[공학저널 송강식 기자] 산업혁명 이후 급격히 증가한 이산화탄소 배출은 지구온난화의 주된 원인으로 지목되고 있으며, 이를 해결하기 위해 전 세계적으로 온실가스 감축 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 탄소포집·활용·저장 기술(CCUS)은 대기 중으로 배출되기 전 이산화탄소를 포집하고 이를 활용하거나 저장하는 기술로써 온실가스 감축의 핵심 대안으로 주목받고 있다.

현재 CCUS 기술은 법제화된 탄소배출 규제를 준수하는 데 중요한 역할을 하며, 침체된 산업계를 활성화할 수 있는 혁신적인 대안으로 떠오르며, 정부주도하에 산업계의 노력이 절실히 요구되고 있다. 이에 수출비중이 높은 기업, ESG 경영이 필수적인 기업들은 온실가스 감축에 귀 기울이고 있으며, 국내 많은 연구기관과 기업들이 CCUS 기술 개발에 매진하고 있다.

특히, 여러 물질이 혼합된 배기가스에서 CO₂를 분리해 대기 중 배출을 줄이는 탄소포집기술은 CCUS의 핵심기술로 가장 활발한 연구와 기술 개발이 진행되고 있다. 탄소포집기술은 연소 후(Post-combustion), 연소 전(Pre-combustion), 순산소연소(Oxyfuel Combustion)로 구분되며, 흡수제 형태 또는 분리 매개체(media)에 따라 습식, 건식, 분리막 방식으로 나뉜다.

먼저, 습식 포집기술은 CO₂가 액체와 접촉했을 때 기체 용해도의 차이 또는 액상 흡수제와 CO₂ 사이의 산-염기중화 반응을 활용해 기체 내 포함되어 있는 CO₂를 액체 쪽으로 분리하는 기술로, 물리 흡수법 또는 화학 흡수법을 활용하게 된다. 화학 흡수법의 경우 액상 흡수제와 CO₂ 사이의 화학반응으로 분리하는 공정으로 연소 후 포집기술 중 가장 상용화에 근접해 안정적으로 가동되고 있으며, 액화탄산의 생산이 진행되고 있다.

건식 포집기술은 고체 입자를 활용해 CO₂를 선택적으로 포집하는 기술로, 폐수가 발생하지 않는 장점을 가지고 있으며, 분리막 포집기술의 경우, CO₂를 선택적으로 투과시키는 분리막을 이용해 포집하며, 낮은 에너지 소모와 소규모 설비로 구축 가능하다. 건식과 분리막 포집기술은 아직도 해결해야 할 과제가 많이 남아있어 다양한 연구를 진행되고 있다.

이처럼 지구온난화의 주범으로 인식되면서 탄소포집 기술에 대한 수요가 급증함에 따라 다양한 포집 기술과 공정 그리고 LCO₂(액화탄산) 제조방법이 기술적으로 입증되고 있다. 하지만, 경제성과 사업성 측면에서는 여전히 한계가 존재하며, CO₂ 배출 환경에 적합한 최적 기술 선정과 효율적인 시스템 엔지니어링이 중요한 시점이다.

이러한 상황에서 탄소포집의 기술과 시장의 트렌드를 명확히 파악하며, CCU 토탈 솔루션 기술구현을 위한 필수적이고 차별화된 기술을 확보하여 탄소포집 특화 시뮬레이션, 포집/액화 컴팩트 시스템 기술개발에 역량을 집중하고 있는 기업이 있어 주목을 받고 있다. 그 주인공이 바로 ㈜빅텍스다.

탄소포집과 액화 기술은 기본적으로 화학공정을 기반으로 진행되기 때문에 엔지니어링 관점에서 예측 정확도를 높이기 위해 화학공정과 프로세스의 최적화 시뮬레이션 기술이 필수적이다. 이러한 탄소포집 시뮬레이션에 대한 기술적 요구에 대응하기 위해 빅텍스는 대표적인 화학공정 시뮬레이션 프로그램인 Aspen 소프트웨어를 도입해 탄소포집에 특화된 시뮬레이션 기술 역량을 확보하고 최적의 솔루션을 제공할 수 있는 기반을 마련했다.

실제 빅텍스의 탄소포집 시뮬레이션 기술은 배기가스 분석, 탄소포집 공정 선정, 시스템 설계 등에 폭넓게 활용되고 있다. 이를 통해 탄소포집 기술도입을 위한 솔루션을 최단 시간 제공하고, 효율적·경제적인 공정의 합리적 제안뿐만 아니라 흡수탑과 재생탑의 최적화 구조를 설계를 통한 포집공정의 소모 에너지도 최소화할 수 있는 결과물을 만들었다.

한편, 대량의 CO₂를 배출하는 산업 분야와는 달리 블루수소, 바이오가스, 연료전지 등의 분야는 상대적으로 CO₂ 배출량이 적지만 설치 공간 역시 상당히 협소해 포집용량이 크고 공간을 많이 차지하는 포집/액화 시스템을 설치하는 것은 매우 비효율적이다.

이에 빅텍스는 다양한 산업 분야에 탄소포집 솔루션을 제공하고자 포집된 CO₂를 압축/액화해 7.2 TPD 액상화된 이산화탄소를 생산하기 위한 일체형 모듈 시스템(CCL-300)을 개발했다. 이 시스템은 소형화, 모듈화, 최적화를 구현했다는 것이 가장 큰 특징으로, 충주 바이오 그린수소 충전소에 설치 예정(200kg/hr, 4.8ton/day)이며, 현재 제작과 액화 성능테스트를 진행 중이다.

올해에는 소형화 기술을 적용한 컴팩트한 모듈 시스템 기술을 고도화해 CO₂ 압축과 액화 장치를 일체화하고 설치 공간을 최소화한 에너지 효율을 높인 CCL-300A 모델을 개발했다. 이 모델은 기존 라인에 바로 연결해 설치와 운영이 용이하고, 빅텍스 인천1공장에서 설비들을 일체형 모듈 시스템으로 통합해 크기를 1/10로 줄이고, 7.2톤/일의 LCO₂ 생산이 가능한 것을 검증했다.

빅텍스 임창환 이사(사진)는 “현재 컴팩트한 모듈 시스템 기술을 더욱 고도화하고자 다단 Column 하이브리드 모듈형 CO₂ 포집장치를 추가해 All-in-one 타입(포집/압축/액화 통합)의 Plug-in & play 모듈 시스템인 MCCL-300을 개발해 시제품 개발 진행 중”이라며 “이 기술은 흡수와 재생 과정을 단계별로 최적화하고 포집 효율을 높이는 Dynamic Flow Reactor 장치를 추가해 포집 효율을 15% 이상 향상시키고, 모듈화 설계를 통해 초기 설치비용과 유지보수 비용도 크게 낮췄다”고 말했다.

빅텍스는 온실가스 감축목표와 CCUS 사업의 체계적인 시스템을 마련하기 CCUS 관련 정책기획, 법제화 등 수행하고 있는 한국CCUS추진단의 많은 역무와 사업에 적극 협력하고 있다. 빅텍스는 인재양성 프로그램, 학술대회, 전시회, 기업 간담회 등에 적극 참여하며 기업의 목소리를 피력하고 있으며, CCUS 사업 확장과 기술 우위를 확보하기 위해 인재양성 지원요청과 추진단과의 협력을 통해 국내 CCUS 전문기업으로 도약할 기반을 마련할 계획이다.

한편, 빅텍스는 습식(아민흡수제), 건식, 분리막 기술 등 세 가지 탄소포집기술로 포집한 CO₂를 원료로 드라이아이스를 생산하고 있으며, 드라이아이스 생산공정은 LCO₂ 성형챔버에 직접 분사한 후 즉시 고압을 가해 성형하는 방식이다.

이때 고압을 가하기 때문에 기공(Pore)이 1.4g/㎤ 이상의 고밀도 드라이아이스 제품 생산이 가능하며 타사의 제품(1.2g/㎤) 보다 효능이 아주 우수하다는 것이 차별화된 점이다. 뿐만 아니라 LCO₂ 공급유량과 성형 압력을 다단제어하고 고밀도 드라이아이스 제품을 안정적으로 생산해 품질관리와 생산성을 향상시켰다.

특히, SGC 에너지 배가스 온실가스 감축 프로젝트 중 탄소포집/액화설비 구축사업을 통해 연간 약 10만 톤의 온실가스 감축에 기여했으며, 생산되는 LCO₂ 전량 독점계약을 추진함으로써 드라이아이스를 생산하기 위한 원료를 확보해 안정적인 사업궤도 진입을 할 수 있었다. 이러한 안정적인 LCO₂ 공급망을 바탕으로 반도체 세정용, 탄산음료 시장, 의료용 등 수요처 확대를 계획하고 있다.

그밖에도 드라이아이스 너겟 제조기, CO₂ 초임계 세정기, 국내 최초 개발한 드라이아이스 세척기를 납품하고 있다. 뿐만 아니라 국내 유일하게 독점기술과 특허를 보유한 원전해체 로봇시스템을 한국원자력연구원, 한국수력원자력, 한국환경복원연구원, 한전KPS 등에 납품하고 있으며, 대우건설, 포스코E&C, 두산에너빌리티와 약 215억 규모의 원전해체 로봇 시스템과 핫셀을 수의계약해 공급할 예정이다.

우리나라는 2015년 온실가스 감축 목표를 설정했으며, 2018년 기준 온실가스 배출량 약 7.276억 톤 중 에너지 분야가 86.9%를 차지해 감축의 핵심으로 꼽히고 있다. 2030년까지 2018년 대비 40% 감축 목표를 달성하기 위해서는 정부, 민간, 국민이 함께 단계적으로 노력해야할 시점이다.

빅텍스는 현재까지 온실가스 감축 사례(SGC 에너지(300톤 CO₂/일), 금호석유화학(200톤 CO₂/일), 울산복합화력(15 톤 CO₂/일), 충주 블루수소 생산시설(8 톤 CO₂/일)) 등 CCUS 사업을 통해 안정적으로 성장할 수 있는 기업으로 거듭나고자 심혈을 기울이고 있다. 특히, CCUS 분야의 맞춤형 온실가스 감축 솔루션·정보를 제공하는 전문기업으로 탈바꿈하고 소형 일체형 모듈타입의 탄소포집/액화 설비 제공하는 것을 최대의 목표로 삼고 있다.

또한, ‘이산화탄소 포집·수송·저장 및 활용에 관한 법률’ 등 관련법이 제정됨에 따라 CCUS 사업은 급속도로 전진할 것으로 예상된다. 이에 빅텍스는 약 4년간 CCUS 사업을 추진한 경험을 바탕으로 온실가스 포집을 위한 방법으로 연소 후 대기 중으로 분산되기 전 탄소포집을 진행하고 있으며 이를 실현하기 위해서 체계적이고 전략적인 계획을 수립해 추진하고 예정이다.

임창환 이사는 “지구난화 현상으로 인하여 상기 법령에 근거해 온실가스 할당배출량 이상으로 배출될 경우에 초과량에 대한 탄소세의 부과가 불가피하다”며 “이러한 기업들과의 면밀한 컨설팅을 통해 청정배가스 배출이라는 온실가스를 사전에 억제하는 기술접목과 회사의 이미지 제고를 할 수 있도록 안내할 것”이라고 말했다.

그는 이어 “특히, 다양한 분야에서 발생하는 온실가스 배출 정보시스템(플랫폼)에서 탄소배출 대상기업과의 긴밀한 협조와 협력을 통한 온실가스 감축 정보시스템을 구축할 것”이라며 “이를 통해 기업의 발전을 도모할 수 있도록 안내하고 단계적으로 빅텍스의 우수한 기술을 접목할 수 있도록 추진할 계획”이라고 덧붙였다.