[알쓸신발①] CO2를 돌로 잡은 청정발전소의 등장

[알아두면 쓸데있는 신기한 발전소 ①]

CO2를 돌로 잡은 청정발전소의 등장

 

16기 김창준, 17기 김민석

 

 대한민국의 CO2 배출량은 세계 8위(2018년 기준)로 대부분의 배출원은 전기에너지를 생산하기 위한 화력 발전소에서 배출된다. 이렇게 배출된 CO2는 대기 속으로 방출됨으로써 지구 온난화를 야기한다.

자료 1. 이산화탄소 농도와 평균 기온의 변화

출처 : 에너지관리공단과 함께하는 에너지교실  

 세계는 교토 의정서, 파리협정 등을 체결하여 CO2를 포함한 온실가스의 배출을 감축하기 위해 노력하고 있지만, 여전히 화력발전소는 가동되고 있으며 많은 양의 CO2도 배출되고 있다. 그런데 최근에 CO2를 오히려 감소시키는 발전소가 등장하여 주목을 끌고 있다.

 

▣ 아이슬란드의 헬리셰이디 발전소

 아이슬란드의 수도인 레이캬비크에는 전기와 열을 공급하는 헬리셰이디(Hellisheidi) 지열발전소가 운영되고 있다. 지열발전소는 녹색에너지의 일종이지만, 터빈을 가동하기 위한 증기에 소량의 이산화탄소가 포함되어 있어 완전한 청정발전소라고 할 수는 없다. 그런데 헬리셰이디 지열발전소는 이산화탄소 배출 염려가 없는 청정발전소이다.

자료 2. 클라임웍스사의 CO2 마이너스 방출 포집장치

출처 : newatlas

 그 이유는 이산화탄소를 암석으로 바꾸는 정화 기술을 도입하고 있기 때문이다. 과학자들과 Reykjavík Energy사 전문가들이 협력해서 발전소 주변의 현무암내에 이산화탄소를 고정하는 방법을 연구해 왔다. Climeworks사의 DAC 모듈이 부지 내에 설치되어 주변 공기로부터 이산화탄소를 포집하고 약 100℃로 가열된 필터에서 순수하게 농축된 이산화탄소를 물에 용해시켜 지하로 보낸다. 지하로 보내진 소다수(이산화탄소가 용해된 물)는 현무암 기반암에 고압으로 주입되어 화학반응을 통해 고체 무기물을 형성하게 됨으로써 영구적인 저장을 하게된다.

자료 3. 이산화탄소가 현무암 기반암과 반응해서 고체 무기물 형성 모습

출처 : newatlas

 연구팀은 파일럿 실험을 통해 이산화탄소의 약 95%가 주입된 지 2년 이내에 광물화되었다고 밝혔다. 또한 이산화탄소가 암석으로 바뀌고 나면 암석 내부에 매우 잘 포착되는 것으로 나타났다. 헬리셰이디 발전소는 이 공정을 위한 거의 완벽한 장소로 여겨지고 있다. 발전소의 위치가 냉각된 용암으로 형성된 현무암 암석층에 위치하고 있으며 화산 아래에서 오는 물을 거의 무제한으로 사용할 수 있어 이산화탄소를 소다수로 만들기에 적합하기 때문이다.

자료 4. CO2 마이너스 방출 포집 개념도

출처 : newatlas

 헬리셰이디 발전소의 운영사인 Reykjavik Energy사는 이 프로젝트를 ‘카브픽스(CarbFix)’라고 부른다. 즉, 탄소를 암석에 고정시킨다는 의미이다. 카브픽스 프로젝트에는 Reykjavik Energy를 비롯해 University of Iceland, 프랑스의 CNRS 및 스페인의 Amphos 21 등이 참여하고 있다.

 Climeworks사는 자사의 기술과 CarbFix 기술을 결합하게 되면 이 기술을 장소의 제약에 구애받지 않고 규모 또한 늘릴 수 있을 것이라고 밝혔다. 또한, 연구팀은 지구상에는 현재 사용하는 모든 화석 연료를 다루기에 충분한 현무암이 있다고 주장하며 아이슬란드 뿐만 아니라 다른 지역에서도 유용할 것으로 보고 있다. 하지만 이 공정은 기후변화에 대처하는 하나의 해결책일 뿐, 한계점을 가지고 있기에 전 세계로 확산될 가능성은 그리 크지 않다고 보는 것으로 의견이 모아지고 있다.

 

▣ 석탄 연료를 대체할 수 있는 코끼리풀 조개탄

 그리고 오스트리아에서는 환경 문제를 줄이기 위한 하나의 방법으로 이산화탄소를 흡수하는 조개탄 형태의 연료를 사용하는 발전소가 처음으로 등장하였다. 스웨덴의 청정기술 스타트업인 ‘넥스트퓨얼(NextFuel)’ 사가 개발한 이 조개탄은 코끼리풀로 만들어지며 이산화탄소를 흡수하는 효과를 지닌다.

자료 5. 코끼리풀 조개탄

출처 : 한국전기안전공사

 청정에너지 전문 매체인 리뉴어블 에너지(Renewable Energy Magazine)에 의하면, 코끼리풀은 100일 만에 4미터까지 성장하는 특별한 식물로서, 뿌리에 약 20%의 이산화탄소를 저장한다. 이 풀을 수확해 조개탄을 만들면 연소할 때 대기 중으로 약간의 이산화탄소가 배출되기는 하지만 성장할 때 대기로부터 포획한 이산화탄소보다는 훨씬 적다.

 즉, 연간으로 볼 때 전체 탄소 수지가 마이너스가 되는 셈이다. 또한 코끼리풀 조개탄은 황화합물 농도가 적다는 이점이 있으며 이산화탄소 포집기술과 결합하여 이산화탄소 농축농법으로 코끼리풀을 키워내면 더 완벽한 이산화탄소 순환을 이룰 수 있게 된다. 넥스트퓨얼사가 밝힌 바에 따르면 이 조개탄을 사용한다면 기존 석탄 대비 이산화탄소 배출량을 105% 줄일 수 있다고 밝혔다.

 코끼리풀은 수확한 후 회전형 형태의 드럼이 있는 반응기 안에 넣어 운전하면 약 30분 만에 화석연료를 대신할 수 있는 청정연료로 변한다. 그리고 코끼리풀의 휘발성 성분을 분리할 때 반응기에서 발생한 가스는 이 시설을 운영하는 데 필요한 열이나 전력 형태로도 활용할 수 있다. 코끼리 풀의 이런 특징들은 가공 및 사용부분에 있어서 시간과 비용이 절감되는 효과가 가져다준다.

 그리고 조개탄 형태의 연료는 기존 화력발전소 등의 기존의 구조를 전혀 바꾸지 않아도 적용이 가능한데 이런 특징 또한 큰 장점 중 하나로 주목 받고 있다. 석탄보다 가격대비 저렴하고, 친환경적이며 대량생산이 가능한 이 조개탄은 새로운 에너지 해법으로 주목받고 있다. 뿐만 아니라 사탕수수와 같은 원료들의 바이오매스 가공을 통해서 좀 더 친환경적인 석탄발전 원료로 전환하는 기술들이 계속 연구 중에 있다. 이러한 새로운 원료의 발견과 기술개발은 전력 산업에 새로운 통로를 열어 줄 것으로 보인다.

 현재 발전소에서 배출되는 이산화탄소들은 많은 노력에도 불구하고 대기오염의 문제를 일으키고 있으며 이런 환경관련 문제들은 일상생활 속에서도 쉽게 접할 수 있는 우리에게 낯설지 않은 문제이다. 이런 문제를 해결하기 위하여 본문에서 예시로 든 헬리셰이디의 지열발전소와 코끼리풀을 활용한 조개탄과 같은 방법들이 연구되고 있지만, 아직 기술의 미완성과 지역적인 특징들로 인하여 분명한 한계점을 드러내고 있다. 하지만 이러한 방법과 더 깨끗하고 친환경적인 에너지를 찾기 위한 일련의 노력들은 청정에너지 시대라는 그림의 작은 퍼즐이 되어줄 것이다.

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 참고문헌

[이산화탄소가 환경에 미치는 영향]

1) 에너지관리공단과 함께하는 에너지교실, "화석 연료의 소비 증가와 지구 온난화"

[아이슬란드의 헬리셰이디 발전소]

1) Nick Lavars, "Climeworks: The ambitious startup out to reverse climate change by capturing carbon from the air", newatlas, 2018.10.12

[석탄 연료를 대체할 수 있는 코끼리풀 조개탄]

1) 한국전기안전공사 “이산화탄소 잡는 청정 발전소 헬리셰이디 지열발전소”, 2019.11.01