탄소 포집과 탄소 중립으로 가는 길
역설적으로, 이산화탄소(CO2)는 지구상 모든 식물과 그에 의존하는 모든 동물과 인간에게 필수 물질이지만 대기 중에 존재하는 이 중요한 가스의 대부분이 지구 온난화의 주범으로 지구 생물의 생존을 위협하고 있습니다.
화석 연료 사용 증가에 따른 CO2 배출 문제는 특정 국가에서 산업 혁명이 시작된 18세기부터 시작되었습니다. 오늘날 과학자들은 지구 온도의 평균 상승폭이 2030부터 2052년까지 1.5oC에 도달할 것으로 예측하고 있습니다(그림 1). CO2 배출 문제를 악화시키는 요인은 산업화, 도시화, 급속한 전세계 인구 증가입니다(그림 2).
2015년 개최된 21차 유엔 기후 변화 당사국 총회(COP21)에서는 2050년 탄소 중립을 실현하기 위한 ‘레이스 투 제로(race to zero)’라는 야심찬 목표를 채택했습니다. 30년 이내에 순탄소 배출을 완전히 없앤다는 이 중대한 목표를 달성하기 위해서는 전세계 산업 공정과 국가별 에너지 규정에 대한 대대적인 변화가 불가피합니다. 이 목표 달성을 위한 노력으로 풍력, 태양열 발전과 같은 다양한 지속 가능한 형태의 전력 생산 등의 방법이 잘 알려져 있습니다. 그러나 대기 중에서 직접 또는 물질원에서 CO2를 포집(탄소 포집)하는 접근법 또한 잘 알려져 있지는 않지만 중요한 방법입니다. 이 방법은 관련 기술이 높은 비용과 다소 제한적인 저장 용량이라는 단점 때문에 현재까지는 전세계 CO2 배출량의 0.1% 정도만 감소시키고 있습니다. 그러나 2050년까지는 19%로 비율이 증가할 것으로 예측하고 있습니다. 탄소 포집 기술과 관련된 연구 노력은 최근 계속 증가해 왔지만 현재까지 상업적으로 활용된 사례는 많지 않습니다. 대중의 인식 확대와 기후 변화 방지 또는 감소의 긴급성으로 인해 보다 효율적인 탄소 포집 기술 개발에 대한 압박이 커지고 있습니다.
CAS Content Collection™의 탄소 포집 관련 정보
CAS Content Collection™은 엄선된 최대 규모의 과학 정보 컬렉션으로 시간, 연구 분야, 제형, 응용 부문, 화학적 성분 같은 변수를 대상으로 전 세계 과학 간행물의 정량 분석을 수행하는 데 적합합니다. 탄소 포집에 대한 최근 연구와 지속적인 연구 노력을 평가하기 위해 중요한 새 CAS Insight가 관련 최신 동향 정보를 제공합니다. 이 CAS Insight에는 사용 방법, 저장 또는 변환 등 탄소 포집과 관련하여 대기 중 CO2 또는 환경 영향과 관련된 용어와 함께 사용되는 용어를 자세히 다루는 광범위한 최근 분석 결과(2000년∼2021년 발표된 18,500여 건의 문서)의 요약본이 안내되어 있습니다.
주요 연구 동향과 탄소 포집 방법
문헌 분석 결과, 2008년 이후 모든 탄소 포집 및 저장 관련 간행물이 급격하게 증가했으며 2010년대 중반 이후 속도가 둔화되었다가 최근 다시 증가하고 있는 것으로 나타났습니다. 이는 전반적인 경제 상황과 사태의 긴급성에 대한 인식 확대가 반영된 결과일 수 있지만 동시에 유가와도 관련이 있는 것으로 보입니다. 유가가 하락하면 탄소 포집 비용이 크게 느껴지므로 탄소 격리 노력과 저장이 감소하는 경향이 나타납니다. 분석 결과, 탄소 포집과 관련된 특허는 적은 수(10%)로 이 기술에 대한 낮은 상업적 관심을 알 수 있었습니다. 그러나 최근에는 고무적으로 이 수치가 가파른 증가세를 나타내고 있습니다.
탄소 포집에 대한 다양한 접근 방식은 물질 과학, 생물학, 화학, 지질학적인 관점으로 분류할 수 있습니다.
물질 과학적 접근 방식
연도 가스에서의 탄소 포집 시스템을 포함한 물질 과학적 접근 방식이 그림 3, 표 1에 나와 있습니다. 여기서 연소 후 포집이 기존 발전소의 연통에 재설치가 적합하다는 점에서 가장 널리 사용되지만 에너지 소비가 많아 운영 비용이 높습니다. 새로운 직접 공기 포집 방식은 공기 중에서 직접 CO2를 포집하는 방식으로 널리 사용될 수 있지만 대기 중 CO2 농도가 낮아 실제 구현이 어렵고 비용도 많이 소요됩니다.
표 1. 물질 과학적 방식: CO2 포집 프로세스의 비교
| 프로세스 | 장점 | 단점 | 재설치 어려움 |
| 연소 후 | 보다 성숙한 기술, 최소 비용 | CO2 농도가 낮은 저압 수증기가 격리 효율성을 저해하여 CO2/N2 격리가 어려움 | 낮음 |
| 연소 전 | CO2 농도가 높은 고압 수증기로 CO2/H2 격리가 쉬움 | 가스화 또는 설비 개보수에만 해당, 실제 산업 사례 부재, 높은 순산소 비용 | 중간 |
| 산소-연료 | CO2/H2O 분리 용이 | 높은 순산소 생산 비용 | 높음 |
| 화학 루핑 | CO2/H2O 분리 용이 | 기술 초기 단계, 보다 복잡한 프로세스와 장비 | 높음 |
연도 가스에서의 탄소 포집을 위한 주요 방법이 표 2에 요약되어 있습니다. 알칼리 용액을 사용하는 화학적 흡수와 메탄올 또는 Selexol과 같은 비부식성 솔벤트를 사용하는 물리적 흡수가 포함됩니다. 잘 알려진 다공성 고체 흡착제를 사용한 흡착, 새롭지만 낮은 CO2 분리 효율성으로 인해 아직 널리 사용되지 않는 막여과 방식도 있습니다.
표 2. 물질 과학적 방식: CO2 포집 방법 비교
| 방법 | 가장 적합한 프로세스 | 장점 | 단점 | 성숙도 |
| 흡수 | 연소 후 | 보다 성숙한 기술, 낮은 비용, 작업 용이 | 마모성 솔벤트 사용, 많은 솔벤트 손실, 솔벤트 재생에 많은 에너지 필요 | 중간 |
| 흡착 | 연소 전 | 지속적 사용, 환경 친화적 | 낮은 CO2 분리량, 흡착 용량 극대화를 위한 고체/가스 접촉 관리의 어려움, 너무나 많은 잠재적 후보, 실제 흡착제 성능의 예측 어려움 | 낮음 |
| 막 | 연소 후, 연소 전 | 단순하고 유연한 시스템, 환경 친화적, 재생 불필요 | 낮은 CO2 투과성, 에너지 집약적, 쉽게 손상되는 막 소재 | 매우 낮음 |
생물학적 접근
탄소 포집을 위한 생물학적 방식은 지구에서 CO2 발생량의 가장 많은 부분을 차지하는 광합성을 기반으로 합니다. 목재 또는 조류와 같은 다양한 식물 재료가 바이오 연료(바이오매스)로 변환되어 연소되는 탄소 중립적이고 지속 가능한 프로세스가 완성됩니다. 효소 기반 기술이 생물 시스템의 대안이 될 수도 있습니다. 대표적인 예가 풍부하고 많은 연구도 진행된 효소 물질, 1,5-이중인산 카르복실라아제/옥시제나아제(RubisCO)입니다. 자연 상태에서의 CO2 포집 속도는 느리지만 산업적으로 활용 가능한 프로세스 구축을 위해 RubisCO 활성도를 높이기 위한 연구가 진행되고 있습니다.
화학적 접근
수소를 활용한 감소 방식의 촉매 프로세스와 같은 여러 가지 화학적 탄소 포집 방법도 있습니다. 이 방법은 엄청난 규모로 널리 사용되고 있습니다. 양성자와 촉매를 사용하여 CO2를 줄이는 전기 화학 프로세스와 같은 방법도 많이 사용됩니다. 깨끗한 에너지를 사용하는 광화학, 광열 및 광전기 화학 프로세스도 흥미로운 방법이지만 아직까지는 빛 에너지를 기질로 변환하는 효율이 높지 않습니다. 플라스마 기반 프로세스 또한 가능성이 있지만 많은 에너지가 필요하고 탄소 포집에 활용하기 위해서는 기술 개발도 더 필요합니다.
지질학적 접근 방식
탄소 포집을 위한 지질학적 접근 방식은 CO2를 대기와 분리시켜 장기적으로 저장하기 위한 중요 솔루션입니다. 포집된 CO2는 압축, 운반 과정을 거쳐 깊은 심층 다공성 지질 계통 또는 염류 대수층에 주입됩니다. 이 프로세스를 통해 기가톤 규모의 CO2를 저장할 수 있지만 적합한 부지 선택이 중요합니다.
탄소 포집에 대한 CAS 문헌 분석
CAS 문헌 분석 결과, 2007년 이전까지는 CO2 포집 관련 문헌 발표율이 낮았지만 2010년대 초 최대 규모로 증가한 후 현재까지 안정적인 추세를 유지하고 있는 것으로 나타났습니다(그림 4). 연소 전 및 산소-연료 연소에 대한 간행물 수는 기존 시설 개조를 위한 경제적 어려움으로 인해 그 수가 매우 적었지만 최근 증가 추세를 보이고 있습니다. 특허 출원은 2012년에 증가하기 시작한 후 안정적인 추세를 유지하고 있으며 이는 지속적인 상업적 관심을 나타내는 것입니다.
또한 CAS 분석 결과에 따르면 이전과 비교하여 지난 6년 동안 다양한 화학적 CO2 변환 방법에 대한 간행물이 빠른 속도로 증가했습니다(그림 5). 그중에서도 메탄화, 플라스마 매개 프로세스, 물-가스 역전환 방법이 가장 큰 관심을 받았습니다.
간행물 번호는 생물학적 CO2 고정에 대한 관심이 빠르게 증가하고 있다는 것을 나타내지만 특허 출원은 상업화가 가능한 기술이 제한적인 상황에서 일정 수준을 유지하고 있습니다(그림 6). 그러나 탄소 포집 및 저장을 통한 바이오에너지(Bioenergy with Carbon Capture and Storage, BECCS)에 대해서는 큰 관심을 확인할 수 있습니다.
지질학적 방식의 CO2 저장에 대한 간행물은 지속적인 증가세를 보이다가 2013년에 정점을 찍고 이후 감소했습니다(그림 7). 최근 수년 간 ‘대수층’, ‘염분’, ‘소금물’, ‘셰일’, ‘포접’ 등을 포함하는 검색어가 다른 검색어보다 더 많은 간행물에서 발견되었으며 이는 해당 저장 방식에 대한 더 많은 관심을 반영합니다.
꿈의 실현
18,500건의 간행물에 대한 CAS 분석 결과, 다양한 CO2 분리 방식에 대한 관심이 크고 급격하게 나타나고 있음을 알 수 있습니다. 현재 가장 지배적이라고 말할 수 있는 뚜렷한 방법은 없습니다. 널리 사용되는 방법은 소수지만 기존 기술을 활용하여 새로운 기술을 개발하기 위한 연구 노력이 상당히 진행되고 있음을 분석 결과로 알 수 있습니다. 특허 출원 수는 연구 문헌보다 적었지만 일부 기술에 대한 상업적인 관심을 확인할 수 있었습니다. 최근 분석 결과에는 지구 온난화에 대한 대중의 인식과 문제 해결 조치의 필연성에 대한 자각이 반영되었을 가능성이 높습니다. 상황의 긴급성이 증가하면서 연구 활동과 경제 상황, 유가의 뚜렷한 상관관계도 줄어들 것입니다. CAS의 간행물 동향 분석에 따르면 연구 및 기술 배치 속도가 2000년에는 단지 꿈이라고 생각했던 속도로 증가할 것이며 지구 온난화가 점점 더 명확한 현실로 다가오면서 지속될 것이라고 예측합니다.
