미세조류 산업은 탄소 네거티브가 될 수 있을까요? LCA가 찾은 네 가지 조건

환경 연구 동향 | 앨지닥터

미세조류는 자라면서 이산화탄소를 흡수하지만, 배양과 수확에는 전기·영양염·설비가 필요합니다. 브라질 연구진은 개방형 레이스웨이에서 생산한 미세조류 1kg을 분말 소재로 만들거나 바이오가스와 바이오고형물로 전환하는 두 경로를 같은 기준으로 비교했습니다. 연구 결과, 배양·수확이 에너지·탄소·비용의 가장 큰 부분을 차지했으며 여러 개선책을 동시에 적용해야 효과가 컸습니다. 이 연구는 실제 상용공장의 배출을 측정한 것이 아니라 실험·현장·문헌 자료를 결합한 모델 시나리오입니다.

흡수한 탄소와 공정에서 나온 탄소를 함께 세어야 합니다

미세조류는 비경작지와 염수·폐수에서 기를 수 있고 산업 배출원의 CO₂도 이용할 수 있어 탄소 활용 자원으로 주목받습니다. 그러나 생산성을 높이려면 CO₂뿐 아니라 물·영양염·빛과 수확·가공 기반시설이 필요합니다. 따라서 ‘배양 중 흡수한 CO₂’만으로 탄소 네거티브라고 판단할 수는 없습니다. 전과정평가에서는 원료와 전력 생산부터 공정과 제품의 사용·폐기까지 경계를 정하고, 그 안의 온실가스 배출과 저장을 같은 기능단위로 비교해야 합니다. ^{[배경 1] [배경 2]}

1kg의 미세조류를 두 가지 제품 경로로 나누어 비교했습니다

연구진은 브라질의 4ha 개방형 레이스웨이 연못을 가정하고, 배양액을 침전·막여과·원심분리로 수확하는 시스템을 모델링했습니다. 기능단위는 건조 고형물 기준 미세조류 바이오매스 1kg입니다. 첫 번째 경로는 태양열 온실에서 90% 고형물까지 말린 뒤 분쇄해 분말을 만들고, 두 번째 경로는 태양열 전처리 뒤 30℃에서 30일간 혐기성 소화해 바이오가스와 농업용 바이오고형물을 만듭니다. 연구진은 영양이 충분한 고단백질 조성(S1)과 영양이 제한된 고탄수화물 조성(S2), 낮음·기준·높음의 세 생산성, 전력과 영양원 대안을 비교했습니다. 환경평가는 ISO 14044에 따른 귀속적 LCA로, 비용은 같은 공정자료를 쓴 기술경제분석으로 계산했습니다. ^[논문]

배양·수확 단계가 세 지표의 대부분을 차지했습니다

기준 생산성 18g TS/(㎡·일)에서 미세조류 생산 단계는 총 에너지 수요의 80~91%, 탄소발자국의 43~87%, 비용의 71~85%를 차지했습니다. 전기는 에너지 수요의 4.8~13%를 더했고, 혐기성 소화 경로에서는 메탄 누출이 탄소발자국의 최대 47%까지 차지했습니다. 기준 S1 조성에서 분말 경로는 1kg TS당 11MJ·0.56kg CO₂e·0.69달러였고, 혐기성 소화 경로는 11MJ·0.70kg CO₂e·0.79달러였습니다. 즉 후단 기술 하나보다 배양 생산성, 전력과 영양원, 메탄 관리가 전체 결과를 크게 좌우했습니다. ^[논문]

네 가지 조건을 묶자 탄소발자국이 최대 79% 줄었습니다

개선책은 따로보다 함께 적용할 때 효과가 컸습니다. 기준보다 높은 생산성 25g TS/(㎡·일), 혐기성 소화에 유리한 고탄수화물 S2 조성, 태양광 전력, 별도의 생산부담을 배정하지 않은 현장 잔류 질소·인 영양원을 조합하자 기준 시나리오보다 에너지 수요는 최대 61%, 탄소발자국은 최대 79%, 비용은 최대 47% 줄었습니다. 혐기성 소화 후 열 사용까지 포함한 최적 S2 조합은 열 1MJ당 0.45MJ의 에너지, 0.04kg CO₂e, 0.06달러로 계산됐습니다. 다만 ‘무부담 잔류 영양원’과 높은 생산성은 모델 가정이므로 실제 공급·처리 부담까지 0이라는 뜻은 아닙니다. ^[논문]

탄소 네거티브 가능성은 제품의 마지막 쓰임에서 갈렸습니다

미세조류 1kg TS 안에는 S1 1.7kg, S2 1.9kg의 CO₂에 해당하는 생물기원 탄소가 들어 있습니다. 이는 기준 분말 생산의 탄소발자국 0.56kg과 0.33kg CO₂e보다 큽니다. 저자들은 이 분말을 플라스틱 복합재처럼 탄소를 오래 품는 제품에 쓰면 순탄소 포집 가능성이 있다고 해석했습니다. 그러나 제품의 수명과 폐기 단계는 시스템 경계 밖이므로, 두 값을 단순히 빼서 영구 탄소제거량으로 확정할 수는 없습니다. 반대로 바이오가스를 태우면 탄소가 다시 배출됩니다. 기준 S2 바이오가스 열의 발자국은 0.06kg CO₂e/MJ로 천연가스와 비슷했으며, 메탄 누출률과 바이오가스·바이오고형물 사이의 부담 배분에 민감했습니다. ^[논문]

탄소 네거티브의 경로는 보였지만 상용공장 실증은 남아 있습니다

이 연구의 핵심 기여는 ‘미세조류가 CO₂를 먹는다’는 한 문장을 산업 조건으로 분해했다는 점입니다. 생산성을 높이고, 저탄소 전력과 잔류 영양원을 쓰며, 메탄을 새지 않게 관리하고, 탄소가 오래 남는 제품으로 연결해야 탄소중립 또는 탄소 네거티브 가능성이 커집니다. 하지만 전경자료는 실험·현장·문헌 추정치를 섞었고, S2가 같은 생산성을 낸다는 조건은 가정입니다. 종이 달라지면 수확효율과 소화성이 달라질 수 있으며, 시설의 폐기와 분말 제품의 사용 후 처리, 바이오고형물 속 탄소의 저장기간도 계산하지 않았습니다. 또한 공동제품 사이의 환경부담 배분 방식이 시나리오 차이보다 큰 영향을 줄 수 있었습니다. 따라서 이 결과는 완성된 탄소 네거티브 공장의 인증서가 아니라, 실증시험에서 검증해야 할 설계 조건을 압축한 로드맵으로 읽는 것이 정확합니다.