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블루 수소 기반 액체이산화탄소, 최적의 생산방법 찾았다!

- UNIST 임한권 교수팀, 지속가능한 액체이산화탄소 생산 가이드라인 제시 

- 블루 수소 연계를 위한 타당성 분석… Applied Energy 게재 

 

연구진] 교신저자 임한권 교수, 제 1저자 최창권 연구원, 교신저자 Haider Junaid 박사

최근 액체이산화탄소 공급이 수요를 따라가지 못하는 상황에 놓였다. 액체이산화탄소는 기체 이산화탄소보다 장거리 운송·저장 관점에서 더욱 용이하며, 또한 식음료, 가스, 금속 등 다양한 산업에 걸쳐 사용되고 있는 물질이기 때문에 이의 수요는 점점 증가할 전망이다.

UNIST 탄소중립대학원 및 에너지화학공학과 임한권 교수팀은 ‘ 블루 수소 연계를 위한 액체이산화탄소 최적 생산 모델의 기술·경제·환경적 타당성 분석 연구’를 진행해 국제학술지 ‘어플라이드 에너지(Applied Energy)’에 출판했다. 다기준 의사결정 방법을 적용해 다양한 이산화탄소 액화 시스템에 대해 최적 시나리오 도출이 주요 내용이다.

이번 연구는 ‘수소생산을 위한 천연가스 수증기 개질 반응 공정(Natural gas steam reforming)’에서 발생하는 배기가스를 대상으로 이산화탄소 포집 및 액화 시스템을 설계하고 분석했다. 특히, 위 공정으로 얻어진 수소를 블루 수소라 명명하는데, 본 연구에서는 블루 수소 연계를 위한 다양한 이산화탄소 액화 시스템과 더불어 4E(에너지, 엑서지, 경제성, 환경성) 타당성 분석을 통한 모든 측면을 고려했다.

수소생산 과정에서 발생하는 배기가스를 대상으로 다기준 의사결정 기법을 적용한 이번 연구는 수소 생산과정에서 발생하는 이산화탄소 배출 저감의 기회를 제공한다. 또한, 동시에 액화 시스템의 기술적·경제적·환경적 측면에서의 중요한 지표가 될 것이라 기대된다.

본 연구의 결과로써 암모니아 냉매를 적용한 “Vapor compression refrigeration” 시스템을 적용한 경우 대해 높은 “우선도(Priority)”를 나타냈다. 이는 기술적·경제적·환경적 측면을 모두 만족하는 지속가능한 최적의 블루 수소 연계 이산화탄소 액화 시스템임을 나타낸다.

제1저자 최창권 에너지화학공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “이번 연구를 통해 진행된 이산화탄소 액화 시스템 분석은 향후 예상되는 수소 및 액체이산화탄소 수요를 동시에 만족시킬 수 있을 것으로 기대한다”며 “4E 타당성 기반의 다기준 의사결정 분석을 통해 액체이산화탄소 생산에 있어서 기술적·경제적·환경적 측면에서의 정량적 결과를 제시하고 구체적인 가이드라인으로 적용될 수 있을 것이다”고 전했다.

공동교신저자인 Junaid Haider 에너지화학공학과 연구교수는 “본 연구는 최초의 블루 수소 연계 액체이산화탄소 생산을 위한 연구이며, 4E를 기반으로 효율적인 액체이산화탄소 생산 공정을 모색하는 연구이다”라며 본 연구를 강조했다.

임한권 탄소중립대학원 교수는 “이산화탄소 액화의 경우 다양한 기업 및 산업에서 이미 광범위하게 다루어지고 있지만, 이산화탄소 포집 기반의 블루 수소 생산 공정과 연계된 지속가능한 이산화탄소 액화 시스템 모델 제시와 관련된 연구로서 매우 큰 의미를 가진다”며 “본 연구가 향후 액체이산화탄소 산업에 중요한 지표가 될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 울산과학기술원(UNIST) 탄소중립융합원 및 탄소중립실증화연구센터의 지원을 받아 수행됐고, 국제학술지인 어플라이드 에너지(Applied Energy)에 2월 15일자 온라인 게재됐다. 논문명은 Carbon capture and liquefaction from methane stream reforming unit: 4E’s analysis (Energy, Exergy, Economic, and Environmental)이다

 

블루 수소 연계 이산화탄소 포집 및 액화 시스템의 경제성평가 결과
다양한 이산화탄소 액화 시스템에 대한 분석적 계층화 과정(AHP) 결과

□연구개요

1. 연구배경

전 세계적으로 기후변화 문제의 심각성은 높아져 가고 있으며 유럽, 중국, 일본 등 여러 국가에서는 탄소 중립을 선언하고 있다. 이러한 상황에 맞추어, 많은 글로벌기업들은 RE100 참여 및 환경, 사회, 기업 지배구조(Environmental, social, and corporate governance, ESG) 경영 등 환경을 고려한 활동 등을 활발히 확산시켜 나가고 있다.

태양에너지 및 풍력과 같은 신재생 에너지는 지속 가능한 에너지원으로 탈 탄소화를 통한 온실가스 감소 및 미세먼지 저감 에너지원으로 알려져 있다. 다만, 계절/시간/날씨에 따른 간헐적인 에너지 생산이 가장 큰 단점으로 알려져 있으며, 이를 극복하기 위해 에너지저장 방법인 배터리 또는 수소와 같은 연료화 기술이 관심을 받고 있다. 현재 전 세계적으로 수소는 가장 유망한 에너지 저장체로 주목받고 있지만, 대규모 수소를 생산할 수 있는 천연가스 수증기 개질 반응의 경우 수소 1kg을 생산하는 동안 약 11kg의 이산화탄소를 배출하기 때문에 수소생산 측면에서의 이산화탄소 배출 저감은 피할 수 없는 과제이다.

이러한 문제를 바탕으로 이산화탄소가 공기 중으로 배출되기 전 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 포집 기술을 적용한 블루 수소가 주목받고 있다. 게다가 최근 COVID19 사태로 이산화탄소의 수요는 지속적으로 증가하였으나 그에 대한 공급은 수요를 따라가지 못하고 있는 상황이다. 따라서, 본 연구는 다가오는 수소 사회 실현을 위하여 블루 수소 공정을 대상으로 다양한 이산화탄소 액화 시스템의 4E 타당성 분석을 진행하였으며, 해당 분석결과를 기반으로 다기준 의사결정 분석을 통해 이산화탄소 액화 시스템의 최적 시나리오를 제시하고자 한다.

2. 연구내용

이산화탄소를 액화하는 공정의 경우 대표적으로 ‘Linde-Hampson’, ‘Dual pressure Linde-Hampson’, ‘Vapor compression refrigeration’, ‘Absorption refrigeration’ 시스템이 있으며, 본 공정들은 각각의 기술적·경제적·환경적 측면에서 상이한 결과를 나타낸다. 따라서, 본 연구에서는 블루 수소 연계를 위한 최적의 이산화탄소 액화 시스템을 모색하기 위해 시나리오 분석을 시행하였다.

특히, 모든 공정에 대하여 4E 타당성 분석을 도입해 에너지, 엑서지, 경제성, 환경성 측면에서 종합적인 분석을 시행하여 각 측면에서의 결과를 정량적으로 제시하였으며, 이렇게 도출된 분석결과를 기반으로 다기준 의사결정 방법 중 하나인 분석적 계층화 과정(Analytic hierarchy process, AHP) 분석법을 적용하여 기술적·경제적·환경적 측면의 결과를 동시에 비교하여 최적의 액체이산화탄소 생산 전략을 제시하였다. 본 연구의 결과로 암모니아 냉매 기반의 ‘Vapor compression refrigeration’ 시스템이 높은 우선순위(Priority)를 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 암모니아 냉매를 적용한 ‘Vapor compression refrigeration’시스템이 이산화탄소 액화 시스템이 기술적·경제적·환경적 측면을 동시에 만족할 수 있는 최적의 시나리오임을 의미한다.

3. 기대효과

본 연구에 확보한 4E 타당성 분석의 결과는 기술적·경제적·환경적 측면을 정량적으로 제시함으로써 액체이산화탄소 생산 기술의 상업화를 위한 의사결정에 기여할 수 있다. 또한, 다기준 의사결정 분석과 연계함으로써 앞서 언급한 세 가지 측면을 동시에 만족할 수 있는 최적의 생산과정을 도출할 수 있으며, 다가오는 수소 사회 실현에 있어 대규모 수소생산과 이산화탄소 처리의 문제를 동시에 해결 방안 모색에 직접적인 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

UNIST 홍보실 재공 

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