탄소중립은 단순한 구호가 아니라, 실제로 어떤 발전 방식을 선택할지 판단하는 과학적 기준이 되어야 한다고 생각했다. 전기를 생산하는 과정에서 화석 연료가 여전히 큰 비중을 차지하는데, 겉보기에는 모두 ‘연료를 태워 전기를 만든다’는 공통점이 있어도 배출되는 $ \ce{CO2}$의 양은 같지 않을 수 있다. 특히 최근 전 세계 배출 추세를 보면 에너지 부문의 감축 필요성이 매우 크다는 점이 반복해서 보고되고 있어^[3][4], 연료 종류에 따른 차이를 정량적으로 확인해 보고자 했다.

탐구의 출발 질문은 “같은 전기를 만들 때 왜 연료마다 $\ce{CO2}$ 배출이 다를까?”였다. 이 질문은 화학식과 연소 반응식의 차이에서 시작된다. 예를 들어 메탄은 탄소 원자 1개를, 프로판은 3개를, 옥탄은 8개를 포함하므로 완전 연소 시 생성되는 $\ce{CO2}$의 몰수도 달라진다. 즉, 연료의 종류가 바뀌면 반응식의 계수와 생성물의 양도 달라지며, 이는 곧 탄소중립 논의에서 중요한 비교 기준이 된다.

이때 중요한 교과 개념이 몰과 화학 반응의 양적 관계이다. 1 mol은 $6.022\times10^{23}$개의 입자를 뜻하며, 반응식의 계수비는 곧 몰비를 의미한다. 따라서 연료 1 mol이 완전 연소할 때 몇 mol의 $\ce{CO2}$를 만드는지 계산하면, 막연한 인상 대신 정량적 근거를 얻을 수 있다. 이를 식으로 쓰면 연료 1 mol당 생성되는 이산화탄소 양은

$$\text{CO}_2\ \text{생성 몰수} = \text{연소 반응식에서 } \ce{CO2} \text{의 계수}$$

로 해석할 수 있다.

또한 이 탐구는 환경공학 진로와도 직접 연결된다. 환경공학에서는 배출량을 수치로 산정하고, 어떤 공정이나 발전원이 더 큰 감축 효과를 내는지 비교해야 한다. 따라서 연소 반응식 해석 능력은 단순한 화학 계산을 넘어 배출량 산정, 감축 우선순위 설정, 에너지 전환 평가의 기초 역량이 된다. 본 탐구에서는 이러한 문제의식을 바탕으로, 먼저 교과서 수준의 몰비 계산을 정리한 뒤, 이를 발전원별 $\ce{CO2}$ 배출 비교로 확장해 보고자 한다.

섹션 1에서 제기한 질문을 풀기 위해 먼저 교과서의 몰의 정의와 반응식 계수의 의미를 정리하였다. 화학 반응식에서 계수비는 입자 수의 비일 뿐 아니라 몰비를 뜻하므로, 연료와 산소가 반응해 생성물을 만들 때 각 물질의 양적 관계를 직접 계산할 수 있다. 특히 화석 연료의 완전 연소는 연료 속 탄소가 모두 $\ce{CO2}$로, 수소가 모두 $\ce{H2O}$로 전환된다고 보는 기본 모델로 설명할 수 있다.

대표적인 탄화수소의 완전 연소 반응식을 쓰면 다음과 같다.

$$\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$$ $$\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$$ $$\ce{2C8H18 + 25O2 -> 16CO2 + 18H2O}$$

여기서 계수비를 읽으면 메탄 1 mol은 $\ce{CO2}$ 1 mol, 프로판 1 mol은 $\ce{CO2}$ 3 mol, 옥탄 1 mol은 $\ce{CO2}$ 8 mol을 생성한다. 즉, 연료 1 mol당 생성되는 $\ce{CO2}$의 몰수는 연료 분자에 포함된 탄소 원자 수와 같다는 교과 수준의 규칙을 확인할 수 있다.

이를 일반식으로 쓰면 탄화수소 $\ce{C_xH_y}$의 완전 연소는

$$\ce{C_xH_y + \left(x+\frac{y}{4}\right)O2 -> xCO2 + \frac{y}{2}H2O}$$

로 나타낼 수 있고, 따라서 연료 1 mol당 생성되는 이산화탄소는

$$n_{\ce{CO2}} = x \quad (\text{mol CO}_2/\text{mol fuel})$$

이다. 여기서 $x$는 연료 1분자에 들어 있는 탄소 원자 수이다. 이 식은 분자 구조와 생성물 양이 직접 연결된다는 점을 보여 준다.

가상의 정리 예시를 표로 쓰면 다음과 같다.

이 결과로부터 탄소 원자 수가 많을수록 연료 1 mol당 생성되는 $\ce{CO2}$ 몰수는 커진다는 가설을 세울 수 있었다. 다만 여기까지의 비교는 어디까지나 ‘연료 1 mol 기준’이므로, 실제 발전에서 중요한 ‘같은 전력 생산량 기준’ 비교로 넘어가려면 추가 해석이 필요하다. 이 점이 다음 섹션에서 다룰 환경공학적 배출량 산정 문제의 출발점이 된다.

섹션 1에서 탄소중립을 발전 방식 선택의 기준으로 보아야 한다는 문제의식을 세웠고, 섹션 2에서는 연료 1 mol당 $\ce{CO2}$ 생성량을 반응식 계수로 계산할 수 있음을 확인했다. 그러나 환경공학에서 배출량을 평가할 때는 단순히 연료의 종류만 나누는 것으로 충분하지 않다. 실제 비교는 반드시 동일 기능 단위, 즉 같은 양의 전기 또는 같은 에너지 생산량을 기준으로 이루어져야 한다. 그래야 어떤 발전원 전환이 실제 감축에 더 효과적인지 판단할 수 있다.

예를 들어 메탄 1 mol은 $\ce{CO2}$ 1 mol을 만들고, 옥탄 1 mol은 $\ce{CO2}$ 8 mol을 만든다고 해서 곧바로 메탄이 8배 친환경적이라고 결론내리기는 어렵다. 이유는 연료마다 1 mol이 내는 에너지량(발열량)이 다르기 때문이다. 같은 전기 1 kWh를 생산하는 데 필요한 연료의 몰수 자체가 달라질 수 있으므로, ‘연료 1 mol당 배출량’과 ‘같은 전력 생산 기준 배출량’은 서로 다른 지표이다. 이 차이를 구분하지 않으면 교과 계산은 가능해도 발전 현실을 충분히 설명하지 못한다.

환경공학에서는 이를 보통 배출계수의 형태로 해석한다. 본 탐구에서는 고등학생 수준에서 다음과 같은 단순화된 관계식을 사용할 수 있다.

$$E_{\ce{CO2}} = \frac{n_{\text{fuel}} \times n_{\ce{CO2},\,\text{per mol fuel}} \times M_{\ce{CO2}}}{W}$$

여기서 $E_{\ce{CO2}}$는 전력 생산 기준 이산화탄소 배출량(g/kWh), $n_{\text{fuel}}$은 목표 전력 생산에 필요한 연료의 몰수(mol), $n_{\ce{CO2},\,\text{per mol fuel}}$은 연료 1 mol당 생성되는 $\ce{CO2}$ 몰수, $M_{\ce{CO2}}=44\ \text{g/mol}$, $W$는 생산한 전력량(kWh)이다. 이 식은 섹션 2의 몰비 계산이 실제 배출량 평가의 기초 변수로 그대로 연결됨을 보여 준다.

따라서 본 탐구의 연구 공백은 분명하다. 기존의 연소 몰비 계산은 연료 자체의 화학적 특성을 잘 설명하지만, 발전원 전환의 실질적 감축 효과를 판단하려면 에너지 생산 기준으로의 확장이 필요하다. 실제 세계의 화석연료 사용이 전체 배출에 미치는 영향이 크다는 점^[5][6]을 고려하면, 석탄·석유·천연가스를 같은 전력 생산량 기준으로 비교하는 질문이 환경공학적으로 더 의미 있다. 이에 따라 다음 섹션에서는 연소 몰비 계산을 바탕으로, 같은 전기를 만든다고 가정할 때 어떤 발전원이 더 적은 $\ce{CO2}$를 배출하는지 정량 비교해 보고자 한다.