에너지
CO2 포집을 위한 대체 솔루션
CO2를 포집하는 것은 지구 온난화가 우리 기후에 초래할 수 있는 피해를 성공적으로 되돌리는 데 필수적입니다. 그러나 인류 문명이 이상적으로 달성하고자 하는 목표와 실제 상황 사이에는 갈등이 있습니다. 파리 협정은 산업화 이전 수준보다 전 세계 평균 기온 상승을 2°C 이하로 유지하겠다는 전 세계적인 약속을 표시했습니다.
화석 연료에서 벗어나 온도 상승을 1.5도까지 제한하기 위한 진정한 노력이 필요했지만, 석탄과 가스로 연료를 공급받는 발전소가 여전히 전 세계 전력 부문을 장악하고 있다고 국제 에너지 기구(IEA)가 보고합니다.
실제로, 재생 에너지로의 전환을 보다 적극적으로 추진하려는 전 세계적인 움직임에도 불구하고, 화석 연료에서 생산된 전력은 2000년 이후 70% 증가했습니다. 석탄은 전력 생산에서 가장 큰 연료원으로 38%를 차지하고, 그 다음이 가스로 약 20%입니다.
전 세계적으로 시행되는 정책들은 기존 석탄 화력 발전소와 오늘날 건설 중인 발전소의 배출 문제를 해결하려고 노력하고 있습니다. 그러나 CO2 배출량 감소가 열을 가두는 탄소의 부재를 보장하지는 않습니다. IEA는 기존 석탄 화력 함대의 CO2 배출량이 약 40% 감소하더라도 2040년에는 연간 배출량이 여전히 6 GtCO2에 이를 것이라고 제시합니다.
이러한 상황에서는 배출량만 줄이는 것으로는 기후 목표를 달성할 수 없습니다. 탄소를 포집하여 대규모로 활용하고 저장할 수 있는 대체 솔루션이 필요합니다. 하지만 이러한 솔루션은 전체적으로 실현 가능하고 비용 효율적이며 장기적으로 지속 가능해야 합니다.
최근 2023년 5월 1일 ACS Energy Letters에 발표된 연구에서, 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스와 협력 연구진은 많은 엔지니어가 탐구하고 있는 인기 있는 탄소 포집 접근법이 실패할 것이라고 밝혔습니다.
하지만 콜로라도 주 골든에 위치한 국립 재생 가능 에너지 연구소(NREL)와 네덜란드 델프트 공과대학의 과학자들로 구성된 연구팀은 기존 시스템의 결함을 지적하는 데 그치지 않고, 탄소를 포집할 뿐만 아니라 연료로 전환하는 보다 지속 가능한 대안을 제시했습니다.
앞으로의 섹션에서는 원래 솔루션이 무엇을 제안했는지, 그 결함이 무엇이었는지, 그리고 그 결함을 어떻게 대체 솔루션으로 수정할 수 있는지 살펴보겠습니다!
탄소 포집을 위한 원래 솔루션
원래 솔루션이라 함은 대형 팬이 공기를 큰 챔버로 끌어들여 기본 용액이 채워진 공간과 접촉시키는 가장 널리 사용되는 직접 공기 포집 방식 중 하나를 의미합니다. CO2는 화학적으로 산성이기 때문에, 기본 용액이 이를 결합·반응시켜 탄산염 또는 중탄산염을 형성합니다.
탄산염 또는 중탄산염에 포집된 CO2는 엔지니어가 용액에서 분리해 플라스틱, 탄산음료 등과 같은 제품으로 전환할 수 있습니다. 이러한 탄산염·중탄산염을 추가 가공하면 가정용 전력이나 잠재적으로 항공기 연료로도 활용될 수 있습니다. 반면 기본 용액은 다시 챔버로 돌아가 더 많은 CO2를 포집합니다.
솔루션이 탄소를 포집하고 업사이클링하기에 완벽한 구조처럼 보이지만, 문제가 존재합니다.
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원래 솔루션의 문제점
문제는 탄산염·중탄산염을 용액으로부터 어떻게 분리하느냐에 있습니다. 포집된 CO2를 방출하려면 기업이 탄산염·중탄산염 용액을 최소 900˚C(1,652°F)까지 가열해야 합니다. 이 온도는 태양광·풍력과 같은 재생 에너지로는 달성할 수 없습니다. 따라서 이 온도를 얻으려면 천연 가스나 순수 메탄과 같은 화석 연료를 연소해야 합니다.
이 시스템에 숨겨진 함정을 이야기하면서, Wilson Smith 교수(콜로라도 대학교 화학·생물공학부, Renewable and Sustainable Energy Institute 소속)는 다음과 같이 말했습니다. 이는 문제를 본질적으로 요약한 것입니다:
“CO2를 포집하기 위해 CO2를 방출해야 한다면, 탄소 포집의 전체 목적이 무너집니다.”
다행히도 연구진은 과제 수행을 넘어선 작업을 수행했습니다. 시스템의 결함을 지적하는 것뿐만 아니라, 그 불일치를 해결할 수 있는 대안을 제시했습니다.
원래 솔루션에 대한 대체 치료법
연구진은 문제를 해결하기 위해 반응성 포집 프로세스를 도입할 것을 제안했지만, 기존의 반응성 포집 프로세스 영역을 약간 조정할 것을 권장했습니다.
전통적인 형태의 반응성 포집은 전기를 탄산염·중탄산염 용액에 적용해 CO2와 기본 용액을 챔버 안에서 분리하는 과정을 의미합니다. 이는 재활용된 용액 형태로 더 많은 CO2를 포집할 수 있는 폐쇄 루프 시스템이라고도 불립니다.
하지만 연구진은 이 경우에 단점을 발견했습니다. 산업 현장에서 전기가 기본 용액을 재생시켜 공기 중에서 더 많은 CO2를 다시 포집하기에는 부족하다는 점을 지적했습니다. 원래 형태에서는 비효율적이라 5번의 탄소 포집·재생 사이클이 끝난 후에는 기본 용액이 공기 중에서 거의 CO2를 끌어올 수 없게 됩니다.
연구진은 해결책으로 전기투석을 프로세스에 추가할 것을 권장했습니다. 이 방법은 여러 장점을 제공합니다. 주로 재생 가능 전기로 작동할 수 있으며, 물을 더 많은 산성·염기 이온으로 분해해 기본 용액이 더 많은 CO2를 흡수할 수 있게 지속시킵니다. Wilson Smith는 이 팀의 성과를 “하나의 기술로 여러 문제를 해결한다”고 평가했습니다.
연구진이 새로운 솔루션을 혁신하고 기존 솔루션을 미세 조정해 효율성을 높이는 것이 과제이지만, 기업과 사업체도 책임이 있으며 많은 기업이 그 책임을 훌륭히 수행하고 있습니다. 아래 섹션에서는 이 분야에서 혁신적이고 효율적인 솔루션을 제시한 몇몇 기업을 살펴보겠습니다.
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#1. Graphyte
Graphyte는 내구성이 뛰어나고 비용 효율적이며 즉시 확장 가능한 세계 최초이자 유일한 이산화탄소 제거 솔루션이라고 자처합니다. 내구성 측면에서 Graphyte는 천 년 이상 이산화탄소를 제거할 수 있는 솔루션을 제공한다고 주장합니다.
가격 측면에서 이 회사는 톤당 100 US$ 미만의 수준화된 생산 비용으로 솔루션을 제공하며, 확장성 측면에서는 수십억 톤 규모의 탄소 제거가 가능한 수준으로 확장할 수 있다고 주장합니다.
Graphyte의 구체적인 방법은 목재 및 농업 잔류물과 같은 풍부한 바이오매스를 활용하는 Carbon Casting 접근법을 따릅니다. Graphyte는 이 바이오매스를 건조·압축해 고밀도 탄소 블록으로 전환합니다. 이러한 블록은 환경적으로 안전한 불투과성 장벽을 갖추고 있어 최첨단 지하 저장소에 안전하게 보관할 수 있습니다.
Graphyte의 방법에 대해 회사 설립자이자 CEO인 Barclay Rogers는 다음과 같이 말했습니다:
“Carbon casting은 자연이 CO2를 포집하는 작업을 효율적으로 수행하게 하고, 엔지니어링 기술을 활용해 기후에 중요한 시간 규모로 저장합니다. 어디서든 실행 가능하고 시장을 변화시킬 솔루션이며, 무엇보다도 지구를 구하는 데 도움이 됩니다.”
Carbon casting은 바이오매스에 포집된 거의 모든 탄소를 유지하고 매우 적은 에너지를 소비합니다. 이는 광합성과 실용적인 엔지니어링을 결합한 저비용이면서도 내구성 있는 탄소 제거 공정입니다.
Graphyte의 잠재력은 투자자 커뮤니티의 신뢰와 신용을 얻는 데 기여했습니다. 이 회사는 Series A 투자 라운드에서 총 3천만 US$를 확보했습니다. 이번 라운드는 Prelude Ventures와 Carbon Direct Capital이 공동 주도했으며, Breathable Energy Ventures와 Overture 등 기존 투자자들의 참여도 있었습니다.
Graphyte와 같은 주식 기반 혁신 벤처가 새로운 솔루션을 선보이는 한편, Linde와 같은 잘 확립된 공기업도 흡착 기반 탄소 포집 및 이산화탄소 회수 분야에 진출하고 있습니다.
#2. Linde
HISORP® CC 흡착 기반 탄소 포집 솔루션은 Linde의 탄소 포집 포트폴리오에 최신으로 추가된 제품으로, 기존에 검증된 압력 스윙 흡착(PSA) 및 멤브레인 기술을 보완합니다.
HISORP CC 솔루션은 다양한 CO2 공급 농도에서 공정 가스에서 CO2를 분리합니다. 압력 스윙 흡착(PSA), 저온 분리, 압축 등 Linde의 여러 기술을 활용해 정확히 99.7%라는 99% 이상의 포집률을 달성합니다.
이 솔루션의 가장 큰 장점 중 하나는 재생 가능 에너지에서 파생된 전기로 구동된다는 점입니다. 재생 과정에 증기가 필요 없으므로 탄소 발자국이 최소화됩니다.
또한 HISORP CC는 낮은 CAPEX와 낮은 OPEX 기술로, 특정 에너지 소비율이 최소이며 용매 관리, 보충 및 취급에 거의 추가 비용이 들지 않습니다.
Linde는 이 기술이 폭넓게 호환되고 포괄적이도록 보장하여, 증기 메탄 개질(SMR), 자동 열 개질(ATR), 부분 산화(POX) 또는 가스화와 같은 Linde 전체 솔루션 스펙트럼과 결합될 수 있도록 했습니다. 이는 기존 및 신규 SMR, POX, ATR 플랜트에 통합하기에 적합하며, 수소 생산이 증가하더라도 적용 가능합니다.
2023년, 글로벌 산업 가스 및 엔지니어링 기업인 Linde는 330억 US$ 매출을 기록했습니다.
기업들이 목표를 향해 전념하는 한편, 기업과 연구기관 간의 학습 및 교류는 상호적입니다. 마지막 섹션에서는 탄소 포집의 미래를 보다 효과적이고 효율적으로 만들 수 있는 기술 연구를 살펴보겠습니다.
탄소 포집의 미래: 변혁적 잠재력을 가진 도구
2024년 7월, 연구진 그룹은 흡착제 기반 탄소 포집 가속화를 위한 전체론적 플랫폼을 제안했습니다. 이 플랫폼은 PrISMa라고 명명했으며, Process-Informed Design of tailor-made Sorbent Materials의 약자입니다.
이 플랫폼은 탄소 포집 기술의 대규모 배치를 보다 탄소 효율적으로 만들고자 했으며, 분산된 구성 요소와 이를 구현하는 주체들을 하나의 체계 아래 모으는 것을 강조했습니다.
화학자들이 이전에 재료 설계에, 엔지니어들이 공정 최적화에 집중했던 반면, PrISMa 플랫폼은 재료, 공정 설계, 기술 경제성, 전 과정 평가를 통합했습니다. 또한 5개 대륙의 5개 지역에서 다양한 기술을 활용해 CO2를 다양한 원천에서 포집한 60건 이상의 사례를 비교했습니다.
그 후 플랫폼은 다양한 이해관계자에게 기술, 공정 구성, 위치별 비용 효율성을 동시에 알려주었으며, 상위 성능 흡착제의 분자 특성을 밝혀 환경 영향, 공동 이점, 트레이드오프에 대한 실행 가능한 인사이트를 제공했습니다. 최종 결과물은 연구 초기 단계에서 이해관계자를 결집시켜, 순배출 제로 세계를 향한 탄소 포집 기술 개발을 가속화하는 것이 목표였습니다.
PrISMa를 개발한 과학자들인 EPFL의 Berend Smit와 Heriot‑Watt University의 Susana Garcia는 이 방법의 실제 적용 가능성에 대해 매우 낙관적입니다. Berend Smit 교수에 따르면:
“이 혁신적인 접근법은 전통적인 시행착오 방식보다 상위 성능 재료를 빠르게 발견하도록 돕습니다.”
PrISMa는 미래에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 실험 데이터와 분자 시뮬레이션을 활용해 잠재적 흡착제 재료의 흡착 특성을 예측할 수 있습니다.
이는 궁극적으로 개발자 커뮤니티가 정보에 입각한 선택을 할 수 있게 만들 것입니다. PrISMa의 공정 레이어 특성은 과학자들이 순도, 회수율, 에너지 요구량 등 공정 성능 파라미터를 계산하도록 도와 탄소 포집 솔루션의 성능을 측정·벤치마킹할 수 있게 합니다.
어떤 과학·기술 솔루션이든 성공 여부를 가르는 핵심 파라미터는 경제적 타당성입니다. PrISMa는 탄소 포집 플랜트의 경제·기술 타당성을 평가할 수 있습니다. 마지막으로 전체 수명 주기에 걸친 환경 영향을 평가해 포괄적인 지속 가능성을 보장합니다.
종합적으로 볼 때 PrISMa는 혁명적이자 변혁적인 기술이라 할 수 있습니다.
우리는 처음에 널리 채택된 솔루션이 부적절하고 자기 모순적이라는 사실을 살펴보았습니다. 이제 과학 커뮤니티가 PrISMa를 활용한다면, 초기 단계부터 환경적으로 효율적이고 확장 가능하며 비용 효율적인 솔루션을 고안할 수 있을 것입니다.
