지구 온난화를 1.5℃로 제한하기로 한 파리 협정 체결 10년이 지난 지금, 전 세계는 여전히 배출량 감축 목표 달성에 어려움을 겪고 있습니다. 온실가스(GHG) 배출량은 2025년에 1.1% 증가하여 사상 최고치를 기록할 것으로 예상되며, 기후 관련 재난에 더욱 큰 영향을 미칠 것입니다. 2050년까지 탄소 중립을 달성하는 것은 그 어느 때보다 시급하며, 이를 위해서는 재생 에너지로의 전환, 에너지 효율 향상, 지속 가능한 토지 이용 관행 촉진, 그리고 이산화탄소(CO2) 포집을 아우르는 포괄적인 전략이 필요합니다.
CO2 배출 포집은 화석 연료에 의존하는 산업에 필수적인 전략입니다. 시멘트 및 철강 제조와 같은 분야는 매우 높은 공정 온도를 필요로 하며, 그린 수소와 같은 무배출 대안이 존재하지만 이러한 기술은 아직 확장 단계에 있어 산업적 전력 요구 사항을 충족하기에는 역부족입니다.
재료 연구원들은 CAS SciFinder를 사용하여 재료 과학 문헌을 검색할 수 있습니다.
자세히 알아보기탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS)은 기존 인프라의 배출량을 완화하는 핵심 도구로 부상하고 있으며, 직접 공기 포집(DAC)은 현재 대기 중 CO2 농도를 낮출 수 있습니다. 탄소 포집 기술은 전 세계 배출량 완화의 중요한 요소이며, 세계 최대 규모의 인간 큐레이션 과학 정보 저장소인 CAS Content CollectionTM을 최근 분석한 결과, 이 기술들은 이제 광범위한 상용화에 한층 더 가까워졌습니다.
탄소 포집 분야의 최신 출판 동향
탄소 포집 방식은 수십 년 전부터 존재해 왔으며, 이전 CAS Insights 아티클에서 살펴본 바와 같이 생물학적, 화학적, 지질학적 방법을 포함하여 탄소를 포집하는 다양한 접근 방식이 있습니다. 이전 간행물 이후 주목할 만한 변화는 CO2 포집 관련 특허 수가 급격히 증가했다는 점이며, 이는 최근 몇 년간 높은 상업적 관심을 의미합니다(그림 1 참조).
그림 1: 2009~2025년 기간 동안 CO2 포집 관련 특허 및 저널 출판물 수. 2025년 데이터는 5월까지 집계됨. 출처: CAS Content Collection.
우리는 출판물을 콘텐츠 영역에 따라 섹션으로 분류하는 CAS 인덱싱 데이터를 사용하여 탄소 포집 관련 출판물을 매핑했습니다. 이 매핑을 통해 어떤 주제가 가장 많은 연구 관심을 받고 있으며 특허 활동이 가장 활발한지 확인할 수 있습니다(그림 2 참조). 전반적으로 엔지니어링 및 화학적 전환 접근 방식이 이 분야의 상용화 노력을 주도하고 있습니다.
그림 2: CAS 섹션을 기반으로 한 CO2 포집 관련 출판물 맵 및 각 분야별 출판물 수. 맵의 다양한 노드는 각 분야의 특허 비율에 따라 색상으로 구분됨. 출처: CAS Content Collection.
"대기 오염 및 산업 위생(Air Pollution and Industrial Hygiene)" 섹션은 13,000건 이상의 출판물로 가장 많은 수를 기록했습니다. 그러나 이러한 양에도 불구하고 특허 비율은 17%로 보통 수준이며, 이는 많은 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 비율은 높게 나타납니다. "단위 조작 및 공정"은 특허의 62%를 차지하며, 이는 흡수탑, 막 분리, 압력 변동 흡착 시스템과 같은 주제에 상업적 초점이 강하게 맞춰져 있음을 나타냅니다. "촉매, 반응 속도론 및 무기 반응 메커니즘"(특허의 37%)은 기업들이 큰 관심을 보이는 CO2를 화학 물질 및 연료로 전환하기 위한 새로운 촉매를 다룰 가능성이 높습니다.
분석 결과, "전기화학, 방사선 및 열 에너지 기술(Electrochemical, Radiational, and Thermal Energy Technology)" 분야는 특허의 24%를 차지하며, 여기에는 CO2의 전기화학적 환원 및 고체 산화물 전해 셀과 같은 기술이 포함됩니다.
흥미롭게도 식물 및 바이오 기반 탄소 격리와 관련된 세 가지 섹션인 “비료, 토양 및 식물 영양”(5%), “식물 생화학”(3%), “미생물, 조류 및 균류 생화학”(11%)은 특허 비중이 상당히 낮게 나타났습니다(괄호 안 수치 참조). 이는 광합성 및 공학적으로 설계된 미생물을 통한 바이오 기반 탄소 고정의 잠재력을 고려할 때 상업적 기회를 놓치고 있는 것으로 보입니다.
탄소 포집 상용화를 이끄는 새로운 동력
특허 활동이 증가하는 이유는 무엇일까요? 탄소 포집 기술의 상용화는 고조되는 기후 위기부터 시장 인센티브, 기술 발전에 이르기까지 다양한 요인에 의해 추진되고 있습니다.
- 엄격한 환경 규제: 전 세계 정부는 온실가스 배출을 줄이기 위해 더욱 엄격한 규제와 정책을 시행하고 있습니다. 여기에는 탄소세, 배출권 거래제, 탄소 포집 솔루션 도입 의무화 등이 포함됩니다.
- 기업의 지속가능성 약속: 기업들은 이해관계자, 투자자, 소비자로부터 환경 영향을 줄이고 탄소 중립을 달성하라는 압박을 점점 더 많이 받고 있습니다. 많은 기업이 환경, 사회, 지배구조(ESG) 이니셔티브에 발맞추기 위해 야심 찬 목표를 설정하고 CCUS에 투자하고 있습니다.
- 경제적 인센티브: 정부와 국제기구는 CCUS 기술의 연구, 개발 및 배포를 지원하기 위해 상당한 자금, 보조금, 세액 공제 및 지원금을 제공하고 있습니다.
- 석유 회수 증진(EOR) 적용: 포집된 CO2를 EOR에 활용하는 것은 CCUS의 중요한 시장 및 경제적 동력이 되고 있습니다. 유정에 CO2를 주입하면 더 많은 석유를 추출할 수 있으며, 이는 포집 및 저장과 관련된 비용을 상쇄할 수 있는 수익원을 제공합니다.
- 기술적 진보: 지속적인 연구 개발을 통해 더욱 효율적이고 비용 효과적이며 확장 가능한 포집 방법이 개발되고 있습니다. 여기에는 새로운 소재(용매, 흡착제, 막 등)의 발전, 공정 최적화, 탄소 포집과 다른 청정 에너지 기술의 통합이 포함됩니다.
- 저탄소 제품에 대한 시장 수요: 다양한 산업 분야에서 지속 가능하고 친환경적인 제품 및 공정에 대한 수요가 증가함에 따라 CO2 포집 기술 도입이 촉진되고 있습니다.
The cost for capturing a ton of CO2 is crucial in determining the adoption and commercial viability of carbon capture technologies. Current cost estimates vary depending on the source, technology, and scale of operation. For industrial processes with high CO2 concentrations, such as ethanol production or natural gas processing, the cost can range from $15-$25 per ton of CO2. However, for diluted gas streams like those found in cement production and power generation, costs can be higher, ranging from $40-$120 per ton of CO2. DAC currently costs $600-$1,000 per ton, but experts believe these costs could drop to below $200 per ton by 2050 with sufficient investments in R&D and infrastructure development.
Carbon credits are another factor in the economic viability of CO2 capture. Carbon credits are traceable permits or certificates representing the reduction or removal of one ton of carbon dioxide equivalent (tCO2e) from the atmosphere. Prices for these credits also vary depending on the industry, project type, and project quality. Despite recent declines in average prices (down to $4.8/ton in 2024), there is strong demand for high-quality, verified credits, leading to premium prices for projects with greater durability and positive impacts.
If these prices rise, the economic viability of capturing and storing CO2 becomes more attractive compared to emitting it. Achieving widespread deployment of carbon capture will require significant investment, technological advancements, and regulations. There are indications of a promising future for these critical technologies in the coming years as the world is striving to meet ambitious climate goals and mitigate severe impacts of climate change.
가장 높은 성장세를 보이는 특허 개념
탄소 포집의 상용화가 어떻게 진행되고 있는지 더 깊이 이해하기 위해, 그림 2에 나타난 6개의 특허 비중이 높은 CAS 섹션을 분석하고 그 안에서 가장 공통적인 연구 개념을 식별했습니다(그림 3 참조).
그림 3: 특허 비중이 높은 CAS 섹션 내 색인된 개념. 출처: CAS Content Collection.
"대기 오염 및 산업 위생" 분야에서는 흡착과 흡수가 지배적이며, 배기가스 처리가 핵심 초점입니다. 연구자들은 산업 배출물에서 CO2를 포집하기 위해 높은 다공성과 표면적을 가진 흡착제를 최적화하는 데 주력하고 있습니다. 경제성이라는 개념이 포함된 것은 상용화를 위해 비용 고려 사항이 매우 중요하다는 점을 다시 한번 강조합니다.
관련 사례 연구: Toray의 연구원들이 CAS Custom Services의 전문 교육을 통해 핵심 데이터 관리 원칙을 배우고 데이터 관행을 개선한 방법을 확인해 보십시오.
스토리 읽기"화석 연료, 유도체 및 관련 제품" 섹션은 포집과 활용 접근 방식의 흥미로운 조합을 보여줍니다. 흡착이 여전히 중요하지만, 석유 회수 증진(EOR)이 두드러지게 나타나고 있어 포집된 CO2를 사용하여 더 많은 석유를 추출하려는 연구가 진행 중임을 시사합니다. 이는 포집에 대한 경제적 인센티브를 창출하고 추가적인 격리 필요성을 높입니다.
"전기화학, 방사선 및 열 에너지 기술" 섹션은 바이오매스와 재생 에너지가 주요 개념으로 등장함에 따라 지속 가능한 솔루션으로의 전환을 보여줍니다. 전기분해의 존재는 전기화학적 CO2 환원 연구를 시사합니다. 합성 가스 생산은 CO2를 유용한 화학 물질로 전환하는 연구를 나타냅니다.
특허 비중이 가장 높은 "단위 조작 및 공정(Unit Operations and Processes)" 섹션은 유동, 분리, 열전달 최적화와 같은 공학적 측면에 중점을 둡니다. 열교환기의 존재는 공정의 경제성을 확보하기 위한 에너지 회수의 중요성을 시사합니다.
"폐기물 처리 및 폐기(Waste Treatment and Disposal)" 분야는 바이오매스/숯과 폐수 처리를 결합하여 통합적인 접근 방식을 제시하고 있습니다. "촉매, 반응 속도론 및 무기 반응 메커니즘(Catalysis, Kinetics, and Inorganic Reaction Mechanisms)" 섹션에는 CO2를 고리형 탄산염 및 유용한 화학 제품으로 전환하기 위한 금속-유기 골격체와 고리화 첨가 반응이 포함되어 있습니다. 이러한 결과는 화학적 전환에 대한 강조가 커지고 있다는 앞선 분석(그림 2 참조)과 일치합니다.
탄소 포집 문헌에 등장하는 물질을 살펴보면, CO2는 포집 대상이자 잠재적인 활용 원료로서 가장 많이 인용되는 물질입니다(그림 4 참조).
그림 4: (A) CO2 포집 관련 간행물에서 가장 많이 나타나는 15가지 물질; (B) 특정 물질을 포함하는 간행물 수 및 특허 비중과 간행물 수가 높은 3개 CAS 섹션 내에서 해당 물질이 수행하는 역할. 출처: CAS Content Collection.
Other key substances include carbon materials — activated carbon, for example, is a favored adsorbent due to its high surface area and ability to be modified. Other commonly cited substances include nitrogen, which is used as an inert gas during the synthesis and regeneration of adsorbents. Hydrogen is widely mentioned as it is generated along with CO2 during the steam-reforming of methane. Methane itself is a reactant in steam reforming, which generates considerable amounts of CO2, and is the product of CO2 reduction through the Sabatier reaction. It is also crucial to separate CO2 from natural gas, which is primarily methane, for certain applications.
그림 4B는 특허 비중과 간행물 수가 높은 3개의 CAS 섹션 전반에 걸쳐 CO2 포집 연구에서 주요 물질들이 수행하는 역할을 보여줍니다.
"대기 오염 및 산업 위생(Air Pollution and Industrial Hygiene)" 섹션에서 에탄올아민은 연소 후 CO2 흡수 시스템을 위한 주요 공학적 소재로 사용되며, 칼슘 기반 화합물(탄산염 및 산화물)은 영구적인 CO2 저장을 위한 광물 탄산화 공정을 가능하게 합니다. 메탄은 주로 연도 가스 흐름의 오염 물질로 나타나며, 포집된 CO2로부터 분리해야 합니다.
"전기화학, 방사선 및 열 에너지 기술(Electrochemical, Radiational, and Thermal Energy Technology)" 섹션은 CO2를 유용한 제품으로 전환하는 데 중점을 두며, 수소와 일산화탄소는 전기화학적 환원을 통한 합성 연료 생산의 핵심 반응물입니다. 이러한 접근 방식은 포집된 CO2를 P2G(Power-to-Gas) 기술을 통해 메탄으로 변환하여 재생 에너지 저장 솔루션을 창출합니다. 이 섹션에서는 전기화학적 전환과 같은 공정에 초점을 맞추어 메탄, 수소, 일산화탄소를 반응물로 다룹니다.
메탄, 수소, 일산화탄소는 "화석 연료, 유도체 및 관련 제품(Fossil Fuels, Derivatives, and Related Products)" 섹션에서 주로 CO2 활용 경로를 위해 연구되며, 포집된 CO2를 연료나 기타 화학 물질로 전환하는 반응물로서의 역할을 포함합니다. 메탄은 이 섹션에서 수소 생산을 위한 증기 메탄 개질의 공정 물질이자 분리 대상이라는 이중적인 역할을 합니다. 이 섹션에서 에탄올아민의 비중이 낮은 것은 고압 가스 흐름에 압력 변동 흡착과 같은 대체 포집 방식이 선호됨을 시사합니다.
실리카는 모든 섹션에서 공학적 소재로 일관되게 등장하며, 이는 CO2 흡착을 위한 고체 흡착제 개발을 나타내는 것으로 보입니다. 물질의 다양한 역할은 탄소 포집 전략이 대기 배출물 처리부터 CO2의 유용한 화학 물질 전환 및 화석 연료 처리 흐름 관리에 이르기까지 다양한 산업적 맥락에 맞춰 어떻게 적응하는지를 잘 보여줍니다.
탄소 포집 기술의 실제 적용 사례
특허 양도인을 통해 관련 개념과 IPC 코드가 현재 산업 현장에서 어떻게 구체화되는지 확인할 수 있습니다(그림 5 참조):
그림 5: (A) 특허 수가 가장 많은 특허 양도인; (B) 주요 특허 양도인의 특허 간행물에서 가장 널리 나타나는 국제특허분류(IPC) 그룹 및 CAS 색인 개념. 열은 IPC 그룹을 나타내며, 사각형은 개념을 나타내고 사각형의 크기는 간행물 수에 비례합니다. 출처: CAS Content Collection.
- 글로벌 산업용 가스 기업인 에어 리퀴드(L'Air Liquide)는 흡착 기반 시스템을 활용한 가스 분리 및 정제 기술에 집중하고 있습니다. 이 회사의 합성 가스 관련 특허는 수소 생산 시설과의 통합 가능성을 시사합니다.
- 중국석유화공(China Petrochemical Corporation)과 중국화능(China Huaneng)은 연도 가스 처리에 중점을 두고 있으며, 이는 석탄 화력 발전소 및 기타 산업의 탈탄소화에 대한 중국의 시급한 요구를 반영합니다. 산소 함유 유기 화합물에 대한 이들의 집중은 미세조류를 사용하여 폐기물 CO2를 가치 있는 원료로 전환하는 화학 생산용 CO2 활용 경로의 개발을 나타냅니다.
- 아람코(ARAMCO)와 슐룸베르거(Schlumberger)는 석유 서비스 기업으로, 지질 시추 장비와 탄소 포집 기술을 결합한 특허를 보유하고 있습니다. 이는 포집된 CO2를 고갈된 유전에 주입하여 탄소를 저장함과 동시에 추가적인 석유 자원을 추출하는 EOR(석유 회수 증진) 시스템의 개발을 시사합니다.
모든 기업에서 고체 흡착제와 흡착 기술이 널리 사용되는 것은 기존의 액체 아민 시스템보다 에너지 소비가 적은 차세대 포집 소재로의 전환을 의미합니다. 열교환 혁신은 운영 비용 절감에 필수적인 열 통합 및 에너지 회수에 초점을 맞추고 있음을 보여줍니다. 이러한 특허 분포는 다양한 산업 분야가 탄소 포집 기술을 각자의 운영 환경과 비즈니스 모델에 맞춰 어떻게 적용하고 있는지를 잘 보여줍니다.
탄소 포집 기술의 향후 과제
CAS Content Collection 분석에서 알 수 있듯이, 탄소 포집 기술은 다변화 및 성숙 단계에 있으며 향후 지속적인 도입이 예상됩니다. CO2를 포함한 온실가스 배출을 제한해야 할 필요성이 매년 더욱 시급해지고 있으며, 이러한 핵심 기술은 특히 탄소 감축이 어려운 산업 분야에서 중요한 역할을 할 것입니다.
유엔 사무총장이 언급했듯이, 전 세계는 기후 변화의 영향을 완화하기 위해 "모든 곳에서, 모든 것을, 한꺼번에(everything, everywhere, all at once)" 수행하는 접근 방식을 채택해야 합니다. CO2 포집 기술의 상용화는 그 목표를 달성하기 위한 또 하나의 중요한 전략입니다.
