미국 매사추세츠공대(MIT) 연구팀이 17일 해양에서 이산화탄소를 포집하는 획기적 기술을 개발해 제시했다. 이들은 이 장치가 수년 전 스위스회사인 클라임웍스(Clime works)가 제시해 가동중인 대기중 이산화탄소 포집 방식보다 효율성에서 뛰어나다고 주장한다. 오는 2050년까지 지구 기온상승수준을 1.5℃ 이내로 제한해야 기후재앙을 피할 수 있는 전지구적 상황에서 나온 MIT의 해양수 이산화탄소 포집 장치와 기존 공기중 이산화탄소 포집장치의 성능, 지난해 전지구 이산화탄소 배출량과 포집장치의 포집 능력, 그리고 현재 이 장치 서비스를 받는 회사는 누가 있는지, 톤당 이산화탄소 포집 비용은 얼마인지 등이 궁금하다. 날로 중요해지는 이산화탄소를 둘러싼 기술과 비즈니스를 MIT뉴스, 뉴아틀라스, 비즈니스 인사이더 최신 뉴스를 참고해 알아봤다.

MIT 팀, 공기중 아닌 바닷물에서 직접 탄소 포집···“훨씬 경제적”

바다는 엄청난 양의 이산화탄소(CO₂)를 흡수한다. MIT 연구원들은 공기에서 직접 이산화탄소를 포획하는 것보다 훨씬 적은 에너지를 사용해 이산화탄소를 포획하고 방출하는 방법을 개발했다고 발표했다.

물에서 온실 가스를 끌어낸다는 생각은 이상하게 들리지만 바다는 지구의 가장 큰 탄소저장소다. 게다가 공기중에서 직접 이산화탄소를 포집하는 것은 꽤 심각한 문제를 가지고 있다. 무엇보다도 비용이 많이 드는데다 에너지 소모량도 많다.

2022년의 국제에너지기구(IEA)에 따르면 더 효율적인 공기속 이산화탄소 포집 기술조차도 약 6.6 기가줄(gigajoules)의 에너지, 즉 톤당 1.83 메가와트/시(megaWatt-Hours)의 에너지를 필요로 한다.

이 에너지의 대부분은 이산화탄소를 공기로부터 직접 분리하는 데 사용되지 않는다. 이들은 공기 흡입기를 작동 온도로 유지하기 위한 열 에너지, 또는 이산화탄소 포집 작업을 효율적으로 수행할 수 있을 정도로 많은 양의 공기를 압축하는데 드는 전기에너지다.

그러나 어느 방식이든 공기중 포집방식을 사용할 때 드는 이산화탄소 톤당 포집 비용 가격 추정치는 오는 2030년 300~1000달러(약 39만~129만 원) 사이로 전망돼 비용을 통제할 수 없다.

시장 조사회사 스타티스타에 따르면 현재 지구상에서 탄소배출자들이 배출량을 절반으로 줄이더라도 세금을 부과할 의향이 있는 나라는 없다. 최대 부과국 1위 우루과이는 톤당 137달러(약 18만원)의 세금을 부과한다. 공기중 직접 이산화탄소 포집은 비용이 크게 떨어지지 않는 한 사업성이 없을 것이다.

이런 가운데 다른 선택지가 있다는 것이 밝혀졌다. 그것은 바닷물이다. 왜 그럴까.

대기 중 탄소 농도가 높아지면 이산화탄소가 바닷물에 녹기 시작한다.

바다는 현재 인류가 매년 매출하는 이산화 탄소 배출량의 30~40%를 흡수하고 있으며, 공기와 지속적으로 자유롭게 교류하고 있다.

바닷물에서 탄소를 빨아내면 공기 중에서 탄소를 더 많이 빨아들여 공기중 이산화탄소 농도 균형을 재조정하게 된다. 무엇보다 바닷물 속 이산화탄소 농도가 공기 중보다 100배 이상 높다는 점이 해수 중 이산화탄소 포집의 장점이다.

이전엔 지속적 탄소포집을 위해 값비싼 막과 지속적 화학물질 공급 및 에너지를 필요로 했다.

이전 연구팀들은 바닷물에서 이산화탄소를 방출하고 포획하는 데 성공했지만 단점이 있었다. 이들의 방식은 값비싼 막, 그리고 해수속 이산화탄소 포집 반응을 지속시키기 위해 화학물질을 지속적으로 공급해야 했다.

반면 MIT의 팀은 앞서의 방법 중 어느 것도 사용하지 않고도 공기중 탄소 포집 방법보다도 훨씬 적은 에너지를 필요로 하는 시스템 테스트에 성공했다고 밝혔다.

MIT의 새로운 해수 탄소포집방법은?

MIT가 개발한 새로운 시스템에서는 해수가 2개의 챔버를 통과한다.

첫 번째로 이용되는 것은 활성 전극이다. 이는 양자(proton)를 바닷물에 방출하기 위한 것이다. 이렇게 해서 물을 산성화시킴으로써 용해된 무기 중탄산염을 이산화탄소 가스로 바꾸고, 이를 기포로 만들어 진공을 사용해 포집한다.

그런 다음 물은 역전압을 가진 두 번째 셀로 밀려 들어가 양자들을 다시 불러들이고 산성수를 다시 알칼리성으로 바꾸어 바다로 방출한다.

이렇게 주기적으로 활성 전극에서 양성자가 고갈되면 전압의 극성이 역전되면서 물이 반대 방향으로 흐르는 경우에도 동일한 반응이 계속된다.

MIT 연구팀은 에너지 앤 인바이얼런먼트 사이언스(Energy & Environmental Science)에 발표한 이 새로운 연구에서, 몰당 122킬로줄(122 kJ/mol)의 에너지 입력을 필요로 하며, 이를 일반에너지로 바꾸자면 톤당 0.77 메가와트시(mWh) 에너지 사용량에 에 해당한다고 말한다. (화학반응시 수소가스 2몰이 산소가스 1몰과 반응해 액체수 2몰을 형성할 때 572킬로줄의 열이 발생한다.)

MIT 연구팀은 “이산화탄소 형성시 몰당 122킬로줄(122kJ/mol-CO₂)라는 기본 에너지 소비량이 기록적으로 낮긴 하지만 여전히 열역학적 한계인 32kJ/mol-CO₂까지 상당히 낮출수 있다”며 효용성을 더 높일 수 있다고 자신하고 있다.

톤당 포집비용은?

MIT 연구팀은 이산화탄소를 1톤 포집하는데 56달러(약 7만여 원) 정도의 최적화된 비용을 예상하고 있다. 물론 이를 공기중 직접 포집 시스템의 톤당 포집 비용과 직접 비교하는 것은 공정하지 않다. 즉, 선박에 해수 이산화탄소 포집장치 설치 비용 및 운영 비용 등을 부가해 계산해야 한다.

MIT 연구진은 자신들이 산정한 톤당 이산화탄소 포집 연구 비용에는 해수에서 수집한 탄소를 진공으로 흡입해 여과하는 것을 포함하는 ‘전기 화학 시스템 외부의 보조 비용’을 포함하지 않고 있어 이에 대한 가격 산정 분석은 별도로 수행되어야 한다고 밝혔다.

그러나 이 중 일부는 탄소 포집 장치를 다른 시설, 예를 들면 이미 대량의 바닷물을 처리하고 있는 담수화 공장 등과 통합함으로써 잠재적으로 비용을 완화될 수 있다.

또다른 이점...산호초와 조개류 등 해양생물 보호에 도움

또 다른 이점들도 있다. 예를 들면 최근 몇 년간 해양에서 증가한 탄소 축적은 이미 산성화 문제를 일으켜 산호초와 조개류를 위협하고 있다. 해수에서 이산화탄소를 포집하는 과정에서 나오는 알칼리성 산출물이 이런 곳으로 향한다면 해저산성화에 따른 수질 환경 균형을 바로잡는 데 도움이 될 수 있다.

MIT 팀은 향후 2년 안에 실용적인 시범 프로젝트를 계획하고 있으며, 아직도 작업이 필요한 것들이 많다고 말한다. 연구원들은 우선 진공 시스템 없이 해수에서 나오는 이산화탄소 가스를 분리할 수 있기를 원할 것이다. 그리고 해수속에 포함돼 있는 광물 침전물은 알칼리화 쪽 전극을 오염시키기 때문에 여전히 많은 기술적 진전을 필요로 한다.

이 연구는 에너지 & 환경 과학 저널에 발표됐다.

최근 기세 올리고 있는 공기중에서 이산화탄소 포집하는 클라임웍스

지난 2017년 스위스 클라임웍스는 취리히 취리히 인근에 공기 중에서 이산화탄소를 산업 규모로 포착해 구매자에게 직접 판매하는 최초의 시설이 됐다. 개발자들은 이 시설이 연간 약 900톤의 이산화탄소를 포집한다고 밝혔다. 이는 약 200대의 자동차에서 방출되는 수준이다.

이 탄소포집 장치는 이 공정에 동력을 공급하는 폐열 회수 시설의 꼭대기에 위치한다. 팬은 이산화탄소를 수집하는 필터 시스템을 통해 공기를 밀어낸다. 이산화탄소는 필터가 포화 상태일 때 100℃ 이상의 온도에서 분리된다. 포집된 이산화탄소는 지하에 묻어서 공기중 배출 가스를 줄인다.

하워드 허조그 MIT수석연구원은 이 포집시스템에 대한 대표적 비관론자다. 그는 클라임웍스의 공기중 이산화탄소 포집을 위한 총 시스템 비용이 이산화탄소 1톤당 1000달러, 또는 화석 연료 공장의 탄소 제거 비용의 약 10배가 될 수 있다며 더 저렴한 방법을 찾아야 한다고 말했다.

공기중 이산화탄소 포집 기술의 선구자인 스의스클라임웍스(Climeworks)는 이 기술로 제3자 승인을 받았다. 온실가스 배출이 충분히 빠르게 감소하지 않고 있기 때문에 탄소 제거는 중요한 기후 해결책으로 여겨진다.

클라임웍스는 올해 1월 처음으로 독립된 제3의 기관으로부터 대기에서 이산화탄소를 빨아들여 지하에 저장하는 신기술을 검증받았다.

크리스토퍼 뷰틀러 클라임웍스 기후담당 책임자는 “아이슬란드에 있는 클라임웍스의 공기중 탄소포집 장치로 스타라이프, 마이크로소프트(MS), 쇼피파이 같은 고객들에게 비용을 받고 탄소를 포집해주는 유일한 상업용 공기중 탄소포집 시설”이라고 말했다.

뷰틀러는 “우리가 이산화탄소 제거량이 얼마나 되는지에 대해 합의하는 것이 매우 중요하다. 우리에게는 기준이 필요하다. 탄소를 제거하는 데는 나무를 심는 방식도 있다. 하지만 우리가 제거한 이산화탄소와 조립이 똑같지 않다. 이를 테면 나무는 타거나 썩을 수도 있다. 그들은 우리가 하는 일처럼 1,000년은 고사하고 심지어 100년도 지속되지 않을 수도 있다”고 말했다.

유엔의 기후 변화에 관한 정부간 패널에 따르면, 각국 정부와 기업들이 2050년까지 온실 가스 배출량을 절반으로 줄일 수 있는 궤도에 올라 있지 않기 때문에 이산화탄소 제거는 기후 위기를 해결하는 데 도움이 되는 핵심이다.

이산화탄소를 제거하지 않으면, 더 따뜻해지는 지구의 재앙적 기후 영향을 피하기 위한 파리 협정 목표 달성은 거의 불가능해진다. 이 협정은 지구 기온 상승을 2050년까지 산업화 이전보다 1.5℃이상 높아지지 않도록 기온 상승을 제한하려는 노력의 결과다.

옥스포드 대학이 이끄는 최초의 새로운 보고서에 따르면, 매년 약 20억 입방톤의 이산화탄소가 대기에서 제거되고 있는데 거의 모든 이산화탄소가 숲을 통해 제거된다. 이 보고서는 공기중에서 직접 이산화탄소를 포집하는 등의 신기술은 그 일부를 대표하며, 각국 정부가 기후 목표를 달성하도록 돕기 위해 2050년까지 지금보다 수백 배의 이산화탄소를 제거해야 한다고 쓰고 있다.

글로벌카본 프로젝트(Global Carbon Project)의 연구에 따르면 지난해 전 세계 이산화탄소 배출량은 약 405억 입방톤으로 증가했다. 이 보고서의 공동저자인 그레고리 네멧 위스콘신-매디슨 대학 교수는 기자회견에서 “향후 10년이 중요하다”고 말했다.

클라임웍스는 자사의 아이슬란드 공장이 4,000입방톤을 포집할 수 있는 능력을 가지고 있다고 밝혔다. 이 회사는 내년까지 그 10배의 용량을 가진 또 다른 공장을 가동할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 클라임웍스는 필터를 통해 공중에서 이산화탄소를 빨아들인 후 이산화탄소를 걸려내 포집하고, 카브픽스(CarbFix)와 협력해 이산화탄소를 암석층에 영구 저장한다.

뷰틀러는 1톤의 포집 탄소 가격을 낮추기 위해 정부의 더 많은 지원이 필요하다고 말했다. C이 회사는 기업 구매자와의 계약에 따라 이산화탄소 포집 가격을 기밀로 하고 있다. 국제 에너지 기구는 이산화탄소 시장 가격을 톤당 600~1,000달러(약 78만~129만원) 사이로 고정시켰다.

비즈니스 인사이더는 미국의 인플레이션 감소법(IRA)은 투자자 유치를 돕기 위해 영구적인 탄소 제거에 대한 세액 공제를 톤당 180달러로 높였고, 에너지부는 4개의 대규모 공기중 직접 이산화탄소 포집 장치 허브에 5년간 35억 달러(약 4조 5000억원)를 투자할 계획이라고 전했다. 이 보도는 유럽연합(EU)은 자체 전략 토대를 마련하고 있지만 이산화탄소 제거를 확대할 계획을 가진 나라는 거의 없다고 덧붙였다.