지구의 벗 덴마크(NOAH)는 탄소포집저장에 대한 올바른 정보를 제공하기 위한 웹사이트를 열었다(http://ccs-info.org/). 탄소포집저장 기술에 대해 제대로 소개되지조차 못한 우리 사회에서 이 기술에 대한 건강한 논쟁의 토대를 마련하고자 이 웹사이트의 내용을 시리즈로 번역해 소개한다. <에너지탐정>
CCS가 기후에 미치는 영향
에너지 기업들은 CCS가 다량의 CO2로부터 기후를 보호해줄 것이라고 자랑스러워하며, 감축효과는 85 - 95%에 이를 것이라는 주장을 반복하고 있다. 하지만 이 정도 수준의 감축률은 CCS 과정 중 포집 단계만 고려했을 때 이론적으로 가능할 뿐이다. CCS 전 과정에서 발생하는 상당한 양의 온실가스에 관해서 언급되는 경우는 거의 없다.
CCS가 설치된 발전소를 운영하기 위해 필요한 모든 작업을 고려했을 때 CCS는 수많은 내재적인 한계를 안고 있다: 추가 연료의 추출과 운송, 설비 건설, CO2 포집, 포집된 CO2의 운송, 포집된 CO2의 주입과 저장 그리고 보관에 대한 모니터링 단계에서 온실가스가 배출된다.
각 작업에서 비롯되는 환경적 압력은 다음과 같은 요인들에 달려있다: 포집 과정에서의 추가되는 에너지 사용(이는 보통 에너지 비용energy penalty으로 불린다), 연료의 유형, 포집률, CO2 포집에 대한 순도 충족기준 그리고 점원point source과 CO2 저장소 사이의 거리가 이에 속한다.
추가되는 에너지란 CCS가 설치되지 않은 발전소와 동일한 출력을 CCS가 설치된 석탄 화력발전소에서 내기 위해서 필요한 여분의 에너지를 말한다. 현재 전체 규모로 CCS를 설치한 석탄 발전소가 존재하지 않기 때문에 각 작업들이 기후에 미치는 영향을 정확히 측정하기란 불가능하다.
아래 평가는 보수적인 가정에 근거했다. CCS 기술의 핵심은 약 40%의 추가적인 에너지가 소모되는 포집 과정에 있다. 40%는 광범위한 추정치를 다룬 여러 자료의 평균값이다. 아래 조사 결과를 보자.
포집 과정에서 추가되는 40% 정도의 에너지는 에너지 소비와 CCS 흐름의 다른 모든 단계에서의 CO2 배출량과 비례한다는 것을 의미한다.
CCS로 얼마나 많은 CO2가 감축되는가?
반드시 대답할 질문은 이렇다: 석탄 화력 발전소에서 GJ(열량의 단위)당 CO2로 측정되는 온실가스 감축량에 관해서 CCS 기술은 얼마나 효과적인가? 이 질문에 대답하기 위해선 CCS 기술을 통틀어 온실가스가 배출되는 모든 과정을 확인해봐야 한다. 이것들은 아래와 같다:
- 석탄 채광
- 석탄 운송
- CCS 시설의 건설
- CCS 시스템 운영(포집)
- 포집된 CO2의 운송 인프라 건설
- 포집된 CO2 운송과 주입
- 저장 설비의 관리와 모니터
- 누출물
CCS로 인해 첫 두 단계에서 CO2 배출이 늘어나게 되어 있다. 여기서 늘어나는 양은 포집 단계에서의 추가적인 에너지 소비량에 달려있다. 다른 단계들은 CCS 기술에 대해 통합적인 요소들로서, 그것 없이는 기술 전체가 기능할 수 없다. CCS 흐름도를 나타낸 이 그림을 보라.
각 단계는 추가적인 에너지와 온실가스 배출량을 나타내는데 이는 CCS가 기후에 미치는 총체적인 영향에 대한 진정한 그림을 얻기 위해서 계산돼야만 한다.
온실가스 배출
(포집 단계에서의) 감축효과를 보여주는 대변과 CCS의 이산화탄소 증가를 보여주는 차변으로 이루어진 간단한 회계표를 보면 문제가 드러난다.
| 대변 (GJ당 감축량) | 차변 (GJ당 증가량) |
| 포집: 79% | 채광: 3% |
| 운송 : 2% | |
| CCS 시설의 설치: 0.5% | |
| 인프라 건설 : 0.5% | |
| 운송/주입/방출 : 1.5% | |
| 모니터링: 0.01% | |
| 누출물: 1% | |
| 대변: 79 % | 차변: 8.5% |
| 총 CO2 효율성 | 70.5% |
표: CCS가 설치된 화력 발전소의 CO2 효율성
포집 단계에서의 추가적인 에너지 소비량이 40%라면 이론적 효율인 85%는 79%로 떨어지게 된다. 차변의 배출량 비율은 사전 평가에 의한 것이다. 이러한 예비 수치에 근거했을 때 CCS의 전체 CO2 효율성은 70.5%다.
대변(貸邊)
CCS 설비의 운영 - 포집 단계는 배기 가스로부터 CO2를 포집하는 핵심 단계다. CO2와 반응하는 아민 화합물(흡수제)이 주로 사용되고 있다. 우선 단점은 아민 화합물로부터 CO2를 추출하기 위해서 매우 높은 온도가 필요하고 결국 엄청난 양의 에너지가 소모된다는 것이다. 이렇게 해야만 높은 순도의 CO2를 얻고 운송 가능한 액체로 압축시킬 수 있다.
두번째로, 배기가스 중 CO2의 일부만 흡수제와 반응하기 때문에 CO2의 상당한 양이 대기로 빠져나가게 된다. 이와 동시에 CCS로 포집되지 않는 모든 다른 물질 역시 빠져나간다. 실험 규모의 시설에서 포집 단계로 인한 60-75%의 CO2 감축과 전체 규모의 시설에서 이론적으로 명문화된 85-95% 사이에는 상당한 거리가 있다.
과도한 수준의 에너지 소비와 낮은 감축률로 인해 CCS가 설치된 전체 규모의 화력발전소로부터 85-95% 효율로 CO2를 포집 가능한지를 알기 어렵다. CCS 시설의 운영엔 연소, 압축, 분리와 정제와 관련해 에너지 소비와 CO2 배출이 포함될 수밖에 없다. 이는 총 CO2 효과를 계산해본 뒤 빠져야 한다. 포집 단계에서 GJ당 CO2 배출량 공식은 다음과 같다:
kg CO2/GJ × (1 + 추가 에너지 소비) * (1 - 포집 효율)
화력발전소에서 탄소 연소의 배출계수 95(GJ당 95 kg CO2 배출), 추가 에너지 소비 40% 그리고 포집 효율을 85%로 하면 아래와 같다:
95 * 1.4 * 0.15 = 19.95 (kg CO2/GJ)
즉 발전소에서 평균 CO2 포집 효율은 GJ당 19.95 kg가 된다. 이는 (19.95 / 95 * 100) = 21% 또는 (100-21) = 79%라는 평균 효율을 의미한다. 포집단계에서 40%의 추가 에너지는 CO2 감축률을 앞서 가정된 85%에서 79%로 떨어뜨린다.
차변(借邊)
석탄 채광 Mining of coal 석탄 채광은 중장비 운용을 포함한다. 디젤과 가솔린을 연소하는 결과로 CO2가 배출되고 더 적은 양이 전기 생산에서 비롯하는데, 석탄, 가스, 석유 또는 심지어 재생에너지에 근거한다. 게다가 세척, 분류, 조작 과정에서 디젤이 연소되면서 CO2 배출과 연결된다. 배출량 정도는 포집 단계에서의 추가 에너지 소비에 달렸다. CCS가 없는 상황과 비교해 40%의 추가 에너지 소비로 대략 40%의 석탄이 추가로 채굴되고 조작돼야 한다. 이에 따른 배출량은 포집 단계에서 감해진다.
석탄 운송 Transportation of coal 선박, 기차 또는 도로 운송은 디젤이나 중유 연소와 관련해 CO2 배출로 이어진다. 석탄 운송은 대부분 위의 세 가지 수단을 병행한다. 이 단계에서의 배출 수준은 포집 단계에서의 에너지 소비량에 달렸다. 앞서 언급한 40%의 추가 에너지 소비에 근거해 그에 상당한 추가 석탄이 운송돼야 하며 추가 수송에 따른 배출량은 포집 단계에서의 CO2 감축으로 감해져야 한다.
CCS 설비 건설 상업 수준의 설비 건설은 시멘트, 콘크리트, 금속 따위의 제조와 수송과 관련된 상당한 CO2 배출을 포함한다. 그리고 설비의 가공과 건축, 조립과 설치도 관련된다. 수많은 이질적인 에너지 공정에서도 화석연료(석유, 석탄, 가스, 디젤, 가솔린 등)를 다량 소비해 CO2 배출로 이어진다. 정량화를 위해선 각각의 전체 발전소에 대한 정교한 전과정평가(life-cycle analysis)를 해야한다. 수량화된 CO2 배출량은 CCS 기술 단계의 전체 배출량에 포함돼야 한다.
운송 인프라 건설 Construction of CCS plants 파이프 제조와 운송, 매설과 설치는 CO2 배출로 이어지며 포집단계에서의 CO2 감축으로부터 감해져야 한다.
운송 및 주입 Construction of transport infrastructure 저장 설비로의 포집된 CO2의 운송과 주입은 배출과 관련된다. 이 단계에서의 에너지 소비 그리고 CO2 포집과 저장은 포집 단계에서의 CO2 감축으로부터 제외돼야 한다.
제어와 모니터 Control and monitoring 저장 설비의 제어와 모니터는 건물과 장비의 운영을 포괄한다. 이런 작업에 배출되는 CO2는 포집 단계에서의 CO2 저감량에서 제외돼야 한다.
누출 Leakages 저장고로부터의 누출과 파이프라인, 선박 그리고 CO2 주입시설에서의 사고를 포괄한다. 마찬가지로 포집 단계에서의 CO2 저감량에서 제외돼야 한다.
요약
포집 단계에서의 40%의 추가 에너지 소비로 가정된 저감률은 85%에서 79%로 내려간다. CCS에 의한 다른 작업의 기후 영향에 대한 추정값도 계산에 포함한다면 전체 저감률은 70.5%로 떨어진다. 이는 이 기술에서 기대했던 (온실가스) 저감효과에 대한 중요한 의미를 갖는다. 부퍼탈 연구소(Wuppertal Institute for Climate, Environment and Energy)의 연구 RECCS: ecological, economic, and structural comparison of renewable energy technologies (RE) with Carbon Capture and Storage (CCS) - an integrated approach 는 연료 유형과 공정에 따라 67%-78% 범위의 온실가스 감축률이라는 결론을 냈다. 앞서 언급한 내용에 근거했을 때 전체로서의 CCS는 화력발전소에 비해 2/3 ~ 3/4 정도의 감축을 가능하게 할 뿐이다. 이는 CCS에 막대한 투자를 하더라도 석탄 발전에 의한 배출량의 1/3에서 1/4 정도는 불가피하다는 것을 의미한다.
풀리지 않은 의문
- 화력발전소에 CCS를 설치하고 운영할 때 kWh당 배출되는 평균 CO2는?
