지구온난화 방지를 위해 대기에서 물과 연료, 전력을 끌어내는 기술의 실용화
지구온난화 방지를 위해 대기에서 물과 연료, 전력을 끌어내는 기술의 실용화
  • 임채능 기자
  • 승인 2020.01.10 18:47
  • 댓글 0
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[퓨처타임즈=임채능기자] 미국해양대기청(NOAA)이 발표한 자료에 따르면 하와이 마우나로아연방관측소에서 집계한 지난 5월 이산화탄소 평균 농도는 411.25ppm으로 재작년 409.65ppm보다 1.60ppm 올라가며 최고치를 경신했다. 옅은 지구의 대기에서 어떤 것들을 끌어내는 것은 일반적으로 마술적인 기술로 간주된다. 그러나 최근의 여러 연구 논문에서는 조만간 대기 중에서 물과 연료, 전력과 같은 귀중한 자원을 추출할 수 있을 것이라고 말하고 있다.

스타트업인 카본 엔지니어링(Carbon Engineering)은 지난 주 대기 중 이산화탄소를 연료로 바꿀 수 있는 새로운 기술을 발표했으며 이러한 접근 방법이 경제적으로 실행 가능하다고 말했다. 마이크로소프트의 빌 게이츠와 캐나다의 석유 모래 금융가 노먼 머리 에드워즈의 후원으로 설립된 이 회사는 2015년 캐나다 브리티시컬럼비아에 포집 시설을 짓고 하루에 약 1t의 이산화탄소를 포집하고 있다. 그리고 하루 뒤에 사막과 같은 가장 건조한 지역에서도 대기 중에서 수분을 추출할 수 있는 새로운 기술에 대한 두 가지 논문이 발표되었다.

대기 중에서 가스를 끌어당기는 기술은 새로운 것은 아니다. 오랫동안 중공업 분야에서는 대기 중에 풍부한 질소와 산소를 분리하는 대기 분리 플랜트를 사용해왔다. 그러나 이산화탄소의 경우 대기 중에 차지하는 비율이 낮아(약 0.038%) 이러한 방법으로는 추출할 수 없었다.

탄소 포집과 저장기술은 발전소나 기타 이산화탄소를 생성하는 공장의 배기가스에서 이산화탄소를 추출하는데 사용되었다. 그리고 지난 4월 토론토대학교의 분석 결과 향후 5년에서 10년 이내에 이를 연료와 화학물질로 변환시키는 것이 가능할 것으로 예측했다.

그러나 국제 학술지 줄(Joule)에 발표된 하버드대학교 출신의 카본 엔지니어링 연구진의 연구 결과 대기 중에서 이산화탄소를 포집하는데 톤당 94달러에서 232달러가 소요되는 것으로 추산했다. 이는 지금보다 6분의 1 이상 저렴한 비용이다. 그동안 산업계에서 이산화탄소 1톤을 모으는 데 600달러 이상 소요되었다. 이산화탄소 1톤은 현대 자동차 100대가 하루에 내뿜는 이산화탄소의 양에 해당되며 한 대에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는데 1달러에서 2.5달러 정도가 소요된다는 것을 의미한다.

카본 엔지니어링의 접근 방법은 냉각탑과 같은 모양에 거대한 팬을 이용하여 이산화탄소를 포집하는 액체 용액에 공기가 접촉할 수 있도록 설계된 것이다. 제지공장에서 사용되는 것과 유사한 화학적 공정을 통해 이산화탄소를 포집하고 이를 수소와 결합하여 탄소중립 연료를 만드는 것이다. 이 회사는 이미 브리티시컬럼비아 주에 파일럿 플랜트를 건설하여 이 같은 방법을 테스트하고 있다.

카본 엔지니어링은 대기에서 뽑아낸 이산화탄소로 가솔린과 같은 합성 연료를 생산하는 기술도 개발하고 있다. 카본 엔지니어링은 화학 반응을 통해 이산화탄소를 분리하고 바로 연료를 생산하는 방식을 채택했다. 우선 포집 설비에 달린 수백 개의 팬으로 외부 공기를 빨아들여 수산화칼슘 용액에 섞는다. 이산화탄소가 이 용액과 만나면 탄산칼슘 결정으로 바뀌는데, 이 결정을 섭씨 800~900도에서 가열해 순수한 이산화탄소를 얻고 이산화탄소를 수소와 화학 반응시켜 가솔린 연료를 생산한다.

대기 중 수분을 포집하는 것은 지난 수천 년 동안 사람들이 해온 방식이다. 그러나 이를 대형화하는 것은 훨씬 어렵다. 그러나 해결방법을 찾게 되면 물 부족 지역에 막대한 영향을 주게 된다. 중동과 같이 가장 물 부족 현상을 겪고 있는 일부 지역의 경우 해안에는 습도가 높은 지역이 있기 때문이다.

안개수확기라고 부르는 물방울을 포집하는 미세 망은 대기 중에서 물을 포집하기 위해 이미 널리 사용되고 있는 방법이다. 그러나 MIT 연구진들은 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 발표된 논문을 통해 전극을 이용하여 유입된 물방울에 전하를 주어 금속 망에 끌려가도록 하는 보다 효율적인 방법을 설명했다. 엔지니어들은 발전소의 냉각탑에서 막대한 물을 회수하기 위해 이러한 장치를 사용하고자 하는 인피니트 쿨링(Infinite Cooling)이라는 스타트업을 만들기도 했다.

같은 날 사이언스 어드밴시스에 발표된 또 다른 논문에 의하면 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스의 연구진들은 세계에서 가장 건조한 환경을 가진 애리조나 사막의 대기에서 물을 추출하기 위해 만들어진 초흡수성 물질인 금속유기구조체(metal-organic framework, MOF)에 대해 설명했다. 이 물질은 습도가 상대적으로 높은 야간에 물을 흡수한다.

이러한 기술들은 연구에만 머물러 있지 않고 실제 세계에 적용되고 있다. 워터 어반던스 엑스프라이즈(Water Abundance XPRIZE)는 리터당 2센트 미만의 비용으로 하루에 2,000리터의 물을 추출할 수 있는 기술을 개발하는 팀에게 시상되도록 설정되어 있다.

이산화탄소는 농업 분야에서 유용한 자원이다. 식물은 광합성을 통해 햇빛과 이산화탄소로 포도당을 합성하고 부산물로 산소를 방출한다. 지난해 스위스의 클라임웍스는 이산화탄소를 공기 중에서 흡수해 인근 농장에 보내는 기술을 개발했으며 농장의 생산량이 20% 증가하는 효과를 보였다. 이 회사는 연간 900t의 이산화탄소를 포집하는 장치를 가지고 있으며 올해 초 이산화탄소를 포집해 지하 현무암층에 묻는 두 번째 시설을 건설했다.

이산화탄소는 전력 생산에도 쓰인다. 미국 에너지 스타트업 '넷파워'는 가스발전소를 시운전했다. 이 발전소는 수증기가 아닌 고온에서 압축된 이산화탄소의 힘으로 터빈을 돌리는 독특한 방식을 채택하고 있다. 일반적인 화력 발전소에서는 석탄이나 석유를 연소시켜 물을 끓이고 이때 나오는 수증기로 터빈을 돌려 전기를 얻는다. 그러나 석유나 석탄을 태우는 과정에서 대량의 온실가스가 배출된다.

넷파워 발전소에서는 이산화탄소 압력을 대기압의 300배 수준으로 높여 기체이면서 액체처럼 밀도가 높은 상태로 만들어 수증기보다 강력한 힘으로 터빈을 돌린다. 넷파워 관계자는 ‘이산화탄소를 이용하여 터빈을 돌리게 되면 기존 증기터빈의 10분의 1 크기로도 같은 양의 전력을 전기를 얻을 수 있다’고 설명했다.

대기는 직접적인 에너지원이 될 수도 있다. 워싱턴대학교의 연구진들은 세상을 뒤덮고 있는 TV와 라디오, 휴대폰, 와이파이 신호에서 사용 가능한 양의 전력을 수확하는 것이 가능하다는 것을 시연해보였다. 비록 전력량은 매우 적지만 이러한 에너지 수확기술과 와이파이 신호 후방 산란 기술을 결합하게 되면 배터리 교체가 필요하지 않은 무선장치를 만들 수 있다. 지바 와이어리스(Jeeva Wireless)라는 스타트업은 이미 이러한 아이디어를 상용화하여 배터리가 없는 프로토타입으로 데이터를 100피트 거리까지 전송하는데 성공했다.

이제 누가 대기 중에서 뭔가를 끌어낼 수 있다고 주장하면 반드시 의심할 필요가 없다. 어쩌면 이런 주장들은 새로운 아이디어에 대해 설명하고 있는지도 모른다.


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