#52. CO2를 이용해 연료를 만들 수 있을까?

CO2를 이용해 연료를 만들 수 있을까?

 

  CO2를 이용해 연료를 만들 수 있는 기술이 있습니다. 이를 바로 "인공 광합성"이라고 합니다. 인공 광합성은 태양광을 이용해 CO2와 물을 분해하여 연료로 사용될 수 있는 에너지인 수소를 생산하는 과정입니다. 이 수소는 그 자체로도 연료로 사용될 수 있지만, 보다 복잡한 화합물로 합성될 수도 있습니다.

 

  인공 광합성 기술은 대기 중의 CO2를 재활용하여 연료로 사용할 수 있는 새로운 에너지 생산 방법입니다. 이를 통해 지구 온난화 문제를 해결하면서 새로운 에너지 시스템을 구축할 수 있는 가능성이 있습니다. 하지만 아직은 실험실 수준에서의 기술이며, 상업적으로 적용되기 위해서는 기술 발전과 함께 경제적인 측면에서도 비용 효율적인 방법이 개발되어야 합니다.

 

CO2 연료 변환 기술에는 여러 가지가 있지만, 다음은 세 가지 대표적인 기술입니다.

 

1. 전기화학적 CO2 환원 (Electrochemical CO2 Reduction, ECR) - 이 기술은 전기 에너지를 이용하여 CO2를 환원시켜 연료로 전환하는 방식입니다. 전극과 전해질을 이용하여 CO2를 환원시키고, 산소가 아닌 연료가 생성됩니다.

 

2. 광화학적 CO2 환원 (Photochemical CO2 Reduction, PCR) - 이 기술은 태양광 에너지를 이용하여 CO2를 환원시키는 방식입니다. 촉매와 함께 빛을 이용하여 CO2를 분해하고, 연료로 전환됩니다.

 

3. 생물학적 CO2 환원 (Biological CO2 Reduction, BCR) - 이 기술은 광합성 또는 혐기성 세균을 이용하여 CO2를 환원시키는 방식입니다. 광합성 세균은 태양광을 이용하여 CO2를 분해하고, 혐기성 세균은 유기물을 이용하여 CO2를 분해합니다. 이들 세균이 생성하는 연료는 메탄이나 메탄을 기반으로 한 연료입니다.

 

 

1. 전기화학적 CO2환원기술

 

전기화학적 CO2 환원기술은 전기에너지를 이용하여 CO2를 환원시켜 체질 연료로 전환하는 기술입니다. 이 기술은 대기 중의 CO2를 수지화하여 체질 연료로 만들 수 있기 때문에, 탄소 중립적인 에너지 시스템을 실현하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

 

이 기술은 먼저 전기분해를 통해 수소(H2)를 생산하고, 이어서 CO2와 수소를 반응시켜 메탄(CH4)을 비롯한 다양한 연료를 생산합니다. 이 기술은 전기를 이용해 생성된 수소를 기반으로 하기 때문에, 전력이 안정적으로 공급되는 지역에서 적극적으로 사용될 수 있습니다.

 

전기화학적 CO2 환원기술은 에너지 저장 및 전력 수요 조절을 위한 중요한 역할도 할 수 있습니다. 전력이 공급되는 고출력 시간대에는 CO2를 환원하여 연료로 저장하고, 전력 수요가 증가하는 낮은 출력 시간대에는 이러한 연료를 사용하여 전력을 생산할 수 있습니다.

 

하지만 이 기술은 아직 상용화되지 않아, 경제적인 측면에서는 아직 문제가 남아있습니다. 또한 전력의 안정적인 공급이 보장되지 않는 지역에서는 적용이 어렵습니다.

 

중앙일보

2. 광전기화학적 CO2 환원 기술

이 기술은 태양광이나 기타 광원을 사용하여 CO2를 환원하여 탄화수소 등 연료로 변환합니다.

 

광전기화학적 CO2 환원 기술은 일종의 인공 광합성과 비슷한 개념입니다. 이 기술에서는 태양광을 이용하여 광화학 반응을 유도하고, 이를 통해 CO2를 탄화수소나 기타 연료로 전환합니다. 이 과정에서는 전기를 사용하여 CO2를 환원하는 전기 화학적인 방법과 태양광을 사용하여 CO2를 환원하는 광 화학적인 방법이 모두 사용됩니다.

 

광전기화학적 CO2 환원 기술은 태양광이나 기타 광원을 사용하여 전기를 생산하는 기술과 연계하여 사용됩니다. 이를 통해 태양광 발전소에서 생산된 전기를 사용하여 CO2를 환원하는 방식으로 연료를 생산할 수 있습니다.

 

이 기술은 탄소 중립적인 연료 생산 방식으로 주목받고 있으며, 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 하지만 아직 상용화되어 사용되고 있는 것은 아니며, 더 많은 연구와 개발이 필요합니다.

 

 

3. 생물학적 CO2 환원 (Biological CO2 Reduction, BCR)

 

세 번째로 소개할 CO2 연료 변환 기술은 전기화학적 CO2 환원 기술입니다. 이 기술은 태양광 또는 풍력 등의 재생 에너지를 사용하여 전기를 생산하고, 이 전기를 사용하여 CO2를 환원시켜 연료로 전환하는 기술입니다.

 

생물학적 CO2 환원 (Biological CO2 Reduction, BCR)은 광합성과 유사한 프로세스를 이용하여 CO2를 유기 화합물로 전환하는 기술입니다. 광합성과 유사한 프로세스를 이용하기 때문에 이 기술은 자외선과 광원이 필요하지 않습니다. 이를 위해 일부 미생물이나 식물 세포를 이용합니다.

 

BCR은 일반적으로 두 가지 방법으로 이루어집니다. 첫째, 혐기성 세포 호흡 과정을 이용하여 CO2를 메탄과 같은 다른 유기 화합물로 전환하는 방법이 있습니다. 둘째, 광합성 세포에서 생산된 유기 화합물을 이용하여 CO2를 전환하는 방법이 있습니다.

 

BCR 기술은 기존의 화석 연료를 사용하는 방식에 비해 효율적인 에너지 전환이 가능하며, 동시에 CO2 배출량을 줄이는데 유용합니다. 하지만, 아직까지 이 기술의 상용화는 이루어지지 않았습니다.

 

 

1) 후속 포집 기술(Post-combustion capture):

후속 포집 기술(Post-combustion capture)은 화석 연료를 연소한 후에 발생하는 배기 가스에서 CO2를 포집하는 기술입니다. 이 기술은 이미 상용화된 석탄, 천연가스, 석유 등의 화석 연료를 사용하는 발전소에서 널리 사용되고 있습니다.

 

후속 포집 기술은 크게 두 가지 방식으로 나뉩니다. 첫 번째는 흡착 방식입니다. 이 방식은 배기 가스를 흡착제로 처리하여 CO2를 포집합니다. 이때 흡착제로는 암모니아, 알칼리성 탄화수소 등의 화합물이 사용됩니다. 이러한 흡착제는 CO2를 용리하여 액상으로 분리시킬 수 있습니다.

 

두 번째 방식은 용리 방식입니다. 이 방식은 CO2와 다른 성분들을 물리적 또는 화학적으로 분리하는 방식입니다. 대표적인 방법으로는 압력 흡수(PSA) 방법, 냉각 교환 방법 등이 있습니다. 이러한 방식을 통해 CO2를 분리하고, 분리된 CO2는 지하 수력 저장소나 다른 곳에 저장됩니다.

 

 

그렇다면 CO2를 어떻게 모을 수 있을까요? 3가지 기술이 있습니다.

 

1) 선행 포집 기술(Pre-combustion capture)

연료를 연소하기 전에 CO2를 분리하는 기술 입니다. 이 기술은 연료를 처리하여 연소 시 생성되는 CO2 양을 줄이는 것이 목적입니다.

일반적으로 선행 포집 기술은 다음과 같은 단계로 이루어집니다.

연료 처리: 연료(석탄, 천연가스 등)는 수소와 이산화탄소(CO2)로 구성되어 있습니다. 연료 처리 과정에서는 산화제를 사용하여 수소와 CO2를 분리합니다.

 

가. 수소 추출: 연료 처리 후, 추출된 수소를 연소기에 공급합니다.

나. 연료 연소: 수소와 연료를 연소합니다. 연소 시에는 CO2 대신 수증기가 생성됩니다.

다. CO2 분리: 연소 후 발생한 가스에서 수증기를 제거한 후 CO2를 분리합니다.

라. 선행 포집 기술은 후속 포집 기술과 비교하여 CO2 분리의 효율성이 높고 분리된 CO2를 높은 순도로 얻을 수 있습니다. 그러나 이 기술은 연료 처리에 필요한 에너지를 추가로 소비하므로 발전량이 감소할 수 있습니다. 또한 연료 처리 과정에서 발생하는 부산물 처리 문제도 고려해야 합니다.

 

 

로이터 통신

 

3) 산업 프로세스에서의 포집 기술(Process capture)

산업 프로세스에서의 포집 기술은 산업에서 발생하는 CO2를 포집하는 기술입니다. 이 기술은 선행 포집 기술과 후속 포집 기술에 속하지 않고, 산업 프로세스의 특성에 맞게 개발된 다양한 기술이 있습니다.

 

예를 들어, 석유화학공업에서는 높은 온도와 압력에서 반응하는 촉매를 이용해 CO2를 화학 반응에 이용하여 포집하는 기술이 있습니다. 또한 철강 제조 과정에서는 철광석을 화학 반응으로 분해하면서 발생하는 CO2를 포집하는 기술이 개발되어 있습니다.

 

산업 프로세스에서의 포집 기술은 발생하는 CO2의 양이 많고 높은 농도로 발생하는 경우가 많아, 이를 효과적으로 포집하는 기술의 연구와 개발이 중요하게 다가옵니다.

 

감사합니다.