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탄소중립의 핵심 기술 CCUS 신공정 개발

KIST, 탄소포집공정이 필요 없는 단순화된 이산화탄소 전환공정 개발

기존 이산화탄소 전환기술 대비 경제성, 친환경성 모두 높여

 

연구원 왼쪽부터 교신저자_KIST 이웅 책임연구원, 교신저자_KIST 원다혜 선임연구원, 교신저자_KIST 원다혜 선임연구원,_제1저자_KIST Langie 박사과정생

대부분의 사람들이 일상생활에서 기후 위기를 체감할 정도로 탄소중립은 인류가 직면한 생존의 문제가 되고 있다. 탄소중립 구현을 위한 여러 방법 중 하나인 온실가스인 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS, Carbon dioxide Capture Utilization and Storage) 기술은 이산화탄소 감축을 위한 혁신 기술로 주목받고 있다. CCUS는 테슬라의 최고경영자(CEO) 일론 머스크가 2021년부터 4년간 1억 달러의 상금을 분배하겠다고 밝혔던 바로 그 기술이다. 반면, 이산화탄소의 고순도화, 압축, 분리 및 재사용 과정에서 소모되는 에너지가 워낙 커서 이러한 기술의 실용화 전망을 어둡게 하고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 이웅 박사, 원다혜 박사 연구팀은 액상 흡수제에 포집된 이산화탄소를 전기화학적으로 직접 전환해 고부가가치 합성가스를 생산하는 공정을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 현재까지 CCUS 기술의 한계로 지적되어 온 경제성 문제를 해결할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.

연구팀이 개발한 이산화탄소 전환공정은 액상 흡수제에 포집된 고순도 기체 이산화탄소를 활용하기 때문에 기존의 복잡하고, 많은 에너지가 소모되는 이산화탄소의 고순도화 및 압축 과정을 생략할 수 있다. 이 때문에 기존 CCUS 기술 대비 가격경쟁력이 높고, 탄소배출 저감효과가 크다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 미반응 이산화탄소는 여전히 액상 흡수제에 포집되어 있기 때문에 생성물인 합성가스와의 추가 분리 공정 또한 필요 없고 합성가스의 수소와 일산화탄소 비율을 손쉽게 제어할 수 있다는 것도 또 다른 장점이다.

 

새로운 이산화탄소 활용 기술(RSA 공정)과 기존 기술과의 차이점

한편, 연구팀은 최적의 흡수제 선정, 반응 촉매 개발, 전기화학 반응기 개발, 장시간 운전 안정성 검증과 관련한 실험을 수행하여 액상에서의 이산화탄소 직접 전환 반응 효율을 극대화할 수 있었다. 또한, 개발 공정에 대한 상용화 가능성을 확인하기 위해 상용급 공정에 대한 컴퓨터 모델링 시뮬레이션 연구도 수행했다. 이 밖에도 기술경제성 및 전 과정 평가를 통해 새로 개발한 이산화탄소 전환공정은 기존 CCUS 기술 대비 생산 단가 27.0% 절감 및 탄소배출 75.7% 저감이 가능할 것으로 예상하였다.

뿐만 아니라 화석연료 기반 기술 중심으로 형성된 화학 시장 가격과 비교해도 대등한 가격경쟁력을 확보할 수 있었다. 특히, 합성가스의 경우는 기존 전환기술 대비 27.02% 생산 단가가 절감(생산 단가를 $0.89/kg 에서 $0.65/kg까지 절감할 수 있으며 탄소배출은 1.13kg CO2/kg에서 0.27kg CO2/kg 저감이 가능하다.

 

단순화된 이산화탄소 전환 공정
새로운 이산화탄소 활용 기술(RSA 공정)의 개략도

개발된 이산화탄소 전환공정을 화력발전소 등 이산화탄소 대량 배출원에 설치할 경우, 낮은 비용으로 이산화탄소 저감과 동시에 에틸렌 등 고부가가치 화합물을 생산할 수 있을 것으로 기대된다. KIST 원다혜 선임연구원은 “개발된 기술은 포집된 이산화탄소를 활용해 전기화학적으로 고농도 합성가스를 효율적으로 합성하는 기술적 진보를 달성했다는 점에서 큰 의의가 있다.”고 밝혔다. 연구책임자인 KIST 이웅 책임연구원은 “이산화탄소를 활용하는 다양한 전기화학적 전환 시스템에 응용 가능할 것으로 기대하고 있으며, 향후 이를 위한 연속 공정 실증 및 기업으로의 기술이전을 추진할 계획”이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 “유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업”으로 수행되었으며, 연구 결과는 세계적 권위의 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF 17.694, JCR 7.432%)’에 12월 5일 게재되었다.

논문명은 Toward economical application of carbon capture and utilization technology with near-zero carbon emission이며 제1저자는 한국과학기술연구원 Langie 박사과정생, 제1저자 한국과학기술연구원 탁경재 박사후연구원, 교신저자 한국과학기술연구원 이웅 책임연구원, 교신저자 한국과학기술연구원 원다혜 선임연구원 등이다.

 

화석연료 기반 기술 대비 새로운 이산화탄소 활용 기술(RSA 공정)의 가격경쟁력

□연구개요,

1. 연구배경

기후변화 위기에 대응하기 위한 하나의 방법은, 온실가스인 이산화탄소를 전환하여 유용한 화학물질로 전환하는 것이다. 이산화탄소 전환 기술(CCU 기술)에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있지만, 여러 가지 기술적 한계에 부딪혀 있다. 고순도 이산화탄소 포집에 많은 양의 열에너지를 필요로 하며, 이산화탄소의 안정한 탄소-산소 결합(C=O)을 끊기 위해 많은 에너지가 사용된다. 이를 해결하기 위해 다양한 CCU 기술들이 제안되었으나, 높은 에너지사용량으로 CCU 기술의 사업화 가능성 (경제성) 및 실제 탄소배출 감소 여부에 대한 의문은 끊이지 않고 있다.

2. 연구내용

이에 본 연구진은 효율적인 이산화탄소 전환을 위하여 RSA (Reaction Swing Absorption, 반응 순환 흡수) 공정을 제안하였고, 평가 플랫폼을 통하여 기존 CCU 기술 대비 뛰어난 경제성 및 탄소배출을 줄이는 효과를 확인하였다.

RSA 공정은 액체 흡수제로 포집된 이산화탄소를 고순도 기체로 분리하여 다른 화학물질로 전환하는 기존 CCU 기술과 달리, 액체 상태에서 직접 전기화학적으로 전환하는 ‘이산화탄소 동시 포집-전환’ 공정이다. 따라서 열에너지를 사용하여 고순도 이산화탄소 기체를 생산하는 기존 CCU 기술과 달리 열에너지 사용이 없다. 또한, 이산화탄소의 안정한 탄소-산소 결합을 끊기 위해 비싼 수소 기체를 사용하는 열화학적 방법과 달리 전기화학적 전환 방법을 적용하여 수소 사용량을 줄일 수 있다. 마지막으로, 액체 흡수제에서 전환 반응이 이루어지므로, 반응하지 않고 남아있는 이산화탄소는 액체 상태로 존재하며 생성물인 합성가스는 기체 상태로 존재한다. 따라서 반응물과 생성물을 분리하기 위한 공정도 생략할 수 있다.

본 연구진은 실험 연구를 통하여 해당 기술의 가능성을 확인하였다. 먼저, 액체 흡수제에 대한 흡수 실험을 통하여 중탄산염 (Bicarbonate, HCO3-) 형태로 이산화탄소를 흡수하는 트리에틸아민(Triethylamine, TREA)을 흡수제로 선정하였다. 이는 중탄산염 형태의 이산화탄소가 전기화학적 반응에 참여하는 것으로 알려져 있기 때문이다. 다음으로, 기존의 전극 촉매를 상용화된 은 나노 촉매(Ag NP)로 개선(coral-Ag/C)하여 전기화학 반응성을 향상시켰다. 또한, 전기화학 반응 효율을 높일 수 있는 최적의 양극/음극 분리막 (bipolar membrane) 선정을 하였다. 마지막으로, 전기화학 반응기의 장시간 운전을 통하여 이산화탄소 전환 시스템의 안정성을 확인하였다.

실험적으로 검증된 RSA 공정 기술의 상용화 가능성을 평가하기 위하여, 연간 10만 톤 규모의 이산화탄소를 전환할 수 있는 상용 공정에 대한 모델링 연구를 수행하였다. 기술경제성 및 전과정 평가를 수행한 결과, 본 연구진이 제안한 RSA 공정이 기존 이산화탄소 전환 기술 대비 경제성 및 탄소배출 저감 능력이 우수할 뿐만 아니라, 화석연료 기반 기술 대비 가격경쟁력을 갖출 것으로 평가되었다.

3. 기대효과

본 연구는 이산화탄소 전환 기술에 대한 새로운 패러다임을 제시하였다. 따라서, 기존 이산화탄소 전환 기술 대비 공정이 단순하며 열에너지를 사용하지 않는다는 본 기술의 장점을 더욱 극대화하기 위한 후속 연구들이 활발해질 것으로 예상된다. 향후 본 기술을 더욱 발전시킨다면, 탄소중립 탈성 시기를 조기에 달성하고 국가 온실가스 감축목표(NDC) 달성에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

□용어 설명

1. 탄소중립

- 개인, 회사, 국가 등에서 배출한 이산화탄소를 다시 흡수해 실질적인 배출량을 ‘0’으로 만든다는 개념이다. 즉, 대기 중으로 배출한 이산화탄소의 양을 상쇄할 정도의 이산화탄소를 다시 흡수하는 대책을 세움으로써 이산화탄소 총량을 중립 상태로 만든다는 뜻이다. 탄소중립을 실행하는 방안으로는 탄소 배출량을 줄이거나 배출된 탄소를 흡수하는 방법이 있다. 구체적으로 1) 화석연료를 대체하는 신재생 에너지를 사용, 2) 에너지 효율을 높이는 등 탄소 배출량을 줄이거나, 3) 배출한 이산화탄소를 포집하여 유전·가스전 등에 지중저장, 4) 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환, 5) 삼림 조성 등을 통한 배출된 이산화탄소를 흡수하는 방법이 있다.

2. 이산화탄소 전환(CCU, Carbon Capture·Utilization) 기술

- CCUS는 이산화탄소를 포집하고 저장하는 것뿐만 아니라 유용한 물질로 전환하는 기술을 포함하는 개념으로 크게 세 가지 기술이 있다. 첫 번째로, Carbon Capture 기술은 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 기술이다. 두 번째로, Carbon Storage 기술은 포집된 이산화탄소를 지하 저장고에 안전하게 보관하는 기술이다. 마지막으로, Carbon Utilization 기술은 포집된 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하는 기술이다.

- 특히, CCU는 이산화탄소를 단순히 버려지는 물질이 아닌 유용한 자원으로 활용하여 부가가치가 높은 다른 탄소화합물(value-added chemicals)로 전환하는 기술이다. 이산화탄소 전환 기술은 1) 온실가스 감축을 통해 환경 문제를 해결하고, 2) 대기 중에 풍부하게 존재하는 이산화탄소를 탄소원으로 사용하며, 3) 사용 후에는 다시 이산화탄소의 형태로 대기 중으로 배출되므로 지속가능한 탄소원의 재활용이 가능하고, 4) 고부가가치 탄소화합물 생산에 따른 추가적인 이익을 기대할 수 있다는 장점이 있다. 다만, 이산화탄소 전환 시 필요로 하는 많은 에너지로 인해 온실가스 발생을 유발한다는 측면과 전환을 통해 얻은 물질의 제품 주기가 짧아 다시 이산화탄소를 배출한다는 한계점도 가지고 있다. 따라서 이산화탄소를 재활용하는 새로운 공정이 전체 공정에서 총 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있어야 하고, 기존 공정 대비 에너지 및 자원 사용량이 적어야 한다.

3.RSA (Reaction Swing Absorption, 반응 순환 흡수) 공정

- RSA 공정은 이산화탄소를 탄소원으로 하는 유용한 탄소화합물을 생산하는 공정 중 하나이다. 석탄화력발전소 등에서 발생하는 연소 가스에 포함된 탄소원을 고순도의 유용한 탄소화합물로 전환·분리하기 위하여 2단계 화학 반응을 이용한다. 액상 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 중탄산염(bicarbonate, HCO3-) 형태로 화학흡수 반응이 진행되며, 이후 전기화학적 반응을 통해 일산화탄소(CO)와 같은 유용한 탄소화합물로의 전환 반응이 이어진다. 일산화탄소와 같은 탄소화합물은 기체이기 때문에, 액상 흡수제 및 중탄산염과 손쉽게 분리가 되어 고순도 탄소화합물을 얻을 수 있다.

KIST 홍보실 제공 

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