대기 중 이산화탄소로 연료 만들기: 탄소 포집 및 전환(CCU) 기술의 가능성

기후 변화가 심각한 문제로 떠오르면서, 이산화탄소(CO₂) 감축은 더 이상 미룰 수 없는 과제가 되었습니다. 대기 중 이산화탄소 농도가 계속 증가하면서 지구 온난화가 가속화되고 있어, 탄소 배출량을 줄이는 노력과 함께 이미 배출된 이산화탄소를 줄이는 기술의 필요성도 커지고 있습니다. 이러한 상황에서 탄소 포집 및 전환(CCU, Carbon Capture and Utilization) 기술은 대기 중 이산화탄소를 단순히 포집하는 데 그치지 않고, 이를 연료나 유용한 화학물질로 전환해 새로운 자원으로 활용하는 혁신적인 방법으로 주목받고 있습니다.

 

이번 글에서는 CCU 기술이란 무엇인지, 이 기술이 가지는 가능성과 과제는 무엇인지, 그리고 이를 통해 얻을 수 있는 혜택에 대해 알아보겠습니다.

1. 탄소 포집 및 전환(CCU) 기술이란?

탄소 포집 및 전환(CCU)은 이산화탄소를 대기 중에서 포집한 후, 이를 화학적 또는 생물학적 방법으로 변환하여 연료, 플라스틱, 화학물질 등 다양한 자원으로 전환하는 기술입니다. 기존의 탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture and Storage) 방식과는 다르게, CCU는 포집한 이산화탄소를 단순히 저장하지 않고 유용한 자원으로 다시 활용할 수 있다는 점에서 큰 차이가 있습니다.

 

CCU는 에너지원으로서의 가치 창출이 가능하다는 점에서 주목받고 있으며, 새로운 재생 가능 자원의 가능성을 제시합니다. 이를 통해 CCU 기술은 경제적인 이익과 기후 변화 대응의 두 가지 측면에서 큰 가능성을 열어줄 수 있습니다.

2. 탄소 포집 기술의 주요 방식

CCU는 두 단계로 이루어집니다. 첫 번째 단계는 탄소 포집(Carbon Capture)이며, 두 번째 단계는 포집된 이산화탄소를 연료나 화학물질로 전환(Carbon Utilization)하는 것입니다. 아래는 탄소 포집의 주요 방법들입니다.

 

1) 흡수법 (Absorption)

흡수법은 이산화탄소가 잘 녹는 액체 흡수제를 사용해 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 방식입니다. 주로 암모니아나 아민과 같은 화합물을 사용하며, 포집 효율이 높아 대규모 시설에서 활용되곤 합니다. 흡수된 이산화탄소는 추후 열을 가해 분리되며, 그 후 전환 공정으로 넘어갑니다.

 

2) 흡착법 (Adsorption)

흡착법은 고체 흡착제(주로 제올라이트, 활성탄 등)를 이용해 이산화탄소를 고체 표면에 붙잡아 포집하는 방식입니다. 이 방식은 저온 환경에서 효율적이며, 특히 이산화탄소 농도가 낮은 환경에서도 포집이 가능해 발전소나 산업 공정에서 활용됩니다.

 

3) 막 분리법 (Membrane Separation)

막 분리법은 이산화탄소가 특정 막을 통과하는 속도 차이를 이용하여 이산화탄소를 포집하는 방식입니다. 이를 통해 가스 혼합물 중에서 이산화탄소만 선택적으로 분리할 수 있으며, 효율적이고 간편한 시스템 구축이 가능해 비용이 적게 드는 장점이 있습니다.

 

4) 생물학적 포집 (Biological Capture)

생물학적 포집은 식물이나 미생물을 이용해 이산화탄소를 포집하는 방식입니다. 이산화탄소는 식물의 광합성 작용을 통해 탄수화물로 전환되거나, 미생물이 이산화탄소를 먹이로 삼아 탄소 고정화를 일으키는 과정을 통해 흡수됩니다. 생물학적 포집은 자연 생태계와 유사한 방식으로 작동하며, 대기 중의 이산화탄소를 장기적으로 감소시키는 역할을 합니다.

3. 이산화탄소 전환을 통한 연료 및 화학물질 생산

포집한 이산화탄소를 전환하는 방식은 연료와 화학물질 생산을 중심으로 여러 가지가 개발되고 있습니다. 이산화탄소를 연료로 전환하는 주요 방식은 촉매 반응과 생물학적 전환을 통해 이루어집니다.

 

1) 이산화탄소를 메탄올로 전환

메탄올은 청정 에너지원으로 주목받고 있는 화합물로, 이산화탄소를 촉매를 통해 메탄올로 전환할 수 있습니다. 메탄올은 가솔린 대신 사용할 수 있고, 플라스틱 및 다양한 화학제품의 원료로도 쓰입니다. 메탄올 전환 기술은 고효율의 촉매가 필요하며, 반응 과정에서 추가 에너지가 요구되는 점이 있습니다.

 

2) 인공 광합성을 통한 에너지 전환

자연계의 광합성을 모방한 인공 광합성은 이산화탄소와 물을 태양광 에너지를 이용해 분해하여 수소와 탄화수소 연료를 생산하는 기술입니다. 인공 광합성은 태양광을 재생 에너지로 사용하기 때문에 탄소 중립적인 연료 생산이 가능합니다. 다만, 고효율의 인공 광합성 시스템을 구축하는 데 기술적 도전이 많아 상용화까지는 시간이 필요할 것으로 보입니다.

 

3) 미생물을 이용한 이산화탄소 전환

특정 미생물은 이산화탄소를 섭취하여 에탄올, 부탄올 등과 같은 바이오 연료로 전환할 수 있습니다. 이는 에너지 효율이 높고, 추가적인 화학적 처리 없이 바로 연료로 사용할 수 있어 경제적인 이점이 큽니다. 또한 생물학적 방법이기 때문에 친환경적이기도 합니다.

4. CCU 기술의 장점과 과제

장점:

• 이산화탄소 감축: CCU 기술은 대기 중의 이산화탄소 농도를 줄여 기후 변화 완화에 기여할 수 있습니다.
• 재생 에너지원 활용: 포집된 이산화탄소를 연료로 전환함으로써 새로운 에너지원으로 활용할 수 있습니다.
• 경제적 이익 창출: CCU를 통해 생성된 연료나 화학물질은 다양한 산업에서 사용할 수 있어, 경제적인 이익을 얻을 수 있습니다.

과제:

• 고비용: 포집과 전환에 필요한 설비와 공정이 복잡하여 초기 비용이 높습니다.
• 에너지 소비: 포집과 전환 과정에서 추가적인 에너지가 필요하기 때문에 에너지 효율을 높이는 기술이 필요합니다.
• 기술 개발 필요성: 고효율 촉매 개발, 생물학적 전환 시스템 연구 등이 더욱 필요하며, 상용화까지 시간이 소요될 수 있습니다.

5. CCU 기술의 미래와 전망

CCU 기술은 단순히 기후 변화를 완화하는 데 그치지 않고, 탄소를 새로운 자원으로 활용할 수 있는 가능성을 제시합니다. 앞으로 이산화탄소를 대체 에너지로 전환할 수 있는 CCU 기술이 상용화된다면, 현재 에너지 자원의 고갈 문제와 기후 변화 문제를 동시에 해결할 수 있을 것입니다.

 

많은 국가들이 기후 변화 대응을 위한 탄소 중립 목표를 설정하고 있으며, 이를 달성하기 위한 주요 기술로 CCU를 채택하고 있습니다. 또한, CCU 기술은 재생 가능 에너지원과 결합하여 탄소를 순환하는 시스템을 구축하는 데 큰 역할을 할 수 있습니다. 이를 통해 이산화탄소가 단순한 오염 물질이 아닌, 다시 사용할 수 있는 가치 있는 자원으로 자리 잡는 날이 멀지 않았습니다.

 

대기 중 이산화탄소를 연료와 화학물질로 전환하는 CCU 기술은 기후 변화와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 획기적인 방법으로 주목받고 있습니다. 흡수, 흡착, 막 분리, 생물학적 포집 등 다양한 포집 방법과, 메탄올 생산, 인공 광합성, 미생물 전환 등 다양한 전환 방식을 통해 CCU 기술은 점점 더 발전할 것으로 보입니다.