이 기사를 읽고 있는 여러분은 지구 온난화와 그 원인, 영향을 어느 정도 알고 있을 것입니다. 그중 여러 기체의 과도한 온실 효과로 인한 문제점은 꽤 오래전부터 지속해서 논의되고 있지만, 아직 확실한 해결책을 찾지 못했습니다. 지구온난화를 일으키는 온실가스에는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화탄소, 육불화황 등이 있습니다. 이 중 사람들에게 가장 널리 알려져 있고, 정부 기관이나 과학자들이 가장 집중하는 물질은 이산화탄소입니다.
그러나 위 표에서 볼 수 있듯이 여러 온실가스 중 이산화탄소는 지구온난화지수가 낮은 편입니다. 그러나 환경 문제 해결의 초점은 대기 중 이산화탄소량을 줄이는 데에 맞춰져 있습니다. 대기 중 이산화탄소량이 너무 많아 지구온난화지수를 고려하더라도 온실 효과에 큰 영향을 주고 있기 때문입니다. 이산화탄소의 발생을 막으려는 노력도 있지만, 이미 대기 중에 존재하는 양을 줄이려는 노력도 있습니다. 그 중 많이 논의된 것이 이산화탄소 포집 및 저장(CCS, carbon capture&storage)입니다. 이름에서 알 수 있듯이 대기 중 이산화탄소를 포집하여 지하나 해저에 저장해두는 기술입니다. 처음 이 기술이 등장했을 때는 지구온난화를 해결할 혁신적인 기술처럼 보였지만, 연구가 진행되면서 많은 문제점이 발견되었습니다. 해양 저장 기술의 경우 해양 산성화와 생태계 파괴 우려가 있었고, 다른 기술 역시 고려할 점이 많고 들이는 노력에 비해 효과가 좋지 못했습니다. 또한 이산화탄소를 처리해야 할 쓰레기가 아니라 새로운 탄소 자원으로 봐야 한다는 의견이 나오기 시작했습니다. 이러한 논의에서 새롭게 나온 방법이 오늘 이야기할 이산화탄소 포집 및 활용(CCU, carbon capture&utilization)입니다.
이산화탄소 포집 및 활용(CCU, carbon capture&utilization)
이산화탄소 포집 및 활용(CCU)은 이름에서 알 수 있듯이 대기 중 이산화탄소를 포집하고 다른 물질로 전환해 활용하는 기술입니다. 이산화탄소를 모아 단순히 저장하는 이산화탄소 포집 및 저장 기술과 달리, 이산화탄소를 새로운 자원으로 사용할 수 있다는 점에서 효율적이며, 기존 CCS 방법에서 생기는 환경 문제가 없어 최근 새롭게 주목받고 있습니다.
위 영상은 CCU 기술의 기본적인 아이디어와 과정을 설명해주는 영상입니다. 다음 내용으로 넘어가기 전 이 영상을 먼저 본다면 전체적인 이해에 도움이 될 것입니다.
이산화탄소 포집 기술
이산화탄소 포집 및 활용 기술에서 가장 먼저 진행되는 단계는 이산화탄소 포집입니다. 포집 기술은 CCU 이전에 나왔던 CCS를 위해 많이 연구되었기에, 이 기사에서는 CCS에서 주로 사용되었던 포집 기술 세 종류를 다룹니다. 앞으로 CCU에 더 적합한 다른 형태의 포집 기술이 개발될 수도 있다는 것을 염두에 두고 읽어주시기 바랍니다.
연소 후 포집(post-combustion)은 이름 그대로 연료의 연소 후 이산화탄소를 포집하는 방식입니다. 기존 화력발전소의 구조를 크게 바꾸지 않고 적용시킬 수 있는 방법이기 때문에 가장 적용하기 쉽고 연구에 많이 이용됩니다. 연소 전 포집(pre-combustion)은 기화장치를 통해 화석연료를 산화시키고, 비교적 순수한 배기가스에서 이산화탄소를 포집합니다. 연소 후 생기는 연도 가스(flue gas, 연소 후 생성된 기체)가 팽창되기 전 압축 상태일 때 이산화탄소를 제거하며, 이 방법은 새로 짓는 화력발전소에 주로 적용됩니다. 마지막 단계에서 수소가 생성되는데, 이 수소는 연료로 사용할 수 있습니다. 순 산소 연소 포집(oxy-fuel combustion)은 공기 대신 순수한 산소 속에서 연료를 연소시켜 이산화탄소를 포집하는 방식입니다. 연소 전 포집, 연소 후 포집과 달리 연도 가스 자체가 이산화탄소이기 때문에 따로 배출되는 기체가 없다는 특징이 있습니다.
이산화탄소 전환과 활용
포집된 이산화탄소는 용도에 맞는 전환 과정을 거쳐 새로운 자원으로 활용되게 됩니다. 현재 가장 상용화 단계에 가까운 것은 화학제품의 원료로 활용하는 것입니다. 기존에 석유를 원료로 하여 생산되던 제품을 이산화탄소 전환을 통해 만든다면 생산 과정에서 나오던 다량의 이산화탄소를 줄임과 동시에 석유 연료 사용량을 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 특히, 이산화탄소와 구조가 비슷한 카보네이트(Carbonate) 계열의 제품은 이산화탄소 분자 구조를 깨지 않고 만들 수 있어 에너지가 적게 들고, 이로 인해 비교적 빠르게 이산화탄소 활용을 적용시킬 수 있습니다. 또한, 생물학적 고정 방법이나 인공광합성을 통해 이산화탄소를 연료로 바꾸는 방법도 연구되고 있습니다. 생물학적 고정은 미세 조류 등 다양한 생물들이 이산화탄소를 흡수하여 생장하도록 하는 방식입니다. 생장한 이후에는 바이오 디젤을 생산하는데 활용하여 연료로 전환합니다. 인공광합성의 경우에는 자연계의 광합성을 모방하여 연료를 생산하는 방식입니다. 광촉매를 이용하여 물을 분해하고, 얻은 수소를 이산화탄소와 반응시켜 메탄올 등의 물질을 합성합니다. 생체모방 전환 방식인 광물탄산화를 통해 이산화탄소를 건축 자재로 바꿔 활용할 수도 있습니다. 광물탄산화는 산호, 조개 등의 해양 생물이 이산화탄소를 석회석 등의 광물질로 전환하는 과정을 흉내낸 것으로, 기존의 시멘트 제작 공정은 발전 다음으로 이산화탄소 배출량이 많습니다. 그러나 광물탄산화를 통해 만들어진 이산화탄소 시멘트는 이산화탄소를 소모시킬 뿐만 아니라, 생성 과정이 발열 반응이기 때문에 그 열을 다른 용도로 사용할 수도 있습니다.
앞으로 해결해야 할 문제
CCU 기술은 해결해야 할 수많은 과제를 마주하고 있습니다. 먼저, CCU의 핵심인 전환 기술이 아직 개발 초기 단계에 머물러 있습니다. 앞에서 소개한 기술 대부분은 전환 방법에 대한 아이디어거나, 기본적인 전환 물질에 관한 연구로 상용화가 되려면 더 많은 시간과 연구가 필요합니다. 기술을 사용하는 데 있어서 효율성도 중요한 고려 요소입니다. 환경에 좋은 방법이라고 해도 들이는 노력에 비해 얻는 것이 없다면 경제적인 문제 때문에 실제로 계속 활용되기 어렵습니다. 에너지 활용 측면에서 봤을 때, 이산화탄소를 재활용하는 과정에서 드는 자원은 기존 처리 방법의 자원 사용량보다 작아야 합니다. 실제로 이산화탄소는 안정한 물질이기 때문에, 이를 변환하는데 드는 에너지가 많아 적절한 방법을 찾지 못하면 오히려 에너지 사용량을 늘리기만 할 수 있습니다. 또한, 포집, 전환 과정에서 사용되는 에너지가 이산화탄소를 오히려 더 많이 생산하면 안 되기 때문에 탄소 배출량이 적은 재생 에너지의 개발이 동반되어야 합니다.
이번 기사에서는 이산화탄소 포집 및 전환(CCU) 기술을 다뤘습니다. 이 기술을 통해 우리가 생각하는 것만큼 대기 중 이산화탄소 농도를 큰 폭으로 줄일 수는 없지만, 여러 탄소 기반 물질을 다른 방식으로 합성할 수 있고 이 과정이 기존 과정보다 이산화탄소 발생량이 적다는 점에서 의미가 있습니다. 앞으로 관련 연구가 더 이루어져 이산화탄소를 더 생산적인 방식으로 활용할 수 있게 되기를 바라며 기사를 마칩니다.
참고자료
[1] http://www.lgeri.com/report
[2] http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=203106
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_capture_and_utilization
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_capture_and_storage
첨부 이미지 출처
[1] http://blog.naver.com/PostList.nhn?blogId=banggu_mb
[2] https://www.intechopen.com/books/greenhouse-gases/greenhouse-gas-emissions-carbon-capture-storage-and-utilisation
첨부 동영상 링크
[1] https://www.youtube.com/watch?v=3z6I9cS1btE
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작성자│최우정
발행호│2020년 봄호
