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기후변화대응을위한혁신기술, '탄소자원화'

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지구온난화로 인한 유례없는 자연재해 속

탄소배출 제로 가능할 유일한 혁신 기술


전 세계가 유례없는 자연재해로 몸살을 앓고 있습니다. 미국, 유럽, 중국, 인도는 기록적인 폭우와 홍수로 수많은 사람이 목숨을 잃었고, 터키는 섭씨 40도를 넘는 폭염 속에서 산불이 일어나 국토의 절반이 화재에 시달려 막대한 손실이 발생하기도 했습니다. 우리나라도 2020년 이례적인 여름 수해로 46명이 목숨을 잃었고 1조 2천억 원의 재산피해가 발생했습니다.  세계기상기구(WMO)는 2021년 8월에 발표한 보고서에서 지난 50년간 극단적인 기상이변이 5배 증가했다고 밝혔습니다. 그로 인해 전 세계에서 200만 명 이상이 사망하고 총 3조6,400억 달러의 손실이 발생했다고 추산했습니다. 급작스럽게 발생하는 기상이변의 주요 원인으로 거론되는 것은 지구온난화입니다.


지구온난화로 계속되는 기상이변 속,

온실가스 감소 위한 연구 계속


2016년은 관측 역사상 전 지구 평균 지표 기온이 가장 높았던 해로 기록되었고, IPCC(기후변화에 관한 정부 간 협의체) 5차 보고서에서는 우리가 온실가스 감축을 위한 노력을 하지 않는다면 2100년에는 전 지구 평균 지표 기온이 산업혁명 전 대비 약 4도에서 5도 정도 증가할 것으로 예측했습니다. 1도가 오른 지금도 기상이변으로 몸살을 앓는데, 4~5도가 오른다면 감당할 수 없는 수준의 재해가 우리를 덮칠 것입니다.


우리는 지구의 온도가 더 이상 오르지 않도록 공기 중에 있는 온실가스를 줄이는데, 큰 노력을 기울여야 합니다. 이를 위해 유럽, 미국, 일본 등은 2050년에 온실가스 배출이 0이 되도록 하겠다는 탄소중립을 선언했고, 세계 유수의 기업들은 사용하는 에너지를 화석연료가 아닌 100% 신재생에너지로 사용하겠다는 RE100 선언을 하기도 했습니다. 우리나라도 탄소중립 선언과 함께 탄소중립 추진 전략을 발표하는 등 온실가스를 줄이기 위한 노력을 하고 있습니다.


<그림1> 산업화 이전과의 온도 차, 1850-2020


출처 : 세계기후보고서 2020, MWO


온실가스를 줄이는 방법으로 석탄발전 대신 신재생에너지를 활용하거나, 석유 대신 식물이나 미세조류를 활용하는 방법, 이미 배출된 온실가스를 화학 원료나 연료로 바꾸는 방법 등이 있습니다. 그 중, 탄소자원화 기술은 버려지는 탄소를 사용하여 우리의 일상에 필요한 화학 원료, 광물 자원, 바이오 연료 등으로 바꾸는 기술로 온실가스를 소비함과 동시에 석유 사용도 줄이는 일거양득의 기술이라고 할 수 있습니다. 탄소자원화 기술 중 하나인 CCUS(이산화탄소 포집·저장·활용)를 국제에너지기구(IEA)에서는 불가피하게 발생하는 이산화탄소를 줄여 탄소배출 제로를 가능하게 할 유일한 기술이라 부른다고 합니다.


탄소배출제로가능하게할유일한기술,

‘ 탄소자원화기술’


탄소자원화 기술은 주로 이산화탄소 및 부생가스(산업에서 부수적으로 나오는 가스류) 활용 기술을 이야기하지만, 크게는 온실가스를 발생시키는 플라스틱 쓰레기나 생물 유래 폐기물 활용 기술 등도 포함됩니다.


<표1> 탄소자원화의 주요 분야 (출처 : 포스코경영연구원, 2019)



구분

기술개념

최종제품(Application)

화학적 전환

(화학제품 생산)

화학적 변환을 통해 화학제품의 원료로 전환

메탄올, 우레아(Urea), CO, 메탄 등

생물학적 전환

(바이오 연료 생산)

온실가스 흡수가 빠른 미세조류(플랑크톤 등)를 활용하여 연료로 전환

바이오디젤 등

광물 탄산화

CO2를 광물질(칼슘염 등)과 반응시켜 건축자재 등을 생산

탄산염(Carbonates)


<그림2> 이산화탄소의 연료 및 화학물질로의 주요 전환 경로

출처 : 이산화탄소 전환 기술 백서, 2020


<그림3> 전기화학적 CO2 전환 반응 시스템

출처 : 이산화탄소 전환 기술 백서, 2020


이산화탄소 및 부생가스 활용 기술에 대해서 조금 더 자세히 살펴보자면, 글로벌 기술 발전 동향 및 실현 가능성, 잠재성 등에 따라 크게 세 가지 유망분야로 분류합니다. 촉매 또는 전기에너지 등을 이용하여 화학제품의 원료로 전환하는 “화학적 전환” 기술, 광합성 미세조류를 활용하여 화학물질로 전환하는 “생물학적 전환” 기술, CO2와 광물질을 반응시켜 시멘트 및 건축자재를 생산하는 “광물 탄산화”입니다.


화학적 전환은 촉매, 전기화학, 광화학 등의 방법으로 이산화탄소 및 부생가스를 플라스틱 원료나 자동차 연료 등으로 만드는 기술입니다. 이산화탄소는 안정한 구조를 지니고 있어 다른 형태의 화학물질로 바꾸기가 쉽지 않습니다. 따라서 다른 물질로 바꾸기 위한 추가적인 에너지 공급 및 촉매의 사용이 필수적입니다.

촉매는 더 적은 에너지로 화합물을 만들 수 있게 하는 물질을 말합니다. 만들고자 하는 물질의 종류에 따라 촉매 설계 및 제조, 반응 등의 기술이 달라집니다. 촉매 전환을 통해 폴리카보네이트, 폴리우레탄과 같은 고분자 화합물 및 일산화탄소, 개미산, 메탄올과 같은 화학물질도 만들 수 있습니다.
전기에너지를 활용하여 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 것을 전기화학 전환이라고 합니다. 이산화탄소는 수소이온과 전자를 공급받아 환원반응을 일으키며 일산화탄소, 메탄올, 에틸렌, 에탄올 등 고부가가치 화합물로 전환됩니다. 전기화학 전환을 위해서는 환원 전극, 산화 전극, 전해질, 분리막으로 구성된 전환 반응 시스템이 필요로 합니다.


<그림4> 광물 탄산화 기술의 개념도

출처 : 이산화탄소 전환 기술 백서, 2020


화학 분야의 국책 연구기관인 한국화학연구원은 촉매, 전기화학, 광화학 등 다양한 화학적 방법으로 탄소자원화 연구를 수행하고 있습니다. 1988년부터 국내 최초로 CCU 기술개발을 시작한 한국화학연구원은 이산화탄소 전환을 통해 나프타, 메탄올, 초산 등을 만드는 연구가 진행되어 대규모 실증 공장도 만들었으며 및 저명한 저널의 표지를 장식하는 등 관련 연구성과를 배출하고 있습니다.


생물학적 전환은 온실가스를 소비하는 미생물 등을 이용하여 자동차 연료나 플라스틱 원료를 만드는 기술을 말합니다. 기존의 석유 기반의 제품 또는 연료를 생물로부터 만들고자 미세조류를 중심으로 연구가 적극적으로 진행되고 있습니다. 생물학적 전환은 필요한 에너지를 태양에서 받아 사용하기 때문에 추가적인 에너지의 소비가 적다는 장점이 있습니다.


광물 탄산화 기술은 이산화탄소를 알칼리수와 같은 수용액, 천연광물 또는 산업부산물(산업체에서 배출되는 폐기물)과 반응시켜 탄산칼슘(CaCO3) 및 탄산마그네슘(MgCO3) 등의 탄산염광물로 만드는 기술을 말합니다. 이렇게 제조된 탄산염광물로 시멘트나 콘크리트, 기타 건축자재를 만듭니다.


<참고 문헌>

1) 이산화탄소 전환 기술 백서 (2020.11, 한국화학연구원)

2) 기후변화의 주범 이산화탄소(CO2), 미래 자원으로 가능성은? (2019.02, 포스코경영연구원)

3) WMO“ 50년간기후관련재해5배급증…피해액만4천조원”(2021.09, 연합뉴스)

4) 지구, 최근 5년 펄펄 끓었다…140년 만에 지표온도 1도 상승 (2019.02, 헤럴드경제)

5) WMO Atlas Of Mortality and Economic Losses from Weather, Climate and Water Extremes (1970~2019)



여주미·이기백 님이 근무하는 한국화학연구원 탄소자원화전략실은 탄소자원화 R&D 정책·전략 수립, 국내외 탄소자원화 기술·산업·정책 동향 분석, 산학연관 협력 네트워크 구축 운영 등의 업무를 수행하고 있다. 황동원 님이 근무하는 한국화학연구원 탄소자원화연 구단은 기후변화대응과 환경문제 해결을 위해 저활용 화학자원으로부터, 고부가 화학원료 및 친환경 에너지 생산 기술 개발 등의 업무를 수행하고 있다.(사진 왼쪽부터 여주미, 이기백, 황동원)