일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2021.1.5

CO₂를 수소와 합성해 메탄으로
비용 면에서 아직은 천연가스에 완패

2050년 제로 에미션(무배출 시스템)을 실현하는 데 있어서 (1) 재생에너지, (2) 축전지나 수소 등의 전력저장시스템과 나란히 중요한 기술이 있다. 바로 (3) CO₂ 회수 기술이다.

가령 전력과 연료 등이 모두 재생에너지나 그린수소가 된다고 해도 CO₂의 배출 문제는 남는다. 일상생활에서 이용하는 많은 공업제품에서 탄소나 탄화수소재료를 배제하는 것이 불가능하기 때문이다. 따라서 CO₂ 회수 기술은 빠뜨릴 수 없는 필수 기술이다.

이 분야에서도 일본의 기업은 세계를 견인하는 위치에 있다. 예를 들면, 미쓰비시중공엔지니어링은 16년에 미국에서 현재 세계 최대 규모의 CO₂ 회수 플랜트를 건설했다. CO₂를 하루에 4,700톤 규모로 회수할 수 있다.

그 뒤를 잇는 것이 도시바에너지시스템이다. 20년 10월 말에 후쿠오카현 오무타시의 바이오매스발전소에서 하루 500톤 규모의 CO₂ 회수 플랜트를 가동시켰다.

모두 아미노기(NH2−)를 갖는 재료(아민계 재료)의 용액이 저온에서는 CO₂를 회수하고, 고온에서는 방출하는 구조를 이용해 화력발전소의 배기가스에서 CO₂를 분리, 회수한다. 미쓰비시중공엔지니어링과 도시바에너지시스템의 두 플랜트 모두 들어온 배기가스 속 CO₂의 90%를 회수할 수 있으며, 순도는 99% 이상이다.

-- 재생에너지 없이 제로 에미션 달성? --
이러한 기술이 있다면, 위에서 말한 에너지 전체가 재생에너지에서 유래한 것과는 반대로 100% 화석연료 베이스인 상태에서 CO₂ 회수를 철저히 함으로써 제로 에미션을 달성하는 것도 이론상으로는 성립한다.

그러나 이에는 2개의 큰 과제가 있다. 하나는 CO₂ 회수 비용이다. CO₂ 회수 비용은 화력발전소에서 배출되는 CO₂의 양에 따라 증가한다. 때문에 CO₂ 배출량이 많은 석탄화력발전에서 비용 상승이 커진다. 보다 구체적으로 말하면 CO₂ 회수 플랜트의 초기 투자액이 화력발전 플랜트의 건설 비용과 같은 정도가 된다. 또한 본래 화력발전에 사용되고 있던 증기나 발전한 전력의 일부를 CO₂ 회수 플랜트 가동에 사용하기 때문에 발전 효율은 2~3%나 떨어지게 된다.

이러한 과제가 있기 때문에 원래 효율이 낮은 아임계압 석탄화력 등은 가령 CO₂ 회수와 조합하더라도 생존하기 어려울 것으로 보인다.

-- 땅 속 매장 비용을 예측할 수 없다 --
또 다른 과제는 회수한 CO₂의 처리 비용이나 저장처가 보이지 않는다는 점이다. 화력발전소에서는 대량의 CO₂가 매일 배출된다. 50MW(5만 kW)급의 중규모 발전소에서 대략 하루에 1,000톤이 나온다. 대규모 화력발전소는 그 10배가 넘는다. 연간 300만 톤 이상의 CO₂가 배출된다.

CO₂의 자원화를 상정하지 않는 시나리오에서는, 회수한 CO₂는 땅 속에 저장하는 것을 상정한다. 그러나 이렇게 많은 양을 계속적으로 땅 속에 저장할 수 있을지 여부는 검증되지 않았다. 16년부터 홋카이도 도마코마이시에서 CO₂ 회수부터 땅 속 저장(CCS)까지의 실증실험을 실시했고, 확인이 가능했던 것은 연간 10만 톤, 약 3년 동안에 총 30만 톤의 규모에 그쳤다. 게다가 그 비용의 상세 내용은 공개되지 않았다. CCS 기술이 전체적으로 얼만큼의 비용 상승으로 이어질지 알 수 없다.

재생에너지를 사용하지 않으면, 전력이나 에너지 비용을 싸게 할 방법이 없는 데다가 이러한 비용 상승 요인이 겹치면서 전력이나 에너지 비용은 크게 오르게 된다. 즉, CO₂ 회수만의 제로 에미션은 현실적이지 못하다.

-- 탈탄소가 아니라 탄소순환형 사회로 --
비용 저감과 CO₂의 삭감∙처리를 양립시키는 방법이 있다. 에너지는 재생에너지 베이스로 하고, 그린수소와 CO₂로 탄화수소재료, 예를 들면 메탄(CH4)을 메탄화(Methanation)라고 부르는 프로세스로 합성하는 방법이다. CO₂는 이 메탄을 연료로 해서 이용하는 화력발전소에서 회수함으로써 얻어진다. 그렇다면 이 메탄은 화력발전소에서 연소시켜도 CO₂를 늘리지 않는 ‘재생가능메탄’이 된다. CO₂는 회수부터 메탄화, 그리고 화력발전에서의 연소를 반복하며 리사이클된다. 탈탄소가 아니라 탄소순환형 사회가 되는 것이다. 이것도 제로 에미션을 실현하는 방법 중 하나다.

메탄화의 이점은 CO₂를 버리는 장소나 폐기 비용을 생각하지 않아도 된다는 점이다. 게다가 천연가스용 가스관 등 사회인프라의 개수가 불필요하다는 점에서도 이점이 크다.

일본에서는 NEDO와 INPEX(일본국제석유개발주식회사), 히타치조선이 이 메탄화 플랜트를 니가타현 나가오카시에 건설하고 19년 후반에 시험 운전을 했다. 또한 히타치조선은 20년 10월부터 가나가와현 오다와라시에서 발전 설비가 달린 쓰레기소각시설을 상정한 메탄화 실증실험을 시작했다. 실험 완료는 22년 예정이다. 메탄화를 통한 CH4의 생산량은 125N㎥/h라고 한다.

-- 천연가스와의 비용 경쟁이 과제 --
메탄화의 과제는 천연가스인 CH4와의 비용 경쟁이 될 것이다. 그린수소와 블루수소, 혹은 그린수소와 천연가스의 관계 이상으로 경쟁이 치열하다.

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