“바닷속 이산화탄소를 돌로 바꾼다”···카이스트, 해양 탄소 제거 기술 개발

카이스트 연구진이 개발한 해양탄소 제거 기술 개요. 카이스트 제공

바닷물 속에 있는 이산화탄소를 돌의 형태로 바꿔 다시 대기로 나오지 못하도록 영구 저장하는 기술이 개발됐다. 최대 탄소저장고인 바다의 탄소 흡수·저장 용량을 늘릴 수 있는 기술이다.

카이스트(KAIST)는 고동연 생명화학공학과 교수 연구팀이 앨런 해튼 미국 매사추세츠공대(MIT) 화학공학과 교수 연구팀과의 공동 연구로 ‘전기화학 기반 해양 탄소 제거’ 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

연구팀이 개발한 탄소 제거 기술을 이용하면 바닷물에 녹아 있는 용존무기탄소를 돌(광물)로 바꿔 사실상 영구 저장할 수 있다. 바닷속 탄소를 대기로 돌아갈 수 없는 상태로 만드는 것으로, 바다가 계속해서 새로운 이산화탄소를 흡수하도록 돕는다.

바다는 지구 상에서 인위적으로 배출되는 이산화탄소의 약 30%를 흡수하는 탄소 저장고로 알려져 있다. 탄소 흡수 능력이 무한하지 않기 때문에 바닷물 속 이산화탄소를 제거해야 바다가 대기 중 이산화탄소를 다시 흡수하게 된다.

기존에 전기화학 실험에 쓰는 H형 전기분해 셀을 이용해 탄소를 광물로 바꾸는 기술이 개발돼 있지만 전극 간 거리가 멀어 전기 저항 손실이 크고, 생성된 광물이 전극 표면에 쌓이는 ‘스케일링 현상’으로 단시간에 성능이 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 속이 빈 실 모양의 전극을 묶어 만든 ‘중공사 전극 조립체’를 만들어 광물이 전극에 달라붙지 않고 바깥에서 만들어지도록 하는 장치 구조를 설계했다. 광물이 전극 표면이 아니라 바깥쪽에서 생성되고, 전극에서 발생하는 수소 기포가 칫솔처럼 전극 표면을 계속 닦아주는 역할을 해 광물이 달라붙는 것을 막아주기 때문에 탄소 포집 성능과 안정성, 에너지 효율을 높일 수 있는 구조다.

연구팀은 제주 용암 해수를 이용한 실험으로 실제 성능도 확인했다. 장치를 120시간 이상 안정적으로 연속 운전하면서 기존 기술보다 전력 소비를 최대 54% 줄였고, 바닷물 속 용존무기탄소를 80~90% 제거하는 효과가 있었다.

이번에 개발된 장치는 소형·모듈형으로 제작할 수 있어 선박이나 해양플랜트 등에 설치해 활용할 수 있고, 향후 대규모 해양 탄소 제거 시스템으로 확대할 수 있을 것으로 기대된다.

고동연 카이스트 교수, 앨런 해튼 MIT 교수, 박인환 카이스트 박사과정생, 이영훈 MIT 박사(왼쪽부터). 카이스트 제공

고 교수는 “이번 연구는 전극 막힘과 에너지 효율이라는 전기화학 탄소 포집의 두 가지 난제를 구조 설계로 해결했다는 점에 의의가 있다”면서 “해양 환경에서의 대규모 실증으로 연구를 확장하면 해양 탄소 제거 기술 상용화를 앞당기고, 탄소중립 사회 실현에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

카이스트 생명화학공학과 박인환 박사과정생과 MIT 이영훈 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 온라인판에 실렸다.

이종섭 기자 nomad@kyunghyang.com