Carbon capture and sequestration (CCS)
온실가스 작용으로 지구의 평균 기간은 오랜 기간 일정하게 유지되었지만, 최근 들어 온실가스의 농도는 점차적으로 증가하고 있습니다. 가장 많은 비중을 차지하는 온실가스인 이산화탄소의 대기 중 농도 또한 증가하고 있습니다. 이 글에서는 심각한 기후 변화의 문제를 해결할 수 있는 CCS에 대해서 나타내었습니다. CCS의 정의 및 포집공정 적용 위치에 따른 분류, CCS를 발전소에 적용했을 때 효율의 손실 가능성에 대해서 언급하고 있습니다.
CCS 기술
이산화탄소의 농도 증가는 지구 평균기온을 상승시키며, 이에 따른 기후 변화의 문제가 심각하게 대두되고 있습니다. 이산화탄소 농도 증가의 원인은 인류가 증가하면서 여기서 야기되는 엄청난 배출 증가가 주된 원인입니다. 산업혁명 이후, 인류는 보다 많은 에너지를 생산하기 위하여 화석연료를 태웠고, 연소의 부산물로 생성되는 이산화탄소를 대기 중으로 배출하였습니다. 그 결과, 지구의 온도는 올라가고 그에 따른 부작용이 세계곳곳에서 나타나게 되며 이에 대한 경각심이 커지고 있습니다. 이산화탄소를 줄이려는 노력은 다방면으로 다양하게 발생하고 있습니다. 화석연료를 통한 에너지의 생산을 대체하기 위해서 신재생에너지인 태양에너지, 풍력에너지를 개발하기 위해 노력하지만, 기존의 화석연료를 대체하기에는 효율이나 용량의 측면에서 어려운 실정입니다. 이러한 상황에서 기존의 산업을 유지하며, 이산화탄소의 배출을 절감하는 기술인 Carbon capture and sequestration(CCS)가 주목받고 있습니다. CCS는 화석연료에서 배출되는 배기가스에 존재하는 이산화탄소를 포집하고 저장하는 기술로, 기존의 화석연료를 이용하는 전통적인 산업은 유지하면서 이산화탄소 배출 문제를 해결할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. CCS 기술은 이산화탄소를 포집하고, 포집한 이산화탄소를 수송하여, 지층에 주입하여 저장하는 기술을 지칭합니다.
포집공정 적용 위치에 따른 분류
Carbon capture는 화석연료의 연소로 인하여 발생하는 배기가스로부터 이산화탄소를 선별적으로 분리하는 기술입니다. Transport는 포집하여 압축된 이산화탄소를 저장하려는 위치까지 운반하는 기술로, 대량의 이산화탄소를 수송하기 위하여 사용되는 도구는 파이프입니다. Storage는 수송된 이산화탄소를 지층에 주입하여 대기 중으로 배출되지 못하게 하는 기술로, 이산화탄소가 저장 후 오랜 기간 대기 중으로 배출되지 않는 특별한 대륙지층 혹은 해양지층에 저장이 가능합니다. 기존의 발전소에 CCS 기술을 적용할 경우, 추가적인 에너지 소비가 필요하며 이것은 발전소 전체의 효율저하와 에너지 비용을 상승시킵니다. 이에 따라서 기존 발전소의 효율의 10~14% 가 감소할 것으로 예측되며, 이러한 비용을 절감시키기 위하여 많은 연구가 진행되고 있습니다. 수송하는 기술과 저장하는 기술과는 달리, 포집하는 기술은 포집공정을 적용하는 발전소와 포집공정의 적용 위치와 포집방법에 따라 분류될 수 있으며, 발전소와의 효율적인 연계를 통해서 많은 에너저의 절감이 가능하다는 점에서 많은 연구가 이루어지고 있습니다. 연구분야는 포집공정의 적용 위치에 따라 구분되며, Pre-combustion, Post-combustion, 그리고 Oxy-fuel combustion로 분류됩니다.
발전소 효율 손실 가능성
환경적인 측면에서, 발전소의 배기가스로 인하여 생기는 문제를 해결하려는 노력으로 이산화탄소 포집 시스템은 반드시 적용되어야 합니다. 또한 지구 온난화 완화 및 이산화탄소 배출감소 목표 달성을 위하여 CCS 적용은 필수적입니다. 하지만, CCS는 이산화탄소와의 반응 속도가 느리고 제거율이 습식 설비에 비해서 낮다는 단점을 가집니다. 습식 설비는 흡수제 재활용을 위해 이산화탄소를 재활용할 때 많은 에너지가 필요해 경제성이 떨어진다는 특징을 가집니다. 또한 1MW 기준, 500~800제곱미터의 넓은 설치부지가 필요하여 경제성이 떨어지며 스팀재생공정에서 높은 에너지가 필요해 발전효율 저하뿐만 아니라 처리되는 시간이 길어집니다. 뿐만 아니라 이산화탄소 포집 시스템을 구성하고 운전하기 위해서는 기존의 발전소의 성능에 추가적인 손실을 수반합니다. 따라서 이산화탄소 포집 시스템이 적용된 발전소를 이해하기 위해서는 발전성능과 이산화탄소 포집성능을 고려하는 시스템 분석이 필요합니다. 기존의 IGCC 발전소에 다양한 이산화탄소 포집 시스템이 적용되었을 때 달라지는 발전성능과 포집성능을 분석하고자 한다면 4가지의 발전 시스템과 비교가 필요합니다. 이산화탄소 포집 시스템이 적용되지 않은 발전소와 연소 전 이산화탄소 포집 시스템이 적용된 발전소, 연소 후 이산화탄소 포집 시스템이 적용된 발전소, 연소 전 이산화탄소 포집 시스템과 연소 후 이산화탄소 포집 시스템이 동시에 적용된 발전소의 분석이 필수적입니다.