이산화탄소의 산업적 활용 전략 - KISTIgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran... · 2014. 7. 8. · co2 포집·이용 기술(ccu)의 대두 오늘날,

01

이산화탄소의 산업적 활용 전략(Strategies for Industrial Utilization of Carbon Dioxide)

김경호 한국과학기술정보연구원 산업시장분석실

차 례

이산화탄소의 산업적 활용 전략(Strategies for Industrial Utilization of Carbon Dioxide)

심화하는 지구온난화와 CO2 대책 ● 05

이산화탄소(CO2)의 산업적 이용 개요 ● 13

CO2를 이용하면 유용한 화학제품을 생산할 수 있다 ● 23

CO2로 조류를 재배해서 바이오 연료를 생산한다 ● 39

광물 탄산화로 CO2를 영구 저장하고 유용한 산업자원도 생산 ● 57

산업시장동향 ● 79

산업적 활용 전략에 대한 제언 ● 85

맺는 말 ● 89

참고문헌 ● 92

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

@ 이산화탄소의 산업적 활용 전략004

심화하는 지구온난화와 CO2 대책

005


이산화탄소의 산업적 활용 전략

(Strategies for Industrial Utilization of Carbon Dioxide)

2 0 1 3

정 보 분 석

보 고 서

Ⅰ


탄소기반의 화석연료는 적어도 2030년까지는 전 세계 에너지

소비의 80~85%를 공급하게 될 것으로 예측되고 있다. 따라서 대기

중 이산화탄소(CO2)의 농도 증가에 의한 이상기후 현상(잦은 태풍과

대규모 홍수, 폭염, 한파 등)과 재앙적 사고 발생 가능성, 인구 증가에

따른 에너지 소비 증가 등은 지구 온도 상승과 관련하여 심각한 우려를

불러일으키고 있다. 이러한 기후변화의 영향은 그 크기 뿐 아니라 잠재적

비가역성(irreversibility) 때문에 더욱 파괴적이다. 기후변화를 야기하는 대기

중 이산화탄소의 농도 증가는 대체로 1,000년간 비가역적이다[1]. 즉, CO2

배출을 지금 제로로 줄인다 해도 대기 중 CO2 농도가 안정화하는데 1,000년이

필요하다는 것이다. 대기 중 이산화탄소의 농도를 안정화시키기 위해 IPCC

Assessment Report는 2050년까지 배출량이 56%로 삭감되어야 하며,

금세기 말까지는 제로로 삭감되어야 한다고 말한다.

산업혁명 이전의 CO 2 농도는 280 ppm이었다[2]. 브라질의

리우데자네이루(Rio de Janeiro)에서 최초의 “Earth Summit”가 개최된


007

1992년 지구 대기 중 이산화탄소의 농도는 360 ppm이었으며, 2005년엔

379 ppm으로 보고되고 있으며, 2012년 390ppm으로 증가했다. 국제적

기후변화 연구기관인 미국 스크립스(SCRIPPS) 연구소에 따르면 대기

중 CO2 농도가 인류 역사상 처음으로 400 ppm을 곧 돌파할 전망이다.

미 해양대기청(NOAA)이 운영하는 마우나로아(Mauna Loa) 관측소에서

2013년 5월 25일과 26일 대기 중 CO₂농도가 399.7 ppm으로 측정되었으며,

29일에도 399.5 ppm으로 측정됐다. 여기서 관측된 CO2 농도는 전 세계

CO₂농도의 대표적 지표로 활용되고 있다[3]. 한편 1990년부터 충남 태안에서

미국 NOAA와 함께 대기 중 CO₂농도를 측정해오고 있는 한국도 이미 2012년

연평균 401.2ppm을 기록한 것으로 알려졌다[3]. 세계 에너지 수요 증가와

화석연료(석탄, 석유, 천연가스 등) 연소로 인하여 CO2 배출량은 매년 2.1%씩

증가하고 있다. 이산화탄소가 현재 속도로 증가한다면, CO2 농도는 다음

세기에 450~600 ppm까지 올라 갈 것이며, 해수면은 지구 온도의 급격한

증가와 함께 0.4~1.0 m 상승할 것으로 예측된다[1]. 과학적 모델의 예측에

의하면 지구의 평균 온도는 2100년경 1.5~5℃ 증가할 것이라고 한다[2].

화석연료의 사용 증가로 생성된 온실가스가 야기하는 지구 온난화와

기후변화는 가뭄, 홍수, 폭염, 생태계 파괴 등의 형태로 표출되면서, 사회,

경제, 환경 측면에서 인류의 생존에 실질적 위협 요인으로 대두되고 있다.

이산화탄소(CO2)는 대표적 온실가스로 지구 전체 온실가스의 70% 이상을

차지하고 있기 때문에 CO2 감축이 온실가스 감축의 실질적인 핵심이 되고

있다. 화석연료를 다량 사용하는 화력발전소, 제철소, 석유화학공장, 시멘트

공장 등이 CO2의 대량배출원이 되며, 이들이 전체 CO2 배출량의 50~60%를

차지하며, 이중에서도 발전분야가 약 70%를 차지한다. 세계 에너지 소비는

2006년~2030년 사이에 52% 증가할 것으로 예상된다[2]. 2012년 말 영국

이스트 앵글리아 대학의 틴들 기후변화연구소 연구팀이 발표한 연구 결과에

의하면 전 세계 이산화탄소 배출량은 연간 356억 톤에 이르는 것으로

추정된다. 2011년 기준으로 전 세계에서 이산화탄소를 가장 많이 배출한

국가는 중국으로 28%를 차지하였다. 그 다음이 미국 16%, 유럽연합 11%,

인도 7%의 순으로 나타났다[4].

Ⅰ. 심화하는 지구온난화와 CO2 대책


현재 인류가 직면하고 있는 가장 큰 문제 중의 하나인 온실가스

배출에 의한 기후변화에 대응하기 위해, 1992년 리우데자네이루 유엔

기후변화협약(the United Nations Framework Convention on Climate

Change, UNFCCC), 1997년 교토의정서(Kyoto protocol)를 거쳐 최근

일련의 유엔기후변화회의[유엔기후변화협약 당사국 총회(COP, Conference

of the Parties to the UNFCCC)]를 통해 온실가스 감축을 위한 국제적인

노력이 경주되고 있다[덴마크 Copenhagen COP15(2009.12), 멕시코

Cancun COP16(2010.12), 남아공 Durban COP17(2011.12), 카타르

Doha COP18(2012.12)]. 1997년 채택된 교토의정서는 제1차 공약기간인

2008년부터 2012년까지 5년간 38개 선진국에게 온실가스 배출량을 1990년

대비 5.2% 감축하는 의무를 부과하고 있다. 그러나 온실가스 감축 의무

이행을 둘러싼 선진국과 개발도상국 간의 갈등으로 일본, 러시아, 캐나다,

뉴질랜드 등이 발을 빼고 있으며, 미국은 국내법상 문제로 애초부터

교토의정서에 비준하지 않았으며, 중국과 인도는 개발도상국으로 분류돼

감축 의무가 없었다. 따라서 현재 세계에서 가장 많이 이산화탄소를 배출하는

빅 5(중국, 미국, 인도, 러시아, 일본)가 모두 의무감축국에서 제외되어 있는

상태이다[4]. 2012년 12월 카타르 도하에서 개최된 제 18차 유엔기후변화협약

당사국 총회에서는 교토의정서 2차 공약기간을 2020년까지 연장하기로

결정하였으며, 2020년 이후에는 모든 당사국(선진국 및 개도국 모두)에

감축을 의무화하는 ‘신기후 체제’ 적용이 합의되었다.

현재 CO₂ 배출 주요국들은 대체로 2020년까지 2005년 대비 20~30%의

CO₂를 감축하는 계획을 세우고 있다. 우리나라도 30%라는 높은 수준의

감축계획을 갖고 있으며, 2020년까지 2005년 CO₂배출량(약 6억톤)의 30%인

1.8억톤을 감축할 예정인데, 이중 약 1억톤(55%)을 CCS(탄소포집·저장)

기술로 감축할 계획이다[5].

009

표 1 | 주요 CO₂배출국의 CO₂배출량 감축 계획[5]

국가 감축 계획

중국 2020년까지 2005년 대비 40~45% 감축

미국 2020년까지 2005년 대비 17% 감축 (1990년 대비 4%)

일본 2020년까지 2005년 대비 30% 감축 (1990년 대비 25%)

EU 2020년까지 1990년 대비 20% 감축 (전세계 동참시 30%)

한국 2020년까지 2005년 대비 30% 감축

IEA(국제에너지기구)는 “에너지기술전망보고서(Energy Technology

Perspectives 2008)”를 통해 2050년까지 기후변화를 2℃ 이내로 완화시키기

위해서는 2050년 CO₂배출량을 2005년 배출량(280억 톤)의 약 50%인

140억톤으로 유지할 것을 권고하고 있다. 그러나 현재로선 2050년 CO2 예상

배출량이 620억 톤이기 때문에 2050년 480억 톤의 CO2를 감축해야 한다.

IEA는 이를 달성하기 위한 방안으로 Blue Scenario에서 에너지효율향상

기술(43%), 재생에너지(21%), 원자력(6%), CCS 기술(19%) 등을 적극 활용할

것을 제시하고 있다[5].

그림 1 | 2050년 기술별 CO₂ 감축 기여율[5]

Time (Month)

0 100908070605040302010

일자리창출 : Current

효율성향상기술43%

재생에너지21%

CCS19%

원자력6%

기타11%



CCS 기술(Carbon capture and storage, CO2 포집·저장 기술)은 산업

및 발전소 부문에서 대량 배출되는 CO2를 분리, 포집, 압축(포집된 CO2를

초임계 또는 액체상태로 압축), 수송(파이프라인 및 수송선 이용)하여 지중

또는 해저의 지층(고갈된 가스전 및 유전, 미채굴 석탄층, 심부 대염수층

등)에 대규모로 안전하게 저장시켜 장기간 격리시키는 기술이다. 이론적으로

CCS는 대기 중 CO2 방출을 줄이면서 화석연료의 지속적인 사용을 가능하게

한다.

현재의 청정석탄기술(clean coal technologies (CCTs))은 주로 유해

배출물(SOx, NOx, 입자상 물질)과 관련 있다. 이런 기술들은 기존 화석연료

설비로부터 오염물질의 저감에는 상당히 기여하지만, CO2 배출의 저감과

관련하여서는 상당히 제한적이다[2]. 석탄화력발전소는 세계적으로 CO2

배출의 가장 큰 배출원의 하나이다. CO2의 인위적 배출원을 고려하면 약

10%는 화학제품에서 유래하며, 90%는 에너지의 생산(전기 및 열 에너지),

사용(연료, 수송, 난방 등), 기타 산업적 응용(시멘트산업 등)에서 유래한다.

현재 CO2 배출을 저감하기 위한 여러 가지 전략이 제안되고 있지만, 어느

것도 단독의 해결책으로는 완전하지 못하다.

일반적으로 연소후 배출된 CO2를 저감하는 방법(연소후 포집 방법,

postcombustion capture)으로는 CO2를 포집하여 영구 저장하는 방법과

다른 용도로 이용하는 방법이 있다. CO2의 저장과 이용은 서로 다른

특성을 갖고 있다. 저장은 CO2의 대기 중 농도를 감소시키는 것을 목표로

하고 있으며, 발전소 및 산업공정의 배출가스로부터 분리·포집한 CO2를

폐가스전 또는 유정, 대수층(acquifer) 등 격리된 환경에 수백년간 또는

영구히 가두거나(CCS 방법), 무기 탄산염과 같은 장수명(수백년) 화합물

중에 고정화시키는 방법(광물 탄산화)이 있다. CO2를 자연의 일정 장소에

저장·처분하는 방법은 대량의 CO2 처분이 가능해 최대 55%까지 지구온난화

노력에 기여할 수 있다고 한다[6]. 그러나 에너지 및 경제적 비용이 매우 높다.

한편 CO2 이용은 일반적으로 CO2 방출을 피하고 탄소를 리사이클시킴으로써

유용자원으로 활용하여 화석연료의 추출과 사용을 줄이는 방법이다. 다시

말해 CO2의 이용은 폐기물 CO2를 경제적 가치가 있는 자원으로 이용하는

011

것이며 환경적 관점에서도 이득을 준다.

인류가 사용하는 모든 화학제품이 CO2로부터 제조된다고 해도, 사용되는

CO2의 양은 방출된 CO2 전체량의 단지 작은 부분에 지나지 않는다. 그러나

CO2 감축 요구량은 하나의 기술로는 달성될 수 없기 때문에, CO2 이용

기술은 무시될 수 없다. 중요한 것은, CO2를 직접 사용하거나 에너지와

탄소가 덜 드는 혁신적 기술을 사용하는 것이 CO2 배출을 저감하는데

유리하다. 예를 들어, 이산화탄소는 변환에 의해 화학제품을 위한 산업

기초소재(building block)로서 또는 연료를 위한 탄소원으로서 사용될 수

있다. 또 CO2는 복잡한 분자나 독성을 갖는 화합물들을 대체하는 용도로

사용될 수 있다. 또 화석연료를 재생에너지원으로 대체하는 것도 CO2 배출을

80%까지 줄일 수 있는 방법이다(International Energy Outlook 2008). 최근

CO2의 생물학적 고정화(biofixation) 방법으로서 미세조류(microalgae)의

재배가 CO2 포집 및 저장에 기여할 수 있을 것으로 주목받고 있다. 성장한

미세조류 바이오매스로부터는 바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오가스 등

바이오연료(biofuel)와 화학제품을 생산할 수 있기 때문에 화석연료를 대체할

재생에너지원으로서 기대가 모아지고 있다.

이상에서 대기 중 온실가스 CO2의 증가로 인한 급격한 기후변화를

방지하고 CO2 배출을 줄이기 위해서는 탄소 포집·저장 기술과 그 이용

기술의 개발이 중요함을 시사한다. 본 보고서는 이러한 CO2의 배출을

저감하는 방법으로서 단순 포집·저장하는 방법보다는, 유용 자원으로서

CO2를 산업적으로 활용하는 방법을 위주로 살펴보았다.


013

이산화탄소(CO2)의 산업적 이용 개요



2 0 1 3

정 보 분 석

보 고 서

Ⅱ


CO2 포집·이용 기술(CCU)의 대두

오늘날, 이산화탄소(CO2) 배출 제어에 대한 필요성은 과학계 및 산업계

모두의 주된 관심이 되고 있다. 근년 유가의 증가와 기후변화는 산업에

많은 영향을 미칠 것으로 기대되는 가운데, 전 세계적으로 CO2 배출 저감,

재생에너지원 및 화학산업의 대체원료로의 사용에 대해 관심이 모아지고

있다. CCS 기술은 에너지 및 기후정책적 관점에서 원칙적으로 대량의

CO2를 제거하는데 사용되지만, 이 기술의 실현에는 상당한 문제점도 있다.

즉 고 투자비용, 유해 포집제의 대기 중 방출 가능성, 잠재적 저장능력의

한계와 불확실성, CO2 지층 저장의 안전성(누출 가능성)에 대한 대중적

저항의 증가라는 문제에 직면하고 있으며, 또한 처리 및 유지에 있어서

상당한 에너지를 필요로 한다[7]. 궁극적으로 이 기술의 실행은 탄소기반의

화석연료의 추출을 확대하는 결과를 낳는다. 이 때문에 최근 CCS의 부분적인

대안으로 이산화탄소의 포집·활용기술(Carbon capture and utilization,

CCU)이 제안되고 있다.

이 CCU 기술은 CO2의 지층 저장 능력에 대한 부담을 줄일 뿐 아니라,

이산화탄소(CO2)의 산업적 이용 개요

015

포집된 CO2를 오일회수 증진(CO2 EOR)에 이용하거나 화학적, 생물학적

변환공정을 통해 연료, 화학산업 원료, 건축재료로도 활용할 수 있어 CO2를

부가가치화 할 수 있다. CO2의 산업적 이용의 직접적 효과로는 CO2 배출

저감과 화석연료 추출 저감이며, 간접적 효과는 기후변화지수(climate

change power, CCP)가 CO2의 수천배인 CFC와 같은 화학물질의 대체이다.

이러한 CO2의 이용이 대기 중 CO2 축적의 문제를 해결하는 것은 아니지만,

생성되는 CO2의 양을 줄임으로써 어느 정도 문제 해결에 기여할 수 있다.

는 이러한 목적을 달성하기 위한 여러 가지 방법들을 요약한 것이다.

그러나 어느 기술도 단독으로는 현재의 대기중 CO2 농도를 안정화하기에

충분한 해결책이라고 볼 수는 없다. 가장 효과적인 CO2 배출 저감을

달성하기 위하여서는 가장 저렴한 사회적, 경제적 비용을 지불하면서 탄소

리사이클링과 CO2 배출 저감의 잠재력이 있는 기술들을 병용할 방안을

찾아야 한다.

표 2 | 대기 중 CO2 배출 제어 기술[8]

기술 응용 예 비고

효율 향상• 전기에너지 생산

• 모든 형태의 에너지 사용

• 화학-전기에너지 변환효율이 32%에서 50%로 증가

•책임감있는 사용으로 에너지 절약

연료전환 오일이나 가스로 석탄대체• 단위 전기생산당(1kWh) CO2 배출량(kg): 석탄

1/오일 0.75/가스 0.5

전기에너지 생산

첨단기술석탄가스화 복합발전(IGCC)

• 화석연료의 탈탄소에 의해 생성되는 CO2의 농축

•CO2는 처분 또는 사용 가능

비 화석연료 원자력 • 전기에너지 생산에 핵연료 사용

영구적 에너지 태양에너지, 풍력, 수력, 지열 • 국가의 지리적 위치에 따라 이용 형태가 다름.

재생에너지

(Renewables)바이오매스 이용

• 지상 및 수중 바이오매스 재배로 수송용 액상/

가스상 연료 생산 가능

CO2

포집·저장(CCS)CO2의 포집 및 처분

• 큰 잠재력은 있으나, 국가에 따라 저장 부지

확보 곤란

• 에너지 집약적이며 현재의 한계를 넘어

화석연료 사용 확대 가능성

CO2 이용

(CCU)자연을 모방한 CO2 리사이클

• 화학적, 기술적, 생물학적 사용으로 이익을

창출하고 폐기물에 부가가치를 높이는 유일한

방법임.

현재 가장 많이 연구되고 있는 CCU 기술의 예로, 오일회수증진법(CO2

EOR), CO2의 화학적 변환(chemical conversion)에 의한 화학원료 합성,

Ⅱ. 이산화탄소(CO2)의 산업적 이용 개요


CO2의 조류(microalgae) 재배 이용에 의한 바이오 연료 생산, CO2를 이용한

광물의 탄산염화(mineral carbonation) 등이 있다. 이미 실용화되고 있는

EOR법을 제외하면 대부분의 CO2 이용 방법은 현재 R&D 단계에 있다.

이들 기술이 CCS와 병행해 시행되면 산업설비 또는 발전소에서 포집된

이산화탄소를 부가가치적으로 응용할 수 있는 잠재력을 제공할 수 있다. 이

다양한 CO2 이용 기술을 모두 사용하면 CO2 배출을 적어도 연간 37억 톤(현재

연간 CO2 총 배출량의 약 10%에 해당) 감축할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

CO2 이용 공정에서 순 CO2 저감량을 결정하기 위해서는, 단위 생성물의

생산에 사용된 모든 재료, 화석연료, 에너지 흐름, 배출물, 생성물에 대한

전체 시스템의 영역이 신중히 정의되어야 한다().

그림 3 | CO2 포집 및 이용 공정 시스템의 물질 및 에너지 밸런스[11]

그림 2 | CO2를 이용하는 여러 가지 경로[9]

● 초임계 CO2

● 카르복실레이트 및 락톤● 카바메이트● 요소, 이소시아네이트● 무기 / 유기 카보네이트● 생분해성 고분자

● 재생연료● 합성가스, 메탄 등● 포름산, 메탄올, DME

● 오일회수증진(EOR)● 지열 유체● 음료 및 마이크로캡슐

태양광, 풍력, 지열, 조력, 수력, 폐열, 원자력

물, 수소, 기타 화학물질

화학적원료

에너지

저장

생화학적

광화학적

전기화학적

용매

작동유체

열전달CO2

비변환 이용

변환 이용

017

CO2 EOR 기술

오일회수증진(Enhanced Oil Recovery, EOR)은 고갈 또는 고점도

유전에서 CO2의 주입으로 오일의 회수 수율을 증진시키는 기술을 말한다.

아울러 CO2 EOR은 CO2를 지하에 안전하게 저장함으로써 대기 중으로

방출되는 CO2를 격리할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이 기술은 1972년

이래 오일 산업에서 시행되어 왔으며, 2006년 미국에서 EOR 프로젝트에

의해 전체 65만 배럴/일의 오일이 생산되었다. 이는 미국 전체 오일 생산량의

약 13%에 해당한다[10].

일반적으로 CO2는 생산 유정 주위에 뚫어진 수많은 주입정을 통해 유전에

주입된다. 최소 혼합 압력(minimum miscibility pressure, MMP) 이상에서

CO2와 오일은 함께 혼합되어 오일이 오일 생산정으로 보다 쉽게 흘러들어갈

수 있게 해준다. 또 CO2 혼입으로 오일을 팽윤시켜 점도를 낮추어준다.

CO2 EOR은 40년 이상 오일과 가스 산업에서 사용되어 왔지만, 최근에야

이것이 탄소 격리방법으로서의 잠재력이 있음을 깨닫고 연구되고 있다. 유전의

성숙과 유가의 상승으로 이 자원회수방법은 점점 매력을 끌고 있다. 미국은

전세계 CO2 EOR의 약 96%를 수행하고 있으며, CO2 EOR 기술의 개발과

이용을 선도하고 있다. 현재 미국에서는 연간 4,800만톤의 CO2가 EOR에

사용되고 있다. 미국 DOE의 추산에 의하면 미국과 캐나다의 고갈 유정과

가스정을 합쳐 820억톤의 탄소를 격리시킬 잠재력을 갖고 있다고 한다[10].

그림 4 | CO2 EOR 공정의 개략도[10]



CO2 EOR의 이점은 첫째, 당초 오일과 천연가스를 가두고 있던 지질

구조의 완전성이 유지되는 한 주입된 CO2를 영원히 가둘 수 있다는 것이고,

둘째, 고갈 및 운전 중인 오일 및 가스전이 널리 분포되어 있어 유전이 CO2

배출원에 가까이 있을 확률이 높다는 것이다. 그러나 저장된 CO2가 대기와

생물권으로부터 고립된 채로 수천년간 남아 있는지, 또 저장 프로세스가

안전하고 경제적으로 실행가능한 것인지에 대해서는 향후 심층 연구가

필요하다.

화학 원료로 이용

이산화탄소(CO2)는 표준상태에서 열역학적 및 화학적으로 안정한 분자이기

때문에 대기 중에 오래 동안 존재한다. CO2는 화학적 변환에 의해 경제적으로

유용한 화학제품(메탄, 메탄올, 요소, 포름산, 무기·유기 카보네이트,

폴리카보네이트, CO2 폴리머, 카르복실산, 카바메이트 등)이 얻어지는데,

CO2가 반응성이 낮아서 이를 위해서는 외부 에너지의 공급이나 고 활성

촉매의 사용이 필요하다. 이에 필요한 에너지를 풍력이나 태양광 등의

재생에너지원에서 해결하려는 노력이 진행 중이다.

전체 CO2 배출의 약 10%는 화학물질의 사용에 기인하며, 나머지는 에너지

제품으로부터 파생된다. 그래서 모든 화학물질이 CO2로부터 생산된다면

방출된 CO2의 10%가 리사이클이 가능하고 화학제품의 탄소 중립적(carbon-

neutral) 사용이 달성된다. 불행히도 이러한 상황은 여러 가지 이유로

달성하기 불가능하다. 그 가운데 대표적인 것이 에너지 비용 문제이다.

그래서 현실적으로 회피될 수 있는 CO2 전체량은 7%로 추산되며, 이것이

중단기적 CO2 이용의 기여를 나타낸다[8]. 그러나 CO2를 에너지가 풍부한

제품(연료)으로 전환할 수 있는 효율적인 기술이 개발된다면, 훨씬 많은

양의 CO2가 사용 가능한 제품으로 변환될 수 있다. 이것은 탄소배출농도

제로(zero) 달성과 함께 화학제품과 에너지 생산에 있어 보다 의미 있는

결과가 될 것이다. 요컨대, 이산화탄소 활용에 대한 투자의 추동력은

전통적으로 석유화학원료에 의존해온 연료와 화학제품의 공급 안정성을

확보할 수 있다는데 장점에 있다.

019

조류(algae) 재배에 이용

CO2의 생물학적 고정화(biofixation)는 녹색 식물이나 조류(algae)의

광합성에 기반한다. 조류는 육상 농작물에 비해 높은 바이오매스 생산성을

나타내며 비경작지에서도 재배될 수 있다. 또 많은 종들이 염수나 폐수에서도

잘 자랄 수 있다. 이러한 특성으로 인해 조류 바이오매스는 화석연료 기반의

제품을 대체해 바이오 오일, 단백질, 고부가 화학제품, 식품 및 사료, 비료

및 연료와 같은 제품을 지속적으로 제조할 수 있다. 조류는 에너지원으로서

태양광, CO2 및 무기 영양물질[주로 N-화합물(NO3-, NH4

+)과

인산염(phosphate)]을 사용한다. CO2 공급원으로서 고농도의 배가스를

이용할 수 있으며, 조류 바이오매스 1톤당 약 0.5톤의 탄소(CO2 1.8톤)가

고정화될 수 있다. 실용적인 대규모 조류 재배를 위해서는 설비비용 및 소요

에너지의 저감, 상당한 R&D 투자가 필요하다.

광물의 탄산화

CO2의 무기화(inorganication)는 적어도 잠재적으로는 장기적으로

다량의 CO2를 안전한 화학물질의 형태로 저장할 수 있는 기술이다. 물론

그러한 방법은 산업공정으로부터 나오는 잔여 무기 산화물과 슬러지가

CO2의 고정화에 사용될 수 있는 상황에서 특히 환영받을 수 있다.

광물 탄산화(mineral carbonation)는 광물(대부분 칼슘 또는 마그네슘

실리케이트)을 CO2와 반응시켜 비활성인 칼슘 또는 마그네슘 탄산염으로

만드는 것을 의미한다. 생성된 탄산염은 안정하여 물에 잘 녹지 않으며 대기

중 CO2의 방출이 불가능해 환경적으로도 무해한 광물이 되므로, CO2의

영구한 저장 해결책을 제공할 수 있으며, 또한 고형 탄산염은 건축재료

등으로 사용될 수 있다. 지구상의 Ca, Mg 광물 매장량을 볼 때 CO2의 잠재적

수용능력은 크지만, 상업적 규모로 의미 있는 광물 탄산화를 위해서는 탄산화

공정의 반응속도를 높이는 것이 관건이다. 이를 위해서는 열, 압력, 광물의

화학적 및 기계적 전처리(분쇄)에 많은 비용과 에너지를 필요로 하며, 광물의

수송비용과 광물 채굴시의 환경 문제가 고려되어야 한다.



CO2 이용 기술의 개발동향

CO2는 유독 물질이 아니기 때문에 잘 제어된 이용 조건에서는 심각한

문제점을 야기하지 않는다. 특히 CO2는 소화(extinguishing) 성질이 있기

때문에, 고압 하에서도(CO2가 초임계 유체로서 용매나 시약으로 사용될 때

압력이 30~40 MPa임) 연소 위험은 거의 제로이다. 따라서 CO2는 안전한

시약 또는 용매로 간주될 수 있다. CO2는 여러 가지 소스로부터 다양한

가격으로 얻어질 수 있다. 자연 정호(自然井戶, natural well)가 순도 99%

이상의 CO2의 중요하고 값싼 소스(15~20 유로/톤)이지만[8], 이 소스는

영구적이지 않다. 따라서 발전 플랜트나 산업 공정에서 회수된 CO2의 사용이

대체안으로 권장된다. 포집된 CO2는 원 소스에 따라 순도가 다양하기 때문에,

식품산업 등 특정 응용을 위해서는 고도의 정제가 필요하다. 이 정제 단계는

CO2 가격에 추가적인 영향을 미친다.

독일, 미국, 호주 등은 이미 CO2 이용기술의 연구 개발에 많은 투자를

해오고 있다. 특히 독일은 이 분야에 상당히 앞서나가고 있으며, 현재 연방

자금이 탄소포집·저장(CCS)에서 탄소포집·이용(CCU)으로 옮겨가고 있다.

과 에 CO2 이용 기술의 개발에 관 국내외 동향을 정리하였다.

표 3 | 국외의 CO2 이용 기술 연구 예

국가 주관기관 연구 내용

독일

Bayer

• 독일 정부의 지원(1,780억원)으로 RWE Power(석탄화력발전소), Siemens와

공동으로 “Dream production" 프로젝트를 추진 중이며, 2011년 2월 RWE의

CO2를 포집해 바이엘의 촉매를 사용해 직접 폴리우레탄(단열재)을 제조하는

파일럿 플랜트 건설, 2015년 상업화를 목표.

Cyano

Biofuels

• CO 2와 햇빛을 공급하여 직접 바이오에탄올을 생성할 수 있는

cyanobacteria(blue-green algae)를 개발하고, 미국 Algenol과 협력하여

10만 m2 규모의 조류 바이오 연료생산 시설을 텍사스에 건설할 예정.

BASF

• 독일 연방교육연구부(BMBF)로부터 2년간 100만 유로를 지원을 받아

EnBW(전력기업), 하이델베르그 대학, 칼스루에 공대(KIT)와 공동으로 광촉매

공정을 통해 태양에너지로 이산화탄소와 물을 반응시켜 메탄올을 생산하는

‘Solar2Fuel' 프로젝트를 추진 중.

미국

Sandia

National

Lab.

• 1조 500억원을 들여 태양광과 이산화탄소를 이용해 석유대체의 합성 디젤

연료를 제조하는 S2P(Sunshine to Petrol) 프로젝트를 진행 중.

Lawrence

Berkley

National Lab.

• DOE의 지원을 받아 2011년 Caltech과 함께 인공광합성공동연구센터를

설립하고 물, 이산화탄소, 햇빛으로부터 가솔린 대체 연료를 제조하는

기술을 연구 중. 2015년까지 프로토타입 개발 완료, 2020년 상용화를 목표.

021

국가 주관기관 연구 내용

미국Albemarle ,

Novomer

• DOE의 지원을 받아 2013년 A lbemar le Corp . (신소재제공)와

Novomer(신촉매제공)는 공동으로 이산화탄소와 에폭시드의 공중합

반응으로 폴리프로필렌카보네이트(PPC)의 대규모 생산에 성공. 생산된

폴리머 중량 중 40%이상이 CO2임.

영국

Novacem• Rio Tinto(석탄기업), Laing Oʼourke(건설사)와 공동으로 이산화탄소를

활용한 시멘트 생산 기술을 개발하고 상용화 추진중.

Newcastle

University

• 2009년 마이클 노스 교수팀은 60℃, 대기압에서 이산화탄소(발전소

배가스)와 옥시렌을 반응시켜 에틸렌카보네이트로 전환시키는 촉매 개발에

성공.

네덜

란드DSM

• 화학회사인 DSM은 이산화탄소 기반 폴리카보네이트 제품 생산기술을

보유한 노보머(Novomer)와 공동으로 친환경 코팅소재를 개발 중임.

호주Global CCS

Institute

• CCS 연구와 함께 CO2 활용 연구. 호주 정부는 Calera mineralisation

project에 4천만 호주 달러를 투자하여 Yallourn 발전소에서 포집된 CO2를

사용해 시멘트와 골재를 제조할 예정

일본

미쯔이

케미컬

• 자체 석유화학플랜트에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 수소와 반응시켜

메탄올을 생산하는 기술을 개발. 현재 대량의 수소를 확보하기 위해

인공광합성 기술을 개발 중.

Asahi

Chemicals

• 독성물질인 포스겐을 대체하여 이산화탄소를 주석 착체 촉매하에서

알콜과 반응시켜 탄산에스테르를 합성하고 디아민과의 반응으로

폴리우레탄 원료인 이소시아네이트를 합성. 방향족 PC의 원료인

디페닐카보네이트(DPC) 제조도 성공. HDI 개발 진행중.

중국

CAS

창춘응용

화학연구소

• 1999년 이산화탄소 중합체 합성 촉매(희토류3차원촉매) 개발. 2004년 2월

Mengxi 그룹과 제휴하여 3천톤급 이산화탄소 중합체 생산 라인 구축.

CAS 상하이

유기화학연구소

• 2013년 이산화탄소로부터 금속 유기 루테늄 촉매를 사용하여 메탄올과

에틸렌글리콜을 합성하는 새로운 프로세스를 개발.

표 4 | 국내의 CO2 이용 기술 연구 예

주관기관 연구 내용

한국남부발전

• 2011년 동광화학(전남 담양)과 ‘CO2 Village 사업’ 협약을 체결하고. 발전소에서

배출되는 CO2를 농작물 재배사업 등에 공급. 딸기, 토마토, 참외, 파프리카 등

농작물의 CO2 강화재배에 연간 200만톤의 이산화탄소 공급 예정.

• 2011년부터 엔엘피, KAIST, 생명공학연구원, 에너지기술연구원, 부산대학교

등과 함께 발전소에서 배출되는 온배수와 CO2를 이용해 미세조류 바이오매스의

양산 및 바이오디젤 생산 통합시스템 실증연구 진행 중. 1단계로 하동화력에

1만2000㎡ 규모의 미세조류 실증연구 단지와 바이오오일 파일럿 플랜트 건설.

한국지질자원

연구원

• 비료공장과 화력발전소에서 나온 폐석고를 이산화탄소와 암모니아에 반응시켜

황산암모늄과 탄산칼슘으로 만들어, 황산암모늄은 질소계 비료로, 탄산칼슘은

산업용 원료로 재활용하는 기술 개발.

• 류경원 박사팀은 석면의 인체 위해성을 제거하는 데 이산화탄소를 활용하는

기술을 개발.

•2000년대 중후반부터 광물 탄산화 연구 수행 중.



주관기관 연구 내용

한국해양연구원

• 2011년 롯데건설, 애경유화, 호남석유화학과 공동연구 계약을 체결하고, 미세조류

배양액으로부터 바이오디젤 등 유용물질개발을 추진. 2013년까지 10ha 규모의

바이오 연료 생산단지 조성 예정.

아주대

• 2008년 분자과학기술학과 이분열 교수팀은 이산화탄소와 프로필렌옥사이드의

반응으로 친환경 플라스틱 개발. 아주대와 SK에너지는 촉매기술 특허이전 및

연구협력 계약으로 상용화 추진.

경희대

• 화학과 김훈식 교수팀은 맹독성 물질인 포스젠을 이산화탄소로 대체하여 환경 친화성

헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI) 합성에 성공. 이소시아네이트(isocyanate)는

폴리우레탄의 원료로 사용.

KAIST• 양지원 교수팀은 이산화탄소를 이용하여 클로렐라 같은 미세조류로

바이오디젤을 생산하는 연구를 진행 중.

고려대

• 2011년 심상준 교수팀이 미세조류를 활용해 이산화탄소 저감과 고부가가치의

이차대사산물을 생산하는 미세조류 반응기 및 배양 공정 기술의 개발에 성공.

고려대와 한국지역난방공사는 ‘미세조류 활용 CO2 저감 및 바이오연료 생산기술’

협력 협정 체결.

• 2012년 구만복 교수팀이 ‘탄산무수화효소(Carbonic anhydrase)’를 이용해

이산화탄소로부터 생촉매 기능을 지닌 탄산칼슘 결정복합체를 개발.

연세대

• 2013년 환경공학과 전병훈 교수팀이 초음파를 이용해 폐수 중의 미세조류에서

당분을 추출하는데 성공. 추출된 탄수화물은 혐기발효에 의해 수소나 바이오

에탄올의 생산에 사용됨.

포스텍

• 2012년 화학공학과 차형준 교수팀은 '나이세리아 고노레아'라는 미생물의 효소를

이용해 탄산무수화효소(carbon anhydrase)의 대량 생산방법을 개발함. 이로부터

이산화탄소를 다양한 탄산화합물로 전환하는 것이 가능해짐.

포항산업

과학연구원

• 2009년 환경부의 의뢰로 CO2 광물 탄산화 기술의 국내 기술개발 타당성에 대한

연구용역을 수행.

기타

• 2011년 KOREA CCS2020사업의 지원을 받아 아주대, 서울대를 중심으로

‘이산화탄소의 폴리카보네이트/폴리에스터로의 혁신적 전환 촉매기술’개발을

진행 중.

023

CO2를 이용하면 유용한 화학제품을 생산할 수 있다



2 0 1 3

정 보 분 석

보 고 서

Ⅲ


CO2 소스

이산화탄소는 요소 등 화학물질 제조 원료, 냉동 시스템 냉매, 식품포장용

불활성화제, 음료 함유물, 용접 시스템용 가스, 소화제 함유물, 수처리

공정 중화제, 원예재배용 가스, 제지산업용 침전 탄산칼슘 등 많은

용도를 가지고 있는 소중한 산업용 가스이다. 다량의 이산화탄소가 또한

오일회수증진(EOR)에 사용되고 있다. 따라서 산업계나 연구그룹에서 CO2

이용 공정에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.

산업에 사용되는 CO2는 전체량의 16%가 자연 정호(natural well)로부터

추출되며, 66%는 산업공정(발효 공정 등)에서 회수되며, 나머지 18%는

천연 칼슘 탄산염의 열분해로부터 생산된다. 회수되는 CO2의 상당 부분은

상업적으로 중요한 화학제품(주로 요소, 메탄올)을 제조하기 위해 제조

현장에서 사용된다. 회수된 CO2의 일부는 다른 산업적 용도를 위해 정제,

액화, 수송되어 대부분 액체(보통 20기압, –8°C)로서 저장된다[11].

자연정호의 CO2는 상대적으로 고순도(순도 99% 이상)여서 식품산업에

CO2를 이용하면 유용한

화학제품을 생산할 수 있다

025

사용된다. 그러나 발전소나 산업공정에서 회수된 CO2는 자연정호나 Ca, Mg

탄산염에서 추출된 CO2 보다 순도가 낮아서, 고순도를 요구하지 않는 분야에

응용된다. 고순도 필요시에는 CO2가 정제되어 사용된다.

CO2의 산업적 소스에는 합성비료 및 수소 플랜트로부터 화학적,

물리적으로 용매 시스템을 통해 회수되거나, 에틸 알콜 생산을 위한

당(sugar, dextrose, C6H12O6)의 발효 공정의 부산물로 생성되는 고순도

CO2가 있다. 그러나 사탕수수 발효 등은 생산의 계절성으로 인해 잠재적 CO2

이용자에게 연간 공급이 보장되지 않는다.

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

또 산업용 CO2는 석회석(limestone, CaCO3)을 소성하여 석회(lime,

CaO)를 제조하는 킬른(kiln) 공정으로부터 얻어지기도 한다.

CaCO3 → CaO + CO2

CO2의 산업적 응용

이산화탄소는 기상, 액상 또는 고상 형태로 다양한 산업부문에 사용되고

있으며, 각기 다른 순도의 CO2가 요구된다. 는 CO2가 각 산업부문에서

현재 사용되고 있는 CCP(climate change potential, 기후변화지수)가

높은 화학종이나 대체될 수 있는 유기용매의 구체적 예를 나타낸 것이다.

통상 복잡한 분자구조의 이들 화합물은 합성에 많은 에너지를 필요로

하며, 또 많은 양의 유기/무기 폐기물의 발생과 함께 소각·처분 시

상당량의 CO2를 방출한다. 이러한 화학물질은 폐기물 발생지수(waste

factor)가 거의 100(생성물 1톤당 100톤의 폐기물 발생)에 가까우며, 또

지구온난화지수(GWP)가 CO2의 1,300~3,800배에 이른다. 그러므로 CO2로

이러한 화합물을 대체하는 것은 환경적, 경제적 관점에서 매우 이득이다.

예를 들어, 드라이클리닝 및 에어컨 냉각 가스에 사용되는 perchloro-

ethylene(PERC, 약 300만톤/년)을 CO2로 대체하면, PERC 합성에 필요한

Ⅲ. CO2를 이용하면 유용한 화학제품을 생산할 수 있다


에너지를 절감해 약 200만톤/년의 CO2를 삭감할 수 있다[12]. 또 자동차나

고정식 에어컨의 유체인 R-134(3,300톤/년)를 CO2로 대체하면 연간 410만톤

CO2의 배출을 저감할 수 있다. IPCC 추산에 따르면 빌딩 냉방에 CO2가

사용되면 연간 22억톤의 CO2가 저감될 수 있다고 한다. 그러므로 에어컨

유체로서 CO2의 사용은 대기중 CO2 배출 저감에 상당한 기여할 수 있을

것으로 기대된다.

표 5 | CO2의 산업적 응용 예[8,12]

응용 부문 세부 응용 사용 및 대체대상물질

식품산업

식품가공 및 보존 고순도 CO2 사용

탄산 음료 고순도 CO2 사용

카페인 추출 헥산 대체

농업

사일로의 훈증제 비독성 살충제로 사용

관개용수의 첨가제 토양 pH 조절로 원소 유동성 향상

온실에 사용600 ppm CO2 농도에서 바이오매스 수율

20%까지 증가

수처리알칼리 산업폐수 및 공정

용수의 중화무기산(황산 등), 유기산 대체

화학산업

고무, 플라스틱 발포제 고도의 복잡 구조 화합물 대체

방향제 추출 헥산 대체

반응 용매 다양한 유기화합물 대체

고분자 중합 용매 유기 용매 대체

나노물질 제조 유기 용매 대체

금속 산업 용접, 몰딩, 제조 공정 고활성 방진제 및 냉각 가스로 사용

기타 응용

기계산업 고 CCP 유체 대체

전자제품 세정제 불소화 용매 대체

소화기의 소화제 난연제 대체

에어컨디셔닝 자동차, 에어컨의 냉각 가스(불화 탄화수소) 대체

드라이클리닝 염소화 용매 대체

CO2의 화학산업 부문의 사용량은 연간 약 1억 1,800만톤으로 나타나고

있다(). EOR(석유회수증진)은 오일 생산의 증가로 경제적 이익을

창출하고 CO2를 장기간 저장할 수 있는 방법이기 때문에, EOR에서 CO2

처리량이 수년내 극적으로 증가할 것으로 예측된다. 은 CO2의

화학산업 부문의 응용과 사용량을 나타낸다(EOR은 제외). 표에서 수명은

제품에 저장된 탄소가 CO2로 분해되어 대기 중으로 방출되기 전까지의

대략적인 기간을 말한다.

027

표 6 | CO2의 화학산업 응용과 사용량[12]

응용

(화학합성, 기술공정)

시장 규모

(백만톤/년)

CO2

사용량

(백만톤)

CO2

소스제품 수명

요소 98 72 산업공정 6개월

안료(대부분 무기안료) 30 20 천연탄산염 수십년

2-OH-벤조산 및 4-OH-벤조산 0.4 0.1 산업공정 1년~수십년

메탄올 35 7 산업공정 6개월

탄산염(모노머 및 폴리카보네이트) 2 0.2산업공정

자연정호수십년~수백년

기술 공정 11 11 자연정호 수개월~수년

식품 8 8 자연정호 수개월~수년

산업응용별 CO2 사용량은 대체로 kt(천톤) ~ Mt(백만톤) 범위이다.

여기서 주의할 점은 CO2 배출저감과 CO2 사용량 사이에는 직접적인 관계가

없다는 것이다. CO2는 요소, 안료, 2-OH-벤조산(아스피린) 또는 4-OH-

벤조산(혁신 물질)과 같은 일부 화학물질에 대해서는 유일한 합성 방법이

되고 있다. 따라서 이러한 맥락에서 보면 BAU(온실가스 배출 전망치)

시나리오에서 화학시장에서의 CO2 사용은 확대될 것으로 예상된다. 그러나

모든 경우에서 CO2를 사용한 생성물 제품은 성질과 사용에 따라 서로 다른

시간차를 두고 CO2를 방출되게 된다. 즉, CO2로부터 제조된 화학제품은

수십년 지속되는 폴리머를 제외하고는 사용 시 단시간 내에 CO2를

재생성하게 된다. 따라서 CO2의 화학적 이용에서 가장 중요한 점은 사용되는

CO2의 양이 아니라, 물질과 에너지의 이용을 저감할 수 있는 혁신적 기술의

도입이라 할 수 있다.

CO2 를 이용한 화학제품 합성

CO2의 화학적 이용 잠재력

전이금속 착체 Ni(CO2)(PCy3)2의 발견 이래 CO2 화학에 대한 연구가

시작되었으며, 1970년대 말과 1980년대에 CO2 변환과 관련한 반응

메커니즘이 많이 연구되었다. 그러나 불행히도 이 초기의 학문적 열정은



산업 투자에 의해 뒷받침되지 않았다(당시는 CO2 배출과 폐기물 저감에

대한 규제가 없었다). 따라서 그 후 수십년간 연구개발이 감소했으나, 오늘날

CO2에 대한 관심이 다시 새로워지고 있다.

CO2로부터 합성될 수 있는 여러 가지 화학물질의 예가 에 나타나

있다. 에서 일부 화학제품(루트 A, B를 통한 카르복실산염, 탄산염,

카르밤산염의 생성)은 반응물 중에 CO2 분자가 혼입됨으로써 얻어진다.

그러한 화학제품은 에너지 함량이 낮아 반응이 실온 또는 그 이하에서 일어날

수 있다. CO2가 다른 C1 분자(일산화탄소, 메탄, 메탄올, 포름산 등) 또는 Cn

분자(옥살산, 에틸렌, 폴리머 등)로 변환되는 공정(루트 C, D)은 일반적으로

CO2 환원을 위해 고효율 촉매 시스템과 추가 에너지를 필요로 한다[11].

이상과 같이 CO2는 카르복실산염(carboxylates), 에스테르(esters),

락톤(lactones), 탄산염(carbonates), 카르밤산염(carbamates),

폴리머(polycarbonates, polyurethane) 등의 합성에 유용하며 화학산업의

당면 문제를 해결하고 지속가능한 산업발전에 기여할 것으로 주목된다. 그 외

CO2는 중간 정도의 산화제 또는 탈수소화제로서 탄화수소를 전환해서 수소와

유용한 올레핀을 생산할 수 있다.

그림 5 | CO2의 화학물질 합성 응용[8,13]

029

유기 카보네이트(carbonates), 카바메이트(carbamates) 및

이소시아네이트(isocyanates)의 합성

카르복시화 반응(carboxylation)에 있어 CO2 성분이 -COOR(carboxy

lates, esters, lactones), N-COOR(carbamates), NCO(isocyanates,

ureas) 및 ROCOOR(carbonates)을 함유하는 분자 또는 고분자

화합물(polycarbonates, polyurethane)에 혼입된다. 이 모든 경우에 있어

생성물은 출발 화합물보다 C/H 비가 높게 되며, 반응은 에너지 측면에서

유리하다[12]. 또 이들 화합물을 제조하는데 CO2를 사용함으로써 맹독성인

포스겐(phosgene)의 사용을 피할 수 있다는 장점이 있다.

CO2 생성의 자유에너지 (ΔG=-96.5 kcal/mol)는 CO2의 변환에 많은

에너지 투입이 필요함을 시사한다. 카르복시기(-COO) 성분이 생성물에

혼입되는 카르보닐화 반응은 실제로 많은 에너지 투입이 필요하지 않거나

발열반응이다. 카르복시기(-COO) 성분을 일단계 촉매공정으로 유기화합물

기질에 도입하는 것은 합성화학에서 가장 까다로운 반응 중의 하나이다.

지금까지 단 하나의 공정만이 상업화되어 있다(분자상 유기 탄산염 또는

폴리머를 제조하기 위한 에폭사이드의 카르복시화). 은 CO2에

기반한 카르복시화 반응 네트워크를 나타낸다[13].

그림 6 | CO2 기반의 carboxylation reactions[13]



에폭사이드(epoxide)의 카르복시화 반응과 카보네이트(carbonates,

탄산염)의 아미노화 반응(aminolysis)은 이미 잘 확립되어 있지만, 다른

프로세스들은 개발 단계에 있다. 카보네이트는 합성상의 유리한 열역학과

용매, 시약으로서의 폭넓은 용도 때문에 CO2 이용을 위한 좋은 대상 분자라

할 수 있다. 아래 반응식 (1)~(3)은 dimethylcarbonate(DMC, (CH3O)2CO)

합성을 위한 1, 2, 3 세대의 공정을 나타낸다. 여기서 CO2를 이용하는 방법(식

3)이 유리한 전략이다. 이는 원자 경제(atom economy: 반응물의 모든 원자가

최종 생성물에 최대한 포함됨)를 따르는 청정 공정이기 때문이다. R=CH3인

경우, 원자 효율은 (식 1)에 대해서 54.5%, (식 2, 3)에 대해서는 80%이다.

물이 유일한 공 생성물(co-product)이며 반응이 선택적이다(선택도=100%).

열역학적 문제 때문에 반응은 약간 왼쪽으로 이동한다. 평형을 오른쪽으로

이동시키기 위해서는 새로운 촉매와 반응기가 필요하다.

COCl2 + 2ROH + 2NaOH → (RO)2CO + 2NaCl + 2H2O (1)

CO + 1/2O2 + 2ROH → (RO)2CO + H2O (2)

2ROH + CO2 → (RO)2CO + H2O (3)

에폭사이드(epoxide)와 CO2를 적절한 촉매가 있는 상태에서 반응시켜

폴리머가 얻어진다. 에폭사이드로는 porpene oxide, cyclohexene

oxide 등이 사용되고 있으며, 촉매로는 아연 화합물 또는 Al-

porphyrin 착화합물이 사용된다[12]. 특히, 폴리우레탄(polyurethane)과

폴 리 카 보 네 이 트 ( p o l y c a r b o n a t e ) 의 합 성 에 있 어 맹 독 성 인

포스겐(phosgene)의 사용을 피하기 위해 CO2를 사용하는 공정이 산업적으로

활용되고 있다. 폴리카보네이트와 폴리우레탄은 CO2로부터 유도된 장수명

제품의 하나이다. 폴리카보네이트는 여러 산업 부문에서 사용되고 있으며,

현재 세계 소비량은 약 270만톤/년으로 시장이 확대되고 있다. 만약 모든

폴리카보네이트 제조가 CO2 기반 공정으로 대체된다면 CO2의 직접 소비량은

약 60만톤/년이 될 것으로 예상된다. 유사하게, 전세계 모든 폴리우레탄

공정이 CO2 기반 공정으로 전환된다면, 직접적인 CO2 소비량은 약 270만톤/

031

년이 될 것으로 추정된다.

은 독성 물질인 포스겐(시장 규모 8백만톤/년 이상)을 대체하는

CO2 기반의 반응 네트워크를 나타낸다. 일부 국가에서는 포스겐의 사용이

금지되어 있기 때문에 이를 CO2로 대체하는 것은 큰 관심이 되고 있다.

카보네이트 중에는 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC),

디알릴카보네이트(DAC), 디페닐카보네이트(DPC)가 가장 흥미로운

물질이다. DMC(약 10만톤/년)는 화학, 의약 및 전자산업에서 사용되고 있다.

DMC의 새로운 대형 시장(3000만톤/년)이 가솔린 첨가제에서 나타나고

있다. 이들 카보네이트는 포스겐(COCl2) 대신 CO2를 사용해 메탄올을 직접

카르보닐화함으로써 얻어질 수 있다( 루트 d). DPC와 DAC는

고분자 산업에 사용되며 현재 이들의 합성방법 또한 포스겐(phosgene)에

기반하고 있다. 이상 언급한 유기 카보네이트의 합성 외에도,

카바메이트(carbamates, 루트 i)의 합성도 큰 관심사이다. 카바메이트는

이소시아네이트(isocyanates)와 카보네이트(carbonates) 제조를 위한

중간체이기 때문이다.

요소(urea, 루트 f)의 이용 또한 카보네이트와 우레탄의 합성을 위해 관심을

끌고 있다. 요소(urea, (NH2)2CO)는 우레탄, 카보네이트((RO)2CO)의 기초

화학소재로서 새로운 용도가 개발되고 있다. 따라서 CO2의 상당한 활용이

기대된다(식 4, 5). 반응에서 생성된 암모니아는 리사이클되어 요소로 변환될

수 있다.

H2NCONH2 + ROH → H2NCOOR + NH3 (4)

H2NCOOR + ROH → (RO)2CO + NH3 (5)

유사하게, 카보네이트는 1차 또는 2차 아민과의 아미노화 반응에

의해 카바메이트 합성을 위한 출발 물질로 사용될 수 있다. 다른 잠재적

응용처로는 이소시아네이트 및 폴리에스테르(CO2-ethene 또는 CO2-

propene 공중합체)로부터 폴리우레탄의 합성이다. 이들 폴리머는 큰 시장을

형성하고 있다.



그림 7 | CO2로부터 carbamate, carbonate 및 isocyanate의 합성[12]

카르복시산염(Carboxylate)의 합성[13]

카르복시 산 및 그 유도체를 제조하기 위해 유기 기질을 직접 카르복시화(car

boxylation)하는 것도 CO2 이용의 흥미로운 부분이다. 이들 반응은

실온에서 CO2 고정화를 촉진하는 잔류 전리 방사선(residual ionizing

radiation)을 사용해 시도되고 있다. 이 기술의 응용에는 탄화수소로부터

카르복시산염(carboxylate, -COOR)의 직접 합성과 초임계 CO2(sc-CO2)와의

중합이 있다. 활성 C-H 결합의 카르복시화 반응은 카르복시화 이온성

액체(carboxylated ionic liquid)를 사용해 실온에서 100% 선택도로 달성되고

있다. 의약품, 아미노산 및 비대칭 화합물(asymmetric compound)과 같은

화학품은 시장규모가 작지만(수천톤/년) 고가의 특수 화학제품은 복잡한 경로를

통해 합성되는 경향이 있으며, 많은 폐기물(목표 생성물 질량의 약 50배)을

생성한다. 그래서 CO2 기반의 전기화학적 합성이 매력적 대안이 될 수 있다.

CO2를 이용한 에너지·연료 제조

이산화탄소는 추가적인 에너지를 투입해 탄소기반의 액상 연료를 생산하는

원료 물질이 될 수 있다. CO2는 이들 화합물 중에서 환원된 형태 즉 알콜이나

033

탄화수소로 존재하며, 에너지원으로서 화학시장보다 더 큰 시장을 갖고

있다. 이러한 화합물들에서는 C/H 비가 CO2 혼입 시 감소하는데 이는

수소가 반응에 사용되고 있음을 의미한다. 여기서 의문은 수소가 어디서

만들어지는가이다. 수소의 소스는 화석연료(탄화수소나 석탄)여서는 안 된다.

수소 제조 시 CO2가 생성되어 전체 합성공정을 무의미하게 만들기 때문이다.

물이나 바이오매스와 같은 외부 소스가 사용되어야 한다. 예컨대, 가솔린이나

메탄올 제조에 수소와 CO2를 원료로 사용할 수 있는데, 이때 수소는 수력,

원자력, 태양에너지 또는 풍력을 사용해 물로부터 제조될 수 있으며,

이산화탄소는 화석연료 발전 플랜트로부터 얻어질 수 있다.

CO2 환원 형태 중에서 메탄올은 연료, 중간체 또는 수소 저장

매개체(연료전지에 사용) 등으로 사용이 고려될만 하다. 지난 20년간 CO2의

촉매적 수소화를 위해 100% 선택도와 높은 전환율을 갖는 촉매의 개발에 큰

진전이 있었다. 메탄올 합성에 있어 CO에 비해 CO2가 더 좋은 성능을 보이고

있다. 이는 반응식(6)이 반응식(7)보다 덜 수소를 요구함에도 불구하고,

CO2는 합성가스(Syngas, H2-CO)에 첨가되어(탄소(C)로서 최대 30%까지)

에너지 소비와 CO2 배출을 줄이고, 전반적인 에너지 효율(CO2 66.5%, CO

64.3%)과 생성물 수율(CO2 50%, CO 42.3%)을 향상시키기 때문이다[12]. 또

다른 방법은, 포집된 CO2와 태양에너지를 이용한 물의 전기분해로부터 얻은

수소를 사용하는 반응(7)이다[11].

CO + 2H2 → CH3OH (6)

CO2 + 3H2 → CH3OH +H2O (7)

합성가스(H2-CO)는 다음의 3가지 방법에 의해 메탄(천연가스)의 개질이나

부분산화로부터 제조될 수 있다.

CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2 ΔH0298= -36 kJ/mol : 부분산화 (8)

CH4 + H2O → CO + 3H2 ΔH0298= +206 kJ/mol : 스팀개질 (9)

CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 ΔH0298= +247 kJ/mol : 건식개질 (10)



이 세 반응의 조합을 ‘tri-reforming’(삼중개질)이라 부르며, 반응식(10)은

CO2 개질 또는 ‘dry reforming’(건식개질)이라 불린다. tri-reforming은

석탄화력, LNG 화력 발전소의 배가스를 직접 사용할 수 있기 때문에 CO2

분리 비용(에너지 및 경제적) 문제를 피할 수 있다. 여기서 중요한 문제는

900K 이하의 온도에서는 코크스가 생성된다는 것이다. 따라서 코크스의

생성을 저해하고 고효율을 나타내는 신 촉매가 필요하다. 메탄의 건식개질을

위한 촉매-저온 플라즈마(cold plasma) 방법이 산소-연료(oxy-fuel)의

직접 합성을 위한 유망한 에너지 효율적인 기술로 나타나고 있다. CO2를

합성가스에 첨가하는 것은 스팀개질에 비해 H2 효율을 증가시킨다. Cu-

ZnO 촉매(50kg/day)를 사용해 CO2와 H2로부터 메탄올 합성 실증 플랜트가

일본에 건설되었다[12]. 523K, 5MPa에서 8000시간 운전 시 메탄올 수율은

600g/Lh이고 선택도는 99.9%였으며, 합성가스 변환에 비해 양호한 향상을

보였다. 이 공정은 실리카와 Pd의 첨가로 더욱 향상되었다. 이러한 긍정적

측면에도 불구하고, 화석연료로부터 생산된 H2의 사용은 메탄올 생산을

비경제적으로 만들며 CO2 배출을 저감하지 못한다.

용매 및 시약으로서 초임계 CO2의 이용

초임계 이산화탄소(supercritical CO2, sc-CO2)를 용매나 시약으로

사용하는 것은 폐 유기 용매의 양을 저감할 뿐 아니라 폐 용매의 연소로부터

발생하는 CO2의 방출을 저감할 수 있게 해준다. sc-CO2는 304K(31℃),

7.38MPa(약 74기압) 이상에서 존재한다. 이 고밀도 유체(dense phase

fluid)는 펜탄, 디클로메탄 등의 비극성 유기용매와 유사한 물성을 갖고

있으며, 극성(polarity), 밀도 및 점도는 온도와 압력에 따라 변한다.

sc-CO2는 현재 드라이 클리닝, 화학반응 용매, 방향제 추출, 커피콩의

탈카페인화(decaffeination), 염색, 고분자 개질제, 재료 제조, 초임계 유체

크로마토그래피(supercritical fluid chromatography, SFC)의 이동상(mobile

phase), 폐기물 처리 등 많은 화학적 응용에 사용되고 있다.

이와 관련한 시장은 성장세에 있으며, 시장규모는 곧 수 천만톤/년에

도달할 것으로 전망된다. 일반적으로 유기용매는 공정의 끝에서 증류에

035

의해 회수, 재사용되지만, 재사용 가치가 없을 경우에는 용매 화합물을

연소시키므로 대기 중으로 CO2를 배출하게 된다. 그러나 sc-CO2는 열적

감압(thermal decompression)에 의해 공정의 끝 부분에서 용이하게

회수되며, 다시 압축되어 리사이클될 수 있다. 유기용매의 세계시장이

3500만톤/년 규모이므로, 유기용매가 sc-CO2로 대체된다면 용매 톤당 3톤의

CO2 배출량 감소가 기대된다.

CO2의 화학적 이용 전망

고도의 분자 복합성을 갖는 분자들(의약품, 아미노산, 비대칭 화합물로

waste factor가 약 100임)의 합성은 CO2 기반의 전기화학적 합성이

가장 실현가능한 응용으로 생각되고 있다. H2/CO2로부터 에탄올 및

그 이상의 알콜의 합성을 위한 고효율 촉매가 개발되었지만, 이 공정은

H2가 화석 탄소로부터 생산되기 때문에 경제적이지 않다. CO2/H2O의

연료로의 광화학적 변환은 태양광이 에너지원으로 사용된다면 흥미롭다.

연구자들의 보고에 의하면, TiO2나 SrTiO3와 같은 다양한 반도체 현탁

수용액에 태양광을 조사하면 H2O에 의한 CO2의 환원 반응으로부터

포름산(HCOOH), 포름알데히드(HCHO), 메탄올(CH3OH)이 생성된다고

한다[12]. 이 응용의 걸림돌은 낮은 양자 수율(0.1)이다. 이는 n-propanol,

tertiary amine, 또는 EDTA와 같은 희생 정공 트랩(sacrificial hole

traps)이나 전자 공여체(electron donors)를 사용하여 향상될 수 있다.

그러나 이 방법은 경제적이지 않다. 그래서 개발된 새로운 방법은 CO2의

이중 환원(double reduction)을 위해 특별히 고안된 전이금속 복합체의

사용이다. 실용화를 위해서는 양자 수율이 2% 이상인 새로운 선택적

광촉매가 개발되어야 한다. 개발 중인 흥미로운 것은 바이오기술의

사용이다. 예컨대, CO2는 전자전달(electron transfer) 조건에서 효소의

촉매작용에 의한 일련의 반응을 통해 실온 및 수용액 환경에서 메탄올로

변환될 수 있다. CO2는 먼저 CO나 포름산(HCOOH)로 환원되고, 이어서

포름알데히드(HCHO)로 변환되며 궁극적으로 메탄올(CH3OH)을 생성한다.

여기서 장벽은 환원 반응에서 소비된 ATP를 재생할 필요가 있다는 것이다.



다른 흥미로운 바이오 기술적 방법은, 혐기성 박테리아로부터 추출된

효소인 페놀 카르복실라제(phenol carboxylase)를 사용하여, 페놀의

4-OH-벤조산(폴리머 제조를 위한 모노머)으로의 선택적 카르복시화

반응(carboxylation)에 CO2를 이용하는 것이다[12].

CO2 이용 기술의 평가

CO2 배출 저감에 CO2 이용 기술의 기여도는 전주기평가(Life Cycle

Assessment, LCA)에 의해 정확히 추산될 수 있으며, 다른 방법들은 단지

정성적일 뿐이다. LCA는 일반적으로 생산 시스템의 경제적, 에너지적,

환경적 영향을 평가하는데 편리하며, CO2 기반 공정과 CO2 미사용 공정 간의

비교에 유용하게 사용될 수 있다. 이를 위해 양공정의 각 단계별 에너지 및

물질 밸런스(수율, 선택도, 폐기물 생성 고려)가 필요하다.

CO2 기반 합성법은 발열반응(exoergonic)이다. CO2 기반 반응은

일반적으로 상당한 엔트로피 변화를 수반하기 때문에 자유 에너지가

엔탈피보다 많이 고려되어야 한다. 가공 에너지, 전체 탄소 밸런스, 전체

물질의 양, CO2, 다른 배출가스 등의 양이 최소화될 때 CO2 기반 방법이

에너지 및 환경적 관점에서 보다 유리하다고 예견된다.

은 ethylene carbonate(EC, C3H4O3)의 3가지 합성 경로에

대한 CO2 배출량을 비교한 것이다. EC 합성에 있어, 루트(a)는 ethylene

oxide(C2H4O) → CO2를 이용한 직접 카르복시화 공정(신규상용공정)이며,

루트(b)는 ethylene oxide(C2H4O) → ethylene glycol(C2H4(OH)2)과

phosgene을 사용하는 공정(전통상용공정)이며, 루트(c)는 ethylene

chlorohydrin(C2H5ClO) → ethylene glycol(C2H4(OH)2)과 phosgene을

사용하는 공정(구 공정으로 거의 폐기됨)이다. 에서 보듯이 CO2 기반

공정(a)이 포스겐에 기반한 공정들(b,c)보다 단위 생성물당 훨씬 적은 양의

CO2를 방출한다. 또 독성 요인(phosgene 사용)과 환경적 문제(폐 클로라이드

등)를 고려하면 CO2 기반 공정이 더욱 유리함을 알 수 있다.

037

그림 8 | ethylene carbonate 합성 경로에 대한 CO2 배출량 비교[12]

(a)0.92

6.62

9.89

(b)

(c)

CO2 이용에 의한 CO2 배출 저감 효과

CO2 이용이 CO2 배출 저감에 약 7% 정도 기여하는 것으로 추산되고 있다.

그러한 잠재력은 H2의 소스로서 물을 사용하는 광화학 공정이 개발된다면

증가할 것으로 기대된다. 화학산업에서 CO2 이용의 잠재력은 독성 화합물을

대체하면서 보다 많은 직접 합성법을 개발하는 것에 있다. CO2 배출 저감을

위한 공정 혁신은 최근 산업계에 CO2 이용에 대한 새로운 기회를 제공하고

있다. 다른 저감 기술에 비해 CO2 이용은 비용면에서 유리하다. 이산화탄소의

시장 가격은 순도에 따라 톤당 60~450 달러의 범위이다. CO2 시장은 전

세계 가스 시장의 약 10%로, 연간 27억 달러에 이른다. 그러나 독성 물질과

고 CCP 화합물을 대체하기 위해서는 CO2의 기술적 사용이 대규모로

이루어져야 한다. 이하에 CO2의 화학적 이용이 CO2 배출 저감에 기여하는

것을 정리하였다[11].

(i) 화학적 탄소저장고(carbon chemical pool)는 CO2를 얼마나 저장할

수 있을 것인가?

화학적 탄소저장고의 CO2 저장 잠재력은 앞의 에서 보듯이 전체

산업에 이용되는 CO2 양은 약 1억 1800만톤/년이다. 그중 요소의 생산이

CO2의 가장 큰 소비자로서 전체의 60% 이상을 차지한다. 그러나 이러한 CO2

이용량은 인위적으로 배출되는 전체 CO2 량(2011년 기준 약 350억톤/년)의

단지 0.34%에 불과하다. 따라서 산업 공정에서 포집된 CO2의 이용은 순 CO2

배출 저감에 미치는 영향이 매우 작다고 할 수 있다.



(ii) CO2가 화학적 탄소저장고에 얼마나 오래 저장될 수 있는가?

CO2를 사용하여 제조되는 물질의 수명은 수 시간(메탄올 등 연료),

수개월(요소 비료), 수십년(플라스틱, 라미네이트, 건축재료)으로 다양하다.

이는 CO2의 순 저장이 있다 할지라도 그러한 저장은 제한적임을 시사한다.

(iii) 화학적 탄소 저장고의 배출 저감 기여는 어느 정도인가?

화학공정에서 화석연료 기반의 탄소(탄화수소 등)를 포집된 CO2로

대체하는 것은 어느 정도 가능하다. 그러나 전체 탄소 수지(budget)에는

영향을 미치지 못한다. 탄화수소는 에너지를 공급하고 또 기초소재(building

block)로서 탄소를 공급하는 기능을 갖고 있다. 그러나 CO2는 탄화수소보다

에너지 수준이 낮기 때문에 에너지를 공급할 수 없다. 따라서 대체 에너지가

화석연료로부터 공급되는 한, 순 CO2 배출에는 큰 변화가 없을 것으로

보인다. 만약 대규모 비 화석연료 자원(non-fossil fuel resources)이

풍부하다면 화학합성에서 화석기반의 탄화수소 원료를 CO2로 대체할 수 있을

것이다.

039

CO2로 조류를 재배해서바이오 연료를 생산한다



2 0 1 3

정 보 분 석

보 고 서

Ⅳ


조류 재배를 이용한 CO2 배출 저감

조류 기반의 CO2 포집 개념

CO2를 빨리 성장하는 조류(藻類, algae)에 직접 고정화(biofixation)하는

방법은 대기 중 CO2의 배출 및 축적을 저감하는데 상당히 기여할 수 있으며, 또

하나의 CO2 포집·저장 방법이 될 수 있다. 조류는 태양에너지의 도움으로 물과

포집한 CO2의 광합성 반응을 통해 녹말과 같은 에너지가 풍부한 유기화합물

덩어리(조류 바이오매스)로 변환, 성장한다. 성장한 조류 바이오매스는 유용한

화학제품(메탄, 메탄올, 수소 등), 고부가 바이오제품(카르티노이드(carot

enoid), 아미노산 등), 바이오연료(바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오가스 등

액상 및 가스상 연료)의 생산과, 바이오정화(bioremediation) 공정에 사용될

수 있다[6,11]. 특히 바이오연료(biofuel)는 화석연료를 대체할 수 있어 차세대

재생에너지원으로서 기대가 된다. 는 화석연료의 가능한 대체재로서

바이오매스의 잠재력을 나타내고 있다. 이러한 바이오매스에 의한 인공적

CO2로 조류를 재배해서

바이오 연료를 생산한다

041

광합성 사이클의 수행은 CO2를 리사이클함으로써 자연의 탄소 사이클을

보완하며, CO2 배출 저감에 효과적인 기여를 할 수 있다.

그림 9 | 바이오매스의 잠재력(미국)[8]

석탄23%

천연가스24%

원자력 8%

석유39%

재생에너지 6%

바이오매스 47%수력발전 45%지열 5%, 풍력2%태양광 1%

조류 광합성 바이오매스는 CO2를 장기간 저장할 수 없기 때문에 CO2를 완전

격리(sequestration)하는 방법은 아니다. 바이오매스의 분해 시 이전에 고정한

탄소를 대기 중으로 방출하기 때문에 결과적으로 미세조류 바이오매스는

에너지 저장 매개체(vector)로 간주될 수 있으며, 온실가스(GHG) 감축의

보완적인 방법으로 생각할 수 있다. 그러나 바이오연료의 연소 시 배출되는

CO2를 CCS 기술 등과 연계해 포집·저장한다면, 바이오에너지 생산과 함께

대기 중의 CO2를 순 제거(net removal)하는 효과를 얻을 수 있다. 미세조류는

일반 식물보다 빨리 자라고 기름진 토양이나 정화된 물을 필요로 하지

않으며(폐수의 이용도 가능), 태양에너지 이용효율이 최대 5%까지 이를 수

있고(일반 농작물 바이오매스는 보통 1% 이하), 탄소원으로서 화력발전소 등의

배가스(고농도 CO2 함유)를 직접 이용할 수 있다는 이점이 있다. 이론적 계산에

의하면 1톤의 미세조류는 약 1.83톤의 CO2를 포집할 수 있다(바이오매스 건조

중량의 약 50%가 탄소로 구성됨)[14]. 이산화탄소 포집에 미세조류를 사용하는

주된 이유는 에 나타낸 바와 같이, 높은 광합성 효율, 경작지 불필요,

현장 해결책, 추가적 수익 창출, 높은 작업 안전성 등을 들 수 있다.

Ⅳ. CO2로 조류를 재배해서 바이오 연료를 생산한다


표 7 | 이산화탄소 포집에 미세조류 사용의 이점[15]

이 점 내 용

높은 광합성 효율

• 미세조류는 높은 광합성 효율로 인해 대부분의 육상식물보다 훨씬 빠른

성장속도를 가지고 있음.

• 중량이 2배가 되는데 걸리는 시간이 약 3-5일이며, 어떤 종은 하루에 2번

수확 가능

• 조류의 연간 중량 수율은 식량 곡물 수율의 수배 내지 100배임(조류는 짧은

시간 내에 보다 많은 량의 CO2 를 흡수).

경작지가 불필요

• 조류는 수중 조건에서 재배될 수 있기 때문에 농작물과의 토지 경쟁이 없음.

• 자연의 바다가 조류재배를 위한 훌륭한 재배지가 될 수 있으므로,

담수자원과 토지자원이 제한되어 있는 나라들에겐 매우 중요함.

현장 해결책

• 조류 재배시설을 화력발전소 가까이에 건설할 수 있어 배가스 수송비 절감이

가능

• 조류 재배 시스템은 화력발전소에 큰 기술적 변화를 요구하지 않음.

• 폐수처리와 병용해 사용 가능하므로 물 소비량과 영양 물질 비용을 절감할

수 있음.

추가적 수익 창출

• 수확한 조류 바이오매스로부터 다양한 부산물을 얻을 수 있어 시스템 유지와

발전을 위한 추가적 이윤을 얻을 수 있으며, 탄소배출권의 확보도 가능함.

• 중요한 부산물로는 바이오연료(바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오가스),

건강식품, 동물성 사료, 비료 등이 있음.

높은 작업 안전성

• 전 공정이 자연의 공정과 매우 흡사해 어떠한 독성 물질, 방사능, 오염물질을

배출하지 않음.

• 전체 시스템이 상압에서 운전되기 때문에, 작업자들에게 잠재적 위험이 없음.

미세조류는 어떻게 CO2 배출 저감에 기여할 수 있는가?

앞에서도 서술한 바와 같이, 미세조류는 오늘날 사용되고 있는 화석연료를

대체하는 바이오연료를 생산하거나, 배가스로부터 부산물, 즉 다른 제품을

생산함으로써 기여할 수 있다(이는 탄소배출권을 얻음으로써 CCS의 경제적

수익을 높일 수 있다). 미세조류가 현재의 CO2 배출 저감에 기여하는 데는

또 다른 2가지의 방법이 있다. 이들은 박테리아-미세조류 조합을 이용하여

통합 폐수처리 공정에서 폭기(aeration)에 드는 에너지 소비를 저감하는

것과 미세조류 재배를 이용하여 CO2 농도를 줄임으로써 이들 플랜트에서

생산된 바이오가스 품질의 향상이다. 어떠한 전략을 사용하든, 다량의

CO2를 바이오고정화하기 위해서는 다량의 미세조류 바이오매스의 생산이

필요하다. 세계적으로 생산되는 미세조류의 양은 5천톤/년으로, 세계적 CO2

043

배출량 350억톤/년에 비교하면 거의 무시할 수 있는 양이다[6]. 그러므로 CO2

배출의 상당한 저감에 기여하기 위해서는 대량의 미세조류 바이오매스를

생산할 수 있도록 현재 기술을 대규모 스케일 업하는 것이 필요하다. 한편,

오늘날 생산되는 미세조류 바이오매스는 인간과 동물의 니즈에 사용된다.

가격은 고가이지만(10–300€/kg, 1유로=1.3달러) 이 시장의 크기는

작다(1-5 만톤/년). 에너지나 조류 바이오매스 제품과 같은 대규모 시장이

형성되어야만 대량의 미세조류 바이오매스를 흡수할 수 있다. 이렇게 해야

CO2 배출량 저감에 기여할 수 있으며 바이오매스 가격도 훨씬 낮아질 수

있다(0.01~0.50€/kg). 따라서, 미세조류 바이오매스의 생산비용도 이들

시장에서 경쟁하기 위해서는 내려가야 한다.

조류 종과 재배 시스템

CO2 포집에 유용한 조류 종

조류는 해양 및 담수 생물 시스템에서 수중 광합성을 하는 식물로 간단한

구조의 수중 생물체이며, 어류나 새우 등 수중 생물의 주식이 되고 있다.

조류는 크기에 따라 수-수백 ㎛ 크기의 단세포성 미세조류(microalgae:

클로렐라, 스피룰리나 등 식물성 플랑크톤)와 수 십 미터 크기의 다세포성

대형조류(macroalgae: 해초, 켈프 등)로 나뉜다. 현재 산업적 응용에는

미세조류가 주로 사용되고 있다.

그림 10 | 미세조류와 대형조류[14]

미세조류(microalgae) 대형조류(macroalgae)



미세조류는 다양한 종(strain)이 포함된 생물학적 군집이다. 지구

생태계에는 5만종 이상의 미세조류가 존재한다. 이중 약 3만종에 대해 연구가

되고 있다. 이들 모든 종이 탄소포집공정에 사용되기에 적합한 것은 아니다.

배가스 조건에 따라서, 최종 원하는 생성물에 따라서 적절한 종이 선택되어야

한다. CO2를 효율적으로 포집하기 위해서 미세조류 종은 다음의 특성을

가져야 한다.

•높은 CO2 이용률

•높은 성장 속도

•가혹 조건에 대한 내성(온도, pH 등)

•유용한 부산물(바이오연료 등) 생산 잠재력

•수확 용이성

•잠재적 위험이 없을 것(안전성)

미세조류의 태양광 이용 효율은 육상 식물보다 3~4배 높기 때문에, CO2의

고정화(fixation)를 위해 수생 바이오매스(미세조류)를 연안에서 재배하는

것이 공간 측면에서 유리하다.

발전소 배가스를 조류 재배에 사용하기 위해서는 배가스를 정제해

사용하거나(고가임), 배가스를 직접 사용하려면 NOx 및 SOx에 대한

저항성이 큰 조류 종이 사용되어야 한다. 발전소 배가스 중의 CO2 농도는 약

10~20%이며, 대기중 CO2 농도는 약 380ppm이다[14]. 배가스로부터 CO2를

포집하기 위해 포집공정에 사용되는 미세조류 종은 고농도 CO2 조건에서

효율적으로 성장해야 한다. 로부터 Chlorella sp. (온도 15~45℃, pH

3-7, CO2% 최대 60%, 2배 성장 시간 2.5~8hr)이 다른 미세조류 종 보다

CO2 포집에 적합함을 알 수 있다. 적합한 미세조류 종을 발견하기 위하여

연구자들은 유전자 조작(gene-modification), 방사선 조사(ray irradiation)

등 여러 가지 방법으로 노력 중이다.

045

표 8 | 여러 가지 조류 종의 성장 파라미터[14]

종(species)온도

(℃)pH

CO2(%)

doubling

time (hr)특징

Chlorococcum sp. 15~27 4~9최대

708

CO2 고정화 속도 높음, 밀집

재배 가능

Chlorella sp. 15~45 3~7최대

602.5~8

높은 성장 가능성, 고온에

견딤

Euglena gracilis 23~27 3.5최대

10024

아미노산 함량 높음, 양호한

소화성, 쉽게 오염되지 않음

Goldieria sp. 최대 50 1~4최대

10013 고농도 CO2에 견딤

Viridiella sp. 15-42 2~6최대

52.9

세포내 지질 입자 축적, 고온

및 고농도 CO2에 견딤

Synechococcus

lividus40-55

최대

8.2

최대

708 높은 pH에 견딤

조류 재배 시스템

조류기반 탄소포집공정의 핵심은 광합성이다. 인공적으로 미세조류의

고농도 재배를 위해 미세조류의 광합성 공정을 수행하는 광생물반응기(photo

bioreactor)가 사용된다. 광생물반응기는 햇빛, 온도, pH, CO2 및 영양성분의

조건을 조절하여 CO2 포집효율을 높이고 시스템 관리가 용이하도록

설계된다. 광생물 반응기는 투명 재료로부터 제작되기 때문에, 큰 조사

면적(illumination surface)을 제공할 수 있어 미세조류의 고농도 재배가

가능하다. 결과적으로, 인공광합성효율이 자연공정보다 훨씬 높다. 현재

사용되고 있는 광생물반응기의 유형에는 대표적으로 개방형 연못(open pond),

관형 광생물반응기(tubular photobioreactor), 평판형 광생물반응기(flat-

plate photobioreactor) 및 수직 원통형 광생물반응기(vertical column

photobioreactor)의 4종류가 있다.



그림 11 | 여러 가지 유형의 광생물 반응기[14]

Open pond Tubular photo-bioreactor

Plate photo-bioreactor Vertical column photo-bioreactor

고밀도 대규모 미세조류 재배를 위한 요구를 만족시키기 위해서는 새로운

광생물반응기의 개발이 필요하다. 태양에너지를 바이오케미컬 에너지로

변환시키는 효율을 증가시켜 탄소포집 능력을 향상시키는 것은 중요한

단계이다. 어느 정도까지는 광생물반응기는 조류기반 탄소포집기술의

공정에서 핵심 이슈중의 하나이다.

표 9 | 여러 가지 광생물 반응기의 비교[14]

배양 시스템 특징(장점) 제약(단점)

개방형 연못

(Open ponds)

전통적 시스템, 기계적 장치에 의해

연못의 물과 미세조류 혼합, 건설용이,

저비용, 관리용이(청소용이, 대량 조류

재배에 적합

재배 조건의 제어 미흡, 장기간

조류 재배 곤란, 낮은 생산성, 대

토지면적 차지, 조류 종 제한,

배양액이 쉽게 오염

수직 원통형

광생물반응기

(Vertical-column

photo-bioreactors)

여러 개 원통 조합, CO 2는 원통

바 닥 에 서 주 입 , 물 질 전 달 이 큼 ,

전단응력이 작고 혼합이 양호, 에너지

소비 적음, 스케일 업 잠재력 큼,

소독용이, 조류 고정화 양호, 광저해 및

광산화 감소, 저비용 고생산성, 대규모

재배 가능

작은 조사 면적, 제작에 첨단 재료

필요, 조류 배양액에 전단 응력,

스케일 업 시 조사 면적 감소

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배양 시스템 특징(장점) 제약(단점)

평판형 광생물반응기

(Flat-plate

photo-bioreactors)

공기와 CO2는 바닥으로부터 공급,

대 조사면적, 실외 재배에 적합, 조류

고정화 양호, 광 경로 양호, 바이오매스

생산성 양호, 비교적 저렴, 청소용이,

산소 축적이 낮음

스케일 업 시 많은 구획과 지지재료

필요, 재배 온도 제어 곤란, 어느

정도 벽면 성장, 일부 조류 종에

대한 수력학적 스트레스 가능성

관형 광생물반응기

(Tubular

photo-bioreactors)

유리 또는 플라스틱 관 사용, 펌프를

사용해 배양액을 관내에서 순환,

대 조사 면적, 실외 재배에 적합,

바이오매스 생산성 양호, 비교적 저렴

대량 유량이 제한, 관을 따라 pH,

용존 산소 및 이산화탄소 농도

구배 발생, 파울링, 어느 정도 벽면

성장, 큰 토지 공간 필요

조류 기반 CO2 고정화와 조류 바이오매스 수확

조류기반 CO2 포집공정

전체 탄소포집공정은 미세조류의 광합성에 기반한다. 조류의 높은 성장

속도로 인해 이 시스템은 다른 바이오-탄소 포집 시스템보다 많은 CO2를

포집할 수 있다. 광생물반응기에 주입되는 이산화탄소는 순수 CO2로서

공급되거나 배가스를 직접 주입하는 방법이 사용된다. 지구온난화를

완화하고 미세조류 바이오매스를 대량 생산하기 위해서는 배가스의 사용이

요구된다. 순수 CO2를 공급하기 위해서는 배가스 중의 이산화탄소를 화학적

흡수(아민 용매, 탄산칼륨 사용), 극저온 분류(cryogenic fractionation), 막

분리, 분자체(molecular sieves) 흡착 등의 방법이 사용된다. CO2의 흡수에는

보통 버블 컬럼이나 충전탑이 사용된다.

미세조류 재배액에 직접 배가스를 주입하기 위하여서는 탄산화(carbo-

nation, 탄산염화) 시스템의 적절한 디자인과 운전이 필요하다. 그렇지

않으면 거의 모든 CO2가 대기 중으로 방출될 수 있다. 탄산화 시스템를

적절히 디자인하기 위해, 배가스의 소스(석탄, 천연가스, 시멘트, 화학산업

등)에 CO2 외에 혼입되어 있는 SOx, NOx, CO, 분진, 중금속(특히 수은) 등이

고려되어야 한다. 이들 성분은 조류의 사멸을 야기할 수 있기 때문에, 적절한

제거 공정이 필요하며 고온의 배가스는 냉각시킬 필요가 있다. 배가스의

정제 후, 고농도 CO2를 함유한 배가스는 미세조류 재배 시스템(반응기)에

공급된다(). 배가스 주입은 연속 버블링(continuous bubbling)



또는 필요시 주입(on-demand injection) 방법에 의해 수행된다. 각각의 CO2

이용 효율은 탄산화 장치의 디자인과 운전, 배지 내 물질전달 현상의 함수로

주어진다. 조류 재배를 위해 CO2 외에도 햇빛과 영양분을 필요로 한다. 이

모든 필요조건이 갖추어지고 탄산화시간이 지나면 조류는 빨리 성장하며,

성장한 조류 바이오매스는 수확될 수 있다. 결과적으로 발전소에서 배출된

CO2는 바이오매스 내에 포집된다.

그림 12 | 미세 조류 기반의 CO2 포집 공정의 개념도[14]

배가스 정제

조류 바이오매스

태양에너지물, 영양분

배가스

조류 재배

미세조류의 수확

조류기반 탄소포집공정에 있어 효율적인 수확방법은 중요하다. 전 공정을

연속적으로 운전하기 위해서 미세조류의 크기, 배양액 밀도, 유량에 따라

물로부터 미세조류를 분리하는 적절한 방법을 발견, 개발하는 것이 긴요하다.

일반적으로

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이산화탄소의 산업적 활용 전략 - KISTIgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran... · 2014. 7. 8. · co2 포집·이용 기술(ccu)의 대두 오늘날,