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온실가스 감축 목표 달성을 위해 다양한 CCUS 기술이 존재한다. IEA ETP Clean Energy Technology Guide (IEA, 2023)에서는 Net-zero 달성에 기여하는 550여개 기술정보가 현행화된다. 해당 정보는 CCUS 기술 분류와 TRL 정보, 선도기술을 보유한 주요 국가 그리고 연계기술에 대한 정보를 확인할 수 있다. 해당 기술정보 중 CO₂ 관리부문(CO₂ management)과 연계기술(Cross-cutting theme) 내 CCUS 분야를 선별하여 Table 1과 같이 CCUS 기술목록을 구성하고 상세정보를 분석하였다.

포집 부문에서는 화학적 흡수를 통한 기술과 광물자원에 CO₂를 반응시켜 격리하는 기술 등이 TRL이 높고, 저장 부문에서는 원유회수증진(EOR: Enhanced Oil Recovery) 기술과 심해 염분층 저장기술 등이 진보되어 왔으며, 활용 부문에서는 제철산업 생산공정에서 발생하는 배가스를 합성가스로 재활용하는 기술 등이 상용화를 앞둔 것으로 나타났다.

CCUS는 통상 탄소저장(CCS: Carbon Capture and Storage 또는 Carbon Capture and Sequestration) 기술과 탄소포집 및 활용(CCU: Carbon Capture & Utilization) 기술로 세분하여 포집‧저장‧활용기술을 정의하고 있다. 이중 CCS는 탄소 포집 및 저장 측면에서 화석연료를 연소시킬 때 발생하는 이산화탄소를 물리‧화학적인 방법을 통해 분리‧압축‧수송하여 검증된 지중‧해양 저장소에 저장하는 기술이고, CCU는 화력발전소, 시멘트 및 석유 화학공장 등과 같은 대규모 배출원에서 발생되는 CO₂를 산업적인 용도로 직접 이용하거나 고부가가치 제품 또는 다른 유용한 물질로 전환하여 활용(Utilization)하는 기술로 정의된다(Shim, 2016).

탄소중립 달성을 위한 국내외 시나리오 분석 및 정책에 관한 연구(Park et al., 2023)에서는 탄소저감 목표달성을 위한 핵심기술 현황을 분석하면서 신재생에너지의 획기적 보급 및 확대가 어려운 상황과 화석연료 기반의 전통적인 에너지 전환 공정들이 여전히 필요한 국내 상황을 언급하면서 적극적인 CCUS 활용을 통해 선제적 이산화탄소 저감대책 수립의 중요성과 CCUS 기술의 성숙화, 첨단기술 개발, 정책 수립 및 이행을 주장하였다.

CCUS 기술 분야의 핵심적인 동력원은 기술혁신이다. 최근 기술혁신 사례 중 국내 최초의 CCS 실증사업으로 추진되고 있는 동해-1 가스전 대상 이산화탄소 주입 시뮬레이션에 관한 연구(Kim et al., 2023)는 국내 E&P (Exploration and Production) 분야 연구 중 가장 많은 실측자료를 활용하여 실증사업에 필요한 전체 시스템의 유체 및 유동 분석을 수행하였고, 이를 통해 현지 시설물 설계 및 구축과 향후 실증사업에서도 지속적으로 사용될 예정이라는 점에서 의미가 큰 연구 성과로 볼 수 있다. 또한 CCS의 세부 기술 중 하나인 석유회수증진(EOR) 기술에 관한 동향 연구(Park and Jang, 2023) 석유회수증진 기술의 효과와 미국과 캐나다, 중국에 구축된 EOR 프로젝트 현장에 대한 현황을 분석하면서 향후 시뮬레이션 연구를 통한 주입 압력 설계 및 누출에 관한 모니터링과 지표면 융기에 대응할 수 있는 방안을 위한 심층연구의 필요성을 주장하였다.

차세대 포집 기술로 조망되고 있는 직접 공기 포집 기술(DAC, 직접 대기 포집: Direct air Capture 또는 DACS : direct air capture with storage, DACCS: direct air carbon capture with storage)에 관한 연구(Song and Oh, 2022)에서는 경우 이산화탄소 배출원이 아닌 대기중의 이산화탄소를 포집하는 기술로써 전통적인 포집 기술보다 진보된 방식이다. 이는 이산화탄소를 분리 및 흡착할 수 있는 효과적인 기술로 평가되며 경제성과 환경성 측면에서 실증적인 연구결과가 검토되고 있다. 국내에서 DAC 기술을 직접적으로 다루는 R&D 사업은 현재까지 전무한 실정이나, DAC 기술과 호환될 수 있는 개별 기술에 대한 연구가 수행되었다.

기후변화 대응을 위한 국가R&D 사업・과제는 국가 전략으로부터 수립된다. 2020년 국가 전략은 ‘2050 탄소중립 추진 전략’¹⁾으로써 3대 정책 방향(경제구조의 저탄소화, 신유망 저탄소산업 생태계 조성, 탄소중립 사회로의 공정전환)과 10대 과제로 구성되었고 탄소중립 분야에 대한 투자전략이 포함된다. 또한 2021년 ‘탄소중립 기술혁신 추진전략’²⁾을 통해 범부처 추진체계와 10대 핵심기술(태양광・풍력, 수소, 바이오에너지, 철강・시멘트, 석유화학, 산업공정 고도화, CCUS, 수송효율, 건물효율, 디지털화) 확보전략을 기반으로 기술혁신 중점 과제를 도출하였다. 2022년 ‘제1차 기후변화 대응 기술개발 기본계획(’23~’32)³⁾에서는 3대 전략(온실가스 감축, 기후변화 적응, 혁신생태계 조성)을 포함하는 세부추진 과제를 기반으로 온실가스 감축을 위한 태양광 모듈 전환효율과 수전해시스템 효율, 그리고 이산화탄소 포집비용을 절감하는 기술 확보를 통한 국내 2030 NDC 목표를 제시하였다.

국내 탄소중립 기술을 위한 전략은 ‘한국형 탄소중립 100대 핵심기술 선정(안)’⁴⁾에서 자원 및 지리적 여건, 산업구조, 국내외 기술 수준을 고려하여 4개 부문, 17개 분야, 100개 핵심기술을 필수 기술로 선정하였다. 해당 핵심기술 중 CCUS 기술은 국가 탄소배출 감축에 매우 중요한 분야이기 때문에 감격차 기술 선정 및 빠른 기술 추격을 통해 선도국과의 기술 격차 해소 및 기술 내재화하는 계획을 포함하고 있다.

2023년 ‘제1차 국가 탄소중립・녹색성장 기본계획’⁵⁾에서는 2030 NDC 온실가스 감축목표를 부문별로 조정하면서, 4대 국가전략(책임감 있는 탄소중립, 민간 주도 혁신적인 탄소중립‧녹색성장, 공감과 협력으로 함께하는 탄소중립, 능동적인 탄소중립)을 설정하였다. 세부적으로 ‘온실가스 중장기 감축’ 정책에서 10개 부문의 37개 과제를 수립하였고 ‘탄소중립‧녹색성장 사회로의 이행기반’ 정책에서 6개 부문의 45개 과제를 구성하였으며, 2018년부터 2030년까지의 연도별 온실가스 감축목표를 제시하였다.

한편, CCUS 관련법 및 규정의 수립과 개선은 국가정책의 계속성‧예견가능성이 높아지는 동시에 국민과 지방공공단체, 사업자 등이 보다 확신을 가지고 지구온난화 대책의 대응 및 혁신을 가속화 할 수 있는 기반이 된다(Kim, 2022). 따라서 CCUS를 위한 국내 관련법의 경우, 이산화탄소의 효율적 포집 및 지중 저장 또는 CCU 기술개발과 산업화에 필요한 사항을 종합적으로 규율하기 위해 2024년 2월, 이산화탄소 저장 활용법을 제정하였다. 이 법은 이산화탄소의 포집‧수송‧저장‧활용 및 수송관 등에 대한 정의를 명확히 하고 있으며, 이산화탄소 포집시설의 설치 허가, 수송사업의 승인, 육상 또는 해양지중저장소 탐사와 승인, 폐쇄 등에 관한 사항을 규정하였다. 이는 이산화탄소 공급 특례, CCU 기술 및 제품에 대한 인증제도를 도입 그리고 실증사업의 실시와 특례제도를 도입하였다는 점에서 의미를 가진다(Jin and Yun, 2024). 이는 CCUS 기술 관련 시설 운영 및 사후관리에 관한 규정 등 CCUS 산업 육성 및 기술혁신을 위한 정책적 기반 강화와 향후 CCUS 관련 대규모 프로젝트의 시범운영 및 프로토타입 구축사업 등이 활발히 추진될 수 있는 기반이 마련되었다고 볼 수 있다.

탄소중립을 위한 CCUS의 진보는 기술적인 문제뿐만 아니라 경제적, 사회적, 정치적 요인에 의해 어려움에 직면하고 있다. 국내 환경에 CCUS 시설의 시범운영이나 대규모 프로젝트가 추진되기 위해서는 CCUS 기술 관련 정책 및 규정과 더불어 Table 2의 내용과 같이 사회참여 및 사회적 수용 측면을 적극적으로 고려하고, 기술혁신을 위한 국제협력과 관리 및 통제를 위한 거버넌스를 확보해야 CCUS 기술이 지속 가능하며 탄소중립 목표에 유리한 환경을 조성할 수 있다(Liu et al., 2024).

국내 CCUS 산업생태계 조성 및 활성화 방안에 관한 연구(Seo et al., 2022)에서는 국내 CCUS 산업의 주요 이슈 및 현안 발굴을 위해 CCUS 관련 기업 종사자와 연구기관 재직자를 대상으로 1차 설문조사 및 분석을 진행한 후, 2차 전문가 서면 자문을 실시하였다. 이를 통해 국내 CCUS 산업에 대한 현안 이슈와 실태를 분석하여 국내 CCUS 산업생태계 조성 및 활성화를 위한 8대 주요 정책방안을 제시하였다. 해당 방안은 ‘CCUS 산업촉진을 위한 법안 마련’과 ‘차별화된 CCUS R&D 지원제도 수립’, ‘시장활성화와 수요처 확대를 위한 제도 마련’, ‘CCUS 산업활성화를 위한 산업클러스터 조성’, ‘감축량 산정 방안 마련 및 국제적 합의’, ‘국내 CCUS 관련 컨트롤타워 수립’, ‘CCUS에 대한 사회적 수용성 제고’, 그리고 ‘CCUS 관련 협력체계 구축 및 교류의 장 마련’에 대한 정책 방안을 강조하였다. 또한 국내 녹색기후기술과 관련된 4개 분야의 사회문제(환경, 재난, 에너지, 주거・교통)에 대한 전반적인 인식 파악을 위해 설문조사⁶⁾를 실시한 연구(Moon et al., 2020)에서는 녹색기후 기술과 관련된 사회문제가 공공성과 공익성이 매우 중요한 분야로써 이를 위한 문제해결은 무엇보다 정부 역할이 중요하므로 정책 수립 및 기술개발 투자 등 정부 주도의 다각적 지원이 중요함을 강조했다.

온실가스 감축을 위해 세계 각국은 다양한 CCUS 기술개발 및 연구에 대규모 투자가 이루어졌다. 그러나 탈탄소화의 추진은 국민과 국가, 지방공공단체, 기업 및 민간 단체 등의 밀접한 연계 하에 이루어져야 한다는 것을 명확히 해야 하고, 탄소중립의 실현을 위해서는 국민의 이해와 협력이 대전제가 된다는 점이 중요하다(Kim, 2022). 이미 성숙단계에 있는 국내 CCUS 기술뿐만 아니라 국가R&D 과제들의 연구결과와 기술력 또한 경제성, 환경성, 그리고 사회적 수용성이 함께 고려되고 진척될 때 국내 실정에 반영될 수 있다(Kim and Nah, 2019).

기후변화 대응과 같은 국가 현안은 과학기술 분야의 국가정책 및 전략을 통해 국가R&D 사업계획 및 연구 예산이 수립된다. CCUS 기술 관련 연구개발 현황은 국가R&D 사업 및 과제정보를 통해 파악할 수 있다.

NTIS서비스(www.ntis.go.kr)는 17개 부처‧청(17개 대표전문기관)의 국가R&D 정보(과제, 인력, 시설‧장비, 성과 등)를 종합 서비스하는 세계 최초의 R&D정보 지식포털이다. NTIS서비스는 국가R&D 사업의 투명성을 강화하고 유사‧중복 과제수행 방지 및 유휴‧불용장비 공동활용을 통해 R&D 투자효율성을 강화하였으며, 연구자 간 공동연구 촉진 및 성과 활용‧확산 지원을 통해 연구생산성을 제고하는 등 소기의 성과를 달성하였다(KISTI, 2015).

NTIS서비스는 437개 정보표준으로 이루어진 국가R&D 정보로써 사업‧과제 및 성과정보와 기관 및 연구자정보 등을 통합 제공하고 있다.

Fig. 3에서와 같이 2024년 11월 기준으로 국가R&D 사업정보는 1.7만건, 연구과제정보 112.3만건, 국가연구개발성과정보 751.2만건, 연구자정보 82.4만건, 국가연구개발기관정보 4.9만건 등을 제공하여 범부처 또는 대표전문기관에서 필요로하는 중장기계획 및 정책 수립, 연구동향 분석 등을 지원하고 있다.

Fig. 3. 
NTIS Service (NTIS, 2024)

또한 NTIS 6.0 정보화전략계획(ISP: Information Strategy Planning)에 따라 국내 주요 현안에 대한 국가R&D 세부현황과 관련 동향 등을 대시보드 형태로 제공하는 분석서비스(R&D TAB)가 2024년에 공개되었다.

분석서비스 내에서는 여러 국가 현안에 대한 과제정보가 포함되어 있고, 각 현안에 해당되는 사업・과제의 식별 및 분류는 NTIS센터와 유관기관 간의 협업을 통해 구성되었다. 제공되는 현안 중 탄소중립의 경우 철강, 석유화학, 시멘트, CCUS, 수소공급, 무탄소 전력공급 그리고 친환경 자동차 분야에 대해 국가R&D 현황정보를 제공한다. 이 중 CCUS 분야는 Fig. 4에서와 같이 연도별, 연구개발 단계별, 연구수행 주체별 연구비와 주요 성과정보 등을 차트와 표형태로 출력하고 있고 세부 데이터를 다운로드 할 수 있다.

Fig. 4. 
CCUS status on NTIS R&DTAB Service (NTIS, 2024)

CCUS 관련 혁신기술과 대규모 프로젝트의 상업적 구현, 그리고 탄소관리 경제성에 가장 큰 영향을 주는 것은 데이터베이스의 구축을 통한 기술정보 공유이다. 여기에는 개념단계의 기술부터 상업적 활용이 가능한 기술에 이르기까지 다양한 단계의 연구 정보가 존재하고, 이러한 정보공유는 낮은 TRL의 R&D 프로젝트에 대해 잠재적인 투자 참여를 이끌어 낼 수 있는 근본적이고 이론적인 출처와 지표가 될 수 있다(Dziejarski et al., 2023). 국내 CCUS 디지털화 부문의 확장 측면에서도 해당 기술에 대한 추가 상세정보가 산‧학‧연‧간에 공유 및 확산될 수 있도록 NTIS 서비스가 더욱 확대되고 성장할 수 있어야 한다.

본 연구에서는 국가R&D 과제에 등록된 다양한 상세정보를 활용하여 분석 작업을 수행하였고, 자료 수집은 NTIS R&DTAB 서비스에서 제공되는 CCUS 분야의 국가R&D 과제정보를 다운로드하여 확보하였다. 분석대상 데이터는 2014~2023년에 수행된 330개의 연구과제로써, 포함된 세부 정보 중 연구과제가 수행된 기준연도와 연구비, 연구개발 단계, 연구과제 성격, 영문키워드를 활용하였다. 키워드의 경우 연구과제당 5개의 핵심단어가 필수입력⁷⁾되어 있고, 이는 해당 연구의 소주제에 해당하는 의미를 가지고 있다.

지구적 온도상승을 산업화 이전 수준 대비 1.5℃로 제한하는 IPCC 특별보고서가 발표된 2018년은 탄소중립 2050 측면에서 중요한 기점이기 때문에 2018년을 기준으로 전반기 5년(2014 ~ 2018년)과 후반기 5년(2019 ~ 2023년)에 해당되는 연구과제를 분할하였다. 이를 통해 CCUS 분야 국가R&D 과제를 대상으로 연구개발 성격별 비중과 연구개발 단계별 키워드를 통해 CCUS 세부 기술에 대한 최근 10년간의 트렌드를 분석하였다.

국내 최근 10년간 탄소중립 관련 기술들은 저탄소‧녹색성장 정책을 시작으로 지속적인 연구개발이 진행되어 왔다. Table 3은 최근 10년간 수행된 CCUS 분야의 국가R&D 연구과제 현황이고, 총연구비는 민간연구비와 정부투자연구비의 합계이다. 2014년에는 28건의 과제와 총연구비 338억 원 규모로 연구과제가 수행된 반면, 2023년에는 54건의 연구과제와 총연구비 500억원 규모로 연구과제가 수행되었다.

매년 국가R&D 전체 대비 CCUS 연구과제의 건수는 0.03% ~ 0.08% 수준으로 비중이 적은 편이고, 총연구비는 0.05% ~ 0.16% 수준으로 연구과제가 수행되고 있다.

Table 4에서는 연구개발 단계별 정부투자연구비 현황을 나타내고 있다. 전반기에 해당하는 2014 ~ 2018년의 기초연구 정부투자연구비는 243억 원이고 개발연구는 415억 원, 응용연구가 309억 원으로 연구과제가 수행된 반면, 후반기에 해당하는 2019 ~ 2023년의 기초연구에서는 477억 원, 개발연구가 642억 원으로 전반기보다 증가하였으며, 응용연구는 158억 원으로 전반기보다 축소되었다. 이는 2018년 이후 국내 탄소중립 추진전략을 기반으로 기초연구와 개발연구 부문에 투자가 집중되는 경향을 확인할 수 있다.

또한 Table 3에서의 2023년 총연구비가 500억 원이고 Table 4에서 같은 연도의 정부투자연구비 합계가 398억 원임을 감안하면, 민간투자연구비가 102억 원 추가 지원되어 연구과제가 수행되었음을 알 수 있다.

Table 5에서는 연구개발 단계별 과제 건수를 보여준다. 전반기에서는 146건의 과제가 수행된 반면, 후반기에서는 184건의 연구과제가 수행되었다. 후반기의 기초연구는 99건, 개발연구는 54건으로 전반기보다 과제 수가 증가하였고, 응용연구는 25건으로 전반기보다 축소되었다.

Table 6에서는 국가R&D 전체와 CCUS 분야 연구과제를 연구비 성격별로 구분하였다. 이러한 세부과제 성격은 연구개발⁸⁾, 연구관리⁹⁾, 연구시설‧장비 구입 및 유지비¹⁰⁾로 나뉘고 기타에 해당되는 연구과제는 제외하였다.

세부적으로 보면 ‘연구개발’ 성격에 해당되는 연구과제의 경우 2023년 국가R&D 전체의 과제수는 68,182건, 총연구비는 28조이고, 과제당 평균 연구비는 4억 원이다. CCUS 분야 연구과제의 경우 과제수는 43건이고 총연구비는 404억 원, 과제당 연구비는 9억 원으로 확인되었다.

‘연구관리’ 성격에 해당되는 연구과제는 2014~2017년까지 수행되다가 중단되었고, 이후 2023년에 21억 원 규모로 1건의 연구과제가 수행되었다. 또한 ‘연구시설‧장비 구입 및 유지비’ 성격에 해당되는 과제의 경우, 국가R&D 전체에서의 2023년 과제당 연구비는 35억 원 규모로 연구과제가 수행되었고, CCUS 분야에서는 2014~2023년 동안 해당 성격의 과제수행 내역이 존재하지 않았다.

탄소중립 수소 분야의 경우 ‘연구시설‧장비 구입 및 유지비’ 성격에 해당되는 ‘수소버스용 충전소 실증사업’이라는 연구과제에서 2020년에 60억 원 규모로 수행되었고, ‘액화수소 규제자유특구 R&D 실증을 위한 인프라 구축사업’이라는 연구과제의 경우는 2021년 62억, 2022년에 56억 원 규모로 수행된 바 있다. 이는 CCUS 분야와 비교했을 때 차별성이 보이는 부분이라 할 수 있다.

한편, CCUS 분야 국가R&D에 대한 세부 기술들의 키워드 분석은 Table 7부터 Table 9까지이다. 지난 10년간의 연구과제를 전‧후반기로 나누고 연구개발 단계별로 구분하여 키워드를 분석하였다. 해당 영문 키워드는 연구과제당 5개씩 필수 입력되어 있고, 해당 키워드 데이터를 추출하여 공백 제거, 소문자 통일, 단‧복수 표기를 전처리하였다. 빈도율¹¹⁾은 전‧후반기별 과제 수 합계와 개별 키워드의 출현 빈도를 통해 집계되었다. 각 키워드의 연구 단계별 포지션과 빈도율을 통해 국가R&D 내 CCUS 분야의 주요 기술에 대한 비중과 트렌드를 분석하였다.

Table 7에서는 ‘기초연구’ 단계의 상위 20개 키워드 현황이다. 상위에 있는 멤브레인 기술과 흡수제 관련 연구의 경우 후반기에서 4.9%와 2.7%의 비중이 되었다. 이산화탄소 지중 저장에 관한 연구와 저장 효율성 및 최적화에 관련된 연구는 4.3%와 2.7%의 비중으로 후반기에서 확인되며, 이는 전반기 2.7%의 비중을 차지하는 대상 지층 형성에 관한 연구가 계속된 것으로 연결될 수 있다.

또한 전반기의 미세조류에 관한 연구와 파일럿 규모의 테스트베드 관련 연구는 후반기에 개발연구와 응용연구로 전환된 것으로 볼 수 있다.

Table 8은 ‘개발연구’ 단계의 상위 20개 키워드 현황이다. 상위에 위치하는 키워드는 포름산과 멤브레인 관련 기술이 후반기 연구과제에서 3.3%와 2.7%의 비중을 나타낸다. 멤브레인 기술의 경우 기초연구와 개발연구가 병행됨을 알 수 있다. 이어서 후반기의 광물탄산화 기술이 2.2%의 비중으로 신규 기술로써 위치하고 대규모 통합형 CCS 모델에 관한 연구 또한 1.6%의 비중으로 분석되었다.

전반기의 3.4%의 비중을 차지하던 기체 분리에 관한 기술은 후반기에 응용연구로 계속되고 이산화탄소 지중 저장에 관한 연구 또한 기초연구의 연구과제로 후반기에 계속되는 형태로 볼 수 있다.

Table 9는 ‘응용연구’ 단계의 상위 20개 키워드 현황이다. 해당 기술 키워드 중 전반기의 상위 키워드는 해양지중 저장에 관한 연구로 8.2% 비중을 차지했다. 이는 후반기의 기초연구로 계속되는 것으로 볼 수 있고, 전반기의 바이오연료의 경우 3.4%의 비중으로 수행되었으나 후반기 기초연구의 바이오에너지 기술로 통합된 것으로 확인된다.

후반기 상위 키워드는 멤브레인 공정과 인공광합성에 관한 연구가 1.6%의 비중으로 확인되었고, 파일럿 플랜트와 대규모 시범운영에 관한 연구는 1.1%의 비중으로 소규모 형태의 연구과제가 수행되었다.

응용연구의 경우 전반기 대비 후반기 키워드의 비중이 전반적으로 축소되었다. 이는 응용연구의 후반기 과제 수가 적어진 반면, 과제당 연구비는 다소 비중이 큰 경향과 2018년 이후 국가 추진전략 수립에 따라 기초연구와 개발연구에 집중된 결과로 볼 수 있다.