배관, 주입관, 주입 설비 등 관련 인프라가 필요하다. 대규모 국책사업을 위한 예비타당성 조사에만 긴 시간이 걸리기 때문에 당장 사업화에 나서기는 어렵다.

기업들의 지갑을 열려면 CCS의 경제성을 면밀히 따져봐야 한다. 업계에서는 국내 탄소포집 단가를 톤당 10만 원 정도로 보고 있다. 기술성숙도가 오르면 단가가 떨어지겠지만, 원가 산정에 계상되는 추가 비용으로 잡히기 때문에 기업 부담은 매우 크다. 그래서 보조금이 중요하다. 

청정수소인증제의 윤곽이 드러나서 CCS를 적용한 블루수소에 대한 보조금이 확정되면 경제성을 따져볼 수 있다. 물론 지중저장 장소를 국내로 한정할 필요는 없다. SK E&S만 해도 작년 9월에 호주 북부 해상의 G-11-AP 광구 운영권을 얻어 CCS 사업을 추진하고 있다. 또 동티모르 해상의 바유운단 천연가스 생산설비를 CCS 시설로 전환하기 위한 준비에 들어갔다. 이 외에도 포스코, 한국석유공사, DL이앤씨의 자회사인 카본코 등이 CCS와 연계한 블루수소 사업에 적극적이다.

습식 공정은 대용량 상용화에 용이하다. 씨이텍은 사업화를 위해 EPC 업체인 현대중공업파워시스템과 기술제휴 협약을 맺었다. 철강, 시멘트, 정유, 화학 업종 등에 탄소포집에 대한 수요가 늘고 있는 만큼 시장의 전망은 밝다.

씨이텍은 배가스 조성에 맞는 신규 흡수제 개발, 흡수제의 평가·분석 시스템을 보유하고 있다. 또 대기환경보전법에 따른 환경유해성 평가를 함께 진행한다. 여기에 포집공정 설계, 흡수제 공급을 제공한다. 

이광순 대표는 “습식 포집 기술의 산업화를 위해 국내 최고의 연구진이 모여 있는 독립회사로 기술력에 대한 자부심이 있다”고 강조한다.

씨이텍은 켄터키대학의 기존 시설을 활용해서 빠른 시간에 테스트를 진행했다. 공신력이 있는 기관이라 데이터에 대한 신뢰도가 높고, 향후 북미 시장 진출에도 유리하다고 판단했다. 

“CC 설비에 대한 부담이 크기 때문에 기업들이 망설이는 측면이 있지만, 미래를 보고 가야 한다는 명분이 분명해요. 다양한 배출원에서 소규모 파일럿 실증을 추진하면서 시장이 점점 확대될 거라고 봅니다.”

흡수제 레시피는 단시간에 나올 수가 없다. 이것저것 조성비를 바꿔가면서 수많은 테스트를 거쳐 최적의 레시피를 찾아가는 과정을 거치게 된다. 이러한 경험치가 쌓여야 배가스 특성에 맞는 흡수제를 단기에 개발할 수 있다.

이 과정은 1%의 재능보다는 99%의 노력이 빚어낸 ‘발견’에 가깝다. CC 기술에 대한 요구는 크지만, 기술의 성숙도나 경제 논리에 막혀 번번이 좌절을 겪었다. 지금도 아니라고 말은 못하지만, 그 벽이 예전만큼 높지는 않다. 

일단 분위기가 좋다. 정부는 CCS와 연계한 대규모 예타사업을 준비하고 있다. 블루수소는 원전수소와 더불어 청정수소인증제의 한 축으로 자리매김할 가능성이 높다. 공정한 절차와 검증을 통해 최고의 기술을 가려내고 사업화 지원을 통해 ‘코리아 CCS 기술’이 한 단계 도약하는 계기가 마련됐으면 하는 바람이 크다.