지구의 골칫거리를 새로운 자원으로 ccu와 이산화탄소 전환 기술

인류가 뿜어내는 '이산화탄소(CO2)'는 지구의 숨통을 조이는 가장 완벽하고 치명적인 온실가스 폭탄이다. 기후학자들은 온난화를 막으려면 당장 화석 연료 사용을 멈추라고 소리치지만, 현대 산업은 단 하루도 굴뚝의 스위치를 끌 수가 없다. 그래서 벼랑 끝에 몰린 화학자들과 공학자들은 미친 상상을 시작했다. "차라리 굴뚝에서 뿜어져 나오는 저 시커먼 이산화탄소 덩어리를 공기 중으로 날아가기 전에 싹 잡아채서, 우리가 쓸 수 있는 유용한 자원이나 연료로 연금술처럼 둔갑시켜 버리면 어떨까?" 쓰레기(탄소)를 황금(자원)으로 바꾸어 기후 재앙을 멈추고 경제적 이익까지 챙기려는 마법 같은 탄소 사냥, '이산화탄소 포집 및 활용(CCU, Carbon Capture and Utilization)' 기술의 거대한 화학 공장 속으로 들어가 보자.

악마의 가스를 잡아라, 탄소 포집(Capture)

연금술의 첫 번째 단계는 굴뚝에서 나오는 연기(배기가스) 속에서 불순물들을 빼고 순수한 이산화탄소만 귀신같이 걸러내는 '포집(Capture)'이다. 공장 굴뚝 안쪽에 아민(Amine)이라는 화학 물질을 스펀지처럼 발라놓은 거대한 흡수탑을 세운다. 배기가스가 이 탑을 통과할 때, 아민 용액이 마치 자석처럼 이산화탄소 분자들만 찰싹 달라붙게 낚아채 버린다(화학적 흡수). 이후 이 용액에 펄펄 끓는 열을 팍 가해주면, 스펀지가 물을 뱉어내듯 아민 용액이 물고 있던 고순도 99.9%의 이산화탄소를 뱉어내어 따로 모을 수 있게 된다. 최근에는 액체 스펀지 대신 전기를 덜 먹는 고체 흡착제나 나노 필터(분리막)를 이용해 이산화탄소를 체에 거르듯 걸러내는 기술들이 개발되고 있다.

돌멩이로 굳혀버리다, 광물화 기술

포집한 이산화탄소를 활용(Utilization)하는 가장 원초적이고 확실한 방법은, 가스를 아예 딱딱한 돌멩이로 굳혀서 영원히 못 도망가게 가둬버리는 '광물화(Mineralization)'다. 칼슘(Ca)이나 마그네슘(Mg)이 잔뜩 들어있는 산업 폐기물 찌꺼기에 이산화탄소 가스를 들이부어 반응시키면, 이산화탄소가 탄산칼슘이나 탄산마그네슘이라는 거대하고 단단한 암석 고체 덩어리로 변해버린다. 기체(가스)를 시멘트 덩어리로 기적처럼 굳혀버린 것이다. 이 탄산칼슘 덩어리는 도로를 포장하거나 건물을 짓는 시멘트, 건축 자재로 불티나게 팔려 나간다. 쓰레기 가스가 빌딩을 짓는 벽돌로 환생한 완벽한 자원 순환이다.

마법의 인공 광합성, 탄소를 연료로 바꾸다

더 궁극적이고 매혹적인 CCU 기술은 식물의 광합성을 기계로 흉내 내는 '인공 광합성(화학적 전환)'이다. 이산화탄소(CO2) 분자는 탄소 1개와 산소 2개가 미치도록 꽉(이중결합) 붙어있어서 여간해선 쪼개지지 않는 악질이다. 과학자들은 쪼개지지 않는 이산화탄소에 재생 에너지(태양광 전기)로 만든 깨끗한 수소(H2) 가스를 엄청난 고온·고압과 특수 촉매(구리, 니켈 등)를 쑤셔 넣어 강제로 결합시켜 버린다. 그러면 끔찍했던 온실가스(CO2)가 비행기를 띄우고 자동차를 굴릴 수 있는 '메탄올'이나 '합성 연료(e-fuel)', 또는 플라스틱을 만드는 '폴리우레탄'의 원료로 마법처럼 변신한다. 독극물을 먹고 에너지를 토해내는 진정한 연금술의 완성이다.

CCU의 딜레마, 배보다 배꼽이 크다

하지만 CCU 기술이 아직 세상을 지배하지 못하는 끔찍한 한계가 있다. 이산화탄소는 에너지 준위가 가장 바닥인, 즉 꽉 짜내고 남은 '완벽한 찌꺼기 재'와 같다. 불타버린 재(CO2)를 다시 쓸모 있는 장작(연료)으로 되살리려면, 우주 법칙(열역학)에 따라 '어마어마한 양의 전기에너지'를 다시 쏟아부어야만 한다. 탄소를 없애겠다고 화력 발전소를 돌려 전기를 만들면 말짱 도루묵이므로, 오직 남는 태양광이나 풍력(재생 에너지)만으로 이 공장을 돌려야 수지타산이 맞는다는 뼈아픈 딜레마가 남는다. ![왼쪽에는 탄소 오염으로 고통받는 죽어가는 시든 식물을, 오른쪽에는 에너지를 눈부시게 번성하고 생성하는 인공 금속 잎(인공 광합성)을 비교하는 분할 화면](https://image.pollinations.