캐나다, 새롭게 떠오르는 탄소공기포집기술

- 교통수단에 의한 이산화탄소 양을 감소할 수 있는 유일한 기술 -

 

 

 

□ 배경 지식

 

 ○ 탄소포집저장(CCS) 기술에 대한 관심 증가 및 한계점

  - 현재 각국이 온실가스 감소에 엄청난 노력을 기울이는 가운데 석탄 연소 시 발전소에서 발생하는 이산화탄소를 모아서 땅 또는 물밑에 저장하는 탄소포집저장(Carbon Capture and Sequestration, 이하 CCS) 기술에 대한 각국의 관심이 커짐.

  - 2009년 1월 한국은 호주의 CCS 연구소 창립멤버로서 연구소 설립을 위한 노력에 합의하고 양해각서를 체결한 바 있음. 캐나다의 경우 앨버타주의 오일샌드 개발 프로젝트 확대 등에 따른 온실 가스 배출을 줄이기 위해 청정에너지기금(Clean Energy Fund) 창설을 통한 CCS 기술에 대해 집중 연구 개발 및 실증 사업을 진행할 예정임.

  - 한편, 엄청난 비용과 저장 장소 탐색 및 보유 한계에 따라 CCS 기술은 상용화에 커다란 어려움을 겪고 있으며, 환경단체들은 기술의 안전성 및 석탄 사용을 정당화시키며 다른 대체에너지원 개발을 저해시킬 수도 있는 CCS 기술에 대해 반대입장을 나타내고 있음.

 

 ○ 새롭게 떠오르는 탄소공기포집(Carbon Air Capture)기술

  - 기존 CCS 기술에 대한 반대 목소리가 커지고 있는 가운데, 최근 이코노미스트지와 디스커버리 채널 등에 소개된 캘거리 대학교의 David Keith 교수 연구팀이 연구 개발 중인 탄소공기포집(Carbon Air Capture) 기술을 눈여겨 볼 필요가 있음.

  - 탄소공기포집기술이란 특수 제작된 탄소포집장치를 이용해 대기 중에 존재하는 이산화탄소를 포집하는 기술로 석탄 화력발전소에서 발생하는 이산화탄소 포집에만 사용될 수 있는 기존 CCS 기술과는 다르게 때와 장소를 가리지 않고 대기 중의 이산화탄소양을 줄일 수 있음.

  - 탄소공기포집기술은 지구상 온실가스 배출의 절반 가량을 차지하는 자동차나 비행기에서 배출되는 온실가스를 줄일 수 있는 유일한 방안으로 전 세계 이산화탄소 배출량 감소를 위해 매우 중요한 기술임.

  - 이 기술을 이용해 전 세계 기후를 심각하게 변화시키지 않고서 현존하는 에너지원 중 가장 저렴한 석탄을 앞으로 100~200년간 사용할 수도 있음.

  - 이산화탄소 농도가 10% 이상을 차지하는 가스를 배출하는 발전소에서 비용 효과적인 포집방법을 고안하고자 했을 때, 대기에 0.04% 밖에 존재하지 않는 이산화탄소를 포집하는 것은 터무니없는 생각으로 비춰졌으나 후에 열역학적 고찰을 통해 공기포집기술이나 기존의 발전소에서의 탄소 포집이나 별 차이가 없음을 알게 됐고 이를 기술적으로 실현시키고자 노력함.

  - 한편, 이코노미스트지 보도에 따르면, 위와 비슷한 탄소공기포집기술이 잠수함, 우주왕복선, 제지 산업 등에서 이미 사용되고 있으며, 그에 따라 상업화에 좀 더 가까운 기술이라고 평함.

 

□ 기술 설명 및 현황

 

2005년 "Spray Tower"                       2008년 "Packed Tower"

자료원 : 캘거리 대학교 Dr. David Keith 연구팀 홈페이지

 

 ○ 기술 상세 설명

  - 탄소공기포집기술이란 간단히 말하자면, 공기가 흡수제(sorbent material)와 접촉해 공기 속의 이산화탄소가 sorbent material과 화학반응을 일으키면 추가 화학반응이나 전류 통전을 통해 이산화탄소만을 따로 포집하는 기술임.

  - 이러한 프로세스의 효율성은 sorbent material의 곡면적(surface area)에 따라 결정되며 이러한 면적을 넓히기 위한 가장 쉬운 방법은 액체 sorbent material을 공기 중에 mist 형태로 분무시키는 것임.

  - 캘리포니아 소재 리서치센터인 Palo Alto Reserach Centre(PARC)의 리서쳐들은 수미터 높이의 타워 형식의 장치가 sorbent mist와 공기의 접촉을 극대화해 준다고 함.

  - 더욱 자세히 살펴보면, sorbent material은 가성소다(sodium hydroxide)로 이뤄져 있으며, 이러한 가성소다는 이산화탄소와 접촉해 sodium carbonate를 생성하고 이는 타워 밑에 모아짐.

  - 그 후 연속적인 화학반응이나 전류 통전을 통해 sodium carbonate로부터 이산화탄소만 따로 분리되며 액체로 농축된 이산화탄소는 폐기처분되고 sorbent는 다시 재활용될 수도 있음.

  - 2005년, David Keith 교수 연구팀은 이러한 방식을 토대로 spray tower를 제작해 탄소공기 포집 시범을 보여주기도 했으며, 2008년에는 ETH Swiss Federal Institute of Technology의 Marco Mazzotti 교수와 University of Roma의 Renato Baciocchi 교수 등과 함께 Sulzer Chemtech사의 지원 아래 새로운 "packed tower"를 제작하기도 함.

  - David Ketih 교수 연구팀은 현재까지 tower들은 모두 에너지 소모가 큰 전기분해장치들을 이산화탄소 분해과정에서 사용했으나 후에는 에너지 소모를 최소화할 수 있는 “crystalizer"나 "calciner” 개발에 몰두할 것이라고 함.

  - 한편, 펄프 및 제지산업 현장에서 “kraft recovery”라는 과정을 통해 위와 비슷한 기술을 사용해 이산화탄소가 부산물로 생성된 후 대기 중으로 배출되고 있으며 Mazzotti 교수는 이러한 과정에서 대기 중 이산화탄소 배출을 막고 이산화탄소를 저장할 수 있는 calciner(하소기 혹은 하소로) 디자인 개조가 최대 관건이라고 지적하기도 함.

 

 ○ 기술 현황

  - Keith 박사 연구팀은 100kwh 미만의 전기를 사용해 공기 중에서 직접 이산화탄소 1톤을 제거할 수 있음을 보여줌. 석탄에 의한 100kwh 전기 발전은 제거한 이산화탄소 양의 3.5%인 35kg만을 대기 중에 방출했으며, 더욱 깨끗한 청정 에너지원을 사용할 경우 그 효과는 더욱 클 것임.

  - 이들의 주문 제작형 타워는 단지 1㎡ 면적의 scrubbing 물질을 이용해 1년에 20톤의 이산화탄소(북미에서 한 사람이 1년 동안 배출하는 이산화탄소 양)를 제거할 수 있었음.

  - Ketih 박사에 따르면, 이것이 의미하는 바는 석탄 화력발전소로부터 전기를 공급받아 타워 가동에 사용할 경우, 전기를 발전하기 위해 발전소에서 배출되는 이산화탄소 양보다 10배 이상을 타워를 통해 포집할 수 있다는 뜻이라고 함.

  - 실제로 Ketih 박사 연구팀은 공기 포집을 위한 에너지 비용을 절반으로 줄이기 위해 펄프 및 제지 산업 현장에서 유래한 화학공정을 적용할 새로운 방법을 고안해 냈으며 이러한 공기포집 시스템과 관련해 2건의 특허를 출원하기도 함.

 

□ 포집한 이산화탄소 처리 방안

 

 ○ 필요한 곳에 이산화탄소 공급하기.

  - 미국의 에너지부에 따르면 19세기 가장 중요한 화학 물질 중 하나는 이산화탄소로 그 활용범위는 농작물 생산 강화, 음식 가공, 폐수처리, 소화기 등 많은 부분임.

  - 현재 기술로는 이산화탄소 1톤에 200달러가 적정선이나 이러한 금액은 현재 탄소 배출권 거래 수준인 10달러 보다 훨씬 높은 금액임.

  - 공기 포집 기술로 모은 이산화탄소 가격이 탄소 배출권 거래 가격 수준보다 낮게 떨어져야만 경제적으로 매력을 끌 것임.

  - 한편, 몇몇 환경 학자들은 장기적으로 탄소 배출권 가격은 1톤에 50달러 수준으로 오를 것이며, 탄소공기포집기술로 모은 이산화탄소의 가격은 1톤에 30달러 수준으로 떨어질 수 있을 것으로 기대함.

 

 ○ 합성 탄화수소 연료(synthetic hydrocarbon fuel) 제작

  - 탄소공기포집기술로 모은 이산화탄소와 물이나 전기 분해를 통해 얻은 수소를 섞어 합성 탄화 수소 연료(synthetic hydrocarbon fuel)를 제작해 환경에 미치는 악영향을 최대한 줄이고 현존하는 화석 연료 자동차와 연료 공급 시스템에 사용할 수 있음.

  - Keith 박사는 이러한 방법을 '탄소 중립 탄화 수소(carbon-neutral hydrocarbons)'라고 부르기도 함.

  - 한편, 합성 탄화 수소 연료 제작은 에너지 소모가 심하므로 이러한 과정은 대체 에너지원을 바탕으로만 이뤄져야 함.

  - 이코노미스트지에 따르면 합성 탄화 수소의 가격은 겔런당 4~5달러이므로 유가가 현재 가격보다 높아야 할 것임.

  - 또한 대체 에너지 자체가 전기 자동차에 바로 쓰일 수 있으므로 합성 탄화 수소 연료의 효율성이 극도로 뛰어나지 않는 이상 대체 에너지를 사용해 굳이 합성 탄화 수소 연료 제작을 할 필요는 없음.

 

 ○ 풍력 발전 지역과 탄소 공기 포집 시스템의 결합

  - 바람이 많이 불고 전력 소모가 적은 밤에 풍력 발전 지역(wind farm)은 필요 이상의 파워를 제공 하기도 함.

  - 이러한 여분의 전력을 탄소 공기 포집 scrubber 가동에 사용한다면 여분의 전력을 낭비할 필요도 없으며 포집된 탄소를 탄소 배출권 시장에 판매함으로써 일석 이조의 결과를 얻게 됨.

 

□ 탄소공기포집기술 관련 각종 의견 및 전망

 

 ○ 탄소공기포집기술 관련 반대 의견 및 장애물

  - 탄소공기포집기술에 대한 반대 의견은 다음 3가지로 나눠볼 수 있음.

   · 기술적 요인 : 대기로부터 제거하는 이산화탄소의 양보다 scrubber 가동 과정에서 더 많은 양의 이산화탄소 생산 우려

   · 비용적 요인 : 대체 에너지 활용 비용보다 이 기술을 사용한 이산화탄소 제거 비용이 더욱 클 경우 우려

   · 정치적 요인 : 이 기술에 의지해 온실 가스 배출을 위한 다른 노력 감소 우려

  - 가장 큰 문제는 비용적인 부분으로 특히 sorbent material이 영구적으로 재활용될 수 없음에 따라 그에 따르는 비용이 만만치 않을 것임.

  - Keith 교수가 디자인한 scrubber 사이즈는 발전소와 비슷한 사이즈로 완전 가동 시 연간 1만 톤의 이산화탄소를 제거해 줄 것임.

  - 하지만 화석 연료로 인한 전 세계 이산화탄소 배출량이 연간 260억 톤에 이르는 것으로 보았을 때 scrubber 1대당 연간 1만 톤의 이산화탄소 제거를 기준으로 보면 총 200만 개의 어마어마한 규모의 scrubber가 필요함. 따라서 많은 전문가들은 scrubber 사이즈에 대한 대대적인 축소가 따르지 않는 이상 비현실적이라고 봄.

  - 포집한 이산화탄소 폐지 방법에 대해서도 확실한 방안이 나오지 않아서 논란이 지속되고 있음.

 

 ○ 탄소공기포집기술 전망

  - 기술적으로 가까운 시일 안에 실행 가능한 것으로 보여지나 탄소공기포집기술은 실제로 아직 초보 실험 단계이며 비용면과 상업화에 따른 문제점도 도사리고 있는 것으로 보여 경제적, 정치적인 면에서 확실한 지지를 얻지 못하고 있음.

  - 하지만 Ketih 교수팀의 상대적으로 단순하고 신뢰성 있으며 가능성이 큰 이 기술 개발은 상업적 규모의 플랜트를 지을 수 있는 발판을 마련한 것으로 평가받음.

 

Dr. David Keith 교수가 고안한 대형 Scrubber 디자인

자료원 : 캘거리 대학교 Dr. David Keith 연구팀 홈페이지

 

□ 한국 기관과의 기술 협력 가능성 및 시사점

 

 ○ 한국 기관과의 기술 협력 가능성은 아직 없어

  - Keith 교수에 따르면 탄소공기포집기술과 관련해 현재 한국 기관 및 기업과의 기술협력은 전혀 없다고 함.

  - Keith 교수는 또한 현재 엔젤 투자자들의 지원 아래 리스크가 높은 연구들을 시작할 예정이며, 이를 바탕으로 탄소공기포집기술의 상용화를 계획 중이라고 밝힘.

  - Keith 교수의 연구팀 외에도 미국 콜롬비아 대학의 Klaus Lackner 교수의 연구팀 역시 탄소공기포집기술 연구에 몰두하고 있고 현재 American Physical Society(미국 물리학 협회)에서도 이 기술에 대한 자세한 연구를 진행 중이며 2009년 가을에 관련 보고서를 발간할 예정이라고 하므로 참고할 필요가 있음.

 

 ○ 시사점

  - 기존 CCS 기술에 대한 반대 목소리가 커지고 있는 가운데 캘거리 대학교의 David Keith 교수 연구팀이 연구 중인 대기상의 이산화탄소를 제거해주는 탄소공기포집기술에 대한 관심이 증가하고 있음.

  - 이 기술은 기술적, 비용적, 정치적 요인 등의 장애물을 가지고 있으나 상대적으로 단순하며 교통 수단에서 배출된 대기의 이산화탄소 양을 줄일 수 있는 유일한 기술로 주목할 필요가 있음.

  - Keith 교수 연구팀과 현재 한국 기관 및 기업과의 기술 협력은 전혀 없는 것으로 나타났으나 한국 기관이나 기업이 투자자 형식으로 참여해 함께 이 기술을 발전해 나갈 수도 있음.

 

 

자료원 : The Economist지, EurekAlert 웹사이트, 디스커버리 채널 웹사이트, 캘거리 대학교 Dr. David Keith 연구팀 홈페이지 및 인터뷰