탄소 활용을 통해 폐기물을 가치 있는 제품으로 전환

탄소 포집은 산업 온실가스 배출을 줄이기 위한 새로운 해결책으로 떠오르고 있습니다. 일반적으로 프로세스 배기 스트림에서 이산화탄소를 포집한 후 지하에 장기 저장하기 위해 발생 장소로부터 수송합니다. 그러나 저장 기술과 저장 장소의 지속적인 모니터링에는 많은 비용이 소요됩니다.

이러한 비용을 부분적으로 상쇄하기 위해 포집된 CO₂를 단순히 저장하는 대신 용도를 변경하여 가치를 창출할 수 있습니다. 탄소 재활용으로 알려진 이 접근법은 2050년 탄소중립 목표를 달성하고 기후 변화를 완화하기 위한 종합적인 솔루션인 탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS)의 한 요소입니다.

오늘날 산업계는 매년 4,500만 미터톤의 이산화탄소를 폐배기가스 스트림에서 포집하고 있으며, 이는 모든 부문에서 배출되는 전 세계 배출량의 약 0.1%에 해당합니다. 기후 변화에 관한 정부 간 협의체와 국제에너지기구의 기후 모델에 따르면 CCUS는 2030년까지 연간 10억 미터톤, 2050년까지 수십억 톤의 CO₂를 포집할 수 있습니다. 이 수준에 도달했을 때 산업계와 기타 부문의 이산화탄소 배출량이 거의 동일하게 유지된다면 대기 중 온실가스 배출량을 약 10%까지 줄일 수 있습니다.

CCUS 기술을 적용할 때 프로세스 품질과 안전을 보장하려면 신뢰할 수 있는 측정이 수반되어야 합니다. 일반적으로 레벨, 유량, 온도, 압력, 액체 분석이 필요하며, Raman 분광 분석기와 TDLAS 분석기를 사용한 가스 분석도 점점 늘어나는 추세입니다.

CO₂ 포집에 드는 높은 비용을 고려할 때 대량의 가스를 가치 있는 제품으로 전환하는 능력은 CCUS 기술 구현자의 주된 관심사입니다. 탄소 활용을 통해 이익을 얻을 수 있는 분야와 산업은 매우 다양하며, 그 예는 다음과 같습니다.

에너지 소비가 많고 탄소 발자국이 큰 것으로 알려진 건설 산업은 탄소 포집 및 활용을 통해 더욱 지속 가능한 건설 자재를 생산할 수 있습니다. 전통적인 시멘트 생산 공정은 일반적으로 중유, 석탄, 천연가스 또는 기타 폐기물 재생 연료를 사용하여 원료를 1450°C (2642°F) 이상으로 가열합니다. 또한 일반적으로 시멘트를 생산하는 데 사용되는 화학 반응은 탄산칼슘을 산화칼슘과 유사한 화합물로 변환해야 하는데, 이 과정에서 부산물로 CO₂가 발생합니다. 이러한 배출량을 모두 합치면 전 세계 온실가스 생산량의 약 7%를 차지합니다.

그러나 아민 가스 처리를 통해 배기가스 스트림에서 이산화탄소를 포집한 다음 배합 공정에서 굳지 않은 생콘크리트에 주입하면 이 문제를 완화할 수 있습니다. 주입된 CO₂는 콘크리트 배합물에 존재하는 칼슘 이온과 반응하여 자연 발생 결합제인 탄산칼슘을 생성합니다. 그 결과 콘크리트의 압축 강도가 증가하고 이산화탄소가 영구적으로 격리되기 때문에 지질층에 저장하고 모니터링할 필요가 없습니다. 

이렇게 콘크리트 강도가 증가하면 건설 프로젝트에서 자재를 줄일 수 있어 아민 처리 비용을 부분적으로 상쇄할 수 있습니다. 또한 기존 인프라의 변경을 최소화하면서 기존 콘크리트 생산 공정에 CO₂ 주입을 통합할 수 있습니다. 

이산화탄소는 콘크리트의 핵심 성분인 합성 골재를 만드는 데도 사용되어 땅에서 채굴하는 기존 골재를 대체할 수 있습니다. 또한 혁신가들은 생산 프로세스에서 배출되는 양보다 더 많은 CO₂를 흡수하는 바이오 기반 탄소 네거티브 콘크리트를 대안으로 개발하는 방법을 모색하고 있습니다.

화석 연료에 대한 의존도가 큰 수송 부문은 탄소 활용을 통해 지속 가능성 측면에서 상당한 이점을 얻을 수 있습니다. 포집된 CO₂를 다양한 화학 공정을 통해 메탄올이나 지속 가능한 항공 연료(SAF) 같은 재생 연료로 전환해 업계의 탄소 발자국 감소에 기여할 수 있습니다.

재생 메탄올을 생산하려면 먼저 포집된 이산화탄소를 고온과 고압에서 촉매를 사용해 그린 수소와 반응시킵니다. 메탄올은 자동차의 직접 연료로 사용하거나 바이오디젤 같은 다른 연료의 공급 원료로 사용할 수 있습니다. 

S&P Global은 재생 메탄올 시장이 2050년까지 연간 4억 미터톤에 달할 것으로 전망해 그 엄청난 잠재력을 인정하고 있습니다. 그러나 수송 산업에서 메탄올을 사용하는 데는 특수한 인프라의 필요성 등 여러 가지 어려움이 있습니다. 

마찬가지로 항공 업계에서는 화석 연료에 대한 의존도를 줄이기 위해 포집된 CO₂로 생산한 SAF의 사용을 모색하고 있습니다. SAF를 생산하려면 먼저 포집된 이산화탄소를 역수성 가스 전환이라는 공정에서 수소와 결합하여 일산화탄소와 수소가 혼합된 합성 가스를 만듭니다. 

다음으로 이 합성 가스를 Fischer-Tropsch 공정을 통해 탄화수소 혼합물로 전환합니다. 탄화수소 혼합물은 불순물을 제거하고 연료 특성을 조정하기 위해 수소화 처리 과정을 거칩니다. 에너지 함량, 인화점, 어는점 등 항공 연료의 특성을 세심하게 모니터링하고 관리해야 합니다.

아직 개발 초기 단계이지만, 국제항공운송협회는 SAF가 항공 온실가스 배출량을 65% 줄이는 데 기여할 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

화학 산업은 현재 화석 연료에 크게 의존하고 있지만, 많은 경우에서 이산화탄소를 대체 원료로 사용하여 다양한 화학물질과 폴리머를 생산할 수 있습니다. 예를 들어, 요소 비료, 플라스틱, 포장재 등을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 

CO₂가 고압과 고온에서 암모니아와 반응하면 암모늄 카바메이트가 생성됩니다. 이 화학물질은 분해되면서 요소와 물을 생성하는데, 이를 가공하여 고체 형태로 만들어 비료로 사용할 수 있습니다. 

이산화탄소는 폴리카보네이트를 생산하는 데도 사용할 수 있습니다. 내구성이 뛰어나고 투명한 폴리카보네이트는 일반적으로 전자제품, 안경, 자동차 부품 등에 사용됩니다. 폴리카보네이트는 촉매가 있는 상태에서 CO₂를 고리형 에테르의 일종인 에폭사이드와 직접 반응시켜 생성됩니다. 

폴리우레탄 생산은 화학 산업에서 이산화탄소를 사용하는 또 다른 대표적인 예로 꼽힙니다. 폼, 코팅, 단열재 등 다양한 용도로 사용되는 폴리우레탄은 전통적으로 화석 연료에서 추출한 폴리올을 사용해 만듭니다. 그러나 이를 이산화탄소 기반 폴리올로 대체하여 기존 연료에 대한 의존도를 낮추고 폴리우레탄 제품의 탄소 발자국을 줄일 수 있습니다.  

이러한 순환 경제의 지속 가능한 접근법은 잠재력은 높지만, 탄소 포집과 관련된 높은 비용으로 인해 기존의 화석 연료 기반 생산과 경쟁해야 하는 어려움에 직면해 있습니다. 

농업 부문에서도 요소 비료의 사용과 이산화탄소의 직접 사용을 통해 탄소 활용의 이점을 누릴 수 있습니다. 이산화탄소는 온실 환경에서 식물의 성장을 촉진하고 수확량을 향상시킵니다. 또한 포집된 CO₂는 바이오 연료, 동물 사료, 식품 등으로 가공할 수 있는 조류를 재배하는 데도 활용할 수 있습니다.

지속 가능한 잠재력에도 불구하고 CCUS 도입은 여러 장애물에 직면해 있습니다. 특히 탄소 포집 기술은 구현하는 데 많은 비용이 듭니다. 온실가스 배출을 줄이기 위해 생산을 확대하려면 인프라와 시장 개발에 상당한 투자가 필요합니다. 이를 위해 정부와 비정부기구가 필요한 자본의 상당 부분을 앞장서서 조달해야 할 것입니다. 

또한 탄소 포집 및 활용의 전반적인 지속 가능성을 보장하기 위해서는 재생 자원 기반 에너지를 사용해 프로세스에 전력을 공급해야 합니다. 화석 연료를 사용해 CCUS 기술을 구현하는 것은 비생산적이며 환경적 이점을 무효화할 수 있습니다. 

시간이 지남에 따라 연구 개발을 통해 프로세스를 최적화하고 효율성을 높여 CCUS 기술의 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 특히 전 세계적으로 지속 가능성을 중시하는 기업과 소비자가 늘어나는 가운데 산업 전반에 걸쳐 널리 도입되기 위해서는 경제성을 확보하거나, 최소한 저비용 탄소 포집 기술을 개발하는 것이 필수적입니다.  

탄소 포집과 그 활용 영역에 대한 연구가 늘어날수록 온실가스 배출을 줄이고 유해한 부산물을 가치 있는 자원으로 전환하는 데 도움이 될 수 있습니다. 탄소 활용은 다양한 산업 분야에서 이산화탄소 배출을 줄이는 여러 수단 중 하나를 제공하여 더욱 지속 가능한 미래에 기여할 수 있습니다.