인류는 언제까지 생존할 수 있을까? 생존이란 결국 생존을 위협하는 요소에 대한 승리를 의미한다. 그렇다면 우리는 미래에 어떤 위기와 맞닥뜨리게 될까? 본지에서는 미래의 위기로 ‘식량난’, ‘지구온난화’, ‘에너지 부족’의 3가지를 꼽았다. 그리고 연재기획을 통해 각각의 위기에 대하여 현 시점에서 제기할 수 있는 유력한 대처방안을 알아보고자 한다. 본지 제1523호에서 식량난의 대처방안 중 하나로 제시된 식용곤충에 이어, 두 번째로 소개될 방안은 지구온난화 문제 해결에 일조할 것으로 기대되는‘이산화탄소 포집 및 처리기술(CCS)’이다●
현재 지구는 계속해서 뜨거워지고 있다. 문제는 지구 온도 상승에 따른 책임이나 결과에서 우리가 자유롭지 못하다는 것이다. 지구온난화(이하 온난화)를 일으키는 온실가스에는 6가지 종류가 있다. 그중 이산화탄소의 온난화지수는 가장 낮다. 그럼에도 이산화탄소가 온난화의 주범으로 지적되는 이유는, 온실가스의 80%를 차지하면서도 규제가 가능하기 때문이다. 문제는 우리가 화석연료를 사용하는 한 이산화탄소는 계속해서 배출된다는 것이다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 전 세계는 아직 에너지의 80% 이상을 화석연료에서 얻고 있다. 이러한 현실 속에서 이산화탄소를 잡을 수 있는 기술이 한창 상용화 중이다. 바로 이산화탄소 포집 및 처리기술(이하 CCS 기술)이다.
지구온난화의 주범 이산화탄소, 잡았다 요놈!CCS 기술은 이산화탄소의 포집수송 및 저장전환의 단계로 진행된다.‘포집기술’에는 ▲연소 전 포집기술 ▲연소 후 포집기술 ▲순산소 연소 포집기술이 있다.연소 전 포집기술은 화석연료를 연소시키기 전에 미리 수소와 이산화탄소를 분리해 포집하는 기술이다. 먼저 석탄의 가스화나 천연가스의 개질반응(천연가스와 수증기를 이용해 수소가 생산되는 반응)을 통해 합성가스를 만들어 낸다. 그리고 만들어진 합성가스에서 수소와 이산화탄소를 분리한 뒤 수소만을 연소시키는 것이다. 따라서 연소 전 포집기술은 지구온난화 물질을 원천적으로 제거한 오염 무배출 발전(Zero Emission Plant)기술이다. 이 기술은 주로 석탄가스복합발전에 적용되고 있다.연소 후 포집기술은 화석연료를 연소시킨 후에 발생된 배기가스 중 이산화탄소만을 분리해 포집하는 기술이다. 배기가스에서 이산화탄소만 포집하기 위해서는 흡수제를 이용하는 방법과 얇은 막을 이용하는 방법이 있다. 흡수제에는 액체형태와 고체형태가 있으며, 흡수제의 종류에 따라 각각 ‘습식 포집기술’과 ‘건식 포집기술’로 분류된다. 연소 후 용액을 이용해 이산화탄소를 용융시키는 것이 습식 포집기술의 원리다. 습식 포집기술에 해당하는 암모니아수 흡수공정은 탄산암모늄이 이산화탄소와 물과 반응해 중탄산암모늄이 되는 반응을 이용한다. 한편, 건식 포집기술은 습식 용액 대신 고체입자를 사용해 이산화탄소를 포집한다. 탄산나트륨이 이산화탄소와 물과 반응해 중탄산나트륨이 되는 반응을 이용한다는 점에서 습식 포집기술과 원리는 유사하다. 하지만 습식에 비해 재생이 가능하며, 값이 싸다는 장점을 갖고 있어 혁신기술로 인식되고 있다. 이와 달리 얇은 막을 이용하는 방법은 필름 형태의 막을 통해 이산화탄소만을 걸러내는 것인데, ‘분리막 포집기술’이라고 한다. 대기 중에서 이산화탄소만 선별적으로 걸러낼 수 있는 막을 이용하는 것이 분리막 포집기술의 원리다. 이 기술의 핵심은 분리막 소재의 고투과성과 분리막의 박막화에 있다. 분리막 포집기술 또한 차세대 기술로, 선진국 간의 경쟁이 치열한 상황이다.순산소 연소 포집기술은 일반적인 공기 대신 순수한 산소만을 이용해 연료를 연소시킨다는 점에서 위의 두 기술과는 근본적인 차이점을 가진다. 일반적인 공기 연소의 경우 공기 속에 있는 산소 이외의 물질들 때문에 배기가스가 배출된다. 그러나 순산소 연소의 경우 공기 중의 산소만을 연소시키기 때문에 배기가스가 배출되지 않으며, 오로지 이산화탄소와 물만이 배출된다. 연소 후에 별도의 분리과정이 필요 없다는 것이 이 기술의 가장 큰 장점이다. 문제는 산소제조 기술에 달려있다. 막과 흡수제를 이용한 저가 산소제조 공정 개발이 중요한 것이다.
이러한 기술을 거쳐 포집된 이산화탄소는 파이프라인을 타고 저장소까지 ‘수송’된다. 저장소가 멀리 있다면 선박 등을 이용하기도 한다.
‘저장’은 800m 이상 깊이의 폐유전, 대염수층, 가스전 등의 지층에 이산화탄소를 주입하는 과정이다. 이를 통해 포집한 이산화탄소를 반영구적으로 안전하게 저장할 수 있다. 땅 속 깊이 주입된 이산화탄소는 일련의 과정을 거쳐 최종적으로는 탄산염 광물화가 된다.
마지막으로 일부 이산화탄소는 화학적, 생물학적으로 ‘전환’시켜 플라스틱 분말, 화학제품 원료, 고분자 필름, 바이오 연료, 사료, 의약품 등으로 활용하기도 한다.
옥동진 기자/odj12@knu.ac.kr