직접 공기 포집: 차세대 반응기가 광범위하게 채택될 수 있는 방법

라이스대학교의 혁신적인 공학자들이 탄소 포집 산업의 중요한 이정표를 달성했습니다. 연구진은 대기 중 탄소 포집을 매우 높은 효율로 개선하고 유해한 부산물을 남기지 않는 전기화학 반응기를 만들었습니다. 이 새로운 직접 공기 포집 방식은 미래의 탄소 순배출 제로 실현에 한 걸음 더 다가가게 할 수 있습니다.

배출량이 사상 최고치에 도달하며 기후 재해를 초래하다

현재 기후 상태를 조사해 BioScience에 발표한 보고서는 세계가 ”돌이킬 수 없는 기후 재난의 문턱에 있다.”고 평가했습니다. 화석연료 배출량은 사상 최고치에 도달했고, 역대 가장 더웠던 사흘이 모두 2024년 7월에 나타났습니다. 여러 지역의 해수면 온도도 2024년에 최고 기록을 경신했습니다.

이러한 기후 자료는 정부가 주도적으로 행동해야 할 때임을 보여줍니다. 지속 가능성과 재생 가능성을 높이는 것이 핵심입니다. 전기차와 대체에너지 확대부터 자원을 낭비하는 제조업체에 대한 과세까지 여러 대안이 있습니다.

한 가지 대안만으로 문제를 해결할 수는 없습니다. 기술 발전과 함께 사람들의 습관도 바뀌어야 합니다. 탄소 포집·활용·저장(CCUS)은 이러한 목표 달성에 도움이 되는 주요 기술 중 하나로 꼽힙니다.

직접 공기 포집 – 현재 방법

탄소 배출 감축은 전 세계 환경운동가들의 우선 과제입니다. 직접 공기 포집은 대기에서 CO2를 제거하는 가장 널리 알려진 방법입니다. 여러 방식이 있지만 모두 유해한 부산물을 남기는 위험한 화학물질을 사용하거나, 추출을 완료하기 위해 막대한 에너지를 필요로 합니다.

가장 일반적인 방법은 화학물질을 이용해 기체 분자 속 탄소와 산소 원자를 특별히 선택한 액체의 다른 화합물에 결합시키는 것입니다. 다양한 농도와 세기의 혼합 기체 흐름으로 CO2를 공급해 액체에 가둡니다. 용액에 포집한 뒤 CO2 추출을 시작합니다.

추출은 전체 과정에서 에너지 소모가 가장 큰 단계입니다. 기체 종류에 따라 여러 단계와 고도로 전문화된 시설이 필요할 수 있습니다. 용매에서 CO2를 분리할 때는 주로 열, 화학반응 또는 전기화학 공정을 사용하며, 용매 종류가 에너지 요구량과 효과를 좌우합니다.

아민 기반 흡수제

탄소 포집에 가장 흔히 쓰이는 것은 아민 기반 흡수제입니다. 많은 에너지를 쓰지 않고 CO2를 포집하지만, 용액이 불안정하고 독성이 있어 처리 후 위험과 저장 비용이 늘어납니다.

수산화나트륨 및 수산화칼륨

과학자들은 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 포집 용매로 쓰는 독성이 낮은 접근법도 제시했습니다. CO2와 용매 사이에 강한 결합이 형성되지만, 이를 끊고 탄소를 방출하려면 막대한 열이 필요합니다. 따라서 비용이 높고 특수 장비가 많이 필요합니다.

직접 공기 포집 PSE 반응기 연구

이러한 한계와 더 지속 가능하며 통합하기 쉬운 해법에 대한 수요를 인식한 라이스대학교 공학자들은 상온에서 작동하는 최초의 직접 공기 포집 장치를 개발했습니다. 연구 결과는 Nature Energy에 발표했습니다¹.

출처 – 라이스대학교

보고서는 다공성 고체 전해질(PSE) 반응기를 소개합니다. 이 전기화학 재생 장치는 열이나 더 비싼 방법 대신 전기에너지로 공기에서 탄소를 분리합니다. 다공성 고체 전해질층을 통해 전기 입력을 최적화하며, 이 입력이 이온 이동과 물질 전달을 조절해 화학물질 대신 전류로 CO2 분자를 이동시킵니다.

직접 공기 포집 PSE 반응기 테스트 결과

반응기는 열 없이 CO2를 제거할 수 있음을 입증했습니다. 세 개의 구획으로 구성된 모듈형 구조는 알칼리성 흡수제와 고순도 이산화탄소를 각각 분리합니다. 연구진은 NaHCO3/Na2CO3 용액을 선택적으로 분리하며 90%의 포집 용량을 달성했습니다. 에너지 소모가 적었고 다양한 혼합물에서도 안정적으로 작동했습니다.

수소 생산

이 공정으로 수소도 함께 생산할 수 있었습니다. 수소연료는 이미 여러 기기와 주택 난방 등에 사용됩니다. 수소연료전지는 깨끗하고 효율적으로 전기를 생산하므로, 지속 가능성을 높이려는 팀의 목표에 부합합니다.

직접 공기 포집 PSE 반응기가 시장에 가져다 주는 혜택

이 연구는 여러 이점을 제공합니다. 이미 이용 가능하고 검증된 기술에 기반하므로 실용성이 높습니다. 수소연료전지 같은 제품은 10년 전부터 상용화되어 있어 통합, 신규 사용자 교육, 공정 개선이 더 쉽습니다.

비용 효율적

PSE 반응기의 또 다른 장점은 낮은 건설비와 운영비입니다. 열을 많이 쓰거나 자원을 낭비하는 방식에 비해 기업의 비용을 절감할 수 있습니다. 많은 사람이 이를 배출 포집 비용을 낮추는 중요한 진전으로 봅니다.

에너지 장벽 감소

에너지 소비가 줄면 더 많은 분야와 산업에 기술을 적용할 수 있습니다. 보고서는 낮은 에너지 소모를 강조하며, 기업이 미래에 큰 비용 절감 효과를 얻을 수 있음을 보여줍니다.

확장 가능

확장성도 중요한 장점입니다. PSE 반응기는 기존 CO2 처리시설처럼 거대한 기반시설 투자를 하지 않고도 높은 탄소 포집 성능을 낼 수 있어 오늘날의 경제 환경에 더 적합합니다.

청정

가장 큰 이점 중 하나는 깨끗한 처리 능력입니다. 보고서는 폐기 부산물 없이 CO2를 분리할 수 있음을 보여주었으며, 새로운 방식의 높은 지속 가능성을 뒷받침합니다.

유연성

PSE 반응기는 다양한 환경 조건에서 성능을 시험했습니다. 여러 음극·양극 반응에 잘 적응해 대부분의 상황에서 CO2 직접 공기 포집에 적합한 해법으로 나타났습니다.

통합

대부분의 CO2 포집 방법은 통합 과정이 까다롭습니다. 새로운 방식은 열이나 화학물질을 없애 통합 시간을 줄입니다. 완전 전기식 장치는 이전 방식보다 기업 시스템에 도입하기 쉬워 높은 보급률을 기대할 수 있습니다.

연구원

라이스대학교의 Xiao Zhang, Zhiwei Fang, Peng Zhu, Yang Xia, Haotian Wang이 연구를 이끌었습니다. Wang은 수년 동안 탈탄소 공정을 연구해 왔습니다. 팀은 이제 산업 규모에서의 성능을 확인하기 위해 시험을 확대할 계획입니다.

직접 공기 탄소 포집 연구에서 혜택을 받을 수 있는 기업

탄소 포집 분야가 확대되면서 관련 기업에 대한 관심도 커졌습니다. 자연재해 증가와 탄소세 같은 환경 중심 법률에 대한 입법자들의 관심이 적절한 위치의 기업에 새로운 기회를 제공합니다.

NET Power Inc

NPWR 가격 차트

노스캐롤라이나에 본사를 둔 재생에너지 기업 NET Power Inc (NPWR )

이 장치들은 CO2 배출물을 재순환해 운영비를 줄이고 대기오염을 없앱니다. 많은 사람은 이 프로젝트를 AI 시스템 때문에 늘어나는 전력망 수요에 대비하는 중요한 단계로 평가합니다.

NET Power Inc.는 Occidental, Baker Hughes (BKR ), Constellation, SK Group의 지원을 받습니다. 이러한 네트워크와 혁신적인 발전 방식은 청정에너지 분야에 투자하려는 거래자에게 NET Power 주식을 매력적인 선택으로 만듭니다.

Aker Carbon Capture

Aker Carbon Capture는 상업용 CO2 포집 장치의 선도적 공급업체입니다. 2020년 8월 출범했으며 Aker Horizons 투자회사의 자회사입니다. 이 투자회사는 시장을 바꿀 잠재력이 있는 청정기술 기업을 출범시키는 데 집중합니다.

Aker Carbon Capture는 부침을 겪었습니다. 세계 최초로 시멘트 시설용 탄소 포집·저장 계약을 수주했고, 2024년 8월에는 미국 펄프·제지 시설을 위한 대규모 탄소 포집 플랜트의 설계·통합 계약을 확보한 최초의 기업이 되었습니다.

장외시장에서만 거래되는 Aker Carbon Capture 주식은 최근 몇 년 동안 꾸준히 하락했습니다. 하지만 최근 3분기 실적에서는 현금 45억 노르웨이크로네와 자기자본 55억 노르웨이크로네를 보유한 것으로 나타났습니다.

이 성장은 SLB와의 전략적 제휴를 통해 SLB Capture가 설립되면서 이루어졌습니다. 분석가들은 탄소 포집 경제의 성장에 유리한 위치에 있는 ACC.OL에 대해 이 제휴를 ”매수” 신호로 봅니다.

직접 공기 포집 기술의 개선이 녹색 경제를 촉진할 수 있다

재생에너지와 지속 가능한 관행을 함께 활용할 때 직접 공기 탄소 포집의 장점을 보면, 많은 사람이 이를 기후 붕괴를 막는 최선의 방법으로 보는 이유를 이해할 수 있습니다. 이번 연구는 완전히 새로운 규모로 CO2 포집 장치를 도입할 가능성을 열었습니다. 기술은 이제 다음 시험 단계와 이후 보급을 준비하고 있습니다.

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연구 참고문헌:

^{1. Zhang, X., Fang, Z., Zhu, P., et al. (2025). 다공성 고체 전해질 반응기에서 탄산염 및 중탄산염으로부터 고순도 CO₂를 전기화학적으로 재생하여 효율적인 탄소 포집을 달성. Nature Energy, 10(1), 55–65. https://doi.org/10.1038/s41560-024-01654-z}