탄소 격리의 방안 개발

세계 공학계는 현재, 지구 온난화는 저지하기 위하여 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 포획, 저장하는 방안들을 연구하고 있다.

이산화탄소의 배출 증가는 지구 온난화의 주범으로 여겨지는데, 이 문제는 이산화탄소를 빗자루로 쓸어내듯 간단히 해결할 수 있는 문제가 아니다. 지하 깊숙이나 해저 깊숙이 어디나 숨어들어가 쌓일 수 있기 때문이다.

그렇다면 왜 이산화탄소가 문제인가?

인류에게 산업 시대가 도래하기 전, 지구의 대기에는 일백만 개의 분자 당 280개의 이산화탄소가 존재하였다. 그러나 오늘날 이 비율이 깨져서 일백만 개의 분자 당 380개 이상의 이산화탄소가 존재하며, 계속 증가 추세에 있다. 이 이산화탄소가 열이 날아가지 못하게 붙잡아두는 통에 지구의 평균 온도가 올라간다는 증거는 무수히 많다. 만일 이산화탄소가 이런 식으로 계속 증가하게 되면, 지구 온난화를 더욱 부채질하여 해수면 상승과 농사 파탄, 큰 태풍(예컨대, 허리케인)의 잦은 출현 등과 같은 일을 겪게 된다.

하지만 이산화탄소의 대기 유입을 막을 별 뚜렷한 방법이 없다. 현재 인류가 사용하는 에너지의 85%가 화석 연료인데, 화석 연료의 성분은 탄화수소이다. 그러므로 화석 연료가 연소하면 이산화탄소가 다량 발생하는 것이다. 요즘에는 재생 에너지원도 등장하지만, 앞으로도 인류는 화석 연료를 많이 사용할 것으로 보인다. 화석 연료는 매장량도 풍부한 편이다. 화석 연료 가운데 석탄은 생산하는 단위 에너지 당 이산화탄소를 가장 많이 배출하는 연료이다. 21세기를 맞이하여 공학계가 풀어야 할 숙제는 바로 화석 연료의 연소로 발생하는 이산화탄소를 포획해 지구 대기 밖으로 내보내는 방법을 개발하는 것이 될 터이다.

탄소 격리란 어떤 방법인가?

탄소 격리란, 화석 연료가 연소할 때 발생하는 이산화탄소를 포획하여 지구 대기 밖으로 내보내는 기술을 말한다.

그렇다면 이산화탄소는 어떻게 포획하는가?

이미 이산화탄소 격리 기술의 핵심은 개발되었다. 이산화탄소 포획 체계는 일부 화학 체계에서 이미 상용화 된 상태다. 탄산음료와 드라이아이스의 제조 공정에서 찾아볼 수 있다. 그런데 바로 이 방법을 석탄을 연소시켜 전기를 생산하는 공장에 적용할 수 있다. 대신, 공장 굴뚝을 흡수 타월로 대체한다. 타월 한 장은 화학 물질을 함유하여 다른 가스(질소와 수증기 등)에서 이산화탄소를 격리시켜 날려 보낸 후 흡수한다. 다른 타월 한 장은 위의 흡수 화학 물질에 흡수된 이산화탄소를 분리시켜 처음 타월에 다시 보내 재활용한다.

이와 같은 접근 방법을 응용하면 이렇다. 제일 처음의 연소 공정을 바꾸어서 석탄 연소 시 일반 공기가 아니라 순수한 산소를 사용하는 것이다. 이러면 배출되는 가스에서 이산화탄소를 훨씬 쉽게 분리할 수가 있다. 이산화탄소가 수증기하고만 섞이고 질소와 섞이지 않기 때문이다. 수증기를 응축하여 빼내는 일은 손쉽기 때문에 순수하게 이산화탄소만 격리시켜 저장할 수 있는 것이다.

그러나 이때에도 다른 문제가 발생한다. 최초의 공정에서 순수한 산소가 필요하다는 사실이다. 순수한 산소는 질소 등 공기 중의 여러 가스에서 분리 과정을 거쳐야 얻을 수 있다. 만약 이 공정에 경제적 가치가 있을 경우, 기존 발전소들을 개량해서 순수 산소의 연소 체계를 부착해서 이산화탄소의 포획 비용을 줄이고 공정을 보다 단순화할 수 있게 된다.

석탄으로 전기를 생산할 때 첨단기술을 활용하여도 이산화탄소를 포획할 수 있다. 석탄을 가스로 만드는 새로운 기술을 활용하면 석탄이 연소된 후 합성 가스가 발생한다. 이 합성 가스에는 대개 수소와 일산화탄소가 포함되는데, 이 합성 가스에 촉매와 더불어 증기를 가하면 일산화탄소가 수소와 이산화탄소로 바뀌게 된다. 그리고 이를 필터로 걸러 밖으로 빼내는 것이다. 수소를 가스 터빈(제트 엔진과 유사한 것임)에 주입하면 전기 생산이 가능하다.

이산화탄소의 저장 방법

현재 여러 가지 실험을 하며 가능성을 모색하는 중이다. 합당하다고 여겨지는 장소로는 폐가스전과 폐유전 등을 꼽을 수 있는데, 특히 폐유전에 이산화탄소를 저장할 경우 경제적으로 상당히 유리할 수가 있다. 이산화탄소가 폐유전 지대에 남아있는 오일과 상호작용을 하여 쉽게 제거할 수 있다는 장점이 있다. 이미 일부 폐유전에서는 이산화탄소를 사용해 없애기 힘든 오일을 제거하고 있다. 폐유전에 이산화탄소를 주입할 경우, 땅속 바위틈 새새에 낀 오일마저 제거할 수 있다는 장점이 있다. 또한 이산화탄소가 마찰을 감소시켜 바위틈에 낀 오일이 샘에 유입되는 걸 막아 준다.

그러나 폐유전과 폐가스전은 이산화탄소를 다량 저장할 수 없다는 단점이 있다. 일각의 추정에 의하면, 이 지구에는 금세기 말까지 이산화탄소 약 1조 톤을 저장할 부지가 필요하다고 한다. 이를 위해 염수(해수)가 함유된 퇴적 바위 형성물을 활용할 수 있다.

가장 이상적인 해수 퇴적 형성물은 해저 800미터 이상에 존재하는 형성물이다(식수원에서 멀리 떨어져 있다). 이곳은 수압도 높아, 고밀도의 이산화탄소를 누출 없이 잘 붙잡아 둘 수 있다.

해수가 함유된 퇴적 바위 지대는 널려 있다. 그러나 이곳들이 과연 이산화탄소를 수백 년, 수만 년간 저장해도 좋으리만치 안전한지가 의문이다. 이산화탄소를 묻고 그 위에 덮어놓은 바위에 균열이나 흠집이 생기면 이산화탄소가 조금씩이나마 누출될 여지가 있는 것이다. 따라서 저장 장소를 세심히 선정하고 설계하며 모니터링 하는 공학적 체계를 개발할 필요가 있다.

이와 같은 우려에 대해 일부 전문가들은 이산화탄소를 해저 깊숙이 묻어버리는 것이 상책이라고 말한다. 이산화탄소를 대양저의 퇴적물에 주입하는 것을 가리킨다. 그 곳은 위에서 강한 수압이 내리누르므로, 퇴적층에 주입한 이산화탄소가 바다 밖으로 새나갈 염려가 없는 것이다. 그러나 이렇게 하자면 많은 비용이 소요될 수 있다. 대신 누출에 대한 걱정은 일체 할 필요가 없다. 그러므로 만약 해안가에서 이산화탄소를 발생시키는 작업이 진행되는 경우, 위에서 언급한 바와 같이 대양저에 파묻는 것이야말로 이산화탄소를 멀리까지 운반하여 처리하는 것보다 더 경제적일 수 있다.

이 외에, 공학계는 자연적 처리 방법에 기초하여 이산화탄소 격리 기술을 새로 개발할 수도 있다. 예컨대, 대기 중 이산화탄소의 농도가 지질 시대의 어느 특정한 임계치에 이를 만큼 증가하였다면, 이산화탄소를 바닷속에 주입하여 양의 전하를 띤 칼슘 이온과 결합시켜, 탄산칼슘(calcium carbonate), 즉 석회암을 만들게 하면 된다. 이와 유사하게, 이산화탄소를 바닷속에 주입해서 바위 속에 영원히 가두는 방법을 고안할 수도 있다.

위와 같이 하려면 다양한 전략을 짜내고 저장 장소들을 두루 살펴봐야 할 것이다. 하지만 성공할 가능성이 크다. 일례로, 하버드 대학의 지구과학과 교수인 대니얼 슈래그는 이렇게 말했다. “과학적, 경제적 난관은 아직도 남아 있다. 그러나 이 모든 난관에도 불구하고 다음 세기에는 수조 톤에 이르는 이산화탄소 배출량을 모두 상쇄할 수 있는 탄소 포획 및 저장 기술이 실현되리라는 데에 토를 달 사람은 없다.” [Schrag, p. 812]

참고문헌