탄소 중립은 가능할까? (2)

[과학기술 넘나들기] (222) 대기 중의 이산화탄소 직접 포집

올해 엑스프라이즈(XPRIZE) 재단과 머스크 재단이 공동으로 총 1억 달러의 상금을 내걸고 나선 엑스프라이즈 카본 리무벌은 바로 탄소 포집 기술개발을 독려하는 대회이다. 즉 CCUS(Carbon Capture, Utilization, and Storage) 즉 이산화탄소의 포집, 수송, 활용, 저장 등으로 이산화탄소를 줄여서 대기 중의 온실가스를 감소시키려는 것이다.

이러한 CCUS 분야에도 매우 다양한 기술과 방안이 있는데, 크게는 일단 다음의 세 가지 단계로 분류될 수 있다. 첫째는 대기 중에서 이산화탄소를 포집하는 것으로서, 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 대량으로 사용하는 화력발전소 및 정유시설, 제철소, 시멘트 공장 등의 산업 공정에서 발생하는 다른 가스에서 이산화탄소를 분리하거나, 이미 대기 중에 방출된 이산화탄소를 잡아내는 포집 단계이다.

두 번째는 운송 단계로서 포집, 분리된 이산화탄소를 압축하여 파이프라인이나 교통수단 등을 통하여 저장을 위한 다른 장소로 이동해야 하는 것을 의미한다. 세 번째는 사용 또는 저장 단계로서, 포집된 이산화탄소를 다른 화학물질이나 시멘트, 플라스틱 등의 재료로 만들어서 활용하거나, 대기 중으로 빠져나가지 못하도록 지하의 암석층이나 해양 등에 저장하는 것이다.

대기 중에서 이산화탄소만을 따로 포집하는 기술은 지구 온난화가 심각해진 오늘날에 크게 주목을 받고 있기는 하지만, 원리와 기술이 정립된 것은 상당히 오래되었다.  또한, 이산화탄소 포집이 중요한 순간에 사용된 사례도 있다. 바로 1970년 아폴로 13호 우주선 고장 사고 당시에 이런 기술이 큰 힘을 발휘하였는데, 이 사고는 론 하워드 감독, 톰 행크스 주연의 영화 아폴로13(Apollo 13; 1995)으로도 만들어진 바 있다.

아폴로 13호 사고로 비상대응 조치를 하는 승무원들 ⓒ Project Apollo Archive

아폴로11, 12호에 이어 세 번째로 달 착륙을 계획했던 아폴로 13호는 발사된 지 이틀 후에 우주선의 산소 탱크가 폭발하는 사고 때문에 절체절명의 위기를 맞자, 우주비행사들은 달 표면 착륙과 사령선을 포기하고 착륙선으로 피신하여 천신만고 끝에 지구로 귀환하는 데에 성공하였다. 전력 부족 등 갖은 어려움과 위기가 있었지만 큰 문제 중 하나는 바로 비좁은 착륙선에 3명의 승무원이 머물렀던 데에서 발생한 이산화탄소의 증가 문제였다. 그 당시에 승무원들은 임시방편으로 공기정화 필터를 개조하여 착륙선 공간 내의 이산화탄소를 제거할 수 있었다.

물론 우주선 내의 이산화탄소는 공기정화 필터로도 비교적 쉽게 분리, 제거가 가능하지만, 대기 중의 이산화탄소를 대거 분리, 포집하는 작업은 쉽지 않고 효율 측면 등에서도 문제가 생긴다. 현재 대기 중에서 이산화탄소를 잡아내는 기술로는 아민(Amine)이라는 질소 유기화합물을 사용하는 방법이 널리 알려져 있다. 이는 암모니아(NH3)에서 하나 이상의 수소가 알킬기나 방향족 고리로 치환된 것을 포함하는 화합물의 총칭인데, 반응성이 좋아서 대기 정도로 매우 옅은 농도의 이산화탄소도 잘 포집해낼 수 있다.

화합물 아민의 여러가지 구조 ⓒ DrTOsborne

아민을 이용하는 탄소 포집 기술은 1930년대에 이미 특허를 취득했을 정도로 오래된 기술이고, 현재 화력발전소 등에서도 활용되고 있다. 대개 아민을 녹인 수용액을 작은 물방울로 만들어서 분사함으로써 아민 분자에 의해 이산화탄소를 포획하고, 이후 이산화탄소를 머금은 아민 수용액을 가열하여 이산화탄소를 분리한 후 높은 압력으로 압축하여 보관하는 방식이다.

그러나 아민을 이용한 이산화탄소 포집, 분리는 고온, 고압의 공정이 필요하므로 상당한 에너지가 투입되어야만 하고, 따라서 이 과정에서 일정 정도의 이산화탄소 발생도 불가피하다. 즉 상당한 비용이 소요될 뿐 아니라 일부 이산화탄소 배출이 불가피한 점을 고려하면 탄소 포집 효율도 그리 뛰어나다고 말하기 어렵다. 따라서 대기 중에서 이산화탄소 직접 포집은 새로운 방법 등을 통하여 포집 단가를 크게 낮추고 효율을 높이는 것이 큰 관건이기 때문에, 연구진들은 그런 기술들을 개발하기 위하여 큰 노력을 기울이고 있다.

이산화탄소 포집장치 ⓒ IUTAe.V.

현재 세계 각국에서 대기 중의 이산화탄소 포집을 통하여 감소시킬 수 있는 이산화탄소의 총량은 최대 40메가톤, 즉 4,000만 톤 정도로 추산된다. 대기 중에 배출된 탄소는 이산화탄소의 형태로 존재하므로, 연간 100억 톤이 넘게 배출되는 탄소 중에서 화석연료 사용에 의한 이산화탄소는 해마다 350억 톤 정도가 나오는 것으로 추산된다. 따라서 현재의 대기 중 이산화탄소 포집은 연간 배출량의 0.1% 남짓에 그치는 셈이다.

따라서 대기 중의 이산화탄소 포집만으로는 탄소 중립을 위한 근본적인 해결방안이 되기 힘들다고 비관적으로 보는 견해도 있다. 그러나 이산화탄소 포집 단가를 획기적으로 낮추고 포집 용량을 크게 확대한다면, 앞으로 배출량 전체는 아니더라도 상당량의 이산화탄소를 포집하여 탄소 중립에 크게 이바지하고, 아울러 이산화탄소 활용, 저장 등의 다른 CCUS 기술들도 더욱 발전시켜야 한다고 주장하는 이들도 적지 않다.

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