기후 변화에 맞서는 경쟁에서 탄소 포집

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/carbon-capture-and-storage-ccus

©아이스톡

지구 온난화에 대한 싸움은 여러 전선에서 벌어지고 있습니다. 재생 에너지, 전기 자동차, 에너지 효율로 전환하여 화석 연료에 대한 의존도를 종식시키려는 움직임은 계속해서 추진력을 얻고 있으며 우려하는 세계 인구의 관심을 끌고 있습니다.

우리의 지속적인 노력에서 모든 옵션이 고려되었습니다. 모든 사람이 EV를 운전하고, 모든 건물이 효율적이며, 대부분의 옥상에 태양광 패널이 설치된 이상적인 시나리오에서도 산업 및 제조 활동은 계속해서 CO2와 기타 온실 가스를 생산할 것입니다. 이러한 배출 외에도 1세기 이상의 상업 및 산업 활동에서 배출된 수많은 메가톤의 가스는 대기 중에 갇혀 온난화 효과를 계속할 것입니다.

세계는 이러한 배출을 최소화하거나 상쇄하고 대기 중의 기존 가스를 제거하기 위해 어떤 다른 조치를 취할 수 있을까?

다행히도 수많은 기술이 개발되었습니다. 우리가 해로운 배출물 없이 집과 차량에 전력을 공급하는 방법을 알아낸 것처럼, 우리는 덜 눈에 띄지만 똑같이 가치 있는 탄소를 출처와 대기에서 포집한 다음 땅이나 다른 안정적인 용도로 돌려보내는 방법을 고안했습니다. 그러면 해를 끼치지 않습니다.

탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS)

이산화탄소 가스를 포집하여 대기 외의 다른 곳에 저장하는 데에는 다양한 방법이 사용되고 있습니다. 이를 통틀어 Carbon Capture, Utilization and Storage(CCUS)라고 합니다. 에너지 정책에 대한 연구를 수행하고 국가 간 대화를 촉진하는 글로벌 기구인 국제 에너지 기구(IEA) 에 따르면 CCUS는 "기술 모음"을 말합니다. 산업 공정이나 발전에서 탄소를 포집하거나 대기에서 직접 포집한 다음 사용 또는 저장을 위해 운반합니다.

CCUS는 몇 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 가장 널리 알려진 방법 중 하나는 포인트 소스 탄소 포집 입니다 . 매사추세츠 공과대학 점원 탄소 포집을 발전소에서 직접 이산화탄소(CO2)를 포집하여 배출량을 낮추는 방법으로 정의합니다. 발전소는 새로운 기술로 완전히 재건될 수도 있고, 기존 시설에 기술을 추가하여 "개조"될 수도 있습니다. 포인트 소스 탄소 포집은 발전소에서 직접 이산화탄소(CO2)를 포집하여 배출량을 낮추는 방법으로 정의합니다. 발전소는 새로운 기술로 완전히 재건될 수도 있고, 기존 시설에 기술을 추가하여 "개조"될 수도 있습니다.

모든 직접적 탄소 포집원이 발전소와 관련된 것은 아닙니다. 화학 물질, 철, 강철, 시멘트 생산과 같은 많은 산업 공정도 CO2를 생성합니다. 미국 에너지부의 국가 에너지 기술 연구소 미국 산업 부문이 2020년에 1,300백만 톤 이상의 CO2 배출량을 차지했다고 지적합니다. 2020년에 미국 산업 부문에서 13억 톤이 넘는 CO2가 배출되었다고 지적합니다.

시멘트 산업을 타깃으로 삼는 것은 산업 배출 감소를 위한 핵심 전략이 될 것입니다. 세계에서 가장 널리 소비되는 제품 중 하나인 시멘트는 CO2의 주요 공급원입니다.

©iStock / cozyta

저널 Nature 에 따르면 매년 전 세계적으로 300억 톤의 콘크리트가 사용된다고 합니다. 더 중요한 것은 인간이 유발하는 전 세계 배출량의 최소 8%가 시멘트 산업에서 나온다는 것입니다.

시멘트 제조에서 CO2는 주로 시멘트 클링커 생산으로 알려진 단계에서 방출되는데, 이는 석회석 소성 공정을 통해 이루어집니다. 이러한 배출물을 포집하기 위한 방법이 사용되고 있습니다. 직접 분리는 석회석을 간접적으로 가열하여 CO2 배출물을 포집하는 것을 포함합니다. 이 기술은 다른 연소 가스와 혼합하지 않고 석회석에서 직접 CO2를 제거하여 포집하기 쉽게 만듭니다.

기술을 실천에 옮기다

직접 소스 기술은 전 세계적으로 발전과 시멘트 및 기타 제품의 제조 공정에서 발생하는 탄소 배출을 포집하기 위해 배치되었습니다. 기후 및 에너지 솔루션 센터 (C2E S) 는 2020년 현재 전 세계적으로 26개 이상의 상업적 규모의 탄소 포집 프로젝트가 운영 중이며 34개가 다양한 개발 단계에 있다고 언급했습니다.

예를 들어 2014년 캐나다 서스캐처원주의 SaskPower Boundary Dam 프로젝트는 탄소 포집 기술을 사용하여 기존 석탄 화력 발전소를 상업적 규모로 개조한 최초의 사례가 되었습니다. 포집된 탄소는 현지에서 채굴 회사에 판매되어 지하에 주입되고 Enhanced Oil Recovery(EOR)라는 공정에서 석유 추출에 사용됩니다. SaskPower는 이 프로젝트가 석탄 공정에서 발생하는 CO2 배출을 최대 90%까지 줄일 수 있으며, 이 시설은 올해 1월에 4,167톤의 이산화탄소를 포집했다고 자랑했습니다. 이는 수치가 있는 가장 최근 달입니다.

탄소를 포집하기 위한 식물 재배

사회의 가장 성가신 문제들에 관해서, 자연은 종종 지속 가능한 해결책이 풍부하게 공급되고 이용하기 쉽다는 것을 우리에게 상기시켜줍니다. 예를 들어 태양열과 풍력을 생각해 보세요.

탄소 포집의 과제도 예외는 아닙니다. 기초 생물학에서 우리가 배우는 첫 번째 것 중 하나는 인간은 공기를 호흡하고 CO2를 내쉬는 반면 식물은 반대로 공기를 호흡하고 CO2를 들이마신다는 것입니다.

나무가 제거된 땅에 나무를 심는 자연 세계의 이 독특한 법칙은 탄소를 포집하기 위한 기술을 추구하는 사람들에게는 간과되지 않았습니다. 물론 가장 간단한 해결책은 더 많은 식물을 심는 것입니다. 산림 재생화 와 역사적으로 존재하지 않았던 땅에 나무를 심는 조림화는 대기에서 더 많은 탄소를 흡수하기 위해 지구상의 녹지를 늘리는 합법적인 접근 방식입니다.나무가 제거된 땅에 나무를 심는 것인 산림 조성 과, 과거에 나무가 없었던 땅에 나무를 심는 것인 조림은 대기에서 더 많은 탄소를 흡수하기 위해 지구의 녹지를 늘리는 합법적인 방법입니다.

©iStock / marnag

탄소 포집 및 저장을 갖춘 바이오에너지(BECCS)는 에너지 생산에 식물의 탄소 흡수 특성을 활용하여 프로세스를 한 단계 더 발전시킵니다. 이는 CCUS 기술 모음 내에서 또 다른 효과적인 포집 방법을 나타냅니다.

워싱턴 DC에 있는 아메리칸 대학 에 따르면 에 따르면 두 단계 또는 단계로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 단계에서는 유기 물질 또는 바이오매스(식물)가 열, 전기 또는 연료로 전환됩니다. 즉, 에너지를 생성하는 데 소비됩니다. 두 번째 단계에서는 이 바이오에너지 전환에서 발생하는 탄소 배출물을 포집하여 지질 형성에 저장하거나 오래 지속되는 제품에 내장합니다., BECCS는 두 단계 또는 단계로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 단계에서는 유기 물질 또는 바이오매스(식물)가 열, 전기 또는 연료로 전환됩니다. 즉, 에너지를 생성하는 데 소비됩니다. 두 번째 단계에서는 이 바이오에너지 전환으로 인한 탄소 배출이 포집되어 지질 형성에 저장되거나 오래 지속되는 제품에 내장됩니다. 

이 과정은 식물이 성장하면서 대기 중의 탄소를 자연적으로 소비하는 독특한 역할을 활용하여 BECCS가 부정적인 배출 기술이 될 수 있는 능력을 부여합니다. 즉, 배출하는 탄소를 더 많이 제거할 수 있다는 의미입니다. 이런 식으로 BECCS는 대기 중의 CO2 농도를 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다. 미국 국립과학원에서 실시한 최근 ​​연구에 따르면 BECCS를 통해 전 세계적으로 연간 3.4~5.2기가톤(Gt)의 CO2를 격리할 수 있는 잠재력이 있다고 추정합니다.

이 기술은 인기를 얻고 있으며 여러 사례에서 구현되었습니다. 아마도 가장 좋은 예는 Archer Daniels Midland(ADM) 회사가 소유한 Decatur의 Illinois Industrial Carbon Capture & Storage Project 일 것입니다 . 이 프로젝트는 에탄올 생산 시설에서 이산화탄소를 포집하여 인근의 깊은 염분층에 격리합니다. 이 프로젝트는 연간 최대 110만 톤의 이산화탄소를 포집할 수 있습니다.

공기에서 탄소를 제거하다

또 다른 포집 기술은 다소 지나친 것처럼 보일 수 있습니다. 대기에서 직접 탄소를 포집하는 것은 공상과학 소설이나 생생한 상상력의 산물처럼 들립니다. 오해하지 마십시오. 그것은 현실입니다.

직접 공기 포집(DAC)을 대기에서 직접 CO2를 추출하는 기술 로 정의합니다 . 이 프로세스는 두 가지 방법 중 하나로 작동합니다. 한 가지 방법은 액체 시스템을 포함하는데, 이는 공기를 화학 용액(예: 수산화물 용액)으로 통과시켜 CO2를 제거합니다. 이 시스템은 고온 열을 가하면서 나머지 공기를 환경으로 돌려보내 화학 물질을 프로세스에 다시 통합합니다.직접 공기 포집(DAC)을 대기에서 직접 CO2를 추출하는 기술 로 정의합니다 . 이 프로세스는 두 가지 방법 중 하나로 작동합니다. 한 가지 방법은 액체 시스템을 포함하는데, 이는 공기를 화학 용액(예: 수산화물 용액)으로 통과시켜 CO2를 제거합니다. 이 시스템은 고온 열을 가하면서 나머지 공기를 환경으로 돌려보내 화학 물질을 프로세스에 다시 통합합니다.IEA 는 직접 공기 포집(DAC)을 대기에서 직접 CO2를 추출하는 기술 로 정의합니다 . 이 프로세스는 두 가지 방법 중 하나로 작동합니다. 한 가지 방법은 액체 시스템을 포함하는데, 이는 공기를 화학 용액(예: 수산화물 용액)으로 통과시켜 CO2를 제거합니다. 이 시스템은 고온 열을 가하면서 나머지 공기를 환경으로 돌려보내 화학 물질을 프로세스에 다시 통합합니다.   

솔리드 DAC 기술은 CO2와 화학적으로 결합하는 솔리드 흡착 필터를 사용합니다. 필터가 가열되고 진공 상태에 놓이면 농축된 CO2가 방출되고, 이는 저장 또는 사용을 위해 포집됩니다.

©Climeworks

IEA는 현재 전 세계적으로 19개의 직접 공기 포집(DAC) 플랜트가 운영 중이라고 보고합니다. 이들은 모두 연간 0.01메가톤(Mt) 이상의 CO2를 포집하고 있습니다. 온라인에 오른 최신 플랜트인 Climeworks의 Orca 플랜트로, 세계에서 가장 큽니다. 이 시설은 8개의 수집 컨테이너로 구성되어 있으며, 각각 연간 포집 용량은 500톤입니다. 2021년 9월에 가동을 시작했으며, 연간 약 4kt의 CO2를 포집하고 있습니다. 아이슬란드 레이카비크 근처 헬리셰이디에 있는 플랜트는 세계에서 가장 큰 규모입니다. 이 시설은 8개의 수집 컨테이너로 구성되어 있으며, 각각 연간 포집 용량은 500톤입니다. 2021년 9월에 가동을 시작했으며, 연간 약 4kt의 CO2를 포집하고 있습니다.

그것들은 모두 어디로 가는가?

이 모든 뛰어난 기술은 또 다른 매우 중요한 의문을 제기합니다. 포집된 탄소는 모두 어디로 가는 것일까요? 

저장 및 활용 기술은 이 문제를 해결합니다. 포집된 탄소는 여러 가지 유용한 방법으로 저장되고 사용될 수 있습니다.

C2ES​ 이산화탄소를 지질 형성에 주입하여 깊은 지하에 저장할 수 있다고 언급합니다. 이러한 형성은 수세기 동안 화석 연료 사용으로 인한 탄소 배출을 저장할 수 있는 방대한 미개척 잠재력을 제공합니다. 이산화탄소를 지질 구조에 주입하여 깊은 지하에 저장할 수 있다고 언급합니다. 이러한 구조는 수세기 동안 화석 연료 사용으로 인한 탄소 배출을 저장할 수 있는 방대한 미개척 잠재력을 제공합니다.

옵션에는 이전에 언급한 EOR이 포함되는데, 이는 이산화탄소를 주입하여 기존 사이트에서 석유와 가스를 추출하는 것을 용이하게 합니다. 석유와 가스 저장소는 수백만 년 동안 같은 위치에 석유와 가스 자원을 보유하고 있었기 때문에 CO2를 저장할 수 있는 능력을 보여주었습니다.

깊은 염분층, 석탄층, 현무암층, 셰일분지와 같은 다른 유형의 지질학적 특징도 포집된 CO2를 지하 깊숙이 저장할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

모든 탄소를 지하에 저장할 필요는 없습니다. 지상 활동에서 마주치는 다른 재료에도 넣을 수 있습니다. 예를 들어, 탄소는 시멘트에 저장할 수 있습니다. 탄소 광물화는 포집된 CO2를 신선한 콘크리트에 주입하여 영구적으로 매립되고 실제로 강도를 개선하는 데 도움이 됩니다.

캘리포니아주 레딩에서 두 회사가 협력하여 소규모 상업용 시멘트 공장을 건설하고 운영했습니다. 이 공장은 가마 배기가스에서 CO2를 포집하여 고품질 콘크리트를 생산하는 데 사용되는 시멘트 재료로 전환합니다. 이 시설은 건설 자재 공급업체인 Lehigh Hanson, Inc.와 실리콘 밸리에 있는 자재 기술 회사인 Fortera의 협업입니다.

LiquidWind 가 소유한 스웨덴의 한 시설은 폐 이산화탄소를 포집하여 재생 가능한 전기와 물로 만든 수소와 결합하여 재생 가능한 메탄올, e-메탄올을 생산합니다.LiquidWind 가 소유한 스웨덴의 한 시설은 폐 이산화탄소를 포집하여 재생 가능한 전기와 물로 만든 수소와 결합하여 재생 가능한 메탄올, e-메탄올을 생산합니다.LiquidWind 가 소유한 스웨덴의 한 시설은 폐 이산화탄소를 포집하여 재생 가능한 전기와 물로 만든 수소와 결합하여 재생 가능한 메탄올, e-메탄올을 생산합니다.LiquidWind 가 소유한 스웨덴의 한 시설은 폐 이산화탄소를 포집하여 재생 가능한 전기와 물로 만든 수소와 결합하여 재생 가능한 메탄올, e-메탄올을 생산합니다.LiquidWind 가 소유한 스웨덴의 한 시설은 폐 이산화탄소를 포집하여 재생 가능한 전기와 물로 만든 수소와 결합하여 재생 가능한 메탄올, e-메탄올을 생산합니다.LiquidWind 가 소유한 스웨덴의 한 시설은 폐 이산화탄소를 포집하여 재생 가능한 전기와 물로 만든 수소와 결합하여 재생 가능한 메탄올, e-메탄올을 생산합니다.CO2는 자체 탄소 배출이 없는 다른 연료를 만드는 데에도 사용할 수 있습니다. LiquidWind 가 소유한 스웨덴의 한 시설은 폐 이산화탄소를 포집하여 재생 가능한 전기와 물로 만든 수소와 결합하여 재생 가능한 메탄올, e-메탄올을 생산합니다. 

터치스톤 연구실 포집된 CO2를 사용하여 조류를 배양하는 밀폐형 레이스웨이 연못을 갖추고 있습니다. 조류 지질은 바이오연료를 생산하기 위해 회수되고 조류 바이오매스는 전기를 생산하고 영양소를 회수하기 위해 혐기성 소화 공정에 사용됩니다. 웨스트 버지니아주 트리아델피아에 위치한 이 시설은 포집된 CO2를 사용하여 조류를 재배하는 밀폐형 레이스웨이 연못을 특징으로 합니다. 조류 지질은 바이오연료를 생산하기 위해 회수되고 조류 바이오매스는 전기를 생산하고 영양소를 회수하기 위해 혐기성 소화 공정에 사용됩니다.

도전과 기회

이산화탄소를 포집, 저장 및 사용할 수 있는 가능성은 풍부하지만 과제도 많습니다. 가장 어려운 과제는 비용입니다. IEA에 따르면, 탄소 포집은 포집된 탄소 1톤당 15달러에서 120달러까지 비용이 들 수 있습니다.

반대자들은 또한 탄소를 포집하고 격리하거나, 더 많은 화석 연료를 추출하는 데 사용하는 것은 지구 온난화에 맞서기 위한 올바른 전략이 아니라고 주장합니다. 화석 연료를 태우는 활동을 완전히 없애야만 지구가 온실 가스 배출을 줄이고 지구 온도를 안정화하기 위한 목표를 달성할 수 있습니다.

반면에 지구 온난화와의 싸움은 포괄적인 도전입니다. 모든 도구를 활용해야 합니다. 많은 산업과 특정 시설의 경우 다른 옵션이 실행 가능하지 않을 수 있습니다. 탄소를 유용한 제품으로 포집하여 판매하면 기술을 더 실행 가능하게 만드는 수익 흐름이 생깁니다. 탄소 재사용이 실행 가능하지 않거나 바람직하지 않은 경우 탄소 배출에 대한 규제 처벌이 필요한 인센티브를 제공할 수 있습니다.

어느 쪽이든 CCUS는 더 푸른 지구로의 유연한 전환과 전환을 허용합니다. 다른 옵션과 함께 고려되고 육성되어야 합니다.

*Rick Laezman is a freelance writer in Los Angeles, California, US. He has a passion for energy efficiency and innovation. He has been covering renewable power and other related subjects for more than ten years.