이산화탄소 배출 증가와 기후 변화 위기
인류는 산업 혁명 이후 급격한 경제 성장을 이루는 과정에서 필요한 많은 양의 에너지를 충족시키기 위해 막대한 양의 화석 연료를 사용해 왔다. 하지만 화석 연료의 사용시 배출되는 이산화탄소(CO2)로 인해 환경 오염이 발생하였다. 이산화탄소의 배출량 1950년 약 59억 톤에서 2022년 약 370억 톤까지 약 7배 증가하였고(Figure 1), 대기 중 이산화탄소 농도는 같은 기간 내 313ppm에서 417ppm으로 약 33% 증가하였다(Our World in Data). 지금도 이산화탄소의 배출량은 지속적으로 증가하고 있는 가운데 대기중 이산화탄소의 증가는 지구 온난화의 직접적인 요인으로 지목되고 있으며, 지구 온난화는 이상 기후, 해수면 상승, 해수 온도 상승 등을 초래하여 인류와 자연계에 치명적인 재앙으로 다가오고 있다.
문제의 원인이 되는 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 전세계적으로 노력을 하고 있지만, 이산화탄소 배출 문제는 전형적인 공유지의 비극(The Tragedy of the Commons) 문제이기 때문에(Hardin G, 1968; Hannah R, 2020), 적극적인 규제 및 협약이 필요하다. 여러 국가들이 기후 변화에 관한 정부간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), 유엔기후변화협약 당사국총회 (United Nations Framework Convention on Climate Change Conference of Parties, UNFCC COP) 등 국제기구를 통한 협력 및 논의를 바탕으로 지구 온난화에 의한 기후 변화에 대응하고 있다. UNFCC COP는 1997년 12월 11일 온실 가스 감축을 위해 교토 의정서(Kyoto Protocol)를 체결하였고, 교토의정서 개정안을 통해 2차 공약 기간을 2020년 12월 31일까지 지속하기로 설정하였다(UNFCCC, 1997). 이후 2015년 12월 12일 유엔기후변화회의에서 파리 협정(Paris Agreement)을 채택하였고, 이 협정은 지구의 평균 상승을 예방하고 모든 국가들이 이산화탄소 순 배출량 0을 목표로 한 협약으로 교통 의정서와 달리 종료 시점이 규정되어 있지 않다(UNFCCC, 2015).
Figure 1. Annual Co2 emissions (unit : ton)
현재 발효 중인 파리 협정에 따라 이산화탄소 순 배출량 0을 달성하기 위한 대표적인 방법은 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 포집(Carbon Capture)이다. 이산화탄소 포집은 공기 중에 있는 이산화탄소를 저장하여 격리하거나 산업에 재활용하는 방법 등을 통해서 직접적으로 분리하여 처리하는 방법으로, 현재 세계 각국에서 관심을 가지고 연구/개발하고 있는 기술이다. 이에 따라 [Pluto Report 2024-07호]에서는 Pluto Labs의 DB를 활용하여 이산화탄소 포집에 대한 연구 동향 및 성과를 다각도로 분석해 보았다.
자료 수집 및 분석 방법
”이산화탄소 포집”을 주제로 Pluto Labs가 자체 개발한 연구자 중심의 논문 분석 및 검색 서비스인 Scinapse(scinapse.io)를 활용하여 주제 관련 논문을 탐색하였다. 탐색 조건으로 키워드 “carbon capture”를 포함하고 있는 논문 중 2014년~2023년 내에 발표하였으며, 논문 유형은 원저(original) 또는 고찰(review)로 설정하였다.
그 결과, 총 11,547건의 이산화탄소 포집 관련 논문을 탐색 및 추출하였고 대상 논문의 다양한 학술 서지 정보를 기반으로 분석 도구 Google Cloud BigQuery와 Python을 활용하여 데이터를 분석하였다.
Figure 2. Screenshot of Scinapse filter
탄소 포집 연구 성과
1) 전반적 연구 동향
2014-2023년 총 20년 간 출판된 이산화탄소 포집 관련 논문의 연도별 논문수와 논문이 출판된 직후 365일 이내에 피인용된 횟수인 첫 해 피인용수의 평균값(이하 첫 해 피인용수)을 분석하였다. 그 결과, 이산화탄소 포집과 관련된 논문수는 2014-2020년까지 큰 차이를 보이지 않다가 2020년을 기점으로 폭발적으로 증가하는 형태를 보이고 있다(Figure 3). 이는 2021년 1월에 발효된 파리 협정에 의한 효과로 보인다. 파리 협정의 경우, 앞서 기술했던 것처럼 “이산화탄소 배출의 감축”에 초점을 맞추는 교토 의정서와 달리 “이산화탄소의 흡수”를 통한 이산화탄소의 배출량 제로를 목표로 하고 있기 때문에 이산화탄소 포집에 대한 연구가 급격하게 증가한 것으로 생각할 수 있다.
전반적으로 이산화탄소 포집 연구 논문의 첫 해 피인용 수는 2017년을 제외한 모든 연도에서 증가하는 추이를 확인할 수 있었고, 2017년도에 감소의 원인은 단순히 특별히 큰 영향력이 있는 논문이 출판되지 않은 결과로 추정된다(Figure 4). 단, 2023년의 경우 출판된 지 1년이 되지 않은 논문이 포함되었기 때문에 첫 해 피인용 수를 산출할 수 없어 낮은 값을 갖는다는 점에 감안하여 해석할 필요가 있다.
Figure 3. Total number of publications of carbon capture research
Figure 4. Average 1st-year citations of carbon capture research
2) 국가 및 기관별 연구 성과
분석 기간 내 출판된 이산화탄소 포집 관련 논문수 상위 10개 국가 및 기관별 논문수 및 첫 해 평균 피인용 수를 분석한 결과는 <Figure 5>, <Figure 6>과 같다.
먼저 국가별 논문수는 중국, 미국 그리고 영국 순으로 높았고, 그 외에 국가들은 큰 차이를 보이지 않는다(Figure 5). 한편, 독일과 영국은 중국과 미국에 비해 논문수는 적지만 첫 해 피인 용수는 아주 큰 값을 보여주는데, 이는 환경 문제에 항상 큰 관심을 기울이는 유럽 국가들의 성향이 반영된 것으로 보인다.
Figure 5. Number of publications and average 1st-year citations of carbon capture research by countries
기관별 논문수 및 첫 해 피인용수가 가장 높은 기관은 영국의 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)이다(Figure 6). 그 외 유럽 국가 기관의 경우 논문수 기준 상위 10개에 포함되고 있으나 첫 해 피인용수가 상대적으로 낮은 편에 속한다. 상위 10개 기관 중 화북 전력 대학(North China Electric Power University), 칭화대학교 (Tsinghua University), 톈진대학(Tianjin University), 화중 과학 기술 대학교(Huazhong Science and Technology University)는 중국의 기관으로서 중국의 다수 대학이 이산화탄소 포집 연구를 활발히 하고 있는 것으로 볼 수 있다. 매사추세츠 공과 대학교 (Massachusetts Institute of Technology)는 상위 10개 기관 중 유일한 미국 기관으로서 논문수는 7위 수준이지만 첫 해 피인용 수는 2위로 높았다.
Figure 6. Number of publications and average 1st-year citations of carbon capture research by affiliations
이산화탄소 배출량과 탄소 포집 연구 간 상관 관계
1) 연도별 이산화탄소 배출량과 탄소 포집 연구 상관 관계
이산화탄소 포집과 관련된 연구가 실제로 이산화탄소의 배출량과의 관계가 있는지 알아보기 위해 이산화탄소의 단위 배출량당 논문수를 분석해 보았다(Figure 7). 2014-2020년까지는 이산화탄소 배출량당 논문수에 큰 변화를 보이지 않았으나, 2020년 이후에는 이산화탄소 배출량당 논문수가 급격하게 증가하는 양상을 관찰할 수 있다. 이는 파리 협정 발효 시점과 관련이 있다고 할 수 있으며, 파리 협정 발효 이전 기간에 해당하는 20214-2020년은 이산화탄소 배출량과 논문수간 상관관계가 크지는 않았으나, 파리 협정이 발효되면서 이산화탄소의 배출량과 논문수간 높은 양의 상관 관계가 있음을 확인할 수 있다.
Figure 7. Number of publications per CO2 emissions(unit : ton)
Note : The red line indicates when the Paris Agreement entered into force
2) 국가별 이산화탄소 배출량과 탄소 포집 연구의 상관 관계
파리 협정 발효 전후 국가별 이산화탄소 배출량과 탄소 포집 연구의 상관 관계를 비교하기 위해 2014년과 2022년 시점을 기준으로 국가별 이산화탄소 배출량 및 논문수에 대한 산점도를 그래프로 나타내었다. 참고로, 국가별 이산화탄소의 배출량 데이터는 Hannah R과 Max R(2020)을 참고하였고[3], 이산화탄소 배출량과 논문수 데이터가 모두 존재하는 국가들만 그래프에 제시하였으므로 2014년과 2022년에 제시된 국가의 수는 다를 수 있다.
2014년(Figure 8a)과 2022년(Figure 8b) 모두 이산화탄소 배출량이 높을수록 각국에서 출판하는 논문수가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 두 시점에 대해 f(x) ~ x^slope꼴의 선형 회귀를 하여 기울기(slope)와 피어슨 상관계수를 계산하였다(f(x) : 논문수, x : 이산화탄소 배출량, log-log 스케일 기준으로 선형 회귀하였음). 2014년의 기울기와 피어슨 상관계수는 각각 0.49와 0.68이었고, 2021년의 기울기와 피어슨 상관계수는 각각 0.56과 0.93이었다. 기울기가 커짐에 따라 이산화탄소 배출량의 증가보다 논문수의 증가폭이 더 크다는 의미이며, 피어슨 상관계수가 양수이면서 큰 값일수록 이산화탄소 배출량과 논문수 증가간 높은 양의 상관관계를 가진다는 의미이다.
즉, 파리 협정이 발효되기 전에도 이산화탄소 배출량이 높은 나라에서 이산화탄소 포집 연구를 하는 상관 관계는 존재하였으나, 파리 협정이 발효되면서 상관 관계가 더욱 강화된 것으로 볼 수 있다. 이와 더불어 2014년에는 42개의 국가가, 2022년에는 71개의 국가가 그래프에 제시됨으로써 이산화탄소 포집 연구를 수행하는 국가의 수가 늘어난 것을 확인할 수 있다.
Figure 8a. The correlation between number of publications and CO2 emissions(2014)
Figure 8b. The correlation between number of publications and CO2 emissions(2022)
결론
현재 세계는 온실 가스, 특히 그 중에서도 이산화탄소로 인해 지구 온난화라는 미증유의 위기에 직면해 있다. 이를 해결하기 위해서 범세계적으로 여러 국제 협력 기구를 통해 교토 의정서, 파리 협정과 같은 적극적인 규제 및 협약을 맺고 있다. 그 중에서도 현재 초점을 맞추고 있는 것은 파리 협정에서 발효된 이산화탄소 순 배출량 0이라는 목표를 달성하기 위해 “이산화탄소의 흡수”를 통한 배출량을 감축하는 것이다. 따라서 이산화탄소를 흡수하기 위한 기술로 이산화탄소 포집을 세계 각국에서 활발하게 연구를 진행하고 있다. 특히, 파리 협정이 발효된 시점 전후로 이산화탄소 포집 관련 연구의 수와 영향력이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었고(Figure3,4), 이산화탄소 배출량이 높을수록 해당 문제를 해결하기 위해 이산화탄소 포집 연구를 활발하게 하는 경향을 확인할 수 있었다(Figure 8a, 8b). 실제로 중국과 미국은 이산화탄소를 가장 많이 배출하는 나라이면서, 이산화탄소 포집에 관한 연구도 아주 활발하게 해오고 있다.
이산화탄소에 의한 지구 온난화가 급격하게 진행되고 있는 가운데, 이산화탄소를 줄이기 위한 세계 각국의 연구는 활발하게 진행되고 있지만, 일상 생활 혹은 산업 현장에 실제로 적용되기에는 아직 기술의 구현이 미비한 실정이다. 그럼에도 불구하고 세계 각국에서 많은 관심을 가지고 지원을 하고 있는 연구 분야이므로 추후의 발전이 기대되는 분야이다.
참고 문헌
1.
Our World in Data. [Data] Carbon dioxide concentrations in the atmosphere. In Hannah R, Pablo R and Veronika S. Climate Change. Data adapted from NOAA Global Monitoring Laboratory, United States Environmental Protection Agency. Available online: https://ourworldindata.org/grapher/co2-long-term-concentration.
2.
Hardin G. The Tragedy of the Commons: The population problem has no technical solution; it requires a fundamental extension in morality. Science 1968;162(3859):1243–1248. https://doi.org/10.1126/science.162.3859.1243.
3.
Hannah R, Max R. CO₂ emissions. 2020. Published online at OurWorldInData.org. Available online: https://ourworldindata.org/co2-emissions.
4.
United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), Kyoto Protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change. Dec 10, 1997. 2303 U.N.T.S. 162.
5.
United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), Paris Agreement to the United Nations Framework Convention on Climate Change. Dec. 12, 2015. T.I.A.S. No. 16-1104.
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