미국 과학자들이 청정 지열에너지를 이용해 대기 중 이산화탄소를 직접 회수하는 획기적인 기술을 개발했다.

지열에너지는 지구 내부의 열을 활용하는 지속 가능한 에너지원 중 하나다. 지구 내부의 열은 주로 지구의 형성 과정에서 발생한 열, 방사성 붕괴로 인해 발생하는 열, 그리고 마그마의 이동 등 지구 내부의 압력으로 인한 열 등이 있다.

26일(현지시간) 싱크 지오에너지에 따르면 오하이오 주립대 연구팀이 개발한 'DACCUS'라는 시스템은 회수를 위한 에너지를 지열로 충당함으로써 깨끗하고 안전하게 공기에서 이산화탄소를 제거할 수 있다고 한다.

연구팀이 수행한 연구에 따르면 직접 공기 CO₂ 포집 기술(DACC)과 CO₂ 플룸 지열을 결합한 시스템을 개발하는 방법을 제안했다. 이들은 CO2 배출량이 거의 없이 대규모 CO2 제거가 가능한 기후 친화적인 직접 공기 CO₂ 포집, 활용 및 저장(DACCUS) 시스템을 만들 수 있다.

대기 중 이산화탄소를 회수해 지하에 가두는 기술은 대량의 에너지를 필요로 하기 때문에 잘 못하면 오히려 이산화탄소를 배출하는 결과를 초래할 수 있다.

사례 연구 분석 결과, 지층의 두께가 100미터 이상이며 최대 CO₂ 주입 속도가 연간 1MtCO2/유정으로 제한되는 조건에서, 5년간의 초기 활성화 기간(priming period)이 충분한 것으로 나타났다. 보다 두꺼운 지층의 경우, CO₂ 플룸의 지열 시스템 활용에 앞서, 5년 이상의 기간 동안 지질학적 CO₂를 저장해야 한다.

이산화탄소 포집-지하 저장 기술

지구 온난화의 주요 원인 중 하나는 화석 연료의 연소로 인해 대기 중으로 방출되는 이산화탄소다. 따라서 지구 온난화를 억제하기 위해서는 탄소 중립, 즉 탄소 배출을 줄이거나 제로(0)로 만드는 것이 중요하다.

그러나 인간의 활동에는 에너지가 필수적이기 때문에, 이산화탄소 배출을 완전히 제로로 줄이는 것은 현실적으로 어려운 과제다.

이 문제에 대한 창의적인 접근 방법 중 하나는 배출된 이산화탄소를 포집하여 지하에 저장하는 기술, 즉 '이산화탄소 포집 및 저장(CCS)' 기술이다. 이 기술은 대기 중으로의 이산화탄소 방출을 줄이는 데 기여할 수 있다. 그러나 기존의 CCS 기술은 이산화탄소 포집 효율이 낮아, 실제로는 예상과 다르게 이산화탄소 배출을 증가시킬 수 있는 역효과를 낳을 가능성이 있다.

지열에너지를 활용하면 이산화탄소를 포집하면서 동시에 발전을 진행할 수 있다.

오하이오 주립대 연구팀은 이 점에 착안해 '이산화탄소 포집 및 저장(CCS)' 기술에 지열 에너지를 통합하여 운영하는 새로운 접근 방식을 개발했다. 이들이 도입한 시스템은 'DACCUS'(직접 공기 중 이산화탄소 포집 및 활용 저장)로, 대기 중에서 직접 이산화탄소를 분리해내고 이를 지하에 저장하는 동시에, 지열을 활용해 이 과정에 필요한 에너지를 충당한다.

지열은 지속가능하고 청정한 에너지원으로, DACCUS 시스템은 이를 활용하여 대기 중의 이산화탄소를 효과적으로 포집하고 지하에 안전하게 저장한다. 이 과정에서 포집된 이산화탄소는 지하의 지열을 활용하여 지표면으로 열을 전달하는 데 사용한다.

DACCUS의 혁신적인 장점은 이산화탄소를 단순히 저장하는 것에서 그치지 않고, 이를 활용하여 지열 발전을 촉진하고 발전 과정에서 에너지를 생산한다는 점이다. 이로 인해 지속 가능한 에너지 생산과 온실가스 감축이라는 이중의 이점을 동시에 달성할 수 있다.

멕시코만서 실증 실험

연구팀은 이 획기적인 시스템의 가능성을 증명하기 위해 지열이 풍부한 미국 멕시코만 지역에서 실증 실험을 진행하고 있다.

연구팀에 따르면, 멕시코만 연안에는 석탄 및 천연가스 발전 시설과 같은 CO₂의 점 공급원이 존재하며, 이산화탄소를 저장하기에 적합한 지질과 DACCUS를 가동하기에 충분한 지열이 있다. 이 시스템을 설치하면 효율적으로 이산화탄소를 회수할 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀은 2050년까지 멕시코만 연안의 한 지층에 25개의 DACCUS 시스템을 가동하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 통해 이 획기적인 기술의 가능성을 보여줄 수 있다.

그러나, 현재 DACCUS 시스템의 구축에는 몇 가지 도과제가 있다.

DACCUS 기술을 효과적으로 활용하기 위해서는 초기 5년간 공장 등의 이산화탄소 배출원으로부터 배출되는 이산화탄소를 저장하는 과정이 필수적이다. 이 과정은 마치 펌프에 물을 채워야 물이 나오는 마중물과 같아서, 초기 단계에서 필요한 '프라이밍' 작업으로 볼 수 있으며, 이 단계를 완료해야만 대기 중 이산화탄소의 포집이 가능해진다.

2025년까지 DACCUS 기술을 적용할 수 있다면, 실제로 대기에서 이산화탄소를 제거하기 시작하는 시점은 2030년경이 될 것으로 예상된다.

마르티나 레베니와 제프리 M. 비엘리키의 이번 연구 전체 논문은 '환경 연구 편지 저널(Environmental Research Letters)'에 게재됐다.