전기화학 탄소포집, 톤당 0.8MWh로 CO2 옮긴다

지금 가동 중인 대기 포집 시설은 공기 중 이산화탄소 1톤을 걸러내는 데 1.5~3MWh 안팎의 에너지를 쓴다. 미국 델라웨어대 연구팀이 배터리 구조를 빌려 만든 실험 장치는 이 숫자를 약 0.8MWh까지 낮췄다.

포집 단가를 좌우하는 핵심 변수가 에너지 사용량이다. 1톤을 붙잡는 데 드는 에너지가 줄면 단가가 내려갈 여지가 생긴다. 다만 여지가 생기는 것과 실제로 값이 싸지는 것은 별개의 문제다.

원리 자체는 복잡하지 않다. 헷갈리는 쪽은 숫자다. 0.8MWh는 실험 장치에서 잰 값이고, 92달러는 여러 가정을 쌓아 올린 전망치다. 한 기사 안에 나란히 놓이면 두 숫자의 무게가 같아 보이기 쉽다.

기존 포집 장비는 흡수제를 데워 CO2를 떼어낸다

대기든 굴뚝 배기가스든, CO2를 걸러내는 장비는 대개 같은 세 단계를 돈다.

• 흡수: 고체 알갱이나 액체 흡수제에 공기를 통과시켜 CO2를 붙잡는다.
• 재생: CO2를 가득 머금은 흡수제에 주로 열을 가해, 붙잡았던 CO2를 놓게 만든다.
• 회수: 흡수제에서 빠져나온 CO2를 별도의 기체 흐름으로 모은다.

재생이 끝난 흡수제는 다시 흡수 단계로 들어간다. 빨아서 다시 끼우는 필터와 같은 구조.

돈이 드는 곳은 재생이다. 흡수제에서 CO2를 떼어내려면 에너지가 필요하고, 그 에너지가 고스란히 톤당 단가로 옮겨 간다.

직접공기포집(DAC)은 사정이 더 나쁘다. 공기 중 CO2 농도는 굴뚝 배기가스보다 훨씬 낮다. 같은 1톤을 얻으려면 훨씬 많은 공기를 처리해야 하고, 부담도 그만큼 커진다.

배터리형 포집, 열 대신 수산화 이온과 pH 차이를 쓴다

붙잡고 놓아주는 과정을 배터리 셀 안에서 작은 규모로 구현하는 방법도 있다. 여기서는 열이 아니라 전기화학 반응과 pH(산성도) 차이가 그 일을 맡는다.

용어 문제부터 짚는다. 배터리 업계는 캐소드를 ‘양극’이라 부르는데, 전기분해 맥락에서는 같은 단어를 ‘음극’으로 옮기기도 한다. 번역어로는 혼선이 생기기 쉬워 이 글은 캐소드(cathode)와 애노드(anode)를 그대로 쓴다.

1. 캐소드에서 수산화 이온(OH⁻)이 생긴다.
2. 이 수산화 이온이 공기 속 CO2와 반응해 탄산염 또는 중탄산염(탄산수소염)이 된다.
3. 탄산염은 분리막을 건너 애노드 쪽으로 이동한다.
4. 애노드는 수산화 이온을 소비하는 쪽이라 pH가 더 낮다. 여기서 반응이 거꾸로 진행되고, 탄산염은 다시 CO2 기체가 된다.

한쪽 전극은 수산화 이온을 만들고, 다른 쪽은 없앤다. CO2는 탄산염 형태로 그 사이를 건넌다. 흡수제가 CO2를 쥐고 있다가 열을 받아 놓는 게 아니라, 이온이 CO2를 싣고 셀을 가로지르는 구조다.

양쪽 전극이 모두 니켈수산화물인 ‘화학 시소’

연구는 미국 델라웨어대 James Buchen 연구팀이 이끌었다. 결과는 Nature Energy에 실렸고 Ars Technica가 이를 소개했다. 장치의 캐소드와 애노드는 둘 다 니켈수산화물이다. AA·AAA 니켈수소(Ni-MH) 충전지의 캐소드에 쓰이던 바로 그 소재다.

배터리라는 이름이 붙었지만 에너지를 채워 뒀다가 기기를 돌리는 장치는 아니다. 움직이는 방식은 시소에 가깝다.

• 한 방향으로 전압을 걸면 캐소드가 수산화 이온을 만들고, 이 이온이 애노드 쪽으로 넘어간다.
• 전압 방향을 뒤집으면 기존 애노드가 새 캐소드 역할을 맡고, 똑같은 화학 반응이 반대 방향으로 일어난다.
• 어느 방향으로 돌든 장치는 운전 내내 CO2를 붙잡아 셀 반대편으로 옮긴다.

필터형은 흡수와 가열 재생을 번갈아 거쳐야 한다. 이 장치에는 가열 단계가 따로 없고, 전압 극성만 바꿔 포집을 이어간다. 구조상 가장 큰 차이가 여기에 있다. 전극이 역할을 바꿔 가며 반응을 되풀이할 때 얼마나 오래 버티는지는 원문에서 다뤄지지 않았다.

톤당 0.8MWh는 실측, 92달러는 전망

실험 장치는 셀 9개를 쌓은 스택이다. 셀 하나의 면적은 레터 용지 절반 정도.

셀을 양쪽에서 감싸는 판에는 구불구불한 공기 통로가 나 있고, 송풍기가 이 통로로 공기를 밀어 넣는다. 이 판 부품은 연료전지에서 빌려 왔다. 전용 부품을 새로 설계하는 대신 이미 있는 부품을 가져다 쓴 셈이다.

구분	기존 필터형(가열 재생)	배터리형 전기화학
CO2를 붙잡는 물질	고체 알갱이 또는 액체 흡수제	캐소드에서 만든 수산화 이온
CO2를 떼어내는 방법	주로 가열	애노드 쪽 낮은 pH에서 탄산염이 CO2로 되돌아감
운전 방식	흡수와 재생을 번갈아 반복	전압 방향을 바꿔 두 전극 역할을 교대
톤당 에너지	약 1.5~3MWh(현재 대기 포집 시설)	약 0.8MWh(9셀 실험 장치, 전력)
톤당 비용	기존 업체 예시: Climeworks 목표 250~350달러(2030년까지)	초기 파일럿 약 566달러 → 1,000배 규모 92달러(모두 추정)
현재 단계	현재 주류 방식	실험실 규모, 스타트업이 사업화 추진

에너지: 실측치

장치의 전력 사용량은 CO2 1톤당 약 0.8MWh(800kWh)다. 현재 대기 포집 시설의 톤당 1.5~3MWh와 단순 비교하면 절반에서 4분의 1 남짓 사이. ‘단순 비교’라는 단서가 붙는 이유가 있다. 0.8MWh는 전력 기준이라고 명시돼 있지만, 1.5~3MWh가 전기인지 열인지는 이 글이 근거로 삼은 자료만으로는 구분되지 않는다.

비용: 전망치

연구진 일부는 이 기술을 바탕으로 한 스타트업 RepAir Carbon에 몸담고 있다. 논문도 일부를 규모를 키웠을 때의 경제성 추정에 할애했다.

• 초기 소규모 파일럿 플랜트: 톤당 약 566달러
• 추정 방법: 리튬이온 배터리 산업의 학습률과 일반적인 설비 대형화 비용 법칙을 적용해 파일럿 몇 세대 뒤를 투영
• 파일럿의 1,000배 용량 플랜트: 톤당 92달러

학습률은 누적 생산량이 늘수록 단가가 일정 비율로 떨어진다는 경험칙이다. 셀을 쌓아 만드는 구조가 배터리 제조와 닮아서 리튬이온 배터리의 곡선을 빌려 온 것으로 보인다. 리튬이온 배터리가 걸어온 가격 하락 곡선을 탄소포집 셀이 그대로 따라갈지는 또 다른 질문이다.

92달러는 측정값이 아니다. 1,000배 규모 확대와 학습률이라는 두 가정 위에 올린 수치다. 추정을 내놓은 연구진 일부가 이 기술의 사업화를 추진하는 회사에 속해 있다는 점도 함께 기억해 둘 만하다.

새 탄소포집 기술을 거르는 다섯 가지 질문

새 포집 기술 기사가 나오면 아래 순서로 확인해 보면 된다. 과장된 주장은 대부분 이 단계에서 걸러진다.

1. 톤당 에너지(MWh/톤): 가장 먼저 볼 숫자. 전기인지 열인지도 함께 확인한다. 에너지 형태에 따라 어떤 발전원·설비와 붙일지가 달라진다.
2. 톤당 비용과 그 성격: 실측치인지, 파일럿 추정치인지, 대규모 가정을 얹은 전망치인지 구분한다. 이번 연구의 566달러와 92달러 사이에는 1,000배 규모 확대라는 가정이 끼어 있다.
3. 검증 규모: 실험실 스택인지, 파일럿인지, 상용 플랜트인지 본다. 낙관적인 규모 확대 전망이 실제로 맞아떨어지기 어렵다는 점은 Climeworks 사례에서 이미 드러났다.
4. 포집 대상: 대기에서 직접 걸러내는지, 굴뚝 배기가스에서 걸러내는지. CO2 농도가 달라서 톤당 수치가 같아도 난이도는 같지 않다.
5. 전기의 출처: 전기화학 방식은 전력으로 돌아간다. 화석연료 발전 전기를 쓰면 포집한 CO2 일부를 발전 과정에서 다시 내보내는 꼴이 되고, 순감축량은 그만큼 줄어든다.

이번 장치에 대입해 보면 1번은 약 0.8MWh(전력), 2번은 추정치, 3번은 9셀 실험실 스택, 4번은 공기 중 CO2다. 5번은 아직 평가되지 않았다. 다섯 칸 가운데 실측으로 채워진 건 첫 번째뿐이다.

국내에선 배출권 가격·전력 구성과 맞물려 읽힐 기술

실험실 장치와 스타트업 단계에 머문 기술이라 한국 소비자가 당장 체감할 변화는 없다. 바뀌는 건 관련 뉴스와 정책을 해석하는 방식이다.

• 톤 단위 비교가 쉬워진다: 한국은 온실가스 배출권거래제를 운영하고 있어 탄소를 ‘톤당 가격’으로 따지는 틀이 이미 있다. 포집 비용이 톤당 100달러 선에 가까워지면 배출권 가격과 나란히 놓고 비교하는 논의가 늘어날 것으로 보인다(추측).
• 전력 구성이 효과를 가른다: 전기를 쓰는 방식이라 화석연료 발전 비중이 높은 전력망에서는 순감축 효과가 깎인다. 국내 도입이 논의된다면 재생에너지 조달이 함께 따라붙을 문제로 보인다(분석).
• 배터리 제조 기반과의 접점: 비용 전망이 리튬이온 배터리 학습률에 기대고 있고, 셀을 쌓는 구조도 배터리·연료전지와 닮았다. 배터리 산업 기반이 두터운 국내 제조업과 연결될지는 아직 추측의 영역이다.

확인된 것과 아직 불확실한 것

확인된 것

• 연구는 델라웨어대 James Buchen 팀이 이끌었고 Nature Energy에 실렸다.
• 캐소드와 애노드 모두 니켈수산화물이며, 전압 방향을 바꿔 두 전극의 역할을 교대한다.
• 실험 장치는 셀 9개 스택이며 송풍기와 연료전지 부품을 활용했다.
• 전력 사용량은 톤당 약 0.8MWh로, 현재 대기 포집 시설(1.5~3MWh)보다 낮다.
• 연구진 일부가 이 기술 기반 스타트업 RepAir Carbon에 참여하고 있다.

아직 불확실한 것

• 톤당 566달러와 92달러는 모두 추정치이며, 학습률과 규모 확대 가정이 맞아야 성립한다.
• 파일럿의 1,000배 용량 플랜트가 실제로 언제 지어질지는 정해지지 않았다.
• 장기 운전 시 니켈수산화물 전극의 내구성과 교체 주기는 원문에서 다뤄지지 않았다.
• 굴뚝 배기가스처럼 농도가 높은 배출원에 적용했을 때의 성능은 확인되지 않았다.
• 어떤 전력을 쓰느냐에 따른 순감축량은 별도 평가가 필요하다.

톤당 100달러 목표선, 가열 없는 후보가 하나 더 붙었다

탄소포집 업계는 오래전부터 톤당 100달러를 목표선으로 삼아 왔다. 비용이 그 정도로 내려와야 폭넓은 도입이 가능하다는 판단에서다.

Climeworks는 2030년까지 톤당 250~350달러를 목표로 잡고 있다. 낙관적인 규모 확대 전망을 실제 성과로 바꾸기가 얼마나 어려운지 보여준 곳도 이 회사다. 한쪽은 기업의 목표치, 다른 쪽은 논문의 추정치라 250~350달러와 92달러를 곧바로 견주기는 무리가 있다. 92달러라는 숫자보다는 파일럿 단계에서 나올 실측 비용을 기다리는 편이 합리적이다.

그렇다고 이 연구의 의미가 줄지는 않는다. 가열 대신 전압, 흡수제 대신 이온으로 CO2를 옮기는 방식이 경쟁에 합류했다. 접근법이 다른 후보가 늘어난 만큼 누군가 100달러 선에 닿을 확률도 조금은 올라갔다.

이 분야 기사의 무게는 세 가지로 가늠된다. 톤당 에너지, 톤당 비용, 그리고 그 비용이 측정한 값인지 예상한 값인지.

출처: Ars Technica