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이산화탄소를 바닷속으로 – 해양 저장 기술

최근 화석연료의 사용량이 증가하면서 대기 중으로 많은 이산화탄소(CO2)가 배출되고 있다. 이산화탄소는 온실 가스 중 하나로 지구온난화를 가속화 시키며 이를 줄이기 위한 여러 기술들이 개발되고 있다. Carbon Capture and Storage(CCS, 이산화탄소 포집 및 저장 기술)는 대기 중에 있는 이산화탄소를 포집한 후 여러 과정을 거쳐 육상, 해양 등에 저장하는 기술을 의미한다. CCS 중 해양 저장 기술은 적극적인 연구가 이루어졌지만 여러 논란과 우려로 인해 대부분의 연구가 중단된 상태이다.


이산화탄소 포집
이산화탄소 포집 기술의 종류

이산화탄소를 저장하기 전에는 먼저 이산화탄소를 포집해야 한다. 이산화탄소 포집 기술로는 연소 후 포집 기술(Post-combustion), 연소 전 포집 기술(Pre-combustion), 순산소 연소 포집 기술(Oxygen Combustion) 세 가지로 구분될 수 있다.

연소 후 포집 기술은 연소 후 발생되는 배기가스 내 포함되어 있는 이산화탄소를 흡수제를 이용해 흡착, 탈착하여 분리하는 기술이다. 이 기술의 경우, 기존 이산화탄소 발생원에 적용하기 가장 용이하여 상용화에 가장 근접해 있다는 장점을 가지고 있어, 흡수제 성능 항상, 공정 개발 등을 초점으로 둔 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 비용이 크고 이산화탄소 외의 해로운 기체를 따로 제거해야 한다는 단점이 있다.

연소 전 포집 기술은 석탄의 가스화 또는 천연가스의 개질반응으로 합성가스(H2, CO)를 제조하는 것을 시작으로 한다. 그 후, 수성가스전이반응을 통해 합성가스를 수소와 이산화탄소로 전환한 후, 이 둘을 분리하여 이산화탄소를 포집하는 기술이다. 이 기술은 이산화탄소를 포집할 뿐만 아니라 수소도 함께 생산하므로 미래 수소경제사회로 가기 위한 핵심 기술로 평가된다. 연소 전 포집 기술의 연구 분야는 크게 가스화 후 불순물을 제거하는 분야, 합성가스를 수소와 이산화탄소로 전환하는 분야, 생성된 수소와 이산화탄소를 분리하는 분야로 나눌 수 있다.

순산소 포집 기술에서는 질소 성분을 배제한 순도 95% 이상의 산소와 배기가스를 사용하여 미분탄(아주 잔 가루로 된 석탄)을 연소시켜 이산화탄소와 물의 비율이 높은 배기가스를 생성한다. 이러한 고농도의 이산화탄소는 물의 간단한 응축과정을 통해 회수하여 별도의 포집 기술 적용 없이 수송 및 저장이 가능하다는 장점이 있다.

이렇게 포집된 이산화탄소는 파이프라인, 선박 등을 통해 저장고까지 수송되는 과정을 거친다. 이렇게 저장고에 있는 이산화탄소를 저장시키는 방식은 크게 지중 저장(geological storage) 기술, 해양 저장(ocean storage) 기술이 있다.

지중 저장 기술은 육상이나 해양의 퇴적층에 이산화탄소를 장기간 저장할 수 있는 기술이며 국제적으로 실용화 단계에 진입하고 있는 기술이다. 그렇다면 해양 저장 기술에 대해서 더 자세히 알아보도록 하자.


이미 흡수하고 있는 바다

사실, 인위적으로 이산화탄소를 해양으로 주입하지 않아도 바다는 원래부터 이산화탄소를 흡수하는 성질을 가지고 있다. 이를 화학 반응식으로 써보면 다음과 같다.

이처럼 이산화탄소는 물과 반응하면 탄산(H2CO3), 중탄산염(HCO3-), 탄산염(CO32-)을 생성하며 용해된다. 이러한 반응은 해수의 온도가 낮을수록 잘 일어난다.

깊이별 이산화탄소 저장 방식

해양 저장 기술은 바다가 더 빠른 속도로 이산화탄소를 흡수할 수 있도록 인위적으로 주입시키는 기술이다. 이산화탄소를 해양에 기체 또는 액체 상태로 분사시켜 용해시키는 해양 분사 기술과 액체 상태로 심해에 주입시켜 중력을 이용해 이산화탄소를 수화시켜 고정시키는 심해 저류 기술 등이 있다. 이 두 방법은 다른 기술에 비해 많은 양의 이산화탄소를 저장할 수 있다는 장점이 있지만 저장 가능 기간이 다른 저장 기술의 1%에 불과한다. 그리고 이 두 방법은 환경 위해성 논란으로 인해 법제화되지 못한 상태이다. 도대체 어떤 환경적 문제점이 있어서 이 방식에 대한 부정적인 여론이 있는 것일까?


치명적인 단점 – 해양 산성화
이산화탄소의 해양 용존

이전에 언급되었던 반응식을 한 번 더 살펴보자.

이처럼 이산화탄소가 용해되면 수소이온(H+)이 생겨 해양 산성화가(Ocean acidification)이 일어난다. 해양 산성화는 해양 생태계에 다양한 문제점을 일으킨다.

특히, 해양 산성화는 탄산칼슘 골격을 만드는 생물에게 피해를 끼친다. 이산화탄소가 용해되어 생긴 수소이온은 탄산칼슘(CaCO3) 골격을 만드는 데 필요한 탄산이온(CO32-)과 반응하여 중탄산염(HCO32-)를 생성한다. 이에 따라 해수의 탄산이온이 감소하여 탄산칼슘의 형성이 어려워진다. 그리고 용존 이산화탄소량의 증가는 다양한 해양생물의 호흡, 에너지 저장 및 소모, 생리 등에도 악영향을 주게 된다.

이러한 이유 때문에 현재 해양 분사 기술과 심해 저류 기술 등은 환경단체의 반대에 부딪혀 전 세계적으로 금지되어 있으며 2000년 이후에는 연구도 거의 중단된 상태이다. 국내에서도 2007년 관련 연구가 중단되었다.


현재 실험 중인 방식

현재 이산화탄소의 해양 저장 기술 중 실험 중인 방법은 크게 두 가지가 있다.

첫 번째 방법은 이산화탄소를 25°C에서 매우 큰 압력인 50기압으로 액체 상태의 이산화탄소를 만든 후, 해저 500m 밑으로 파이프를 통해 작은 덩어리로 방출시켜 해수에 용해시키는 방법이다. 이 방법이 실현 가능하기 위해서는 해수의 밀도가 액체 이산화탄소보다 낮아야 한다. 이러한 조건은 해저 3,000m 이하에서 만족되므로 액체 이산화탄소를 해저 3,000m에 폐기해야 된다.

두 번째 방법은 이산화탄소를 탄산칼슘(CaCO3)으로 고정시킨 뒤, 해양에 폐기하여 해저에 침강시키는 방법이다. 이 방법을 실현하기 위해서는 이산화탄소를 고정시킬 칼슘 등의 재료가 필요하다. 따라서 경제적이지 않다는 단점이 있지만 이산화탄소를 수송하는 과정에 있어서 유리하다는 장점을 가지고 있다.


 

함재욱 학생기자 | Chemistry & Biology | 지식더하기


참고자료

[1] 박정훈, 백일현. "[기획특집-이산화탄소 포집기술] 연소전 CO2 포집기술 현황 및 전망." Korean Industrial Chemistry News 12.1 (2009): 3-14.

[2] Lee, Dae-Su. "Special Issues-$ CO_2 $ 저장기술 개요." JOURNAL OF ELECTRICAL WORLD (2011): 45-49.

[3] https://www.kiost.ac.kr/

첨부 이미지 출처

[1] 박정훈, and 백일현. "[기획특집-이산화탄소 포집기술] 연소전 CO2 포집기술 현황 및 전망." Korean Industrial Chemistry News 12.1 (2009): 3-14.

[2] Lee, Dae-Su. "Special Issues-$ CO_2 $ 저장기술 개요." JOURNAL OF ELECTRICAL WORLD (2011): 45-49.

[3] https://www.kiost.ac.kr/


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