지구 평균 기온 상승을 1.5℃로 제한하기로 한 파리협정 체결 이후 10년이 지났지만, 전 세계는 여전히 배출 감축 목표 달성에 어려움을 겪고 있습니다. 온실가스(GHG) 배출량은 2025년에 1.1% 증가해 사상 최고치를 기록할 것으로 예상되며, 이는 기후 관련 혼란을 더욱 심화시킬 전망입니다. 2050년까지 탄소 순배출량 제로를 달성해야 할 필요성은 그 어느 때보다 커졌으며, 이를 위해서는 재생에너지로의 전환, 에너지 효율 향상, 지속 가능한 토지 이용 촉진, 그리고 이산화탄소(CO2) 포집을 포함한 종합적인 전략이 요구됩니다.
CO2 배출을 포집하는 기술은 화석연료에 의존하는 산업 분야에서 핵심적인 대응 수단입니다. 시멘트와 철강 제조와 같은 산업은 매우 높은 공정 온도를 필요로 하며, 그린 수소와 같은 무배출 대안 기술이 존재하긴 하지만 아직 확산 단계에 있고 산업 규모의 에너지 수요를 충족하기에는 충분하지 않습니다.
탄소 포집·활용·저장(CCUS)은 기존 인프라에서 발생하는 배출을 완화하는 데 중요한 도구로 부상하고 있으며, 직접 공기 포집(DAC)은 대기 중 CO2 농도를 낮추는 데 기여할 수 있습니다. 탄소 포집 기술은 전 세계 배출 저감 전략의 중요한 구성 요소이며, 인간이 엄선한 최대 규모 과학 정보 데이터베이스인 CAS Content CollectionTM에 대한 최근 분석에 따르면 이제 본격적인 상용화 단계에 한층 가까워지고 있습니다.
탄소 포집 분야의 최신 출판 동향
탄소 포집 기술은 수십 년 전부터 존재해 왔으며, 앞서 소개한 CAS Insights 기사에서 살펴본 바와 같이 생물학적, 화학적, 지질학적 방법 등 다양한 접근법이 개발되어 왔습니다. 이전 발표 이후 두드러진 변화는 CO2 포집 관련 특허 수의 급격한 증가로, 이는 최근 수년간 이 분야에 대한 높은 상업적 관심을 시사합니다(그림 1 참조).
그림 1: 2009~2025년 기간의 CO2 포집 관련 특허 및 학술지 출판물 수. 2025년 데이터는 5월까지 수집됨. 출처: CAS Content Collection.
CAS 색인 데이터를 활용해, 출판물을 콘텐츠 영역에 따라 섹션으로 할당하는 체계를 기반으로 탄소 포집 관련 출판물을 매핑했습니다. 이 매핑을 통해 어떤 주제가 가장 많은 연구 관심과 특허 활동을 받고 있는지 확인할 수 있습니다(그림 2 참조). 전반적으로 공학적 접근과 화학적 전환 방식이 이 분야의 상용화 노력을 주도하고 있는 것으로 나타났습니다.
그림 2: CAS 섹션 기준으로 분류한 CO2 포집 관련 출판물 지도와 각 분기별 출판물 수. 지도 내 노드는 해당 분기에서 특허가 차지하는 비율에 따라 색상으로 구분됨. 출처: CAS Content Collection.
'대기 오염 및 산업 위생(Air Pollution and Industrial Hygiene)' 섹션은 13,000건이 넘는 출판물로 가장 많은 문헌 수를 기록했습니다. 그러나 이처럼 높은 출판량에도 불구하고 특허 비중은 17%로 중간 수준에 머물러 있어, 다수의 연구가 아직 기초 연구 단계에 머물러 있음을 시사합니다.
반면, '단위 조작 및 공정(Unit Operations and Processes)'과 '촉매, 반응 속도론 및 무기 반응 메커니즘(Catalysts, Reaction Kinetics, and Inorganic Reaction Mechanisms)' 섹션은 '대기 오염 및 산업 위생'보다 출판물 수는 적지만, 특허 활동 비중은 높게 나타났습니다. '단위 조작 및 공정'은 특허 비중이 62%에 달하며, 흡수 컬럼, 막 분리, 압력 스윙 흡착 시스템과 같은 주제에 대한 강한 상업적 집중을 보여줍니다. '촉매, 반응 속도론 및 무기 반응 메커니즘' 섹션은 특허 비중이 37%로, CO2를 화학물질이나 연료로 전환하는 신규 촉매 기술을 포함하고 있으며, 이에 대해 기업들의 높은 관심이 반영된 것으로 보입니다.
분석 결과, '전기화학·방사선·열 에너지 기술(Electrochemical, Radiational, and Thermal Energy Technology)' 섹션은 특허 비중이 24%로 나타났으며, CO2의 전기화학적 환원이나 고체 산화물 전해 셀과 같은 기술을 포함하고 있습니다.
한편, 식물 및 생물 기반 탄소 격리와 관련된 세 섹션인 '비료, 토양 및 식물 영양(Fertilizers, Soils, and Plant Nutrition)'(특허 비중 5%), '식물 생화학(Plant Biochemistry)'(3%), '미생물·조류·균류 생화학(Microbial, Algal, and Fungal Biochemistry)'(11%)은 모두 매우 낮은 특허 비중을 보였습니다. 이는 광합성이나 유전자 설계 미생물을 통한 생물 기반 탄소 고정의 잠재력을 고려할 때, 상업화 측면에서 아직 충분히 활용되지 않은 영역일 가능성을 시사합니다.
탄소 포집 상용화를 촉진하는 새로운 동인
특허 활동이 증가하는 이유는 무엇일까요? 탄소 포집 기술의 상용화는 기후 위기에 대한 우려 증대, 시장 인센티브, 기술 발전 등 여러 요인에 의해 추진되고 있습니다.
- 엄격한 환경 규제: 전 세계 각국 정부는 온실가스 배출 감축을 목표로 보다 엄격한 규제와 정책을 도입하고 있습니다. 여기에는 탄소세, 배출권 거래제, 탄소 포집 솔루션 도입 의무화 등이 포함됩니다.
- 기업의 지속가능성 노력: 기업들은 이해관계자, 투자자, 소비자로부터 환경 영향을 줄이고 탄소 중립을 달성하라는 압력을 점점 더 많이 받고 있습니다. 이에 따라 많은 기업이 야심찬 목표를 설정하고, 환경·사회·지배구조 이니셔티브에 부합하기 위해 CCUS에 투자하고 있습니다.
- 경제적 인센티브: 정부와 국제기구는 CCUS 기술의 연구, 개발, 도입을 지원하기 위해 상당한 규모의 자금, 보조금, 세액 공제, 지원금을 제공하고 있습니다.
- 향상된 석유 회수(EOR) 활용: 포집된 CO2를 EOR에 활용하는 방식은 CCUS의 중요한 시장이자 경제적 추진 요인으로 작용하고 있습니다. 유정에 CO2를 주입해 추가적인 석유를 회수함으로써, 포집과 저장에 수반되는 비용 일부를 상쇄할 수 있는 수익원을 제공합니다.
- 기술 발전: 지속적인 연구개발을 통해 보다 효율적이고 비용 효율적이며 확장 가능한 포집 방식이 개발되고 있습니다. 여기에는 신규 소재(용매, 흡착제, 멤브레인), 공정 최적화, 탄소 포집과 다른 청정 에너지 기술의 통합이 포함됩니다.
- 저탄소 제품에 대한 시장 수요: 다양한 산업에서 지속 가능하고 환경 친화적인 제품과 공정에 대한 수요가 증가하면서 CO2 포집 기술 도입이 가속화되고 있습니다.
CO2 1톤을 포집하는 데 드는 비용은 탄소 포집 기술의 도입 여부와 상업적 실현 가능성을 판단하는 데 핵심적인 요소입니다. 현재 비용 추정치는 배출원, 기술 유형, 운영 규모에 따라 크게 달라집니다. 에탄올 생산이나 천연가스 처리와 같이 CO2 농도가 높은 산업 공정의 경우, 포집 비용은 CO2 1톤당 15~25달러 수준으로 추정됩니다. 반면, 시멘트 생산이나 발전 공정과 같이 희석된 가스 흐름에서는 비용이 더 높아져 CO2 1톤당 40~120달러 범위로 나타납니다. DAC의 경우 현재는 1톤당 600~1,000달러의 비용이 소요되지만, 연구개발과 인프라 구축에 충분한 투자가 이루어진다면 2050년까지 1톤당 200달러 이하로 낮아질 수 있을 것으로 전문가들은 보고 있습니다.
탄소 배출권 역시 CO2 포집의 경제성을 좌우하는 또 다른 요소입니다. 탄소 배출권은 대기 중 이산화탄소 환산량(tCO2e) 1톤의 감축 또는 제거를 나타내는 추적 가능한 허가증 또는 인증서를 의미합니다. 배출권 가격은 산업 분야, 프로젝트 유형, 프로젝트 품질에 따라 달라집니다. 최근 평균 가격이 하락해 2024년에는 톤당 4.8달러 수준까지 내려갔지만, 검증된 고품질 배출권에 대한 수요는 여전히 높기 때문에 지속성이 높고 긍정적인 영향을 제공하는 프로젝트의 경우 프리미엄 가격이 형성되고 있습니다.
이러한 가격이 상승할 경우, CO2를 배출하는 것보다 포집하고 저장하는 방식의 경제적 매력은 더욱 커질 수 있습니다. 탄소 포집 기술의 광범위한 도입을 위해서는 대규모 투자, 기술 발전, 그리고 제도적 규제가 필요합니다. 전 세계가 야심찬 기후 목표 달성과 기후 변화의 심각한 영향을 완화하기 위해 노력하는 가운데, 향후 수년간 이러한 핵심 기술이 유망한 발전 경로를 보일 가능성도 나타나고 있습니다.
가장 높은 성장률을 보이는 특허 개념
탄소 포집의 상용화가 어떻게 발전하고 있는지를 보다 명확히 이해하기 위해, 그림 2에 제시된 특허 비중이 높은 CAS 섹션을 분석하고 각 섹션 내에서 가장 빈번하게 나타나는 연구 개념을 도출했습니다(그림 3 참조).
그림 3: 특허 비중이 높은 CAS 섹션 내 색인 개념. 출처: CAS Content Collection.
‘대기 오염 및 산업 위생(Air Pollution and Industrial Hygiene)’ 섹션에서는 흡착과 흡수가 지배적인 개념으로 나타났으며, 배기가스 처리가 핵심 초점으로 자리하고 있습니다. 연구자들은 산업 배출물에서 CO2를 포집하기 위해 높은 기공도와 표면적을 갖춘 흡착제의 최적화에 집중하고 있습니다. 또한 경제성 개념의 존재는 비용 고려가 상용화에서 핵심 요소임을 다시 한번 보여줍니다.
‘화석 연료, 파생물 및 관련 제품(Fossil Fuels, Derivatives, and Related Products)’ 섹션에서는 포집과 활용 접근법이 결합된 양상이 나타납니다. 흡착이 여전히 중요한 개념으로 유지되는 가운데, 향상된 석유 회수(enhanced petroleum recovery)가 두드러지게 나타나며, 포집된 CO2를 추가적인 석유 회수에 활용하려는 연구가 진행되고 있음을 시사합니다. 이는 탄소 포집에 대한 경제적 유인을 제공하는 동시에, 추가적인 격리 필요성도 증가시킵니다.
‘전기화학, 방사선 및 열 에너지 기술(Electrochemical, Radiational, and Thermal Energy Technology)’ 섹션에서는 바이오매스와 재생에너지가 주요 개념으로 나타나며, 보다 지속가능한 해법으로의 전환을 보여줍니다. 전기분해의 등장은 전기화학적 CO2 환원 연구가 진행되고 있음을 시사하며, 합성가스 생산은 CO2를 유용한 화학물질로 전환하는 연구를 포함하고 있음을 나타냅니다.
특허 비중이 가장 높은 ‘단위 조작 및 공정(Unit Operations and Processes)’ 섹션은 유동, 분리, 열 전달 최적화와 같은 공학적 요소에 초점을 두고 있습니다. 열교환기의 등장은 공정의 경제성을 확보하기 위한 에너지 회수의 중요성을 보여줍니다.
‘폐기물 처리 및 처분(Waste Treatment and Disposal)’ 섹션에서는 바이오매스 및 숯과 폐수 처리를 결합한 접근법이 나타나, 통합형 공정 전략이 검토되고 있음을 시사합니다. 또한 ‘촉매, 반응 속도론 및 무기 반응 메커니즘(Catalysis, Kinetics, and Inorganic Reaction Mechanisms)’ 섹션에는 금속-유기 골격체와 사이클로첨가 반응이 포함되어 있으며, 이를 통해 CO2를 고리형 탄산염 및 가치 있는 화학 제품으로 전환하는 연구가 이루어지고 있습니다. 이러한 결과는 화학적 전환에 대한 강조가 확대되고 있음을 보여준 이전 분석(그림 2 참조)과도 일치합니다.
탄소 포집 관련 문헌에 등장하는 물질을 살펴보면, CO2는 포집 대상이자 활용을 위한 잠재적 원료라는 점에서 가장 많이 언급되는 물질로 나타납니다(그림 4 참조).
그림 4: (A) CO2 포집 관련 출판물에서 가장 빈번하게 나타나는 15개 물질. (B) 선택된 물질이 포함된 출판물 수와, 특허 비중 및 출판물 수가 높은 세 개의 CAS 섹션에서 해당 물질이 수행하는 역할. 출처: CAS Content Collection.
그 외 주요 물질로는 탄소 소재가 포함됩니다. 예를 들어 활성탄은 높은 표면적과 개질 가능성으로 인해 선호되는 흡착제로 활용되고 있습니다. 질소 역시 자주 언급되는데, 이는 흡착제의 합성과 재생 과정에서 불활성 가스로 사용되기 때문입니다. 수소는 메탄의 수증기 개질 과정에서 CO2와 함께 생성되므로 폭넓게 언급됩니다. 메탄 자체는 수증기 개질의 반응물로서 상당량의 CO2를 생성하며, 동시에 사바티에 반응을 통한 CO2 환원의 생성물이기도 합니다. 또한 특정 응용 분야에서는 주성분이 메탄인 천연가스로부터 CO2를 분리하는 과정이 중요합니다.
그림 4B는 특허 비중과 출판물 수가 모두 높은 세 개의 CAS 섹션 전반에서 주요 물질이 CO2 포집 연구에서 수행하는 역할을 보여줍니다.
‘대기 오염 및 산업 위생’ 섹션에서는 에탄올아민이 연소 후 CO2 흡수 시스템의 주요 공학적 소재로 사용되며, 탄산염과 산화물을 포함한 칼슘 기반 화합물은 CO2를 영구적으로 저장하는 광물 탄산화 공정을 가능하게 합니다. 이 섹션에서 메탄은 주로 배기가스 흐름 내 오염물질로 나타나며, 포집된 CO2로부터의 분리가 요구됩니다.
‘전기화학, 방사선 및 열 에너지 기술’ 섹션은 CO2를 가치 있는 제품으로 전환하는 데 중점을 두고 있습니다. 수소와 일산화탄소는 전기화학적 환원을 통한 합성 연료 생산에서 핵심 반응물로 나타나며, 이러한 접근법은 전력-가스 기술을 통해 포집된 CO2를 메탄으로 전환함으로써 재생에너지 저장 솔루션을 제공합니다. 이 섹션에서는 메탄, 수소, 일산화탄소가 반응물로 함께 등장하며, 전기화학적 전환 공정에 초점을 둡니다.
‘화석 연료, 파생물 및 관련 제품’ 섹션에서는 메탄, 수소, 일산화탄소가 CO2 활용 경로의 주요 물질로 연구되고 있으며, 포집된 CO2를 연료나 기타 화학물질로 전환하는 반응물로 사용됩니다. 이 섹션에서 메탄은 수소 생산을 위한 메탄 수증기 개질 공정의 원료이자 분리 대상이라는 이중적인 역할을 수행합니다. 한편, 에탄올아민의 등장 빈도가 낮은 점은 고압 가스 흐름에서는 압력 변동 흡착과 같은 대체 포집 방식이 선호됨을 시사합니다.
실리카는 모든 섹션에 걸쳐 공학적 소재로 일관되게 등장하며, 이는 CO2 흡착을 위한 고체 흡착제 개발을 반영하는 것으로 보입니다. 물질별 역할의 차이는 대기 배출 처리에서부터 CO2의 화학적 전환, 화석 연료 공정 관리에 이르기까지, 산업적 맥락에 따라 탄소 포집 전략이 어떻게 달라지는지를 보여줍니다.
탄소 포집 기술의 실제 산업 적용 사례
특허 출원인을 기준으로 보면, 관련 개념과 IPC 코드가 현재 산업 현장에서 어떻게 구현되고 있는지를 확인할 수 있습니다(그림 5 참조).
그림 5: (A) 특허 보유 건수가 가장 많은 주요 특허 출원인. (B) 상위 특허 출원인의 특허 문헌에 나타난 주요 국제특허분류(IPC) 그룹과 CAS 색인 개념. 열은 IPC 그룹을 나타내며, 사각형은 개념을 의미하고, 사각형의 크기는 출판물 수에 비례함. 출처: CAS Content Collection.
- L’Air Liquide는 글로벌 산업용 가스 기업으로, 흡착 기반 시스템을 활용한 가스 분리 및 정제 기술에 집중하고 있습니다. 합성가스 관련 특허는 수소 생산 설비와의 통합 가능성을 시사합니다.
- China Petrochemical Corporation과 China Huaneng은 배기가스 처리 기술에 강한 중점을 두고 있으며, 이는 석탄 화력 발전소를 비롯한 산업 전반에서 탈탄소화가 시급한 중국의 상황을 반영합니다. 산소 함유 유기 화합물에 대한 이들의 집중은 미세조류를 활용해 폐기 CO2를 가치 있는 원료로 전환하는 화학 생산용 CO2 활용 경로 개발을 보여줍니다.
- ARAMCO와 Schlumberger는 탄소 포집 기술을 지반 시추 장비와 결합한 특허를 보유한 석유 서비스 기업입니다. 이는 포집된 CO2를 고갈된 유전에 주입해 탄소를 저장함과 동시에 추가적인 석유 자원을 회수하는 EOR 시스템 개발을 시사합니다.
모든 기업에 걸쳐 고체 흡착제와 흡착 기술이 광범위하게 나타나는 점은, 기존 액상 아민 시스템에 비해 에너지 손실이 낮은 차세대 포집 소재로의 전환을 보여줍니다. 열교환 관련 혁신은 공정 내 열 통합과 에너지 회수에 대한 집중을 나타내며, 이는 운영 비용 절감에 핵심적인 요소입니다. 이러한 특허 분포는 산업 분야별로 탄소 포집 기술을 각자의 운영 환경과 비즈니스 모델에 맞게 어떻게 적용하고 있는지를 보여줍니다.
탄소 포집 기술의 다음 단계
CAS Content Collection 분석 결과에서 확인되듯이, 탄소 포집 기술은 점차 다양화되고 성숙 단계로 접어들고 있으며 향후 수년간 지속적인 도입이 이루어질 것으로 예상됩니다. CO2를 포함한 온실가스 배출을 제한해야 할 필요성은 해마다 더욱 커지고 있으며, 이러한 핵심 기술은 특히 감축이 어려운 산업 부문에서 중요한 역할을 할 것으로 보입니다.
유엔 사무총장이 언급했듯이, 전 세계는 기후 변화의 영향을 완화하기 위해 ‘모든 수단을, 모든 지역에서, 동시에’ 적용하는 접근이 필요합니다. CO2 포집 기술의 상용화는 이러한 목표를 달성하기 위한 또 하나의 중요한 전략입니다.
