에너지
대체 연료 – 빛이 이산화탄소를 재활용하는 데 어떻게 도움이 되는가
기후 변화의 가장 큰 원인 중 하나는 이산화탄소(CO2)이다. 중요한 온실가스인 CO2는 석유, 석탄, 천연 가스와 같은 화석 연료의 연소 결과이며, 인간의 호흡, 식물 호흡, 화산 폭발 등 자연적으로도 발생한다.
산불도 CO2 배출의 또 다른 주요 원인으로, 2023년 한 해에만 약 21억 7천만 톤이 배출된 것으로 추정된다.
새로운 연구에 따르면, 지난 23년 동안 전 세계 산불로 인한 CO2 배출량이 무려 60% 증가한 것으로 나타났다.
동부 앵글리아 대학교(UEA)가 주도한 이 연구는 전 세계 지역을 ‘파이롬(pyromes)’으로 구분했으며, 이는 기후, 인간 활동 및 환경 요인이 유사하게 작용하는 산불 패턴 지역을 의미한다.
이를 통해 연구진은 삼림 화재와 비삼림 화재의 차이를 분석했으며, 이는 최근 산불 활동 증가를 주도하는 핵심 요인을 밝혀냈다.
연구에 따르면, 가장 큰 파이롬 중 하나에서 발생한 화재의 CO2 배출량은 2001년에서 2023년 사이에 거의 세 배로 증가했다. 이 파이롬은 유라시아와 북미의 북방림을 포함하며, 가장 기후에 민감한 북부 침엽수림을 보유하고 있다.
외열대림 전반에 걸쳐 상당한 증가가 관측되었으며, 매년 추가로 5억 톤의 이산화탄소가 배출되고 있다. CO2 배출의 중심도 열대림에서 멀어져 외열대 지역으로 이동하고 있다.
배출 증가와는 폭염과 가뭄 등 화재에 유리한 고온·건조한 기후가 늘어난 것이 연관되어 있다. 또한, 삼림 성장률이 증가하면서 식생 연료가 더 많이 축적되고 있다. 이러한 추세는 고위도 북부 지역의 온도가 전 세계 평균보다 두 배 빠른 속도로 상승하고 있다는 점에서도 뒷받침된다.
숲 산불의 규모가 크게 증가했을 뿐만 아니라, 그 심각성도 지난 20년 동안 상승하고 있다.
탄소 연소율은 연소된 면적당 배출된 탄소량을 기준으로 화재의 심각성을 측정하는 지표로, 이 기간 동안 전 세계 숲에서 최대 50%까지 급증했다. UEA의 Tyndall 기후변화 연구센터의 수석 저자 Matthew Jones 박사에 따르면:
“산림 화재의 규모와 심각성 모두가 증가함에 따라 전 세계 산림 화재에서 배출되는 탄소량이 급격히 늘어났다. 또한, 전 세계 화재 지리적 분포에도 눈에 띄는 변화가 진행 중이며, 이는 세계 북방림에서 기후 변화의 영향이 커지고 있기 때문이라고 설명한다.”
산불이 탄소 격리 노력에 미치는 영향
전 세계 과학자들이 이번 연구를 위해 모였으며, 산불의 지속적인 증가를 방지하려면 기후 변화의 주요 원인을 해결해야 한다고 경고했다.
“산불 위협이 가속화되는 중요한 산림 생태계를 보호하려면 지구 온난화를 억제해야 하며, 이는 순배출 제로 목표를 향한 신속한 진전이 왜 그렇게 중요한지를 강조한다.”
– Dr. Jones, NERC 독립 연구원
숲 자체가 국제 기후 목표 달성에 중요한 역할을 한다. 결국 숲은 탄소 흡수원으로서 대기 중 CO2를 제거한다.
그 작동 원리는 숲이 대기 중 이산화탄소를 흡수하여 바이오매스, 죽은 나무, 낙엽, 토양 형태로 저장하는데, 이를 탄소 격리라고 하며, 이는 지구 온난화 속도를 감소시킨다.
따라서 전 세계 정부는 특히 항공 및 일부 산업 분야에서 발생하는 인간의 CO2 배출을 상쇄하기 위해 재조림 및 조림 프로그램을 도입했다. 그러나 이러한 프로그램의 성공은 숲의 영구적인 탄소 저장에 달려 있으며, 이는 산불에 의해 위협받고 있다.
외열대 지역 화재가 이미 2001년에 비해 연간 5억 톤 이상의 CO2를 추가 배출하고 있으며, 장기적인 영향이 숲의 회복에 달려 있는 상황에서, 보다 광범위하고 심각한 산불은 화재 후 회복을 통해 포집된 탄소와 배출량 사이의 균형을 깨뜨린다. Jones 박사는 다음과 같이 말했다:
“외열대 숲 화재 배출량이 급증하는 추세는 숲의 취약성이 커지고 있음을 경고하며, 이는 기후 변화 대응을 위한 전 세계 목표에 중대한 도전을 제시한다.”
그는 또한 심각한 화재 이후 숲이 회복이 좋지 않다는 점을 언급했다. 따라서 앞으로 화재 심각성 증가가 숲의 탄소 저장에 어떤 영향을 미칠지 면밀히 주시해야 한다.
이와 같은 상황 속에서 열대 사바나의 화재가 감소했으며, 이전 연구에 따르면 2001년 이후 숲 및 비숲 화재로 소실된 면적이 전 세계적으로 25% 감소한 것으로 나타났다.
초목과 사바나에서 화재가 감소한 배경에도 불구하고, 연구진은 화재가 점점 더 발생해서는 안 되는 곳에서 계속 발생하고 있으며, 즉 숲이 증가하는 화재 규모와 심각성을 가리고 있다고 밝혔다. 이는 “인류와 중요한 탄소 저장소에 대한 가장 큰 위협”이라고 Jones 박사는 말했다.
이러한 새로운 관찰은 머신러닝을 활용해 숲 생태권을 12개의 서로 다른 파이롬으로 분류함으로써 가능해졌다. 최근 공유한 바와 같이 AI 모델은 산불을 조기에 탐지하는 데 광범위하게 사용되고 있다. AI와 머신러닝의 거대한 잠재력은 증가하는 화재 발생 데이터베이스에 의해 더욱 강화되고 있다.
새로운 연구에서 AI를 활용한 군집화는 과학자들이 기후 변화 효과를 식생 생산성 및 토지 이용과 같은 다른 요인으로부터 분리할 수 있게 해주었다. 또한, 서로 다른 파이롬에서 화재 원인을 이해하는 것은 산불을 예측·완화하고 숲을 보호하기 위한 효율적인 전략을 개발하는 데 중요하다.
“전략적인 산림 관리 프로그램, 이해관계자 참여 및 대중 교육을 지원하기 위해 상당한 자금이 필요하며, 이는 화재 관리 전략을 주로 반응형에서 점점 더 사전 예방형으로 전환하는 의미 있는 변화이다.”
– Dr. Jones
새로운 영역: CO2를 가치 있는 제품으로 전환하기
탄소 격리 외에도, CO2가 환경에 미치는 부정적 영향을 완화하는 또 다른 방법은 이를 가치 있는 제품으로 전환하는 것이다.
여기에는 CO2를 탄소 나노섬유로 전환해 건축 자재를 강화하거나, 수소와 결합해 메탄, 메탄올, 휘발유 및 항공 연료와 같은 연료를 생산하고, CO2를 의약품, 식품 첨가제, 향료와 같은 화학 물질 및 기타 제품으로 전환하는 것이 포함된다.
새로운 연구는 가시광과 전기화학을 결합해 CO2를 가치 있는 제품으로 전환하는 효율을 높였다.
그 과정에서 팀은 가시광이 선택성을 크게 향상시킨다는 놀라운 발견을 했으며, 선택성은 중요한 화학적 특성이다. 이 발견은 CO2 전환뿐만 아니라 촉매 연구 및 화학 제조에 사용되는 많은 다른 화학 반응에도 새로운 길을 열어준다.
재활용을 통해 CO2를 폐기물이나 배출이 아닌 에너지 운반체로 전환하는 것은 기후 변화를 줄이는 훌륭한 방법이다. 여기서 이산화탄소는 연료, 화학 물질, 재료 및 열 에너지로 전환된다.
CO2를 재활용하는 방법으로는 인공 광합성이 있다. 이 과정에서는 태양 에너지를 활용해 CO2를 원료로 화학 물질을 합성한다. 또한 전기화학적 전환을 통해 전기를 사용해 CO2를 에탄올, 아세트산, 또는 포름산과 같은 화학 물질로 전환한다.
새로운 연구는 전기화학적 환원을 이용해 이산화탄소를 가치 있는 제품으로 재활용했다. 이 과정에서 일리노이 대학교 어배너-샴페인 캠퍼스의 화학 교수 Prashant Jain은 CO2 가스 흐름이 전해조 셀을 통과하면서 이산화탄소와 물을 유독한 일산화탄소(CO)와 수소로 분해한다고 설명했다. 이 새로운 가스는 이후 새로운 탄화수소 제품을 만드는 데 활용될 수 있다.
하지만 Jain은 이 반응이 다소 느리며, 이를 위해서는 큰 전극이 필요하다고 지적한다. 이러한 전극에는 구리나 금과 같은 고가의 촉매 물질이 많이 포함된다.
이러한 장애물을 고려하여 Jain은 전임 대학원생 Francis Alcorn과 함께 촉매 물질 사용량을 줄이면서 공정을 가속화할 방법을 모색했으며, 이는 대체 연료 산업에 보다 실현 가능한 옵션을 만드는 것이다.
가시광을 활용해 CO2 전환 효율성 향상
새로운 방법에서는 팀이 가시광과 금‑구리 합금의 극히 작은 입자로 코팅된 전극을 결합했다. 이는 기존 방법에 비해 CO2 환원을 더 높은 속도와 보다 제어된 선택성으로 가능하게 한다.
Jain은 다음과 같이 설명했다:
“(새로운 전극)들은 가시광 영역의 광자를 찾아 화학 반응 경로와 결합하는 작은 안테나와 같다.”
전극의 전도성을 향상시키기 위해 팀은 전극을 물, CO2 및 전해질 용액에 담갔다. 그런 다음 전극 표면을 가시광 레이저로 비추면서 전압을 가했다.
이로 인해 물 분자를 분해해 수소를, 이산화탄소를 분해해 일산화탄소를 빠르게 생성하는 반응이 일어났다.
팀은 가시광을 사용했을 때 생산성 급증을 ‘매우 흥분’했지만, 예상치 못한 것은 가시광이 화학 선택성에 큰 영향을 미친 것이었으며, 이는 Jain이 ‘여기서 중요한 진전’이라고 말했다.
그렇다면 여기서 말하는 선택성은 무엇인가? 촉매 분야에서 화학 선택성은 반응이 특정 분자 또는 경로를 다른 것보다 선호하는 능력을 의미한다.
이번 연구에서는 수소 가스를 생성하는 물 분해 반응이 빛을 사용함으로써 선택적으로 향상된 것으로 밝혀졌다. Jain은 다음과 같이 말했다:
“이 결과는 가시광이 생성되는 일산화탄소와 수소 가스의 비율을 조정할 독특한 기회를 제공한다. 이는 합성 가스의 산업 생산에 중요한 요소이며, 이 발견은 보다 지속 가능하고 효율적인 에너지 미래를 열어준다.”
그럼에도 교수는 빛이 열을 동반하기 때문에 화학 반응을 촉진하기 위해 빛을 사용하는 것이 논란이 없지는 않다고 언급했다. 따라서 팀은 대조 실험을 수행하고 정밀한 측정을 통해 빛의 가열 효과가 반응 속도와 선택성을 높인 원인인지 확인해야 했다.
팀이 이를 확인하기 위해 수행한 실험은 레이저를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우를 빛에 의해 발생한 정확한 동일 온도에서 진행한 것이었다. 이를 통해 가열이 원인임을 배제할 수 있었다.
팀은 실제로 빛에 의한 전기장과 방향성 전하 흐름이 물 분해의 생산성 향상과 선택성 강화의 원인임을 발견했다.
앞으로 나아가면서 팀은 여전히 해결해야 할 과제가 있다. 여기에는 전극 기반 나노입자를 반복 사용함에 따라 시간이 지남에 따라 특히 산업 적용을 확대할 때 손상이 발생하는 문제가 포함된다.
팀은 또한 공정 전체의 에너지 효율과 빛 관리 방식을 개선하기 위한 추가 연구가 필요하다.
“(전반적으로) 이번 연구를 통해 우리는 전기화학과 촉매에 대한 완전히 새로운 사고 방식을 제시했다.”
– Jain
결국 빛을 활용함으로써 촉매 활성이 향상되었을 뿐만 아니라, 더욱 중요한 점은 선택성을 변화시켜 다양한 제품을 만드는 새로운 화학 경로를 열어준다는 것이다. 이는 CO2 환원이나 물 분해가 시작에 불과하며, 이 방법은 화학 산업에 중요한 많은 다른 촉매 반응에도 적용될 수 있음을 의미한다.
CO2 감축 및 전환에 참여하는 기업들
산불의 심각성과 파괴가 증가함에 따라 열 활성화 바이오모방 하이드로젤과 같은 화재 보호 방법이 발전했다. 그러나 CO2 배출을 감소하고 재활용하려는 관심도 높아지고 있다. 이러한 재활용은 기후 변화의 주요 원인인 이산화탄소를 연료, 화학 물질, 건축 자재와 같은 유용한 제품으로 전환하는 것을 의미한다.
이러한 노력의 최전선에 있는 기업들은 최첨단 기술을 결합해 CO2 배출이 초래하는 환경 및 경제적 과제를 해결하고 있다.
여기에는 Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL), 그리고 Occidental Petroleum (OXY )가 포함된다. Chevron은 탄소 포집 기술에 투자하고 있으며, FuelCell Energy는 청정 에너지 솔루션에 집중하고, Occidental은 대기 중 CO2를 제거하고 활용 가능한 제품으로 전환하는 직접 공기 포집(DAC) 기술에 참여하고 있다.
Air Products and Chemicals (APD ) 역시 수소 생산 및 CO2 전환 기술에 참여하고 있다. 시가총액이 734억 4천만 달러이며, APD 주가는 현재 330.37달러에 거래되고 있으며 연초 대비 20.66% 상승했다.
(APD
)
이제 탄소 포집 분야의 또 다른 주요 기업을 자세히 살펴보자:
ExxonMobil (XOM )
이 미국 다국적 석유·가스 기업은 John D. Rockefeller의 Standard Oil의 가장 큰 직계 후계자로, CO2 배출을 줄이기 위해 탄소 포집·활용·저장(CCUS) 기술에 대한 관심이 커지고 있다.
ExxonMobil의 CCS 네트워크는 미국에서 가장 긴 1,500마일 규모의 CO2 파이프라인 운영을 포함한다. 또한 미국 멕시코만 연안에 전략적으로 배치된 다수의 저장 시설을 보유하고 있다.
ExxonMobil Low Carbon Solutions를 통해 회사는 탄소 포집 및 저장 기술을 대규모로 도입하는 데 중요한 역할을 수행한다. 현재 연간 900만 톤의 포집 능력을 보유하고 있으며, 누적 포집량은 1억 2천만 톤에 달하고, 전체 인간이 배출한 CO2 중 약 40%를 포집하고 있다고 ExxonMobil 공식 웹사이트가 밝히고 있다.
이 회사는 Mitsubishi Heavy Industries(MHI)와 협력해 연소 후 CO2 포집을 위한 포괄적인 엔드‑투‑엔드 솔루션을 구현했다. 이 솔루션은 완전한 탄소 포집, 운송 및 저장을 제공한다.
또한 이 회사는 파이프라인 부족으로 연소될 예정이던 가스를 노스다코타 유정에서 추출해 비트코인 채굴 운영자를 위한 전력으로 활용하는 파일럿 프로젝트를 진행 중이다. 이를 위해 ExxonMobil은 Crusoe Energy Systems와 협력해 유정 가스를 활용해 비트코인 채굴에 사용되는 이동식 발전기를 가동한다. 회사는 이 배출 감소 계획을 통해 2030년까지 세계은행의 ‘Zero Routine Flaring’ 목표를 달성할 것으로 기대한다.
(XOM
)
작성 시점에서 주가는 $119.94에 거래되고 있으며, 올해 현재까지 20.72% 상승했다. 이는 ExxonMobil의 시가총액을 5,362억 달러로 만들며, EPS(TTM)는 8.34, P/E(TTM)는 14.47, 배당 수익률은 3.15%이다.
2024년 2분기에 회사는 92억 달러의 수익을 보고했으며, 이는 “ExxonMobil 포트폴리오의 차별화된 강점과 향상된 수익 능력을 보여준다”고 밝혔다. 또한 새로운 계약을 통해 연간 550만 톤의 CO2 구매량을 확대함으로써 탄소 포집 및 저장(CCS) 리더십을 강화했다. 이는 ExxonMobil에 따르면 “다른 어떤 기업보다도 더 많은 약속된 규모”라고 한다. 2024년 3분기 재무 결과는 11월 1일에 발표될 예정이다.
결론
매년 수십억 톤의 CO2가 대기 중으로 배출됨에 따라, 이는 기후 변화를 초래해 더욱 극심한 기상 현상을 일으킬 뿐만 아니라, 인체 건강 위험과 해양 산성화를 야기해 해양 생물과 산호초를 위협한다.
기후 위기가 심화됨에 따라, 우리는 급증하는 CO2 배출 문제를 해결해 지구 온난화와 그 재앙적 결과를 완화해야 한다. 기후 변화에 의해 촉발된 산불은 전례 없는 양의 이산화탄소를 배출해 문제를 더욱 가속화한다. 재조림 및 조림 프로그램이 배출 상쇄에 필수적이지만, 산불 위협이 크게 남아 있어 사전적인 화재 관리 전략이 필수적이다.
전기화학적 CO2 환원 및 가시광을 활용한 촉매 반응 개선과 같은 혁신적인 솔루션은 유해한 탄소 배출을 합성 연료와 산업용 화학 물질과 같은 가치 있는 제품으로 재활용하는 유망한 방안을 제공한다.
이러한 발전은 아직 개발 단계에 있지만, 전 세계 오염 물질인 CO2를 미래의 자원으로 전환함으로써 기후 변화를 완화할 잠재력을 보여준다. 기업들이 탄소 포집 기술과 대체 연료에 지속적으로 투자함에 따라, 에너지 구도를 재편할 수 있는 지속 가능한 솔루션에 점점 더 가까워지고 있다.
