바이오인

 생물학적 CCU 기술 개요 및 주요 동향

 2023년도 KRIBB 워킹그룹 이슈페이퍼 제2호

 저자 : 한국생명공학연구원 세포공장연구센터 김희식 외 10명

◈ 목차

1. 개요

2. CCU 생물자원별 기술 개발 관련 주요 사항

 2.1. 미세조류

 2.2. 비광합성 미생물

3. 결론 및 시사점

◈본문

1. 개요

■ 탄소중립(carbon neutrality)이란?

● 산업, 경제 활동으로 배출되는 온실가스의 양이 흡수, 포집 등을 통해 상쇄되어 넷배출량이 ‘0’으로 산정되는 것을 지칭

● 탄소중립의 달성을 위해서는 주요 온실가스인 이산화탄소와 메탄 등의 발생량 저감뿐만 아니라, 배출원 유래 온실가스를 포집, 전환하거나 저장하는 기술 개발이 반드시 이루어져야 함

※ 저탄소 산업구조로의 전환은 산업 전반에서 활발히 추진되고 있으며, 특히 수송과 발전 분야에서 전기화(electrification), 공정 및 에너지 그리드 고효율화, 재생에너지 사용량 증대 등이 활발히 추진 중

                                                                                                                                                    출처 :Getty Images Bank

[그림 1] 탄소중립* 개념도

* 산업 활동 전반을 통해 대기 중으로 배출되는 온실가스와 흡수, 포집 등으로 처리되는 온실가스의 양이 상쇄되는 것을 탄소중립으로 지칭

■ 탄소저감 기술 개발의 필요성

● (필요성 1) 기존 산업의 고효율화로 인한 신규 탄소저감 기술 확보 요구

- 제조업, 석유화학, 철강산업 등 기존 온실가스 다배출 사업장의 경우 이미 충분한 에너지 고효율화가 이루어져, 신규 원료(예: 납사) 또는 재생에너지로의 급진적인 전환이 현실적으로 어려움

- 특히 우리나라와 같이 제조업 중심의 국가에서는 단기간에 산업구조 재편에 기반한 온실가스 감축을 달성을 추진하는 것이 국가경쟁력 감소에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다는 우려가 존재

● (필요성 2) 기후 위기는 단순한 환경 이슈를 넘은 국방, 안보의 이슈

- 기후 변화로 인한 홍수, 재해 등을 통한 이재민 발생, 식량 부족 등은 단순한 환경 이슈가 아닌 경제와 국방의 이슈

- 곡창지대의 흉작으로 인한 식량 가격 급등뿐만 아니라, 동물 매개로 전파되는 감염병의 발생 빈번도도 기후 변화에 지대한 영향을 받는 것으로 보고되었음

● (필요성 3) 탄소중립 기술의 확보를 통한 신규 산업 경쟁력 제고

- 미국 IRA(Inflation Reduction Act)법, 유럽의 탄소 국경세* 등으로 인해 국내외 기업 전반에 탄소중립 기술 플랫폼에 대한 관심이 지대하게 증가하고 있으나, 현재는 대부분의 탄소저감 기술이 소규모 ‘컨셉 시연(concept demonstration)’ 수준에 머물고 있음

* 유럽연합(EU)은 2023년 1월 1일부터 3년간(2025년 12월 31일까지) EU로 수입되는 탄소집약적 제품에 대해 탄소 발자국을 명시하고 2026년 1월 1일부터는 해당하는 탄소 발자국에 대해 부담금을 납부를 의무화하는 탄소 국경세(Carbon Border Adjustment Mechanism; CBAM) 시행을 발표

※ 미국은 연방 법전(US Code Section 45Q)을 통해 CO₂ 기반 조류(algae; 미세조류 및 대형조류) 배양을 CO₂ 활용(utilization) 기술로 인정하고 이것이 실제 CO₂ 저감에 기여하는 것으로 판명될 경우 CO₂ 1톤 감축 당 최대 50 US$의 세제 혜택을 부여하고 있으며 향후 동량 감축에 대해 최대 175 US$까지 혜택을 확대할 계획 중에 있음(현재 미국 국회 발의 상태)

- 우리나라는 2050년 국가 탄소중립 목표 달성을 위해 탄소세 도입이 국회 발의 중에 있으며, 탄소세 발효 후 CO₂ 1톤 배출당 4만 원의 부담금을 부과하고 2025년부터 동량 배출에 대해 8만 원의 세금을 징수할 계획임. 이에 따라 2025년부터 연간 최대 36조 원의 세수 부담이 CO₂ 집약 배출 기업에 집중될 것으로 예상됨

- 따라서 각국 기업들은 강화되는 탄소 규제를 이행하고 동시에 발생할 수 있는 인센티브를 얻기 위해 각사 탄소 배출원에 CCUS(Carbon dioxide Capture Utilization and Storage) 기술의 자체 개발 및 도입을 적극 검토 중에 있음

- 대규모 탄소저감 기술 패키지 확보시, 기술에 대한 산업 전반의 수요는 충분한 것으로 파악되며, 적용 가능한 기술의 개발 수준(i.e., TRL)과 낮은 기술경제성은 반드시 해결되어야 하는 과제임

※ 스위스 기업 Climeworks에서는 세계 최대 규모인 DAC 시설을 운영 중으로, 이를 통해 연간 4,000톤 규모의 이산화탄소를 제거하는 것으로 보고하고 있음

※ 또한, 영국 Storegga와 캐나다 Carbon Engineering은 파트너십을 통해 대규모 DAC with Stroage(DACS) 시설을 배치할 것으로 알려짐

- 앞서 언급된 강화되는 환경 및 CO₂ 배출 규제에 발맞춰 CCUS 시장은 폭발적으로 증가할 것으로 예상되고 있으며 이에 따라 글로벌 CCUS 시장은 제품 기준, 2030년 8,400억 US$에 이를 것으로 예상(Global CO₂ Initiative, 2016년)

■ 신규 탄소중립 기술 개발의 현황

● ‘탄소중립’ 기술에 대한 정의는 이해관계자에 따라 차이가 날 수 있으나, 국가 온실가스 감축 목표인 NDC(Nationally Determined Contribution) 달성을 위해 고려되는 전기화, 산업 고효율화 등 함께 비교적 신규 기술인 Carbon Capture and Utilization(CCU) 및 Carbon Capture and Storage(CCS)　기술이 포함

- CCU와 CCS를 동시 적용하는 형태인 CCUS 기술도 존재하며, 통상적으로 CCU와 CCS를 합쳐 CCUS로 지칭하기도 함

- CCS 기술의 경우 액화된 이산화탄소를 지층 또는 특정 저장소에 저장하여 영구 격리하는 기술을 총칭하며, 현재 국내 대기업들이 주체로 액체상태로 포집된 CO₂를 국내외 저장소에 주입하여 격리시키는 프로젝트가 추진 중

                                                                                              출처 : 기업, 출연연 참여 CCUS 산업, 기술혁신 추진(안) (민간기업, 출연연 합동, 2023.4.10.)
[그림 2] CCU와 CCS 기술의 개념적 비교

● 본 이슈페이퍼의 주요 논의 대상인 생물학적 CCU 기술의 경우, 통상적으로 건식, 습식 포집이나 광물탄산화와 대비하여 반응속도가 상대적으로 느린 것으로 알려져 있으나, 상대적으로 온실가스(예: 이산화탄소, 메탄) 처리를 통해 생산할 수 있는 제품이 고부가소재를 포함해 다양하게 존재하며, 규모 격상 시 주민 수용성의 문제에서도 자유로운 것으로 알려짐

- CCU 기술의 전반은 크게 화학, 생물, 광물화 3분야로 통상적으로 나누어지며, 기술별 온실가스 포집 및 전환 효율, 경제성, 주민 수용성 등 전반을 고려할 때 각각의 장단점이 명확

■ 생물학적 CCU 기술 개발의 필요성

● (생물학적 CCU의 정의) 에너지, 산업 공정 등에서 배출되는 온실가스를 광합성을 포함한 온실가스 전환 대사경로를 기반으로 생물전환하거나 광합성 바이오매스를 잠재적 시장가치가 있는 제품으로 활용하는 기술

※ 광합성이 가능한 미세조류 뿐만 아니라, 온실가스 전환 활용에 적용될 수 있는 비광합성 미생물과 바이오부품 (효소)를 주요 자원으로 포함

● 생물학적 CCU(생물전환) 기술의 경우 기존 CCU 기술대비 경제성이 높아, 기술고도화가 필요하며, 최근 국가 목표도 상향되어 중요성이 증대됨

- 화학전환 및 광물화와 비교하여, 생산될 수 있는 제품군이 고부가가치 제품(예: 건강기능식품)을 포함하고 있으며, 이는 CCU 기술의 해결 난제로 여겨지는 기술 경제성 확보에 크게 기여할 수 있는 것으로 알려져 있음

※ 생물학적 CCU 기술은 자연 흡수원(예: 맹그로브, 삼림, 해양, 습지 등에서의 탄소 고정 및 흡수)과는 별도로 분류되는 개념으로, 산업현장에서 발생하는 배가스를 대상으로 직접 고정 및 전환할 수 있는 기술을 의미하며 기존이 습식 또는 건식 배가스 탄소 고정 기술과 개념적으로 유사

- 또한, 2023년 4월 발표된 국가 기본계획에 따르면 NDC(Nationally Determined Contributions) 목표 달성 안에서 CCU가 차지하는 비중이 상대적으로 증가*함

* 2030년까지 CCUS를 통해 기존 10.3백만톤에서 11.2 백만톤 규모로 증가된 CO₂를 저감하는 것으로 목표 수정

...................(계속)

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