탄소 포집과 넷제로(Net Zero)를 향한 여정
이산화탄소(CO2)는 지구상의 모든 식물 생명체에 필수적이며, 모든 동물과 인간의 생존 또한 이에 의존하고 있습니다. 그러나 대기 중에 이 필수 가스가 과도하게 존재하면 지구 온난화를 유발하여 일부 인구의 생존 자체를 위협하고 있다는 점은 역설적입니다.
The problem of CO2 emissions from increased burning of fossil fuels dates to the 18th century, with the start of the industrial revolution in certain countries. Today, scientists have estimated the rise in average global temperatures is expected to reach 1.5oC by 2030–2052 (Figure 1). The volume of CO2 emissions is exacerbated by industrialization, urbanization, and sharply increasing world populations (Figure 2).
2015년 제21차 기후 변화 당사국 총회(COP21)에서는 2050년까지 ‘넷제로를 향한 경주(race to zero)’라는 야심 찬 목표를 채택했습니다. 30년 이내에 순 탄소 배출량을 완전히 제거하겠다는 이 중대한 목표를 달성하려면 전 세계 산업 공정과 가정 내 에너지 사용 방식의 전면적인 변화가 필요합니다. 이 목표를 달성하기 위해 널리 알려진 방법으로는 풍력 및 태양광 발전과 같은 지속 가능한 발전 방식이 있지만, 덜 알려졌으나 그만큼 중요한 접근 방식은 배출원이나 대기 중에서 직접 CO2를 포집하는 탄소 포집 기술입니다. 관련 기술은 높은 비용과 다소 제한적인 저장 용량으로 인해 제약을 받고 있으며, 현재 전 세계 CO2 배출량의 0.1%만이 격리되고 있습니다. 이 수치는 2050년까지 19%로 증가할 것으로 예측됩니다. 최근 탄소 포집 기술에 대한 연구 노력이 증가하고 있으나, 현재까지 상용화된 사례는 극히 일부에 불과합니다. 기후 변화를 예방하거나 완화해야 한다는 대중의 인식과 시급성이 높아짐에 따라, 더 효율적인 탄소 포집 기술을 개발해야 한다는 압박이 커지고 있습니다.
CAS Content Collection™에서의 탄소 포집
CAS Content Collection™은 시간, 연구 분야, 제형, 응용 분야 및 화학적 조성과 같은 변수에 따라 전 세계 과학 출판물을 정량적으로 분석할 수 있는, 사람이 직접 큐레이션한 최대 규모의 과학 지식 컬렉션입니다. 탄소 포집에 대한 최근 및 진행 중인 연구 노력을 평가하기 위해, 중요한 새로운 CAS Insight가 최신 동향에 대한 개요를 제공합니다. 이 Insight는 탄소 포집과 관련된 용어(활용 방법, 저장 또는 전환 포함)를 대기 중 CO2 또는 그 환경적 영향과 관련된 용어와 결합하여 분석한 최근의 광범위한 연구 결과(2000~2021년 사이에 출판된 약 18,500건의 문서)를 요약합니다.
주요 연구 동향 및 탄소 포집 방법
문헌 분석 결과, 2008년 이후 모든 탄소 포집 및 저장 관련 출판물이 급격히 증가했다가 2010년대 중반 이후 둔화되었으나 최근 다시 증가세로 돌아선 것으로 나타났습니다. 이는 일반적인 경제 상황과 인식된 시급성을 반영할 뿐만 아니라 유가와도 연관이 있는 것으로 보입니다. 유가가 낮을 때는 탄소 포집 비용이 너무 높게 느껴져 격리 및 저장 노력이 제한되는 경향이 있습니다. 분석 결과 탄소 포집 관련 특허는 전체의 10%로 적은 비중을 차지하여 이 기술에 대한 상업적 관심이 낮음을 시사했으나, 최근에는 고무적인 급성장세를 보이고 있습니다.
탄소 포집을 위한 다양한 접근 방식은 재료 과학, 생물학적, 화학적, 지질학적 방법의 네 가지 범주로 나뉩니다.
재료 과학적 접근 방식
연소가스에서 탄소를 포집하는 시스템을 포함한 재료 과학적 접근 방식은 그림 3과 표 1에 요약되어 있습니다. 이 중 연소 후 포집은 기존 발전소의 연도(flue)에 개조하여 설치하기 적합하여 가장 널리 사용되지만, 많은 에너지를 소비하므로 운영 비용이 높습니다. 떠오르는 방법인 직접 공기 포집(DAC)은 대기 중에서 CO2를 직접 포집하는 방식으로 광범위하게 적용될 가능성이 있으나, 대기 중 CO2 농도가 낮아 공정이 어렵고 비용이 많이 듭니다.
표 1. 재료 과학적 방법: CO2 포집 공정 비교
배기가스에서 탄소를 포집하는 주요 방법은 표 2에 요약되어 있습니다. 여기에는 알칼리 용액을 사용하는 화학적 흡수와 메탄올 또는 셀렉솔(Selexol)과 같은 비부식성 용매를 사용하는 물리적 흡수가 포함됩니다. 추가적인 접근 방식으로는 연구가 활발히 진행 중인 다공성 고체 흡착제에 대한 흡착과, 유망한 기술이지만 낮은 CO2 분리 효율로 인해 아직 널리 사용되지 않는 막 여과가 있습니다.
표 2. 재료 과학적 방법: CO2 포집 방법 비교
생물학적 접근 방식
Biological approaches to carbon capture largely take advantage of photosynthesis which accounts for the largest influx of CO2 on Earth. Various plant materials such as wood or algae are converted to biofuels (biomass) for combustion, creating carbon-neutral and sustainable processes. Enzyme-based technologies have potential as alternatives to biosystems. A key example is 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RubisCO) – a highly abundant and researched enzyme. Its CO2 capture, however, is naturally slow, but ongoing work aims to increase RubisCO activity to create industrially viable processes.
화학적 접근 방식
탄소 포집에는 수소를 이용한 환원 반응을 포함하는 촉매 공정과 같이 수톤 규모로 널리 배치된 다양한 화학적 방법도 존재합니다. 널리 사용되는 또 다른 방법으로는 양성자와 촉매를 사용하여 CO2를 환원시키는 전기화학적 공정이 있습니다. 청정 에너지를 사용하는 광화학, 광열 및 광전기화학 공정은 흥미로운 전망을 제시하지만, 아직은 기질로의 효율적인 빛 에너지 전달이라는 한계가 있습니다. 플라즈마 기반 공정 또한 잠재력이 있으나 높은 에너지가 필요하며 탄소 포집에 활용하기 위해서는 추가적인 개발이 요구됩니다.
지질학적 접근 방식
탄소 포집의 지질학적 방법은 CO2를 대기에서 격리하여 장기 저장하는 핵심 솔루션입니다. 포집된 CO2는 압축 및 운송되어 깊은 다공성 지질 구조나 염수 대수층에 주입될 수 있습니다. 이 공정은 기가톤 단위의 CO2를 저장할 수 있는 용량을 갖추고 있으나, 적합한 부지 선정이 매우 중요합니다.
탄소 포집에 관한 CAS 문헌 분석
CAS 문헌 분석 결과, 2007년 이전에는 CO2 포집에 관한 출판물 비율이 낮았으나 2010년대 초반에 정점에 도달한 후 안정화된 것으로 나타났습니다(그림 4). 연소 전 포집 및 산소 연소에 관한 출판물은 기존 시설 개조의 경제적 어려움으로 인해 상대적으로 적었으나, 최근 들어 증가하는 추세입니다. 특허 출원은 2012년에 증가한 후 안정세를 보였으며, 이는 지속적인 상업적 관심을 나타냅니다.
또한 CAS 분석에 따르면 CO2 전환을 위한 다양한 화학적 방법에 관한 출판물이 이전 연도에 비해 지난 6년간 급격히 증가했습니다(그림 5). 이 중 메탄화, 플라즈마 매개 공정, 역수성가스 전환(RWGS) 방법이 가장 큰 관심을 받았습니다.
출판물 수는 생물학적 CO2 고정에 대한 관심이 급격히 증가했음을 보여주지만, 특허 출원은 일정하게 유지되고 있어 상용화 준비가 완료된 기술은 제한적임을 시사합니다(그림 6). 그러나 탄소 포집 및 저장을 동반한 바이오 에너지(BECCS)에 관한 출판물은 높은 관심을 보였습니다.
CO2의 지질학적 저장에 관한 출판물은 꾸준히 증가하여 2013년에 정점을 찍은 후 감소했습니다(그림 7). 최근에는 ‘대수층’, ‘염수’, ‘브라인’, ‘셰일’, ‘클라스레이트’와 같은 검색어가 포함된 출판물이 다른 용어보다 더 많이 발견되어, 이러한 유형의 저장 방식에 대한 관심이 높아졌음을 반영합니다.
꿈을 현실로
18,500건의 출판물을 대상으로 한 CAS 문헌 분석은 CO2 격리를 위한 다양한 접근 방식에 대해 상당하고 빠르게 증가하는 관심을 보여줍니다. 현재 지배적인 방법은 없으며 널리 사용되는 기술도 거의 없지만, 분석 결과는 기존 기술을 활용하고 새로운 기술을 개발하기 위한 상당한 연구 노력이 이루어지고 있음을 나타냅니다. 특허 출원 수는 연구 논문보다 적었지만 일부 기술에 대한 상업적 관심을 보여주었습니다. 최근의 결과는 지구 온난화에 대한 대중의 인식 제고와 이에 대응하기 위한 행동이 필수적이라는 깨달음을 반영할 가능성이 높습니다. 연구 활동과 경제 상황 및 유가 사이의 명백한 상관관계는 긴급성이 커짐에 따라 약화될 수 있습니다. CAS가 확인한 출판물 추세는 연구 및 기술 배포 속도가 2000년에는 상상만 했던 수준으로 계속될 것이며, 이제는 지구 온난화의 현실이 더욱 분명해짐에 따라 추진력을 얻고 있음을 시사합니다.
