[이상엽의 공학이야기] 분야별 탄소 배출과 대응

현재 약 500억t의 온실가스를 배출하는 세계는 기후위기에 대한 대응으로 탄소중립정책을 추진 중이다. 따라서 어디서 얼마나 온실가스가 배출되는지를 살펴보고 각 분야에 맞는 감축 방안을 마련하는 것이 중요하다. 2016년 클라이미트워치와 세계자원연구소의 자료를 바탕으로 ‘아워월드인데이터(Our World in Data)’가 잘 정리한 데이터를 통해 알아보자. 산업생산, 수송, 건물 냉난방 등 에너지 사용으로 인한 온실가스 배출이 전체 배출량의 73.2%였다. 농업, 산림과 토지 이용으로 배출된 온실가스는 18.4%였으며, 산업생산에 투입되는 에너지에 의해 발생되는 온실가스를 제외하고 직접적인 산업생산으로 인해 배출되는 온실가스는 5.2%였다. 또 시멘트산업에서 3%, 화학산업에서 2.2%, 매립지와 하수처리에서 3.2%가 발생했다.

이상엽 카이스트 특훈교수

가장 많은 온실가스를 발생시키는 것은 에너지 사용이다. 산업생산에 사용된 에너지에 의한 것이 24.2%인데 철강산업에서 7.2%, 화학 및 석유화학산업에서 3.6%, 음식과 담배산업에서 1%, 제지산업에서 0.6%, 기계산업에서 0.5%, 기타 산업에서 10.6%를 배출했다. 수송에너지 사용으로는 16.2%를 배출했는데 육지수송 11.9%, 항공수송 1.9%, 선박수송 1.7%, 열차수송 0.4%, 파이프라인 수송이 0.3%였다. 건물에 사용된 에너지에 의한 배출은 17.5%였는데 주거건물에서 10.9%, 상업건물에서 6.6%를 배출했다. 농업과 어업에 투입된 에너지에서 배출된 양은 1.7%였으며 기타 에너지 소비가 13.6%였다.

우선 건물에서 사용되는 에너지에서의 온실가스 감축 방안을 살펴보자. 국제에너지기구는 전 세계적으로 에너지 소모 증가율이 가장 높은 것이 건물 냉방이며, 현재 기술 적용 시 2050년까지 냉방에 필요한 에너지가 3배 증가할 것으로 예측했다. 따라서 고효율의 히트펌프 활용이 더욱 증가되어야 한다. 히트펌프는 냉매의 기화와 액화를 반복하며 그때 나오는 발열 또는 응축열을 이용해 원하는 곳에서 열교환을 하여 냉난방을 하는 장치다. 특히 초임계 이산화탄소 등 효율적인 냉매들이 개발돼 활용되고 있으며, 원하는 온도 영역에 특화된 히트펌프의 최적화된 연결 등 공학적 접근법으로 보다 더 효율이 높은 히트펌프들이 개발되고 있다.

다음은 수송분야를 살펴보자. 작년 코로나19로 자동차 판매가 전반적으로 많이 줄었던 상황에서도 전기자동차, 플러그인 하이브리드차, 수소차 등 친환경차는 전 세계적으로 총 294만여대가 판매되어 2019년(203만여대)에 비해 약 45%의 높은 증가율을 보였다. 그래도 전 세계의 한 해 자동차 생산량이 약 7800만대 되는 것을 감안하면 전기차는 아직 3.8% 정도밖에 되지 않는다. 하지만 전기자동차를 충전하는 전기가 신재생에너지에서 오지 않고 화석연료로부터 온 것이면 도로 위의 미세먼지 발생량을 줄이는 효과는 있지만 온실가스 배출 감축에는 전혀 효과가 없다. 오히려 에너지 변환에 따른 효과까지 따지면 역효과가 난다고 하겠다. 수소의 생산과 저장에 관한 기술과 시스템 개발이 매우 빠른 속도로 발전함에 따라 수소 생산단가 문제가 해결되면 수소차도 기대된다. 어쨌든 현재 전 세계 자동차의 수가 약 14억대라는 것을 감안하면 전기차와 수소차 등 친환경차로 대체하기까지는 시간이 많이 걸릴 것이다.

반면 항공수송분야는 이야기가 다르다. 전기비행기는 많은 노력에도 불구하고 아직 실제 수송용으로 사용하지 못한다. 배터리의 에너지 밀도는 ㎏당 약 250Wh인데 항공기를 띄우려면 ㎏당 약 800Wh가 필요하다. 항공유인 제트연료의 에너지 밀도가 ㎏당 약 1만2000Wh인 것을 감안하면 배터리 기술에서 획기적인 변혁이 일어나지 않으면 빠른 비행과 장기리 비행은 쉽지 않다. 이에 대안으로 제시된 것이 바이오 제트연료이다. 미생물을 대사공학적으로 개량해 현재 사용되는 화석연료 유래의 제트연료를 대신할 바이오 제트연료의 생산이 가능하다. 특히 값이 비싼 비행기는 최소 25년 이상 사용하는 것을 감안하면 기존 비행기를 운행할 연료는 친환경 바이오 제트연료가 답이다.

이상과 같이 분야별로 온실가스 감축을 위한 전략에는 각기 다른 공학적 접근법을 적용해야 한다. 각각의 섹터에 맞는 전략을 개발·적용해 탄소중립에 이르기 위한 노력을 기울여야 할 때이다.

이상엽의 공학이야기 탄소 배출