이산화탄소 배출과 지구온난화에 대해서
이산화탄소가 유발하는 지구 온난화 효과
지구 온난화에서 이산화탄소가 중요한 이유
이산화 탄소를 배출하는 원인
대기중의 이산화탄소를 줄이려면?
이산화탄소가 유발하는 지구 온난화 효과
대기중의 이산화탄소 비율은 0.04%로 420ppm 라고 합니다.
매년 2ppm씩 증가하고 있습니다. 마우나로아 관측소에서 1950년대 최초로 측정한 값이 약 315ppm 이었다고 하네요
이산화탄소가 열을 잡아놓는 매커니즘
- 이산화탄소는 태양빛을 흡수해서 흡수한 열을 적외선 형태로 방출한다.
- 이산화탄소가 방출한 적외선은 다시 다른 이산화탄소가 흡수하고 모든 방향으로 방출한다.
- 이 과정이 반복되면서 지구 대기를 벗어나는 열이 줄어들고, 온실효과를 만들어냄
이산화탄소의 온실효과
- '열을 잡아 놓는 매커니즘으로 보아 이산화탄소 농도의 증가는 지수함수 형태로 기온을 올리게 될 것 같다.'는 생각을 확인하고 싶었는데 확인하지 못했다.
- 내가 못찾은 걸 수도 있겠지만, 이산화탄소가 유발하는 온실효과를 실험을 통해서 측정하고 공식으로 정리한 연구 결과를 온라인에서 찾을 수는 없다. AI도 못가져오더라
- 하지만, 초등학생들 연구과제? 등으로 진행되는 실험 안내 문서도 있고, 여러 블로그에 실험해서 게시해 놓은 초등학생들이 있다. 그런데 pet 병에 드라이아이스를 녹여, 거의 이산화탄소로 가득 채워서 농도도 측정할 수 없고, 단순히 온도가 올라가는 부분을 증명하는 실험이다.
지구 온난화에서 이산화탄소가 중요한 이유
1. 대기 중 농도가 높고 전 지구적으로 균일
- 높은 농도:
- CO₂는 대기 중에서 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O) 등 다른 온실가스보다 훨씬 더 높은 농도를 가집니다.
- 현재 CO₂ 농도: 약 420ppm, 메탄: 약 1.9ppm, 아산화질소: 약 0.3ppm.
- 전 지구적으로 퍼져 있음:
- CO₂는 다른 온실가스들처럼 국지적으로 집중되지 않고, 전 세계 대기에 균일하게 분포하여 지구 전체에 영향을 미칩니다.
2. 대기에서의 체류 시간이 매우 길다
- CO₂는 대기 중에 머무르는 기간이 수백 년에 달하며, 일부는 수천 년 동안 남아 있습니다.
- 반면, 메탄(CH₄)은 약 10~12년, 수증기(H₂O)는 며칠에서 몇 주 정도 체류합니다.
- 긴 체류 시간 때문에 CO₂는 지구 에너지 수지에 장기적이고 지속적인 영향을 미칩니다.
3. 인간 활동에 의해 주로 배출
- CO₂는 화석 연료 연소(석탄, 석유, 가스), 산림 벌채, 시멘트 생산 등 인간 활동에서 가장 많이 배출됩니다.
- 전체 온실가스 배출량 중 약 **76%**가 CO₂에서 비롯됩니다.
- 이는 인간이 직접 통제하고 감축할 수 있는 주요 대상이 됨을 의미합니다.
4. 기후 변화의 "스위치" 역할
- CO₂는 기온 상승을 유발하여 **수증기(H₂O)**와 같은 강력한 온실가스의 양을 간접적으로 증가시킵니다.
- 예를 들어:
- CO₂ 농도가 증가 → 기온 상승 → 수증기 증발량 증가 → 추가적인 온실효과.
- 이는 CO₂가 온난화를 촉진하는 "기본적인 촉매" 역할을 한다는 점을 보여줍니다.
5. 복사 강제력에 미치는 영향
- 복사 강제력(Radiative Forcing):
- CO₂의 복사 강제력은 온실가스 중 가장 크며, 이는 대기 중 CO₂가 지구로 방출되는 열 복사를 흡수하고 재방출하는 능력을 의미합니다.
- CO₂ 농도가 증가하면 복사 강제력이 비례적으로 상승하여 온도 상승을 초래합니다.
6. 감축의 실질적 효과
- CO₂는 인간 활동의 결과로 가장 많이 배출되고, 농도가 가장 높으며, 장기간 대기에 남아 있기 때문에, CO₂를 줄이는 것이 지구 온난화 완화에 가장 직접적이고 실질적인 효과를 가져옵니다.
비교: CO₂와 다른 온실가스
| CO₂ | CH₄ | H₂O | N₂O | |
| 농도(ppm) | 약 420 | 약 1.9 | 지역별 변동 | 약 0.3 |
| 체류 시간 | 수백~수천 년 | 약 10~12년 | 며칠~몇 주 | 약 114년 |
| 복사 강제력 | 중간 | 강함 | 매우 강함 | 강함 |
| 인간 기여 비중 | 매우 큼 | 크지만 적음 | 간접적 영향 | 작음 |
위에선 복사강제력이 가장 크다고 했는데 이 표에서 복사강제력이 중간으로 표시되는 이유는 전체 지구에서 영향이 가장 크고, 단위당 효과를 표시하기 때문이라고 한다.
이산화탄소가 대기중에 존재하는 시간이 가장 길기 때문에 온실효과를 발생시키는 주요 원인이다. 늘리고 줄이고 하는 것도 대부분의 사람의 활동에 의해 영행을 받기 때문에 지구 온난화 관리에 가장 집중해야 하는 부분이다.
이산화 탄소를 배출하는 원인
먼저 이산화탄소 배출 원인을 비율 순서대로 정리 합니다.
1. 화석 연료 연소 (전력 및 열 생산)
- 비율: 약 42%
- 내용: 전력 및 열 생산 과정에서 석탄, 석유, 천연가스의 연소가 주요 원인.
- 사례: 발전소(석탄화력, 가스발전), 난방 시스템.
2. 산업 활동
- 비율: 약 19%
- 내용: 시멘트 제조, 철강 생산, 화학 공정 등 산업 공정에서 발생.
- 사례: 시멘트 생산 시 석회석 분해 과정에서 CO₂ 배출, 철강 생산 시 고로 공정.
3. 교통 (자동차, 항공, 선박)
- 비율: 약 16%
- 내용: 자동차, 트럭, 선박, 항공기 등 교통수단의 연료 연소로 인해 발생.
- 사례: 자동차 운행, 항공 여행, 해상 운송.
4. 농업 및 토지 이용 변화
- 비율: 약 15%
- 내용: 산림 파괴, 가축 사육, 논농사 등에서 발생.
- 사례: 산림 벌채로 탄소 흡수량 감소, 가축 사육에서 나오는 메탄(CH₄)이 간접적으로 CO₂로 환산됨.
5. 건물 (난방, 냉방, 전기 사용)
- 비율: 약 7%
- 내용: 건물에서 사용하는 전기와 난방 시스템이 화석 연료를 기반으로 할 경우 발생.
- 사례: 에어컨 사용, 가스 보일러 난방.
6. 폐기물 처리
- 비율: 약 3%
- 내용: 쓰레기 매립지에서 유기물이 분해될 때 발생하는 메탄과 일부 CO₂.
- 사례: 음식물 쓰레기, 생활 폐기물.
요약
순위발생 원인비율주요 사례
| 1 | 화석 연료 연소 | 42% | 발전소, 난방 시스템 |
| 2 | 산업 활동 | 19% | 시멘트 제조, 철강 생산 |
| 3 | 교통 | 16% | 자동차, 항공기, 선박 |
| 4 | 농업 및 토지 이용 변화 | 15% | 산림 벌채, 가축 사육 |
| 5 | 건물 | 7% | 냉난방, 전기 사용 |
| 6 | 폐기물 처리 | 3% | 쓰레기 매립, 음식물 쓰레기 |
역시 발전과 난방에서 발생시키는 이산화탄소 양이 가장 많네요.
저 표에 포함되지 않은 효과가 하나 더 있는데 지구의 기온이 올라가면 바다에 녹아있던 이산화탄소가 대기중으로 다시 풀려나게 됩니다. 현재 1.5도 올라간 기온을 감안하면 전체 이산화탄소 발생량의 2% 정도라고 한다.
대기중의 이산화탄소를 줄이려면?
간단하게 요약하면 이산화탄소의 발생을 줄이고, 이미 배출한 이산화탄소를 제거한다.
이산화탄소 발생을 줄이는 방법
실제 효과를 얻기 위해서는 가장 많은 비율을 차지하는 분야를 가장 먼저 진행해야 한다. 난방과 발전 과정에서 발생하는 이산화탄소를 줄이는 방법을 먼저 알아본다.
- 화석연료 없이 난방하는 방법
태양열, 지열, 바이오 에너지 등을 활용하는 방법이 있고, 공동주택, 패시브 하우스 건축 등과 같이 에너지 효율을 높일 수 있는 건축 구조를 만들어가는 방법이 함께 수행되어야 한다. 난방 시스템에도 온도조절 기능을 적용한 스마트 난방이나 수소난방, 열 저장 기술 등을 활용하여 에너지 효율을 높인다.
- 발전시스템에서 이산화탄소 발생 줄이는 방법
태양광, 수력, 풍력 지열, 조력 등의 친환경 발전을 늘린다.
송전과정에서 5~10%의 전력손실이 발생한다. 지역 분산 발전, 에너지 저장기술 등을 활용해서 송전거리를 줄인다. 줄어든 송전거리는 송전 과정에서 발생하는 전력손실을 줄여서 전체 발전량을 줄일 수 있다.
스마트그리드와 에너지 저장 시스템을 활용하면, 전기를 거의 사용하지 않는 때에도 피크용량에 맞추어 발전해야하는 현행 발전 시스템을 개선할 수 있다.
AI에게 한국에서 저감할 수 있는 발전용량을 계산해보라고 했다.
1. 한국의 발전 용량 및 CO₂ 배출 현황
- 총 발전 설비 용량: 2023년 기준 약 144,421MW (144.4GW)
- 총 CO₂ 배출량: 2021년 기준 약 676.6백만 톤 (MtCO₂)
2. 각 기술 도입 시 예상되는 발전 용량 및 CO₂ 배출량 감소
기술예상 발전 용량 감소 (%)예상 발전 용량 감소 (GW)예상 CO₂ 배출량 감소 (MtCO₂)
| 스마트 그리드 | 10% | 14.44 | 67.66 |
| 분산형 에너지 시스템 | 15% | 21.66 | 101.49 |
| 에너지 저장 기술 | 20% | 28.88 | 135.32 |
3. 총 예상 감소량
- 총 발전 용량 감소: 64.98GW
- 총 CO₂ 배출량 감소: 304.47MtCO₂
현재 발전량의 반을 줄일 수 있다고? 이걸 그대로 믿을 수는 없지만 이론적으로는 가능하지 않을까 싶다.
- 교통을 포함해 산업에서 발생하는 이산화탄소를 줄이는 일은 쉽지 않다.
산업의 경우 생산에 소요되는 비용의 편익이 발생하면 진행되게 되어있다. 게다가 다양한 방법으로 비용을 줄일 수 있는 방법을 모색해서 수익을 극대화하려고 한다. 이산화탄소의 발생에 패널티가 붙더라도 수익이 크면 산업은 진행된다.
전기차도 제조 과정에서 이산화탄소를 발생시킨다. 50kWh의 전기차 배터리를 만드는 데 약 7.5톤의 이산화탄소를 발생시키고 전기차 1대를 생산하는 과정에서 최대 20톤의 이산화탄소를 배출한다고 한다. 이는 내연기관보다 두 배정도 높다. 운행 중에 이산화탄소를 배출하지 않지만, 화석연료로 발전한 전기를 사용하면, 발전 과정에서 이산화탄소가 배출되므로 크게 효과는 없어 본인다. AI에게 계산을 시켰더니 전기차를 4.3년 이상 타야 전체 이산화탄소 배출량이 내연기관에 비해 역전되고, 15년 이상 타는 경우 35% 적게 배출한다고 한다. 하지만, 배터리가 중간에 교체되기 때문에 크게 차이가 없다.
대기중의 이산화탄소를 흡수하려면?
- 나무를 많이 심는다.
식물은 이산화탄소를 흡수해 광합성을 한다.
- 이산화탄소 직접 포집
이미 발생한 이산화탄소를 포집하는 기술이 개발되었다. 포집한 이산화탄소를 땅에 묻어 저장한다고 하는데, 개인적으로 다른 문제가 생길 것 같다. 비용이 크기 때문에 적용이 쉽지 않다고 한다.
- 해양 생물에 의한 이산화탄소 흡수
식물성 플랑크톤은 해양 표면에서 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수한다. 산호 조개 등은 껍데기와 골격을 형성하는 과정에서 이산화탄소를 흡수한다.
요약하면
지구 대기중의 이산화탄소 증가는 지구 온난화효과의 가장 중요한 역할을 한다. 이산화탄소는 난방과 전기를 생산하는 과정에서 가장 많이 배출된다. 난방과 건축, 전력시스템 혁신하여 이산화탄소의 발생을 줄이고, 현재 대기중의 이산화탄소는 자연을 회복시켜 흡수시킨다.
이 정도가 가장 효과적인 지구의 이산화탄소 저감의 방향이 아닐까한다.