2세기 동안 화석 연료를 태우면서 강력한 온실 가스인 이산화탄소를 자연이 제거할 수 있는 것보다 더 많이 대기 중으로 배출했다. 그 CO2가 축적되면서 지구 표면 근처에 과도한 열을 가두어 지구 온난화를 일으킨다. 현재 대기에는 너무 많은 CO2가 있으므로 대부분의 시나리오에서는 배출을 끝내는 것만으로는 기후를 안정화하기에 충분하지 않음을 보여준다. 인류도 대기에서 CO2를 제거해야 한다.

 

미국 에너지부는 화학 반응을 사용하여 공기에서 CO2를 포집하는 기술인 직접 공기 포집을 확대하는 새로운 목표를 가지고 있다. 탄소 포집을 위한 연방 자금 지원은 일부 사람들이 그것을 화석 연료 사용을 계속할 핑계로 보기 때문에 종종 비판을 받지만 어떤 형태로든 탄소 제거가 여전히 필요할 가능성이 있다고 IPCC 보고서에 나와 있다.

 

탄소를 기계적으로 제거하는 기술은 현재 방법이 엄청나게 비싸고 에너지 집약적이기 때문에 부분적으로는 매우 작은 규모로 개발 및 운영되고 있다. 그러나 에너지 수요와 비용을 낮추는 데 도움이 될 수 있는 새로운 기술이 올해 테스트되고 있다.

 

탄소 포집

 

직접 공기 포집 및 탄소 저장의 선구자인 애리조나 주립 대학의 Klaus Lackner 교수에게 기술 현황과 이 기술이 향하고 있는 방향에 대해 질문한다.

 

직접 탄소 제거란 무엇이며 왜 필요하다고 생각하는가?

 

1990년대 초반에 탄소 관리에 관심을 갖게 되었을 때 탄소가 환경에 쌓여 있다는 관찰이 나를 움직이게 했다. 자연이 그 CO2를 제거하는 데 수천 년이 걸리며, 우리는 인간이 경험한 것보다 훨씬 더 높은 CO2 농도를 향한 궤도에 오르고 있다.

 

인류는 환경에 떠다니는 과잉 탄소의 양이 늘어나는 것을 감당할 수 없기 때문에 다시 배출해야 한다.

 

모든 배출이 발전소나 공장과 같이 배출되는 CO2를 포집할 수 있는 대규모 배출원에서 나오는 것은 아니다. 따라서 자동차, 비행기, 가스 용광로가 CO2를 내보내는 동안 뜨거운 샤워를 하면서 발생하는 나머지 절반의 배출량을 처리해야 한다. 그것은 공기에서 CO2를 끌어내는 것을 의미한다.

 

 

CO2는 공기 중에서 빠르게 혼합되기 때문에 전 세계에서 CO2가 제거되는 위치는 중요하지 않다. 제거는 동일한 영향을 미친다. 따라서 CO2를 사용하거나 저장하려는 위치에 직접 공기 포집 기술을 배치할 수 있다.

 

보관 방법도 중요하다. 60년 또는 100년 동안 CO2를 저장하는 것만으로는 충분하지 않다. 지금부터 100년 후에 모든 탄소가 환경으로 돌아간다면 우리가 한 일은 우리 자신을 돌보는 것뿐이었고 우리 손자들은 그것을 다시 알아내야 한다. 한편, 세계의 에너지 소비는 매년 약 2%씩 증가하고 있다.

 

 

 

직접 공기 포집에 대한 불만 중 하나는 비용 외에도 에너지 집약적이라는 것이다. 그 에너지 사용을 줄일 수 있을까?

 

직접 공기 포집에서 두 가지 큰 에너지 사용은 팬을 가동하여 공기를 흡입한 다음 가열하여 CO2를 추출하는 것이다. 두 가지 모두에 대한 에너지 수요를 줄이는 방법이 있다.

 

예를 들어, 우리는 건조할 때 CO2를 끌어당기고 젖었을 때 방출하는 물질을 우연히 발견했다. 우리는 그 물질을 바람에 노출시킬 수 있다는 것을 깨달았다. 그러면 CO2가 가득 차게 된다. 그런 다음 젖은 상태로 만들 수 있으며 다른 시스템보다 훨씬 적은 에너지를 필요로 하는 방식으로 CO2를 방출한다. 재생 에너지에서 생성된 열을 추가하면 CO2 압력이 훨씬 더 높아진다. 따라서 순수한 CO2를 수집할 수 있는 수증기와 CO2 가스가 혼합된다.

 

 

스위스 회사인 Climeworks는 공기 중의 이산화탄소를 제거하는 15개의 공장을 가지고 있다. 이미지 출처: Climeworks

 

캡처가 수동적이라면 더 많은 에너지를 절약할 수 있다. 팬이 공기를 불어넣을 필요는 없다. 공기는 스스로 움직인다.

 

우리 연구실에서는 이것을 하기 위한 방법을 만들고 있다. 이것을 기계식 나무라고 한다. 그것들은 레코드 더미처럼 약 2인치 간격을 두고 약 5피트 직경의 화학 수지로 코팅된 디스크의 키가 큰 수직 기둥이다.

 

공기가 통과하면서 디스크 표면이 CO2를 흡수한다. 20분 정도 지나면 디스크가 가득 차서 아래 배럴로 가라앉는다. 우리는 물과 증기를 보내 CO2를 폐쇄된 환경으로 방출한다. 이제 우리는 수증기와 CO2의 저압 혼합물을 갖게 되었다.

 

상자를 가열하는 데 들어간 대부분의 열을 회수할 수 있으므로 가열에 필요한 에너지의 양은 매우 적다.

 

수분을 사용하면 에너지 소비를 절반 정도 줄이고 나머지는 재생 에너지로 사용할 수 있다. 이것은 물과 건조한 공기를 필요로 하므로 모든 곳에서 이상적이지는 않지만 다른 방법도 있다.

 

 

 

CO2를 장기간 안전하게 저장할 수 있을까? 그리고 그러한 유형의 저장이 충분할까?

 

나는 1990년대에 Los Alamos에서 그룹을 이끌면서 광물 격리 개념에 대한 작업을 시작했다. 세계는 실제로 CO2가 산성이고 특정 암석이 염기성이라는 사실을 이용하여 영구적으로 CO2를 제거할 수 있다.

 

CO2가 칼슘이 풍부한 미네랄과 반응하면 고체 탄산염이 형성된다. 이와 같이 CO2를 광물화함으로써 거의 무제한에 가까운 양의 탄소를 영구적으로 저장할 수 있다.

 

예를 들어 아이슬란드에는 CO2와 반응하여 몇 달 안에 고체 탄산염으로 변하는 현무암(화산암)이 많이 있다. 아이슬란드는 탄소 격리 증명서를 전 세계에 판매할 수 있다. 그 이유는 전 세계의 CO2를 제거하기 때문이다.

 

텍사스의 Permian Basin에는 석유 생산으로 인한 거대한 지하 저장고도 있다. 큰 염수층이 있다. 해저 1km 아래인 북해에서 에너지 회사인 Equinor는 가스 처리 공장에서 CO2를 포집하고 1996년부터 매년 백만 톤의 CO2를 저장하여 CO2 배출에 대한 노르웨이의 세금을 피하고 있다. 광물을 격리할 수 있는 지하 저장고의 양은 CO2에 필요한 것보다 훨씬 많다. 문제는 검증된 예비비로 얼마를 전환할 수 있느냐는 것이다.

 

 

Klaus Lackner는 그의 연구실에서 직접 공기 포집 기술을 테스트한다. 이미지 출처: Arizona State University

 

직접 공기 포집을 사용하여 탄소 루프를 닫을 수도 있다. 즉, CO2가 재사용, 포집 및 재사용되어 더 이상 생성되지 않는다.

 

지금 사람들은 화석 연료의 탄소를 사용하여 에너지를 추출한다. CO2를 재생 가능 에너지로 생성된 녹색 수소와 혼합하여 CO2를 탄소가 없는 합성 연료(휘발유, 디젤 또는 등유)로 변환할 수 있다.

 

그 연료는 기존 파이프라인을 통해 쉽게 배송되어 수년간 저장될 수 있으므로 지난 여름 서부 텍사스에서 햇빛으로 수집된 에너지를 사용하여 겨울 밤 보스턴에서 열과 전기를 생산할 수 있다. 한 탱크의 "합성 연료"는 비용이 많이 들지 않으며 배터리보다 비용 효율적이다.

 

 

 

에너지부는 이산화탄소 제거 비용을 톤당 미화 100달러로 줄이고 10년 이내에 신속하게 확대한다는 새로운 목표를 설정했다. 그것을 현실로 만들기 위해 어떤 일이 일어나야 할까?

 

DOE는 기술이 이미 준비된 것처럼 들리기 때문에 나를 두려워한다. 30년 동안 기술을 소홀히 하다 보니 할 줄 아는 회사가 있고 그냥 밀어붙이기만 하면 된다고 할 수는 없다. 우리는 이것이 초기 기술이라고 가정해야 한다.

 

Climeworks는 상업적으로 직접 포집을 하는 가장 큰 회사이며 CO2를 톤당 약 $500에서 $1,000에 판매한다. 너무 비싸다. 반면에 톤당 $50이면 전 세계가 할 수 있다. 나는 우리가 거기에 갈 수 있다고 생각한다.

 

미국은 상인 CO2에서 연간 약 700만 톤의 CO2를 소비한다. 탄산음료, 소화기, 곡물 저장고에서는 폭발 위험이 있는 곡물 분말을 제어하기 위해 이를 사용한다. 평균 가격은 $60-$150이다. 따라서 $100 미만에는 시장이 있다.

 

당신에게 정말로 필요한 것은 우리가 CO2를 제거할 것을 요구하는 규제 프레임워크다. 그러면 시장은 오늘날의 킬로 톤의 CO2 포집에서 기가 톤의 CO2 포집으로 이동하게 된다.

 

 

 

이 기술이 10년 후에 어디로 갈 것이라고 보는가?

 

나는 화석 연료를 포기하는 세상을 본다. 아마도 점진적이지만 장기적으로 모든 CO2를 포집하고 저장해야 하는 의무가 있다.

 

우리의 권장 사항은 탄소가 땅에서 나올 때 동일한 제거율과 일치해야 한다는 것이다. 석탄, 석유 또는 가스와 관련된 탄소 1톤을 생산한다면 1톤을 버려야 한다. 같은 톤일 필요는 없지만 100년 이상 지속된다는 것을 확인하는 격리 증명서가 있어야 한다. 모든 탄소가 땅에서 나오는 순간부터 인증을 받으면 시스템을 속이기 더 어렵다.

 

산업계와 사회가 탄소중립화를 위해 얼마나 열심히 노력할지는 미지수이다. Microsoft 및 Stripe과 같은 회사가 CO2 제거를 위해 탄소 배출권과 인증서를 구매하고 상당히 높은 가격을 기꺼이 지불하는 것을 보는 것은 고무적이다.

 

새로운 기술이 침투하는 데 10~20년이 걸릴 수 있지만 경제적인 견인력이 있으면 상황이 빠르게 진행될 수 있다. 최초의 상업용 제트기는 1951년에 사용 가능했다. 1965년까지 그들은 유비쿼터스되었다.