탄소포집기술은 대기중의 이산화탄소를 제거 온실효과를 줄이는 기술이다.[사진=연합뉴스]

지구온난화를 해결하기 위한 기술적 대안으로 큰 주목을 받고 있는 탄소 포집 기술은 대기 중의 이산화탄소를 제거해 온실효과를 줄이려는 기술이다.

탄소 포집 기술은 기후 위기를 극복하기 위한 가장 혁신적인 기술로 손꼽히고 있다. IPCC 제 5차 ‘지구온난화 1.5℃ 특별보고서(2018)’에 따르면 2100년에 지구표면 평균 온도 상승을 1.5℃ 미만으로 제한하기 위해서는 인간활동에 기인한 전 지구 이산화탄소 순배출량을 2030년까지 2010년 대비 최소 45%까지 감소하고, 2050년에는 순제로(Net Zero) 즉, 이산화탄소의 추가 배출로 인한 이산화탄소 농도의 상승이 없어야 한다.[1]

순제로를 달성하기 위해 IPCC 보고서에서 제시하는 완화 노력은 총 세가지로, 첫번째는 화석 연료 사용 및 산업 부문의 배출량 저감, 두번째는 에너지 저수요 생활 패턴으로의 전환 그리고 세번째가 이산화탄소 제거(CDR, carbon dioxide removal) 기술 활용이다.[2] 그렇다면 이산화탄소 제거 기술 중 직접 대기 포집은 어떤 방식일까?

CDR에는 크게 생태계 기반 제거 기술과 인공적인 기술 기반 이산화탄소 제거 기술로 구분된다.[3] 생태계 기반 CDR은 조림 및 재조림(AR, afforestation and reforestation), 토양 탄소 격리(soil carbon sequestration) 가 있는데, 오랜 기간 감축 기여도가 검증되었고 사회수용성이 높다는 장점이 있지만, 식물이 활용되는 과정에서 흡수한 이산화탄소가 누출될 가능성이 있다는 단점이 존재한다.

생태-기술 CDR에는 바이오에너지 탄소 포집 및 저장(BECCS, bioenergy with carbon capture and storage)이 존재한다. 가장 많은 기업들이 활용하고 있는 기술 기반 CDR에는 직접 대기 탄소 포집 및 저장(DACCS, Direct air carbon capture and storage)과 풍화 강화(Enhanced weathering), 해양 알칼리화(Ocean alkalinity)가 있다.[4]

기술 기반 CDR은 안정적인 탄소 저장소를 사용하기에 포집된 이산화탄소를 누출될 위험 없이 보관할 수 있는 안정적인 보관성에도 불구하고 기술성숙도가 낮고, 그리고 생태계 기반 CDR에 비해 실제 사례가 부족하고, 기술적으로 불확실하다는 단점도 존재한다.[5][6]

◇직접 탄소 포집 기술(DAC)

이산화탄소를 직접 효율적으로 줄일 수 있는 탄소 포집 및 저장 기술(CCS)은 포집기술, 수송기술, 저장기술 그리고 전환기술로 크게 네 가지로 나눌 수 있다.

이 중 포집기술은 CCS 전체 비용의 70~80%를 차지하는 핵심 기술로, 탄소를 포집하는 배출원에 따라 연소 후 포집 기술, 연소 전 포집 기술, 순 산소 연소 기술로 구분된다.

이 중 연소 후 포집 기술에 속하는 직접 대기 탄소 포집 기술(DAC)은 화석연료를 사용하는 발전소, 철강, 시멘트 공장 등 이산화탄소 대량 발생원으로부터 연소 후 배기가스에 포함된 이산화탄소만을 추출해 분리하는 방법으로 기존 발생원에 적용하기 가장 쉬운 기술이다.[7]

직접 탄소 포집 기술(DAC)의 기술성은 크게 세 가지 분야로 구분된다. 첫 번째는 포집제, 두 번째는 공정, 세 번째는 에너지 소비이다.[8] 첫 번째 분야인 포집제는 두가지 측면에서 직접 대기 탄소 포집에 영향을 끼친다.

포집제는 탄소 포집 과정에 있어서의 안정성을 도모해주고 대기 중에 아주 극소량으로 존재하는 이산화탄소를 잡아내기 쉬운 환경을 조성해준다. 현재 직접 대기 포집 과정에 관여하는 포집제는 습식 설비의 경우 강염기 수용액, 건식 설비의 경우 흡착제가 있다. 습식 설비에 사용되는 강염기는 주로 수산화물인데 수산화 나트륨(NaOH)과 수산화 포타슘(KOH)를 중심으로 사용되고 있다.[9]

건식 설비에 사용되는 흡착제는 다공성 물질을 주로 사용한다. 다공성 물질의 특성상 이산화탄소와 접촉할 수 있는 표면이 넓기에 효과적으로 이산화탄소를 포집할 수 있다.[10] 캐나다의 카본엔지니어링은 습식 흡수제를, 스위스의 클라임웍스와 미국의 글로벌써모스탯은 건식 흡착제를 포집제로 사용한다.

두 번째는 공정 기술과 관련된 분야이다. 공정 설비 또한 건식 설비와 습식 설비 분야에서 차이를 보인다.

습식 설비의 경우 포집제에 사용되는 강염기 수용액은 많은 에너지를 필요로 한다. 따라서 반응 에너지를 낮춰줄 수 있는 공정 과정이 필요하다. 캐나다의 카본엔지니어링은 세 단계에 걸친 공정 과정을 통해 반응 에너지를 줄인다. 침전(precipitation)-하소(calcination)-소화(slaking)로 이어지는 세 단계를 통해 포집에 소요되는 반응 에너지를 감소시킨다.[11]

건식 설비는 비교적 간단한 공정 과정을 가지는데 압력 변동 흡착(PSA, pressure-swing adsorption)과 온도 변동 흡착(TSA, temperature-swing adsorption)으로 구분된다. 스위스의 클라임웍스와 미국의 글로벌써모스탯은 두 방식 모두를 혼합하여 공정 과정을 거친다.[12]

세 번째는 직접 대기 포집 설비 구동 시에 필요한 에너지와 관련된다. 앞서 설명했듯이 현재 직접 대기 포집 과정을 습식과 건식으로 구분되는데 두 설비가 필요로 하는 에너지는 양에서의 차이를 보이지 않는다.

다만 건식 설비는 저온의 에너지로 충분히 구동이 가능하지만 습식 설비는 고온의 에너지를 필요로 하다는 점에서 에너지 질의 차이를 보인다.[13]

따라서 건식 설비는 경제적으로 열을 공급받기 위해 화석 연료 사용 및 산업 시설과 인접한 입지가 유리하지만 습식 설비는 천연가스로 직접 고온으로 가열을 해줘야 하기 때문에 가스 발전 설비가 함께 설치되어야 하고 설치 과정에 있어 천연가스의 가격까지 고려해야 한다.[14]

현재 직접 대기 탄소 포집 기술은 스위스의 클라임웍스, 캐나다의 카본 엔지니어링(Carbon Engineering), 미국의 글로벌써모스탯(Global) 등 세 기업이 이끌어 나가고 있다. 세 기업 중 탄소 포집 기술 상용화에 가장 가까운 기업은 2021년 대규모 탄소 포집 발전소 오르카(Orca)를 설치하는데 성공한 클라임웍스이다.

직접 대기 포집 기술이 고려해야할 다양한 기술적 쟁점이 있음에도 불구하고 현시점에서 인류가 가장 도전해 볼만한, 현실적인 지구온난화 해결책임에는 반박할 여지가 없다. 다양한 연구가 이어져 직접 대기 포집 기술의 효율을 높일 수만 있다면 2050년에는 탄소 순배출량 0을 달성할 수 있지 않을까 기대해본다.

【안신우 지속가능바람 저널리스트, 이윤진 ESG 연구자 겸 운동가, 안치용 ESG연구소장】

[1] 기상청, (2020 ), ‘지구온난화 1.5C 특별보고서’해설서.

[2] V. Masson-Delmotte, P. Zhai & Others, (2018),’ IPCC, 2018: Global warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty ‘, p. 14, In Press

[3] UNEP [United Nations Environment Programme]. 2017. The Emissions Gap Report 2017. Nairobi. (n.d.). Retrieved November 3, 2022, from https://www.unep.org/resources/emis sions-gap-report-2017

[4] IPCC, 2018: Global warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty (Sec. 4.3.7) [V. Masson-Delmotte, P. Zhai, H. O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, J. B. R. Matthews, Y. Chen, X. Zhou, M. I. Gomis, E. Lonnoy, T. Maycock, M. Tignor, T. Waterfield (eds.)]. In Press

[5] UNEP [United Nations Environment Programme]. 2017. The Emissions Gap Report 2017. Nairobi. (n.d.). Retrieved November 3, 2022, from https://www.unep.org/resources/emis sions-gap-report-2017

[6] 국립기상과학원, (2021), ‘기상기술정책’. Vol.14. No.2. 기상청

[7] 대한민국 교육부, (2012.9.89) CO2 잡는 기술? 이산화탄소 포집 및 저장 기술!, 교육부 공식블로그 https://if-blog.tistory.com/2084

[8] 송예원, & 오채운. (2022). 직접대기탄소포집 ․ 저장(DACCS) 기술에 대한 우리나라 R&D 정책 방향성 연구 : DAC 기술 중심으로. Journal of Climate Change Research 2022, 13(1), 075–096. doi:https://doi.org/10.15531/KSCCR.2022.13.1.075

[9] Gambhir A, Tavoni M. 2019. Direct Air Carbon Capture and Sequestration: How It Works and How It Could Contribute to Climate-Change Mitigation. One Earth. 1(4):405–409. doi:10.1016/j.oneear.2019.11.006 1

[10] de Jonge MMJ & others, (2019), Life cycle carbon efficiency of Direct Air Capture systems with strong hydroxide sorbents. Int J Greenh Gas Control. 80(October 2018):25–31. doi:10.1016/j.ijggc.2018.11.011

[11] Sanz-Pérez ES & others. (2016). Direct Capture of CO2 from Ambient Air. Chem Rev. 116(19):11840–11876. doi:10.1021/acs.chemrev.6b00173

[12] Gambhir A, Tavoni M. 2019. Direct Air Carbon Capture and Sequestration: How It Works and How It Could Contribute to Climate-Change Mitigation. One Earth. 1(4):405–409. doi:10.1016/j.oneear.2019.11.006 1

[13] McQueen N, Gomes KV, McCormick C, Blumanthal K, Pisciotta M, Wilcox J. 2021. A review of direct air capture (DAC): scaling up commercial technologies and innovating for the future. Prog Energy. 3(3):032001. doi:10.1088/2516-1083/abf1ce

[14] Keith DW, Holmes G, St. Angelo D, Heidel K. 2018. A Process for Capturing CO2 from the Atmosphere. Joule. 2(8):1573–1594. doi:10.1016/j.joule.2018.05.006

안신우(바람 저널리스트)  yess@live.co.kr

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