탄소 중립 연료

탄소 중립 연료()는 순온실 기체 배출 또는 탄소 발자국을 발생시키지 않는 연료이다. 실제로 이는 일반적으로 이산화 탄소(CO2)를 원료로 사용하여 제조된 연료를 의미한다. 제안된 탄소 중립 연료는 수소화하여 이산화 탄소를 화학적으로 변형시켜 만드는 합성 연료와 광합성과 같은 자연적인 CO2 소비 과정을 사용하여 생산되는 바이오 연료로 크게 나눌 수 있다.

합성 연료를 만드는 데 사용되는 이산화 탄소는 공기에서 직접 포집되거나, 발전소 연도 배기가스에서 재활용되거나, 바닷물의 탄산에서 추출될 수 있다. 합성 연료의 일반적인 예로는 암모니아와 메테인이 있지만, 휘발유와 제트 연료와 같은 더 복잡한 탄화수소도 인공적으로 성공적으로 합성되었다. 탄소 중립적일 뿐만 아니라, 이러한 재생 가능한 연료는 차량의 전기화나 수소 또는 다른 연료로의 전환 없이도 수입 화석 연료의 비용과 의존도 문제를 완화하여 호환 가능하고 저렴한 차량을 계속 사용할 수 있게 한다. 진정한 탄소 중립이 되려면, 공정에 필요한 모든 에너지가 재생 가능 에너지나 원자력처럼 탄소 중립적이거나 배출이 없어야 한다.

탄소 중립 연료의 연소가 연도에서 탄소 포집 대상이 되면 순 음의 이산화 탄소 배출로 이어져 온실 기체 저감의 한 형태가 될 수 있다. 음의 배출은 지구 온난화를 제한하려는 노력의 필수적인 요소로 널리 간주되지만, 음의 배출 기술은 현재 민간 기업에게 경제적으로 실현 가능하지 않다. 탄소 상쇄는 탄소 음성 연료에 중요한 역할을 할 것으로 보인다.

 합성 탄화수소의 생산 

합성 탄화수소는 발전소나 공기에서 포집된 이산화 탄소와 수소 사이의 화학 반응으로 생산될 수 있다. 흔히 이퓨얼이라고 불리는 이 연료는 수소 생산에 사용된 에너지를 저장한다.

수소 연료는 일반적으로 파워 투 가스 공정에서 물의 전기분해를 통해 준비된다. 배출량을 최소화하기 위해 전기는 풍력, 태양광 또는 원자력과 같은 저배출 에너지원을 사용하여 생산된다.

사바티에 반응을 통해 메테인이 생산될 수 있으며, 이는 나중에 발전소에서 태우거나 (합성 천연가스로), 파이프라인, 트럭 또는 탱커선을 통해 운송되거나, 피셔-트롭쉬 공정과 같은 가스액화연료 공정에서 운송 또는 난방을 위한 전통적인 연료를 만드는 데 사용될 수 있다.

수소를 이용하여 만들 수 있는 연료가 몇 가지 더 있다. 예를 들어, 폼산은 수소를 와 반응시켜 만들 수 있다. 폼산은 와 결합하여 아이소뷰탄올을 형성할 수 있다.

메탄올은 이산화 탄소 분자 하나와 수소 분자 세 개를 화학 반응시켜 메탄올과 물을 생산할 수 있다. 저장된 에너지는 메탄올을 내연 기관에서 태움으로써 회수될 수 있으며, 이 과정에서 이산화 탄소, 물, 열이 방출된다. 메테인은 유사한 반응으로 생산될 수 있다. 메탄은 20년 지구 온난화 지수 측면에서 CO2보다 거의 100배나 강력하므로, 메탄 누출에 대한 특별한 예방 조치가 중요하다. 더 많은 에너지를 사용하여 메탄올 또는 메탄을 더 큰 탄화수소 연료 분자로 결합할 수 있다.

연구자들은 또한 메탄올을 사용하여 다이메틸 에터를 생산할 것을 제안했다. 이 연료는 고압 및 고온에서 자체 발화하는 능력 때문에 디젤 연료의 대체제로 사용될 수 있다. 이미 일부 지역에서는 난방 및 에너지 생산에 사용되고 있다. 독성이 없지만, 압력을 가해 저장해야 한다. 더 큰 탄화수소와 에탄올도 이산화 탄소와 수소에서 생산될 수 있다.

모든 합성 탄화수소는 일반적으로 200–300°C의 온도와 20~50 bar의 압력에서 생산된다. 반응 효율을 높이고 원하는 유형의 탄화수소 연료를 만들기 위해 일반적으로 촉매가 사용된다. 이러한 반응은 발열성이며 관련 이산화 탄소 1몰당 약 3몰의 수소를 사용한다. 또한 다량의 물이 부산물로 생성된다.

 재활용 탄소의 원천 
연료로 재활용하기 위한 가장 경제적인 탄소원은 화석 연료 연소로 인한 연도 가스 배출이며, 여기서 톤당 약 7.50달러에 얻을 수 있다. 그러나 이는 화석 기원의 탄소이므로 지권에서 대기로 탄소를 이동시키기 때문에 탄소 중립적이지 않다. 해수의 탄산은 대기 중 이산화 탄소와 화학 평형 상태에 있으므로 해수에서 탄소를 추출하는 연구가 진행되었다. 연구자들은 해수에서 탄소를 추출하는 데 톤당 약 50달러가 소요될 것으로 추정했다. 대기 중 탄소 포집은 톤당 94~232달러로 더 비싸며 연료 합성 또는 탄소 격리에는 비실용적인 것으로 간주된다. 직접 공기 포집은 다른 방법보다 덜 개발되어 있다. 이 방법의 제안은 공기 중 이산화 탄소와 반응하여 탄산염을 생성하는 부식성 화학 물질을 사용하는 것을 포함한다. 그런 다음 이를 분해하고 수화시켜 순수한 CO2 가스를 방출하고 부식성 화학 물질을 재생성할 수 있다. 이 과정은 다른 공급원에서보다 대기 중 이산화 탄소 농도가 훨씬 낮기 때문에 다른 방법보다 더 많은 에너지를 필요로 한다.

연구자들은 또한 바이오매스를 연료 생산을 위한 탄소원으로 사용할 것을 제안했다. 바이오매스에 수소를 추가하면 탄소가 감소하여 연료가 생산될 것이다. 이 방법은 식물 물질을 사용하여 이산화 탄소를 저렴하게 포집하는 장점이 있다. 식물은 또한 생물학적 분자로부터 연료에 일부 화학 에너지를 추가한다. 이것은 기존 바이오 연료보다 바이오매스를 더 효율적으로 사용하는 것일 수 있는데, 기존 방법이 에너지와 탄소를 많이 방출하는 대신 바이오매스에서 대부분의 탄소와 화학 에너지를 사용하기 때문이다. 주요 단점은 기존 에탄올 생산과 마찬가지로 식량 생산과 경쟁한다는 것이다.

 재생 가능 및 원자력 에너지 비용 
야간 풍력 발전은 연료 합성에 가장 경제적인 형태의 전력으로 간주된다. 이는 하루 중 가장 따뜻한 시간 동안 전력 기저부하가 급격히 증가하지만, 바람은 낮보다 밤에 약간 더 많이 부는 경향이 있기 때문이다. 따라서 야간 풍력 발전 가격은 종종 다른 대안보다 훨씬 저렴하다. 미국 내 풍력 보급률이 높은 지역의 비수기 풍력 발전 가격은 2009년 평균 킬로와트시당 1.64센트였지만, 하루 중 가장 저렴한 6시간 동안은 킬로와트시당 0.71센트에 불과했다. 일반적으로 도매 전기료는 낮 동안 킬로와트시당 2~5센트이다. 상업용 연료 합성 회사는 유가가 배럴당 55달러를 초과할 경우 석유 연료보다 저렴하게 휘발유를 생산할 수 있다고 제안한다.

2010년, 미 해군의 헤더 윌라우어가 이끄는 공정 화학자 팀은 100메가와트의 전기로 하루에 의 제트 연료를 생산할 수 있으며, 원자력을 이용한 함정 내 생산 비용은 정도 들 것으로 추정했다. 이는 2010년 석유 연료 비용의 약 두 배였지만, 최근 추세가 계속된다면 5년 이내에 시장 가격보다 훨씬 저렴해질 것으로 예상된다. 더욱이, 항공모함 전투단에 연료를 운송하는 비용이 약 이므로, 함정 내 생산은 이미 훨씬 저렴하다.

윌라우어는 바닷물이 합성 제트 연료의 공급원으로 "최고의 선택"이라고 말했다. 2014년 4월까지 윌라우어 팀은 군용 제트기에 필요한 표준 연료를 아직 만들지 못했지만, 2013년 9월에는 연료를 사용하여 일반적인 2행정 내연 기관으로 구동되는 무선 조종 모형 비행기를 날릴 수 있었다. 이 과정은 많은 전력을 필요로 하므로, 첫 번째 구현 단계는 미국의 원자력 추진 항공모함 (인 니미츠급 항공모함과 제럴드 R. 포드급 항공모함)이 자체 제트 연료를 생산하는 것일 것이다. 미 해군은 2020년대 어느 시점에 이 기술을 배치할 것으로 예상된다.

2023년, NATO 에너지 안보 우수 센터에서 발표한 연구에 따르면, e-연료는 육상, 해상 및 항공 영역 전반에 걸쳐 군사 이동성을 위한 가장 유망한 탈탄소화 경로 중 하나를 제공한다.

 시범 프로젝트 및 상업 개발 
250킬로와트 메탄 합성 공장이 바덴뷔르템베르크주의 태양 에너지 및 수소 연구 센터(ZSW)와 독일의 프라운호퍼 협회에 의해 건설되어 2010년에 가동을 시작했다. 이 공장은 2012년 가을 완공을 목표로 10메가와트로 업그레이드될 예정이다.

조지 앤드루 올라의 이름을 딴 조지 올라 이산화 탄소 재활용 공장은 아이슬란드 그린다비크의 스바르트셍기 발전소에서 배출되는 연도 가스를 재활용하여 2011년부터 연간 200만 리터의 메탄올 운송 연료를 생산하고 있다. 연간 500만 리터를 생산할 수 있는 용량을 갖추고 있다.

아우디는 독일 베를테에 탄소 중립 액화천연가스 (LNG) 공장을 건설했다. 이 공장은 A3 스포트백 g-트론 자동차에 사용되는 LNG를 상쇄하기 위한 운송 연료를 생산할 예정이며, 초기 용량으로 연간 2,800미터톤의 CO2를 환경에서 제거할 수 있다.

전 F1 엔지니어 패디 로우가 설립한 영국 기반 회사인 제로는 재생 에너지로 대기 중 이산화 탄소와 물에서 합성 연료를 개발하는 '페트로합성(petrosynthesis)'이라는 공정을 개발했다. 2022년에는 옥스포드 근처의 비스터 헤리티지에서 시범 생산 공장 건설을 시작했다.

상업 개발은 컬럼비아 (사우스캐롤라이나주), 캐머릴로, 그리고 달링턴 (잉글랜드)에서 진행 중이다. 버클리 (캘리포니아주)의 시범 프로젝트는 회수된 연도 가스에서 연료와 식용유를 모두 합성할 것을 제안한다.

 온실 기체 저감 
탄소 중립 연료는 이산화 탄소 가스가 대기로 방출되는 대신 연료를 생산하는 데 재사용되므로 온실 가스 저감으로 이어질 수 있다. 발전소의 연도 가스 배출에서 이산화 탄소를 포집하면 온실 가스 배출을 제거할 수 있지만, 차량에서 연료를 태우면 배출을 포집하는 경제적인 방법이 없기 때문에 탄소가 방출될 것이다. 이 접근 방식이 모든 화석 연료 발전소에 사용된다면 순 이산화 탄소 배출량을 약 50% 줄일 수 있을 것이다. 대부분의 석탄 발전소와 천연가스 발전소는 연도 배기 가스를 재활용하거나 탄소 격리를 위해 이산화 탄소 스크러버를 사용하여 경제적으로 개조 가능할 것으로 예측되었다. 이러한 재활용은 수행하지 않을 경우 발생하는 과도한 기후 변화의 경제적 영향보다 비용이 적게 들 뿐만 아니라, 전 세계 연료 수요 증가와 석유 생산 정점 부족으로 인해 석유 및 대체 가능한 천연가스 가격이 상승함에 따라 자체적으로 비용을 충당할 것으로 예상된다.

직접 공기 포집으로 알려진 공기에서 직접 CO2를 포집하거나 해수에서 탄산을 추출하는 것도 환경 내 이산화 탄소의 양을 줄이고 새로운 이산화 탄소 배출을 제거하기 위한 폐쇄형 탄소 순환을 생성할 것이다. 이러한 방법의 사용은 연료 생산에 충분한 재생 에너지가 생성될 수 있다고 가정할 때 화석 연료의 필요성을 완전히 없앨 것이다. 합성 탄화수소를 사용하여 플라스틱과 같은 합성 물질을 생산하는 것은 대기 중 탄소를 영구적으로 격리하는 결과를 낳을 수 있다.

 기술 
 전통적인 연료, 메탄올 또는 에탄올 

일부 당국은 전통적인 운송 연료 대신 메탄올을 생산할 것을 권장했다. 메탄올은 상온에서 액체이며 섭취 시 독성이 있을 수 있다. 메탄올은 휘발유보다 옥테인값이 높지만 에너지 밀도가 낮고 다른 연료와 혼합하거나 단독으로 사용할 수 있다. 또한 더 복잡한 탄화수소 및 고분자 생산에도 사용될 수 있다. 칼텍의 제트추진연구소는 메탄올과 산소를 전기로 전환하는 직접 메탄올 연료 전지를 개발했다. 메탄올을 휘발유, 제트 연료 또는 다른 탄화수소로 전환하는 것이 가능하지만, 추가 에너지와 더 복잡한 생산 시설이 필요하다. 메탄올은 전통적인 연료보다 약간 더 부식성이 강하여 자동차 개조에 대략 100달러 정도의 비용이 든다.

2016년, 탄소 스파이크, 구리 나노입자 및 질소를 사용하여 이산화 탄소를 에탄올로 전환하는 방법이 개발되었다.

 미세 조류 

미세 조류로 만든 연료는 잠재적으로 낮은 탄소 발자국을 가질 수 있으며, 현재 활발한 연구 분야이지만, 현재까지 대규모 생산 시스템은 상업화되지 않았다. 미세 조류는 수생 단세포 생물이다. 대부분의 식물과 달리 극히 단순한 세포 구조를 가지고 있지만, 여전히 광합성 독립영양생물이며, 태양 에너지를 사용하여 이산화 탄소를 탄수화물과 지방으로 광합성할 수 있다. 이러한 화합물은 바이오 에탄올 또는 바이오디젤과 같은 바이오 연료의 원료로 사용될 수 있다. 따라서 미세 조류 기반 연료를 에너지로 연소하는 것이 다른 연료와 마찬가지로 배출물을 생성하더라도, 전체적으로 연소 중에 배출되는 이산화 탄소만큼 소비한다면 탄소 중립에 가까울 수 있다.

미세 조류의 장점은 대부분의 식물에 비해 CO2 고정 효율이 높다는 점과 다양한 수생 서식지에서 번성할 수 있는 능력이다. 주요 단점은 높은 비용이다. 독특하고 매우 다양한 화학적 조성이 특정 응용 분야에서 매력적일 수 있다는 주장이 제기되었다.

미세 조류는 단백질 때문에 가축 사료로도 사용될 수 있다. 더욱이 일부 미세 조류 종은 색소 및 의약품과 같은 귀중한 화합물을 생산한다.

 생산 
섬네일|미세 조류 배양에 사용되는 경주로 연못. 동력 패들 휠로 물을 계속 움직이게 한다.
미세 조류를 재배하는 두 가지 주요 방법은 경주로 연못 시스템과 광생물 반응기이다. 경주로 연못 시스템은 물을 순환시키고 침전을 방지하기 위해 패들 휠이 있는 폐쇄 루프 타원형 채널로 구성된다. 채널은 공기에 노출되어 있으며 깊이는 범위이다. 연못은 얕게 유지해야 하는데, 자기 차폐 및 광학 흡수로 인해 조류 배양액을 통한 빛 투과가 제한될 수 있기 때문이다. 광생물 반응기의 배양 배지는 폐쇄된 투명한 튜브 배열로 구성된다. 중앙 저장소가 있어 미세 조류 배양액을 순환시킨다. 광생물 반응기는 경주로 연못 시스템에 비해 제어하기 쉬운 시스템이지만, 전체 생산 비용이 더 많이 든다.

경주로 연못에서 생산된 미세 조류 바이오매스의 탄소 배출량은 에너지 및 영양분 투입이 탄소 집약적이라는 점에서 기존 바이오디젤의 배출량과 비교될 수 있다. 광생물 반응기에서 생산된 미세 조류 바이오매스의 해당 배출량도 비교될 수 있으며 심지어 기존 화석 디젤의 배출량을 초과할 수도 있다. 이러한 비효율성은 시스템 주변에 조류 배양액을 펌프하는 데 사용되는 전력량 때문이다. 공동 생산물을 사용하여 전기를 생산하는 것은 전체 탄소 균형을 개선할 수 있는 전략 중 하나이다. 또한 수자원 관리, 이산화 탄소 처리 및 영양분 공급에서도 환경 영향이 발생할 수 있으며, 이는 시스템 설계 및 구현 옵션을 제한할 수 있는 여러 측면이다. 그러나 일반적으로 경주로 연못 시스템은 광생물 반응기 시스템보다 더 매력적인 에너지 균형을 보여준다.

 경제 
경주로 연못 시스템을 통한 미세 조류 바이오 연료 생산 비용은 노동력, 원자재 및 공과금을 포함하는 운영 비용이 지배적이다. 경주로 연못 시스템에서 재배 과정 중 전기는 총 운영 에너지 요구 사항 중 가장 큰 에너지 비중을 차지한다. 이는 미세 조류 배양액을 순환시키는 데 사용된다. 에너지 비중은 22%에서 79%에 이른다. 대조적으로, 광생물 반응기에서 미세 조류 바이오 연료 생산 비용은 자본 비용이 지배적이다. 이 시스템은 설치 비용이 높지만 운영 비용은 경주로 연못 시스템보다 상대적으로 낮다.

미세 조류 바이오 연료 생산은 화석 연료 생산에 비해 많은 비용이 든다. 미세 조류 바이오 연료 생산 비용 추정치는 약 이며, 이는 기존 휘발유보다 상당히 비싸다. 그러나 차량의 전기화와 비교할 때, 이러한 바이오 연료의 주요 이점은 막대한 양의 전력 에너지 분배(기존 차량을 배터리 전기 기술로 전환하는 데 필요한)와 관련된 비용을 피할 수 있다는 것이다. 이로 인해 기존의 액체 연료 운송 인프라를 재사용할 수 있다. 에탄올과 같은 바이오 연료는 현재 배터리 기술보다 에너지 밀도가 훨씬 높아(약 6배 더 많음) 경제적 타당성을 더욱 높인다.

 환경 영향 
대규모 미세 조류 재배 시설의 건설은 기존 자연 서식지 파괴와 같은 토지 이용 변화와 관련된 부정적인 환경 영향으로 이어질 수밖에 없다. 미세 조류는 특정 조건에서 메테인이나 아산화 질소와 같은 온실 가스 또는 황화 수소와 같은 악취 가스를 배출할 수도 있지만, 현재까지 이에 대한 연구는 널리 이루어지지 않았다. 관리가 제대로 되지 않으면 미세 조류가 자연적으로 생산하는 독소가 주변 토양이나 지하수로 유출될 수 있다.

 생산 
물은 고온에서 전기분해되어 수소 가스와 산소 가스를 형성한다. 이를 수행하는 에너지는 풍력과 같은 재생 가능한 원천에서 추출된다. 그런 다음 수소는 직접 공기 포집으로 포집된 압축 이산화 탄소와 반응한다. 이 반응은 탄화수소로 구성된 청색 원유를 생산한다. 청색 원유는 고효율 E-디젤을 생산하기 위해 정제된다. 그러나 이 방법은 현재 생산 능력으로 몇 달 만에 3,000리터, 즉 미국 일일 연료 생산량의 0.0002%만을 생산할 수 있기 때문에 여전히 논란의 여지가 있다. 또한 이 기술의 열역학적 및 경제적 타당성에 대한 의문이 제기되었다. 한 기사는 이 기술이 화석 연료에 대한 대안을 만들지 않고 재생 에너지를 액체 연료로 전환할 뿐이라고 제안한다. 이 기사는 또한 화석 디젤을 사용한 에너지 투자 대비 에너지 수익률이 e-디젤보다 18배 높다고 명시한다.

 역사 
탄소 중립 연료에 대한 연구는 수십 년 동안 진행되어 왔다. 1965년 보고서는 이동식 연료 저장소를 위해 원자력을 사용하여 공기 중 이산화 탄소에서 메탄올을 합성할 것을 제안했다. 원자력을 이용한 선박 내 합성 연료 생산은 1977년과 1995년에 연구되었다. 1984년 보고서는 화석 연료 발전소에서 이산화 탄소 회수를 연구했다. 1995년 보고서는 탄소 중립 메탄올 사용을 위한 차량 전환과 메탄올-가솔린(MTG) 및 메탄올-올레핀 추가 합성을 비교했다.

 같이 보기 

 각주 
서적 및 보고서

내용주

 추가 자료 
 — 2012년 9월 기준으로 10개의 인용 기사가 있으며, 이 중 다수가 공기 및 연도 회수의 효율성과 비용을 논의한다.
 — 자본 비용을 제외하고 공기에서 톤당 100달러로 CO2를 추출한다고 주장한다.
 

 외부 링크 
 Doty Windfuels (Columbia, South Carolina)
 Cost Model for US Navy Zero Carbon Nuclear Synfuel Process spreadsheet by John Morgan (January 2013; source)
 Interview with Kathy Lewis of the US Naval Research Laboratory

분류:온실 기체
분류:화학공학
분류:환경공학
분류:유기금속화학
분류:온실 기체 감축
분류:이산화 탄소
분류:지속 가능한 기술
분류:합성 연료
분류:대체 에너지 경제