자연을 모방해 미래 에너지를 만들다
중국 연구진이 햇빛만으로 이산화탄소와 물을 유용한 화학 원료로 전환하는 시스템을 개발해 청정에너지 기술의 중대한 진전을 이뤘다. 동료 심사를 거쳐 학술지 네이처 커뮤니케이션스에 발표된 이번 성과는 식물이 햇빛과 물, 대기 중 탄소를 이용해 에너지를 만드는 자연의 과정인 광합성에서 영감을 얻었다.
중국과학원과 홍콩과학기술대학교 과학자들로 구성된 연구팀은 소량의 전기에너지를 저장할 수 있는 특수 소재를 만들었다. 이 에너지 저장 기능은 화석연료에 의존하지 않고 이산화탄소를 유용한 화합물로 바꾸는 데 필요한 화학 반응을 일으키는 데 필수적이다.
이산화탄소 전환을 촉진하는 촉매와 결합하면 태양에너지를 이용해 일산화탄소를 생산할 수 있다. 이 중간 화학물질은 액체 탄화수소 연료로 추가 가공할 수 있어 항공과 해운 등 전기화가 여전히 어려운 부문에 동력을 공급할 잠재적 경로를 제시한다.
인공 광합성의 원리
광촉매 작용 또는 인공 광합성으로 불리는, 햇빛을 이용해 이산화탄소를 연료로 전환하는 과정은 오랫동안 청정에너지 연구의 목표였다. 자연 광합성에서 식물은 이산화탄소와 물로 당을 만들어 화학 결합에 태양에너지를 저장한다. 과학자들은 석유 제품을 대체할 지속가능한 연료를 만들기 위해 실험실에서 이 효율을 재현하려 노력해 왔다.
중국 연구팀은 인공 광합성의 핵심 난제인 여러 복잡한 화학 반응을 동시에 연결해야 하는 문제를 해결했다. 자연계는 광생성 전자를 일시적으로 저장하는 정교한 생물학적 메커니즘을 사용해 서로 다른 반응 단계 사이에서 에너지가 효율적으로 전달되도록 한다. 연구진은 전하 저장고 역할을 하는 은 변형 삼산화텅스텐 소재를 설계해 이 전략을 재현했다.
연구팀은 발표한 논문에서 이번 성과의 핵심 전략을 설명했다.
이번 연구는 효율적인 이산화탄소 광환원을 위한 생체모방 전하 저장고 전략을 확립하고, 태양연료 생산에 보편적으로 적용할 수 있는 방법을 제시한다.
이 소재는 빛을 받는 동안 전자를 저장했다가 필요할 때 방출해 화학 반응을 일으킨다. 지속가능성이 낮은 경우가 많은 유기 희생제를 사용하는 방식과 비슷한 성능을 보이면서도 다양한 촉매와 결합해 폭넓게 적용할 수 있다. 자연광 조건에서도 이 소재는 전환 반응을 성공적으로 유도해 인공 조명이나 외부 전력 없이 실제 태양연료 생산에 활용할 수 있음을 입증했다.
격화하는 글로벌 경쟁
중국의 이번 성과는 실용적인 태양연료 기술 개발을 둘러싼 국제 경쟁이 치열해지는 가운데 나왔다. 전 세계 연구진은 각기 다른 기술 전략과 목표 응용 분야를 바탕으로 대기 중 이산화탄소를 유용한 에너지 운반체로 전환하는 연구를 병행하고 있다. 이러한 동시다발적 진전은 수십 년간의 실험실 연구 끝에 이 기술이 상용화에 가까워지고 있음을 시사한다.
스위스에서는 알도 슈타인펠트 교수가 이끄는 취리히연방공과대학교 연구진이 주변 공기에서 이산화탄소와 물을 직접 추출하는 산업용 플랜트를 개발했다. 이 시설은 집광한 태양에너지로 두 물질을 분해해 수소와 일산화탄소의 혼합물인 합성가스를 생산하고, 이를 등유와 메탄올로 추가 가공한다. 태양에너지로 만든 등유는 연소 과정에서 생산 중 흡수한 양만큼의 이산화탄소만 배출해 탄소중립을 달성한다. 이 기술은 상용화가 가능한 수준까지 발전했으며, 독일에 산업 규모 생산시설을 건설하기 위한 자금도 확보했다. 이 시설은 공정의 경제성을 입증할 것으로 기대된다.
일본 연구진도 다른 접근법으로 기존 효율 기록을 갈아치웠다. 도쿄과학대학교와 히로시마대학교 과학자들은 기존 방식보다 수소 생산 활성을 최대 60배 높이는 새로운 납 기반 옥시할라이드 광촉매를 개발했다. 이 소재는 수소 생산에서 약 15%, 이산화탄소를 액체 연료인 포름산으로 전환하는 과정에서 10%의 기록적인 양자수율을 보였다. 연구를 공동으로 이끈 마에다 가즈히코 교수는 구조 개선의 의미를 설명했다.
이번 연구는 광촉매로서 옥시할라이드의 잠재력을 온전히 끌어내기 위해 형태를 제어하는 일이 중요하다는 점을 보여준다.
한편 케임브리지대학교 연구진은 특수 필터로 대기 중 이산화탄소를 포집하는 태양광 구동 흐름 반응기를 개발했다. 이 장치는 밤에 이산화탄소를 흡수하고 햇빛을 받으면 이를 합성가스로 전환한다. 외부 전원이나 케이블, 배터리 없이 작동한다. 거울로 햇빛을 모아 화학 반응을 일으키는 이 방식은 전력망과 연결되지 않은 외딴 지역에서도 연료를 생산할 수 있는 분산형 대안을 제시한다.
인도 과학자들도 이 세계적 노력에 기여하고 있다. 첸나이 힌두스탄 공과과학연구소의 인드라짓 쇼운 교수는 햇빛을 받아 이산화탄소를 연료 원료인 아세트알데히드로 전환하는 아연·황 기반 소재를 개발했다. 이 시스템은 특수 조명 장비 대신 일반 햇빛을 사용하면서도 기존 방식보다 약 200배 높은 효율로 작동한다. 쇼운 교수는 연구의 실용적 목표를 강조했다.
이번 연구의 목적은 과학적 진보에 그치지 않고 지구를 돕는 실질적인 방법을 찾는 데 있다.
각국에서 이뤄지는 이러한 성과는 여러 독립적인 경로를 통해 태양연료 기술이 성숙 단계에 이르고 있으며, 그중 적어도 한 가지 방식이 상업적 성공을 거둘 가능성이 커지고 있음을 보여준다.
항공과 해운을 겨냥하다
이 기술의 잠재적 활용 분야는 일반적인 교통수단을 넘어 전기화가 특히 어려운 부문까지 확장된다. 항공, 해운, 중공업은 높은 에너지 밀도와 기존 인프라와의 호환성 때문에 액체 탄화수소 연료에 크게 의존한다. 이들 부문은 전 세계 이산화탄소 배출량에서 상당한 비중을 차지하지만, 배터리 전기나 수소 연료전지 기술로 쉽게 전환하기 어렵다.
항공 부문의 탈탄소화는 특히 큰 난관에 부딪혀 있다. 항공기는 적정한 무게와 항속거리를 유지하려면 에너지 밀도가 매우 높은 연료가 필요하다. 현재의 배터리 기술로는 장거리 비행에 필요한 에너지를 충분히 저장할 수 없으며, 배터리 무게가 지나치게 늘어나면 상업 운항이 불가능해진다. 항공 산업은 현재 인위적 배출 이산화탄소의 약 3%를 차지한다. 2035년까지 연간 여객 수가 75억 명으로 늘어나면서 이 비중도 커질 것으로 전망된다.
태양에너지로 생산한 연료는 기존 화석연료를 별도 개조 없이 대체할 수 있어 유력한 해법으로 꼽힌다. 이산화탄소와 햇빛으로 만든 등유는 기존 항공기 엔진에 그대로 사용할 수 있고, 메탄올은 선박 연료나 의약품 생산용 화학 원료로 활용할 수 있다. 이 연료들은 생산 과정에서 포집한 이산화탄소만 배출하므로 기존 연료 유통 인프라를 활용하면서 대기에 새로운 온실가스를 더하지 않는 탄소 순환을 이룬다.
국제항공운송협회는 2050년 탄소중립 달성을 위해 지속가능 항공연료가 필수라고 밝혔다. 국제에너지기구는 지속가능 항공연료가 2030년 항공 연료 수요의 10%, 2040년에는 약 20%를 충족할 수 있다고 전망한다. 그러나 현재 전체 연료 소비량에서 지속가능 연료가 차지하는 비중은 0.1%에도 못 미친다. 실험실과 시범 사업에서 기술이 입증되고 있지만, 목표를 달성하려면 생산 규모를 대폭 확대해야 한다.
상용화의 장벽
과학적 진전이 눈부시지만 태양연료 기술의 폭넓은 도입을 가로막는 장애물은 여전히 크다. 상용화의 가장 큰 장벽은 비용이다. 스위스 연구진은 태양에너지로 생산한 등유의 대량 생산 비용이 리터당 1.35~2.20달러에 이를 것으로 추산한다. 기존 항공유와 경쟁할 수 있는 수준에 가까워지고 있지만, 산업 규모 시설을 짓는 데 필요한 초기 투자액이 크고 초기 투자자에게 위험 부담이 된다는 점이 보급을 어렵게 한다.
지리적 여건도 생산 잠재력을 제한한다. 태양연료 생산에는 풍부한 햇빛이 필요해 사막 지역이 시설 입지로 적합하다. 그러나 외딴 사막에서 생산한 연료를 주요 교통 거점까지 운송하려면 상당한 인프라 투자와 물류 조정이 필요하다. 농업용 토지를 놓고 식량 생산과 경쟁하는 경우가 많은 바이오연료와 달리 태양연료는 경작이 어려운 사막을 활용할 수 있다. 일사량이 높은 지역의 이점을 취하면서 귀중한 농경지를 작물과 가축을 위해 보존할 수 있다.
전환 효율과 시스템 내구성을 높이는 기술적 과제도 남아 있다. 최근의 성과는 이전 기술보다 크게 개선됐지만, 현재 시스템은 여전히 가용 태양에너지의 일부만 화학 결합으로 전환한다. 비교를 위해 보면 자연 광합성의 효율은 약 1%이며, 사이언스에 발표된 연구에 따르면 최근 실험실에서는 특정 반응 단계에서 13~15%의 효율을 달성했다. 앞으로는 더 효율적인 촉매를 개발하고 전하 분리 메커니즘을 개선하며, 온도와 습도가 일정한 통제된 실험실뿐 아니라 실제 환경에서도 안정적으로 작동하는 시스템을 만드는 데 연구를 집중해야 한다.
실험실의 성과와 상용화 사이의 간극을 좁히려면 정책적 지원이 중요해 보인다. 연구자들은 항공사에 지속가능한 원료에서 생산한 연료를 일정 비율 이상 조달하도록 하는 할당제를 도입해 확실한 수요를 보장하고, 이를 통해 인프라 투자를 정당화할 것을 제안한다. 이러한 규제 체계는 생산량 확대를 통해 비용을 낮추고 보급을 앞당길 수 있다. 지난 20년간 태양광 패널과 풍력 터빈의 비용을 성공적으로 낮춘 사례를 따르는 방식이다.
핵심 내용
- 중국 과학자들은 은 변형 삼산화텅스텐을 이용해 햇빛으로 이산화탄소와 물을 연료 전구체로 전환하는 식물 모방 시스템을 개발했으며, 연구 결과를 네이처 커뮤니케이션스에 발표했다.
- 이 기술은 전기에너지를 저장해 화학 반응을 일으키는 전하 저장고 전략을 사용해 지속가능성이 낮은 희생제를 필요로 하지 않는다.
- 스위스, 일본, 영국, 인도에서도 서로 다른 접근법과 효율 수준으로 태양연료 기술을 연구하고 있다.
- 태양연료는 높은 에너지 밀도가 필요해 전기화가 어려운 항공과 해운 부문의 탈탄소화에 특히 유망하다.
- 태양에너지로 생산한 등유의 현재 비용 추정치는 리터당 1.35~2.20달러이며, 대규모 생산에는 상당한 인프라 투자가 필요하다.
- 국제에너지기구는 생산 규모 확대의 과제를 해결하면 지속가능 항공연료가 2030년 수요의 10%, 2040년에는 20%를 충족할 수 있다고 전망한다.
