부정 배출 기술, 미국 탈탄소화에 도전하다

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/negative-emission-technologies-tackle-us-decarbonization

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다음 기사는 2022년 제28회 국제과학통일회의(ICUS XXVIII)에서 에릭 라슨 교수가 발표한 "미국 탈탄소화 경로의 부정적 배출 기술"이라는 제목의 프레젠테이션의 첫 번째 부분입니다. 

오늘 저는 부정적 배출 기술에 대해 말씀드리고 싶습니다. 특히 이 기술이 미국 경제의 탈탄소화에 어떤 역할을 할 수 있는지에 대해 말씀드리고 싶습니다. 

저는 부정적 배출이 필요한 이유를 설명하면서 시작하고, 그다음 다양한 부정적 배출 기술(또는 NET)을 설명할 것입니다. 마지막으로, 저는 미국이 2050년까지 순제로 배출에 도달하기 위한 기술적 경로에서 NET의 가능한 역할에 대해 논의할 것입니다. 

저는 지구 온난화와 온실 가스, 특히 CO2의 배출 사이의 관계에 대해 우리가 알고 있는 과학을 검토하는 것으로 시작하겠습니다. 그림 1은 기후 변화에 관한 정부 간 패널의 지구 온난화 1.5°C에 대한 특별 보고서의  그래프를 보여줍니다 . (여기서는 모든 세부 사항을 다루지 않겠습니다.)

이 그래프는 우리가 전 세계에서 예상할 수 있는 온난화가 1800년대 중반부터 시작하여 산업화 이전 시대부터 대기 중으로 배출한 이산화탄소의 누적 배출량과 직접적으로 관련된 함수라는 것을 알려줍니다. 이러한 관계에 대한 이해를 바탕으로 온도 상승의 특정 한계에 도달하기 전에 배출할 수 있는 탄소 예산의 남은 양을 추정할 수 있습니다. 이 연구가 나온 2018년 12월 기준으로, 그 시점부터 누적적으로 1500Gt의 CO2를 넘지 않는다면 전 세계적으로 2°C 이하의 온난화를 유지할 수 있는 확률은 50%였습니다. 1.5°C 탄소 예산을 유지하려면 물론 훨씬 낮아야 합니다. 600Gt에 가깝습니다.

우리는 그 추정이 이루어 졌기 때문에, 우리는 이미 150 GT를 추가로 배출했습니다.

그림 2와 같은 그래프를 보면 전 세계 CO2 배출량이 2°C 임계값 미만으로 유지되는 궤적을 볼 수 있습니다. 이 그래프는 몇 년 전에 만들어진 것이며, 당시 과학자들은 2005년을 기준으로 모델링된 배출량 궤적을 시작했습니다. 우리가 지금 알고 있듯이 2005년부터 2015년까지 배출량은 모델링된 수준을 넘어 계속해서 증가했습니다.

여기서 경로는 정확하지 않지만 2°C 미만의 온난화를 유지하기 위해 세계가 보아야 할 변화의 종류를 반영합니다. 세계는 약 2070년까지 배출 제로에 도달해야 합니다. 즉, 세계는 그 날짜까지 탄소 배출 예산을 모두 소진했을 것입니다.

이 예산은 부정적인 배출 가능성을 허용한다면 본질적으로 확장될 수 있습니다. 이 경우 우리는 그림 3에 표시된 경로에 있습니다. 다시 말하지만 이는 모델링 결과이며 이 경로는 예산을 2°C로 따르는 것보다 더 높은 배출량을 초래하지만 빠르면 2°C부터 시작하여 음의 배출량으로 이를 보상합니다. 2030년에는 그 이상으로 상당히 성장할 것입니다. 이를 통해 우리는 2°C 동안 순 제로 배출 궤적을 유지할 수 있습니다.

기본적으로 네거티브 배출을 통해 우리는 포지티브 배출에 대한 예산을 늘리면서도 여전히 온도 목표 이하로 유지할 수 있습니다. 다양한 네거티브 방출 기술이 있으며 우리는 그림 4와 같은 이러한 기술 중 많은 부분을 잘 이해하고 있습니다.

예를 들어, 육상 및 수중 생태계의 복원 및 관리를 통해 대기 중 CO2를 흡수할 수 있습니다. 우리는 소위 탄소 농업이라고 불리는 농업 관행을 변화시킴으로써 동일한 일을 할 수 있습니다. 토양의 탄소 함량을 높여 대기 중 CO2를 제거할 수 있습니다. 이는 주로 생물학적 측정치입니다(그림 4의 왼쪽). 그림 4에서 오른쪽으로 이동하면 CO2 포집 및 저장을 포함한 바이오에너지부터 시작하여 보다 공학적인 조치를 향해 이동합니다. 이는 식물이 자라면서 대기 중 CO2를 흡수한 물질을 기반으로 합니다. 그런 다음 식물 물질은 편리한 형태의 에너지(예: 전기)로 변환되고, 변환 과정의 부산물인 CO2는 포집되어 지하에 저장됩니다.

보다 완전하게 설계된 네거티브 배출 시스템에는 직접 공기 포집(DAC)이 포함됩니다. DAC는 화학 공정을 통해 공기 중 CO2를 직접 제거한 다음 CO2를 땅 아래에 저장합니다. 또한 강화된 광물 풍화 작용도 있는데, 기본적으로 CO2와 자연 암석이 결합하여 탄산염암을 만들어 CO2를 저장함으로써 탄산염암을 생성하는 것입니다.

생물학적 과정은 제거되는 CO2 1톤당 비용이 덜 드는 경향이 있습니다. 비용이 저렴하고 이를 수행하는 방법을 잘 알고 있기 때문에 부분적으로 배포에 더 가깝습니다. 반면에, 그들은 역전되기에 더 취약합니다. 즉, 방법이 적절하게 관리되지 않으면 토양 탄소가 대기로 다시 방출될 수 있습니다. 반면에, 토양의 생산성을 높이는 탄소와 토양의 환경적 공동 이익이 있는데, 이는 해당 시스템의 긍정적인 결과입니다.

보다 엔지니어링된 시스템으로 이동함에 따라 일반적으로 비용이 더 많이 들고 더 많은 연구 개발이 필요하며 확실히 더 복잡한 배포 및 상용 기능 시연이 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 긍정적인 측면에서는 반전에 덜 취약합니다. 잠재적인 공동 이익은 잠재적으로 새로운 고용 기회를 개발하는 데 앞장서는 국가 또는 기업의 기술 리더십이 될 것입니다.

다양한 네거티브 배출 기술 중에서 일반적으로 두 가지 기술, 즉 탄소 포집 및 저장을 갖춘 바이오에너지(BECCS)와 CO2 저장을 갖춘 DAC가 전체 순 네거티브 배출에서 수행할 수 있는 역할 측면에서 가장 유망한 것으로 간주됩니다.

그림 5는 BECCS 시스템의 탄소 흐름을 보여줍니다. 이 그림에서 화살표의 너비는 탄소 흐름의 크기와 대략 동일합니다. 바이오매스 재배 및 수확에 사용될 수 있는 트랙터, 전환 공장의 불가피한 배출 등 이 과정의 다양한 지점에서 배출이 발생하며, 탄화수소 연료가 만들어지는 경우 일부 탄소는 다음 단계에서 대기로 반환됩니다. 연료가 사용됩니다.

그러나 전환 과정에서 발생하는 부산물인 CO2의 상당량은 포집되어 지하에 저장됩니다. 이 탄소는 바이오매스가 성장함에 따라 광합성을 통해 대기에서 제거되었습니다. 모든 화살표의 순 균형을 살펴보면 연간 기준으로 대기에서 지하로 탄소의 순 흐름이 있습니다.

바이오매스 전환 공정에 대한 기술은 꽤 잘 알려져 있습니다. 우리 그룹은 이들 중 많은 부분을 분석했습니다. 전 세계적으로 이러한 기술을 연구하고 있는 다른 연구자들도 있습니다. 이러한 공정의 대부분은 오늘날의 조건에서는 경제적이지 않기 때문에 문제는 주로 비용에 관한 것입니다. 따라서 우리는 이러한 기술이 엔지니어링 관점에서 어떻게 작동하는지 잘 이해하고 있지만 오늘날 상업적으로 널리 배포되지는 않습니다.

직접 공기 포집(DAC) 개념도 잘 알려져 있지만 기술 자체는 상대적으로 초기 개발 단계에 있습니다. 두 가지 주요 개념이 그림 6과 그림 7에 나와 있습니다. 하나는 건조한 흡착제 위로 공기를 통과시킨 다음 선택적으로 공기 중에서 CO2 분자를 끌어내는 것입니다. 그런 다음 흡착제는 일반적으로 CO2를 제거하기 위해 열을 추가하는 등의 방법을 통해 재생됩니다. CO2는 파이프라인을 통해 지하 저장 장소로 운송하기 위해 수집되고 압축됩니다. 그림 6의 계획은 이러한 건식 흡착제를 사용합니다. 한 회사는 현재 아이슬란드에 연간 4,000톤의 CO2 포집 시설을 건설했습니다. 이는 2°C 또는 1.5°C 문제를 해결하기 위해 우리가 원하는 CO2 포집 수준에 비하면 상대적으로 작은 시설이지만 시작에 불과합니다.

그림 6 녹색 선은 기체 흐름을 나타내고 파란색 선은 액체 흐름을 나타냅니다. 접촉기에서 진공 펌프까지의 녹색 점선은 흡착제에서 방출된 후 생성된 CO2의 희석을 방지하기 위해 접촉기에서 잔류 공기가 제거되는 탈착의 초기 단계를 나타냅니다. (McQueen 외. "직접 공기 포집(DAC)에 대한 검토", Progress in Energy, 3, 2021. https://doi.org/10.1088/2516-1083/1bf1ce)

그림 7 녹색 선은 기체 흐름, 파란색 선은 액체 흐름, 갈색 선은 고체 흐름을 나타냅니다. H2O 흐름은 이 다이어그램에 표시되지 않은 온도 변화를 겪습니다. (McQueen 외. "직접 공기 포집(DAC)에 대한 검토", Progress in Energy, 3, 2021. https://doi.org/10.1088/2516-1083/1bf1ce)

다른 개념(그림 7)은 CO2를 포집한 다음 용매를 재활용하고 다시 사용할 수 있도록 CO2를 용매에서 분리하는 공정을 거치는 액체 용매인 수산화칼륨을 중심으로 합니다. 포집된 CO2는 압축되어 저장됩니다. 다른 회사에서는 이 개념을 개발 중이며 2024년에 연간 100만 톤의 CO2 생산 시설을 갖출 계획을 가지고 있습니다. 이는 장기적으로 필요한 상업적 규모에 도달하기 시작합니다.

BECCS와 DAC, 그리고 저장을 모두 사용하려면 지하 저장 자원에 대한 요구 사항이 있습니다. 다행스럽게도 전 세계에는 CO2를 저장할 수 있는 능력을 갖춘 지질 구조가 많이 있습니다.

그러나 이러한 자원의 분포는 국가마다 다릅니다. 미국은 특히 CO2 저장 지질학이 잘 발달되어 있습니다. 현재 연간 4천만 톤의 CO2가 수많은 시범 프로젝트를 통해 미국뿐만 아니라 전 세계적으로 포집 및 저장되고 있습니다. 우리는 CO2 저장 과정을 꽤 잘 이해하고 있습니다. 문제는 저장소가 안전하다는 확신을 가질 수 있도록 지하 표면을 충분히 특성화하는 것입니다.

*Eric Larson has a Ph.D. in Mechanical Engineering and is the Senior Research Engineer at the Andlinger Center for Energy and the Environment, Princeton University, USA.