오태광의 바이오 산책 <69> 온실효과(Greenhouse effect)의 2가지 얼굴 > News Insight

 지구를 둘러싸고 있는 기체 중 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFC), 과불화탄소(PFC), 육불화황(SF6) 등과 같은 온실가스는 산업화로 인하여 점차 문제 시 되고 있다. 온실가스는 태양에서 지구에 도착한 적외선 복사열을 흡수 또는 반사하여 마치 온실 속에 지구가 있는 것처럼 온도가 올라가서 온실효과가 발생한다. 지구 공기 조성은 질소가 78%, 산소가 21%, 아르곤이 0.93%로 질소, 산소, 아르곤 3종이 99.93%로 구성되어 있다. 나머지 0.07% 중 이산화탄소가 0.035%이고 그 외는 수증기, 메탄, 암모니아 등의 가스로 구성되어 있어서 온실가스인 이산화탄소와 메탄의 비율은 극미량이지만, 지구 온실효과의 원인이 되고 있다. 지구의 기온에 악영향을 주는 온실가스는 50%가 이산화탄소로 구성되어 있어서 이산화탄소를 줄여야 하고, 배출량을 아예 없게 하자는 취지에서 탄소제로(Carbon zero)라는 용어가 사용하고 있다.

이산화탄소는 산소가 타면서 에너지를 만들고 남은 부산물이지만, 식물이 광합성에 사용하여 귀중한 식량 등 바이오매스(Biomass)자원을 얻고 다시 산소로 환원하여 지구는 산소/이산화탄소의 항상성을 유지하고 있다. 18세기 산업혁명이 일어나 제조업이나 운송업 등에서 기계를 돌리는 데 사용한 증기기관은 많은 에너지가 필요하여 석탄, 석유 등의 화석에너지를 대량으로 태우면서 이산화탄소가 무리할 정도로 만들어지기 시작했다. 산업혁명 이후 에너지의 사용량이 급격히 증가하여 현재는 공기 중 이산화탄소의 함량이 높아져서 지구 온난화의 원인이 되어서 북극 해빙, 폭염(暴炎), 폭설, 태풍, 산불과 같은 이상기후 현상이 발생하고 있다.

 태양의 복사에너지 중 약 17%는 지표면에서 반사하고, 나머지 83%는 지구로 흡수되어서 지표면과 해수면이 약간 따뜻하게 하는 온실효과(Greenhouse effect)에는 사실은 긍정적인 효과가 더 많다. 만약, 지구에 대기가 존재하지 않으면 태양에서 받은 빛에너지가 그대로 방출된다면, 마치 대기가 없는 달의 표면처럼 낮에는 너무 뜨겁고 밤은 지나치게 추워서 표면 온도가 –20℃ 이하로 떨어져서 생물이 살기 어려웠을 것이다. 온실효과에 의해서 태양에너지가 지구를 따뜻하게 하고, 따뜻해진 지구에서 우주로 방출되는 에너지는 대기의 온실효과 때문에 효과적으로 잡혀서 순환하여 생명체가 살기 좋은 지구의 온도인 평균 15℃ 전후로 유지한다.

이런 의미에서 온실효과는 마치 난방하지 않은 온실이라도 온실 내부는 따뜻하게 온도를 유지할 수 있고, 작은 난방으로도 충분히 작물을 키울 수 있는 긍정적인 면이 커서 오히려 이산화탄소가 일으키는 온실효과<그림 1 참조>는 지구 생명체에게 살기 좋은 지구를 만드는 일등공신 역할을 하였다. 지구상에 인간이 살아온 700만 년 전부터 지구의 이산화탄소 농도는 공기 조성 중 약 278ppm (약 0.03%)를 차지하여 태양에너지를 보존하여 생명체가 살기 좋은 지구환경을 만드는 온도 조절 역할을 했다.

그러나 산업혁명 이후 급격한 산업화로 엄청난 양의 석탄, 석유 등 화석연료 사용으로 급격한 이산화탄소 배출이 증가하였고, 아울러, 아마존유역을 비롯한 밀림 및 산림지역이 벌목과 개간으로 파괴되어 이산화탄소를 이용한 광합성이 줄어들면서 이산화탄소 소비는 줄어들고, 산소생산이 급격히 감소하여 이산화탄소의 공기 중 비율이 무려 397.7ppm(2014)으로 43% 증가하여 과도한 온실효과로 급격한 지구 온난화(Global Warming)라는 기후변화(Climate Change)를 일으키는 원인의 60%를 차지하게 되었다. 기후변화로 일어나는 이상 현상은 남북극의 빙산을 녹이는데, 이렇게 되면, 물의 부피는 고체<액체<기체이기 때문에 지구 바다에 있는 물의 부피가 늘어나게 되면 해수면이 상승하여 섬이나 바닷가 육지는 물에 잠기는 불행한 사태를 보게 될 것이다. 

온난화로 20세기 평균 지구 온도는 13.88℃였는데, 미국 해양대기청(NOAA)은 2022년 평균온도가 14.76℃로 약 1℃ 상승하여 이런 추세라면 21세기 말은 0.29∽0.58m 해수면이 상승하여 섬이나 저지대는 심각한 침수가 예상한다. 해수면 상승 뿐만 아니라 아열대 지방의 사막화, 북극 축소, 대기와 해수 순환 변화로 혹한, 폭염, 가뭄, 폭우, 큰 산불 등의 기상변화가 이미 관찰하고 있다. 이에 따르는 농작물 수확 감소로 기아 인구 증가 및 생물생태계로 큰 변화로 지구촌은 몸살을 앓게 된다. 더욱 심각하게 생각해야 할 사항은 과량의 이산화탄소가 물에 녹으면 약산의 탄산이 생겨서 해양에 있는 산호초가 녹는 해양생태계가 파괴되면, 해양생물의 약 70%가 살아가고 있는 해양생물 생태계가 파괴될 수도 있다. 이런 이유로 지구 온난화를 막기 위해서 온실가스 배출에 대한 국제적 협약을 만들어 “탄소제로”를 지향하고 있다.

<주요 온실가스의 특징>

지구 온난화에 영향을 미치는 6대 온실가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 이산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6)으로 보고되고 있다. 첫 번째 이산화탄소는 대기 중에 0.03~0.04%로 가장 구성 비율이 높고, 발생 후 100~300년간 대기에 머무르고 전체 온실효과의 77%를 차지하는 온실가스이다.

이산화탄소는 화석연료 사용증가로 늘어난 대표적인 온실가스로 산업혁명으로 증기기관 발명으로 석탄, 석유를 사용하면서 급격히 늘어났다. 매년 화석연료 연소로 94억 ton이 이산화탄소가 배출되고, 숲 개간 및 토지 용도변경으로 16억 ton 배출되어서 매년 총 110억 ton의 이산화탄소가 배출된다고 한다. 육상에서 식물이 광합성 작용으로 34억 ton의 이산화탄소를 포집하고 있고, 해양 흡수로 25억 ton 포집하여서 총 59억 ton 포집하지만, 나머지 51억(110-59=51) ton은 온실가스로 작용하고 있어서 결과적으로 매년 이산화탄소의 총 대기 중 농도가 2~3ppm 증가하고 있다. 이산화탄소 배출량이 110억 ton이라면 별로 큰 느낌은 없지만 2019년 지구의 이산화탄소 배출량은 우리나라 승용차 그랜저 220억 대의 무게와 같다고 하니 얼마나 많은 양인지 짐작할 수 있을 것이다. 

산업혁명 이전 대기 중 이산화탄소 평균 농도보다 2020년에는 1.5배 증가하여 이미 417ppm에 도달하였고, 평균 기온도 1.1℃ 상승하여 예상보다 빠르게 기후변화가 일어나고 있다. 이런 이유로 식물 광합성과 같은 자연적인 포집에 의존해서는 이산화탄소의 감축 효과를 기대하기 어려워서 인공적으로 이산화탄소를 포집하는 과학적 방법이 발표되고 있다.

두 번째 메탄은 대기 중 체류시간이 12년이고, 같은 양의 이산화탄소보다 21배 온실가스 영향력을 가져서 지구온난화 지수는 이산화탄소를 1로 했을 때 21이다. 주로, 늪지대, 쓰레기 매립장, 불완전 연소한 화석연료 등에서도 발생하고 있는데, 최근 대단위 축산으로 생산하는 육우/젖소의 방귀와 트림까지도 문제 시 되고 있다. 

세 번째는 이산화질소로 대기 중 체류 기간이 121년, 복사강제력의 6%를 차지하고 지구온난화 지수가 310이다, 이산화질소는 자연 상태의 해양과 토양, 화석연료 및 생태 소각, 농업 비료 사용 등에서 발생하고, 성층권에 올라가 광분해 되어서 오존층을 파괴하면서 없어진다.

네 번째 수소불화탄소는 지구 온난화 지수가 1,300이고 오존층을 파괴하는 온실가스인데 주로 냉장고와 에어컨 냉매 등을 제조하여 사용하고 있지만, 1987년 몬트리올 의정서에서 사용을 금지하여 현재는 대체물질을 사용하고 있다.

다섯 번째는 반도체 생산 공정에 사용하고 있는 육불화황은 온실효과가 이산화탄소의 23,000배나 되고 대기 중 체류시간도 3,200년에 달하지만 대기 중 존재량은 적고 대부분 성층권의 짧은 파장 자외선에 파괴된다.

마지막 여섯 번째는 전자제품, 도금산업, 반도체 세척용, 소화기 등에 사용되는 과불화탄소는 염화불화탄소(프레온)의 대체 제로 개발되어 사용하지 않고 있다.

<대기 중 이산화탄소 농도와 기후 민감도 >

 국제전문학술지 Science지 는 2020년 10대 과학성과 중 세계기후연구포럼(WCRP)에서 발표한 대기 중 이산화탄소 농도가 2배 될 때의 온도변화를 기후 민감도,  대기 이산화탄소 농도 및 지구 표면 평균온도의 변화를 예측하는 물리적 모형을 발표하였다. 산업혁명 이후 측정 데이터와 수백만 년 전의 고(古)기후 데이터를 종합해 온도 범위가 2.6~3.9℃라는 결과를 “지구물리학 Review”라는 학술지(2020년 7월)에 발표하였다. 기후 민감도는 이산화탄소의 농도가 2배로 증가하면 지구 기후변화를 의미한다. 산업혁명 이전에 지구 이산화탄소 평균 농도가 278ppm인데, 이산화탄소 농도가 2배인 556ppm일 때 기후 민감도가 2.6~3.9℃로 예상했지만. 이미 이산화탄소 농도가 1.5배 된 2022년 현재(417ppm)(미국 국립해양대기청(NOAA), 2023.4.9.), 기후 민감도는 1.1℃ 올라가서 예상보다 낮게 나타났다.

사실, 이산화탄소 농도가 2배(556ppm)일 때 합리적인 방법으로 추정하면 지금보다 0.4℃ 높은 1.5℃로 추정되어야 한다. 2020년도에 10대 과학성과이지만 좀 더 정확한 예측 프로그램 개발이 필요하다고 판단한다. 지구대기의 평균 이산화탄소 농도가 지난 11년 동안 연속 매년 2ppm 이상 높은 증가율을 보이고 있었고, 2013년 이전까지는 연간 2ppm을 넘는 이산화탄소 농도 증가를 3년 이상 연속된 기록된 적이 없다고 한다. 미국 국립해양대기청 자료에 의하면 <그림 2>에 보는 바와 같이 2023년 4월 9일 현재 418.66ppm으로 회복 불가능한 기후변화를 초래하는 한계점인​ 450ppm에 접근하고 있다는 것이다. 결국, 이산화탄소 배출을 감소하는 것이 지구촌 국가의 절박한 과제라는 주장에 설득력을 얻고 각국의 적극적인 노력이 필요함을 강조하였다. 즉, 이산화탄소 농도가 2배 되는 556ppm 이전에 최고점을 찍고 하향으로 떨어질 수 있게 이산화탄소 배출량을 증가하지 않는 “탄소제로(Carbon zero)” 정책을 목표로 하고 있다. 하지만, 이산화탄소는 매년 51억 ton이 대기 중에 더해지는데, 탄소제로는 배출량을 줄일 뿐만 아니라, 인공적 포집량을 51억 ton 높여서 배출량을 “0”으로 만들자는 이야기인데 실현되기 위해서는 수많은 노력이 필요하다고 판단한다. 

결국, 화석연료 대신 재생에너지와 원자력 에너지를 확대하고, 1인당 탄소배출을 줄여야 하는데 현재 78억 인구인데 2050년까지 100억 명으로 늘어날 전망이라 역시 쉽지는 않다. 결국, 이산화탄소 포집을 높이기 위해서 식물 광합성과 해양 포집과 같은 자연 포집만으로는 어렵고, 인공적으로 이산화탄소 포집하는 기술을 개발하여야 한다. 이산화탄소뿐만 아니라 이산화탄소 다음 온실가스 효과가 큰 메탄 농도는 2022년에만 14.00ppb 증가한 1911.9ppb로 산업혁명 이전에 2.5배가 높아서 높은 경각심을 보여 준다. 메탄 발생이 젖소/육우, 육계 등 대규모 가축사육이 문제가 되고 있어서 가축사육을 줄이고 대체육 개발에도 많은 관심이 필요하다.

<새로운 과학적 대기 중 이산화탄소제거 방법>

  실증설비 단계로 알려진 이산화탄소 포집 기술은 이미 상용화되어 가고 있는데, 세계적으로 인공적으로 이산화탄소 포집을 위해 설립된 곳은 30여 곳에서 연간 1억4,000만 ton을 포집하고 있지만, 세계 이산화탄소 배출량이 110억 ton에 비하면 1.2%에 불과하여 산업적 처리에는 아직 문제가 있다. 질소화합물인 아민(Amine)에 이산화탄소를 포집하는 기술은 1930년대에 특허 및 상용화되었지만, 주로 천연가스에서 불순물로 들어있는 이산화탄소와 황화 가스를 걸러 내는 데 사용하였다. 1980년에 화력발전소에 적용하여 상용화된 이산화탄소 포집 기술로 발전하였다. 아민을 이용한 이산화탄소 포집 기술은 <그림 3>에 보는 바와 같이 화력발전소의 배출가스(①)가 파이프를 통해서 탱크 아래쪽으로 올라가고 위쪽에 연결된 파이프에서 20~30% 아민 함유 수용액이 물방울로 분사되어 혼합되면서 이산화탄소가 아민에 흡착되고 이산화탄소가 제거된 기체(Clean gas)는 탱크 위로 나가게 하고, 이산화탄소를 흡착한 아민 수용액은 탱크 아래쪽 파이프를 통해서 다음 탱크로 이동한다. 

이산화탄소와 아민 수용체에서 이산화탄소를 분리하기 위해서 100℃의 열과 압력을 가하여 수증기가 발생시켜 물을 제거하고 아민과 이산화탄소를 분리하여 수증기를 응축시켜서 남은 이산화탄소를 100기압 이상 고압으로 보관한다. 세 번째 탱크로 이동하면 아민 용액과 저압의 이산화탄소가 분리되고 아민 용액을 재활용하기 위해 첫 번째 탱크에 분사된다. 열과 압력의 사용에는 비용이 많이 들어서 이산화탄소 1ton 포집 비용이 현재 58US$ 수준인데, 적어도 2035년까지는 30US$ 수준으로 낮추어야만 대기 이산화탄소 농도에 영향을 미칠 수 있는 규모의 이산화탄소 포집 시설 가동이 가능하다고 본다(미국 에너지부). 

비용 문제를 해결하기 위해서 2009년 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소는 물이 필요 없는 시스템을 개발하기 위해서 2-EEMPA 라는 신규 아민 분자를 개발하였다. 기존의 아민 분자는 100% 물 없이 사용하면 점도가 높아지고 침전물이 생겨서 연속공정이 어려운 결정적인 단점이 있지만, 신규 아민 분자인 2-EEMPA는 이산화탄소를 흡착해도 다른 분자와 붙지도 않고, 약한 열로 이산화탄소를 쉽게 분리하여 에너지 비용을 크게 줄일 수 있다고 “온실기체조절 국제저널(2021)”에 발표하여 기존보다 17% 에너지를 절감하여 1ton 이산화탄소 포집에 47US$로 가능하지만, 여전히 30US$ 수준에 달성하기 위해 더 많은 연구가 필요하다.

 최근, 직접 공기 포집(DAC, Direct Air Capture)이라는 기술은 거대한 공기청정기와 비슷하게 대기 중에 배출된 이산화탄소를 포집, 압축하여 지하에 묻거나 SAF(지속 가능 항공연료), 콘크리트, 석유화학제품, 플라스틱 등에 활용하고 있다. GE(General Electric) 사는 기후변화 대책을 위하여 Climate Action@ GE(CAGE)Lab 을 <그림 4>와 같이 설치하였다. 또한, 인공지능 기계학습을 활용하여 흡착제를 최적화하여 이산화탄소를 공기 중에서 흡착하고, 흡착 후 탈착하여 보관 또는 다른 용도로 사용할 수 있게 하였다. 현재는 이산화탄소 ton당 500∽1,000US$의 비용으로 포집하는데, 세계자원연구소(WRI)는 ton당 250~600US$으로 가능할 것으로 추정한다. GE는 더 큰 규모의 DAC 모델을 시작하였고 ton당 100US$를 궁극적 목표로 하고, 기가 ton급 이산화탄소제거 장치 개발을 목표로 하고 있다. 1 기가 ton 이산화탄소는 자동차 2.5억 대가 연간 배출하는 이산화탄소를 포집하는 것을 의미한다고 한다.

또한, 2-EEMPA 아민 이외의 효율적인 이산화탄소 흡착제가 일본 도쿄 도립대학 (Tokyo Metropolitan University)에서 아이소포론 다이아민(isophorone diamine(IDPA)과  3-(aminomethyl)-3,5,5-trimethylcyclohexylamine)을 개발하였다. IDPA 수용액은 공기 중 이산화탄소 농도 400ppm에서 30%까지 물에 녹는 이산화탄소를 99% 결합할 수 있어서 1시간에 1 mole IDPA 분자가 201 mole의 이산화탄소 분자를 결합하는 능력이 있어 아주 효율성이 높다. 특히 이산화탄소와 결합한 IDPA 수용액은 카르밤산(Carbamic acid, 아미노 카복실산, H2NCOOH)과 만나서 고체화되고 60℃로 가열로도 IDPA를 회수할 수 있다고 학술지(Soichi Kikkawa et al(2022) Direct air capture of CO2 using a liquid amine-solid cabanic acid phase-separation system using Diamines bearing an aminocyclohexyl group, ACS Environmental AU)에 발표하였다.

대기 중 또는 공장이나 화력발전소 등에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 기술은 앞으로 엄청난 발전을 하여 어쩌면 가까운 장래에 온실효과로 인한 인류의 걱정거리인 기후변화 문제를 해결하면서도 포집 된 이산화탄소로 새로운 유용한 산업 물질을 만드는 생산하는 기술까지 확립할 수 있다는 큰 기대를 한다.  

 이산화탄소가 매년 51억 ton씩 대기 중에 늘어나게 되어서 산업혁명 전 지구의 평균 이산화탄소의 농도인 278ppm이 2,020년에는 1.5배인 417ppm에 이미 도달하여 빈번하게 발생하는 북극 해빙, 폭염, 폭설, 태풍, 홍수, 가뭄, 사막화, 산불과 같은 이상기후 현상을 우리는 이제 피부로 느끼고 있다. 사실 온실효과는 태양의 복사열을 잘 이용하여 생물체가 살기 좋은 따뜻한 유리 온실과 같은 온화한 환경을 만들어서 살기 좋은 지구 생태계를 만들어 주는 좋은 얼굴을 가지고 있는데, 폭발적으로 늘어나는 인구를 먹여 살리기 위해 과도한 산업화와 더 많은 농업과 공장지대를 만들기 위해 이산화탄소를 포집하고 산소를 만드는 산림 및 임야를 파괴하여서 이산화탄소의 생산량은 급격히 증가하여 지구 대기의 산소/이산화탄소 항상성이 깨어지게 하였다.

이산화탄소와 같은 온실가스는 과도한 태양복사열을 지구 내로 반사하여 온실이 아닌 뜨거운 찜질방을 만들어 예상치 못한 기후변화라는 재앙을 만들고 있다. 근본적인 문제점은 현재 지구상 인구는 약 80억 명인데 2050년까지는 100억 명으로 늘어난다고 전망하고 있어서 더 많은 생활용품 및 식량자원을 만들기 위한 더 많은 생산시설과 더 많은 농지가 필요하여 이산화탄소 배출과 산림 파괴는 될 수밖에 없어서 미래는 암울하다. 

다행하게도 효율적인 이산화탄소 포획 및 이용 방법이 개발되고 있어서 한 줄기 희망의 빛을 보는 듯하지만, 아직은 여전히 해결하여야 할 문제는 많다. 이미 만들어진 온실가스를 없애는 것도 매우 중요하지만, 사전에 온실가스가 쌓이지 않게 하는 기술 개발도 절실하고, 늘어나는 인구를 위해 생산성을 높이면서도 온실가스를 최소화하는 “탄소제로” 기술이 시급하다. 아울러 무분별한 자연훼손을 방지하여 자연과 함께 살아가는 근본적인 방안도 수립되어야 한다고 생각한다. 

모든 일에 동전의 양면이 있듯이 온실가스인 이산화탄소가 기후변화만 고려하면 마냥 나쁘다고 생각할 수도 있지만, 사실은 이산화탄소가 없어서 온실효과가 없었다면 지구는 달처럼 생물이 살 수 없을 수도 있다는 아찔한 생각도 든다. 과유불급(過猶不及)이란 용어처럼 적절한 수준을 유지하기 위해서 이산화탄소/산소의 농도의 항상성을 유지하는 지혜로운 개발이 필요하지만, 다시 산업혁명 이전 이산화탄소 농도를 만들기 위해서는 많은 인간의 노력과 지혜가 요구되고 있다.

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