지속가능발전목표

게시 날짜 : 09 October 2024

작성자 : Shweta Singh

인공 광합성은 어떨까요?

늘어나는 연료 수요를 충족시킬 수 있을까요?

석유 수요는 끊임없이 증가하고 있으며, 에너지 수요 증가로 인해 석유 소비량은 감소할 것으로 예상되지 않습니다. 그러나 석유 수요가 증가하는 가운데, 유가 상승, 석유 오염 심화 등 여러 요인이 석유 사용에 영향을 미치고 있습니다. 더욱이 지정학적 사건 또한 석유 공급에 차질을 초래했습니다. 러시아의 우크라이나 전쟁은 석유 수요 변동을 야기한 대표적인 사례입니다. 이러한 석유 수요를 충족하기 위해 대체 에너지원의 사용이 증가하고 있습니다. 최근 몇 년 동안 기존 화석 연료에 대한 선호도가 높아지는 추세이지만, 천연 자원의 고갈이 심화됨에 따라 더 많은 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 매년 약 870억 달러 상당의 천연 자원이 고갈되고 있습니다. 다양한 대체 에너지원 중 인공 광합성은 최근 연구가 활발히 진행되고 있는 새로운 기술입니다.

인공 광합성은 어떻게 석유를 생산하는가?

과학자는 인공 광합성을 이용하여 물, 이산화탄소, 햇빛을 활용해 석유를 성공적으로 생산했습니다. 연구자들은 이러한 천연 자원을 이용하여 태양 에너지를 화학 에너지로 변환하고 연료 결합에 저장하는 시스템을 개발할 수 있었습니다. 인공 광합성은 메탄올 (CH3OH), 포름산 (HCOOH), 일산화탄소 (CO), 메탄 (CH4) 과 같은 탄화수소 형태의 연료나 순수 수소 연료 등 다양한 종류의 연료를 생산할 수 있습니다. 이 과정에 사용되는 장치로는 광전기화학 전지 또는 광전지 결합 전해조 등이 있습니다.

과정을 자세히 이해하기

• 1. 첫 번째 주요 공정은 광촉매와 햇빛을 이용하여 물을 탄화수소와 산소로 분해하는 것입니다. 광촉매는 이 과정에서 매우 중요한 역할을 합니다. 전기의 도움 없이, 물에 잠긴 판 형태의 촉매에 빛을 집중시키면 물이 수소와 산소로 분해됩니다. 태양 에너지를 이용하기 때문에, 이 방식은 생산 과정 전반에 걸쳐 이산화탄소를 발생시키지 않는다는 장점이 있습니다.
• 2. 또한, 방출된 수소와 산소의 혼합 가스에서 수소를 분리하기 위해 분리막이 사용됩니다. 수소와 산소는 결합 시 폭발성이 있으므로 수소와 산소를 적절하고 안전하게 분리하는 것이 필수적입니다.

연료가 생성된 응용 프로그램

인공 광합성이 사용될 수 있다

• 교통 분야 – 최근 배터리로 작동하는 전기 자동차 에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 그러나 배터리는 연료 탱크보다 훨씬 무겁고 공간을 많이 차지합니다. 따라서 연료를 대체하지 않으면서 지구 온난화에도 영향을 미치지 않는 해결책이 필요했습니다. 이러한 배경에서 인공 광합성 연구가 활발해지고 있습니다.
• 전력 생산 – 2010년부터 2021년까지 전 세계 전력 수요는 약 380 TWh 증가했습니다. 2022 년 상반기 수요는 같은 기간 약 13,000 TWh에서 약 13,390 TWh로 급증했습니다. 인공 광합성을 통해 생산된 수소는 전력 생산에 활용될 수 있습니다. 비록 아직 대규모 프로젝트에는 적합하지 않지만, 연구 결과에 따르면 이 기술이 더욱 발전한다면 머지않아 사람들의 전력 수요를 충족시킬 수 있을 것으로 예상됩니다. 또한, 인공 광합성을 이용한 플라스틱 생산에 대한 연구도 진행되고 있습니다. 합성 플라스틱은 재생 가능한 소재로 완전히 대체될 것으로 예측됩니다. 휴대폰, 노트북, 각종 의료기기 등 플라스틱 코팅으로 만들어진 다양한 제품들이 재생 가능한 플라스틱으로 대체될 것입니다.

자연과 차이

광합성과 인공 광합성

자연 광합성은 햇빛, 물, 이산화탄소로부터 포도당과 산소를 ​​생성하는 반면, 인공 광합성은 태양 에너지를 태양 연료의 화학 결합에 저장하는 과정을 포함합니다. 따라서 인공 광합성의 세 가지 주요 과정은 자연 광합성의 세 가지 과정과 동일합니다. 즉, 빛을 흡수하여 들뜬 상태에 도달하는 과정, 반응, 전하 분리, 그리고 화학적 변환을 통해 연료를 생산하는 과정입니다.

어느 지역에서 더 많이 플레이하고 있나요?

인공 광합성에 대한 강조?

아시아 태평양 지역은 석유 수요가 높아 화석 연료로 인한 오염이 심각한 수준입니다. 예를 들어, 아시아 태평양 지역의 석유 소비량은 2012년 하루 약 3천만 배럴에서 2021년에는 거의 3천6백만 배럴로 증가했습니다. 이에 따라 이 지역에서는 인공 광합성 기술 도입을 촉진하기 위한 다양한 노력이 진행되고 있습니다. 2022년 일본은 전 세계 탄소 배출량 감축에 혁명을 일으킬 것으로 기대되는 신기술인 인공 광합성을 활용한 대규모 실험을 위한 기본 틀을 마련했습니다. 일본 정부의 지원을 받는 이 실험은 2030년 실전 배치를 목표로 도쿄대학교가 미쓰비시화학, 도요타자동차 등 여러 기업 및 연구기관과 협력하여 진행할 예정입니다. 화학 회사들이 해당 기술에 동의하도록 함으로써 2040년까지 상용화를 달성하는 것이 목표입니다. 또한, 2020년 미국 에너지부(DOE)는 인공 광합성(햇빛으로부터 연료를 생산하는 과정)을 향상시키기 위해 5년간 1억 달러를 두 건의 새로운 연구에 지원할 것이라고 발표했습니다.

인공 광합성 시장 전망

인공 광합성 분야는 2035 년 말까지 2억 5,800 만 달러 의 최대 매출을 창출할 것으로 예상됩니다. 2022년 매출은 약 6,800 만 달러 였습니다. 이러한 성장세는 2023년부터 2035년까지 연평균 약 17% 에 달할 것으로 전망 됩니다.

인공 광합성의 추가 연구

현재 사용되는 인공 광합성 기술은 자연적인 광합성 과정보다 효율성이 훨씬 떨어지기 때문에 개선이 지속적으로 이루어지고 있습니다. 인공 광합성에 사용되는 분자 나노입자는 기존 태양광 패널 기술보다 가격이 저렴하고 가벼우며 환경친화적이라는 점이 이 기술의 발전을 촉진하는 요인 중 하나입니다. 기존 에너지원에 대한 의존도를 줄이기 위해 인공 광합성의 활용이 증가할 것으로 예상됩니다. 또한, 이 기술은 이산화탄소를 흡수하고 산소를 생성하기 때문에 지구 온난화의 영향을 되돌리는 데 기여할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 인공 광합성으로 생성된 수소는 개량된 내연기관이나 하이브리드 전기 자동차의 연료 전지에 사용될 수 있습니다. 더 나아가, 식품 생산에 필수적인 암모니아를 생산하는 비화석 화학 원료로도 활용될 수 있습니다.

결론

인공 광합성은 에너지 수요를 충족시킬 것으로 기대되지만, 인구 증가에 따른 에너지 수요는 무한정 증가하고 있습니다. 따라서 수요가 계속 증가한다면, 매년 변화하는 에너지 소비량에 맞춰 인공 광합성만으로는 필요한 에너지를 공급할 수 없을 것입니다. 이 과정은 아직 연구가 진행 중인 새로운 기술입니다. 따라서 화석 연료에 대한 의존도는 그대로 유지될 수 있으며, 다른 대안의 등장으로 인해 인공 광합성의 발전은 저해될 수 있습니다. 하지만 정부의 적극적인 지원은 연구 활동을 촉진하는 데 도움이 될 것입니다. 더욱이, 기술 및 연구의 발전으로 화학자들은 기존 시스템보다 10배 더 효율적인 인공 광합성 시스템을 개발했습니다.