[연구실 소개] 울산과학기술원(UNIST) 청정에너지 연구실

연구실 소개

694 … NICE, 제36권 제6호, 2018

연구실 소개

청정에너지 연구실은 울산과학기술원 도시환경 공학부에 소속되어 있으며, 화석에너지의 청정한 활 용과 클러스레이트 하이드레이트의 에너지 및 환경 시스템으로의 응용을 목적으로 온실기체 포집, 기체 저장 및 수송, 메탄-이산화탄소 치환, 배관 유동안정 성 확보 등의 다양한 주제를 연구하고 있다.

주요연구분야

1) 클러스레이트 하이드레이트의 열역학적 및 물리 화학적 특성 분석

클러스레이트 하이드레이트란 일반적으로 저온 및 고압 조건에서 물 분자의 수소결합을 통해 만들 어진 격자 내에 작은 객체분자가 포집되어 만들어진 비화학양론적(non-stoichiometric) 화합물을 일컫는 다. 클러스레이트 하이드레이트는 주체 분자와 객체 분자 사이에 오직 van der Waals 결합만이 존재하는 트루 클러스레이트(true clathrate)와 주체 분자와 객 체 분자가 이온 또는 화학 결합을 하는 세미 클러스 레이트(semi-clathrate)로 분류된다. 가장 많이 알려 진 가스 하이드레이트가 트루 클러스레이트의 대표 적인 예이며, 분자 크기가 작은 기체들(CH4, CO2, N2

등)이 주요 객체 분자의 예이다.

가스 하이드레이트는 일반적으로 세 가지의 구조 (구조 I, 구조 II, 구조 H)가 존재하며, 이러한 하이드 레이트 격자의 구조는 포집되는 객체분자의 크기나

특성에 의해 결정된다. 예를 들어, 순수한 메탄(CH4) 또는 이산화탄소(CO2)의 경우, 구조 I 하이드레이트를 형성하며, 순수한 질소(N2) 또는 산소(O2)의 경우, 구 조 II 하이드레이트를 형성한다. 구조 H 하이드레이 트는 분자량이 큰 객체 분자와 작은 객체 분자가 큰 동공과 작은 동공에 동시에 포집됨으로써 형성된다.

본 실험실은 클러스레이트 하이드레이트의 다양 한 활용을 위하여 가장 기초적이면서도 필수적인 열 역학적 및 물리화학적 특성에 대하여 연구함으로써 클러스레이트 하이드레이트의 학술적 탐구에 기여 하고 있다.

2) CO₂ 및 F-gas 포집

대상 객체 분자의 종류에 따라 가스 하이드레이 트를 안정하게 형성할 수 있는 열역학적 온도와 압 력 조건도 달라지게 되는데, 이러한 성질을 이용하

울산과학기술원(UNIST) 청정에너지 연구실

(Advanced Clean Energy Laboratory, UNIST)

서용원

울산과학기술원 청정에너지 연구실 [email protected]

그림 1. 클러스레이트 하이드레이트의 분류.

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 36, No. 6, 2018 … 695 여 혼합 기체로부터 특정 기체를 선택적으로 하이드

레이트 상 내에 포집할 수 있다. 현재 이러한 가스 하 이드레이트의 특성을 이산화탄소(CO2)나 불화가스 (Fluorinated gas, F-gas)와 같은 주요 온실가스 분리 에 활용하기 위한 연구를 활발히 진행 중이다. 예를 들면, 순수 질소 하이드레이트의 경우 상당히 극한 조건(저온 및 고압)에서만 가스 하이드레이트를 형 성할 수 있는데 반해, 이산화탄소의 경우 상대적으 로 훨씬 온화한 조건(고온 및 저압)에서 가스 하이드 레이트 안정화가 가능하다. 따라서, 질소와 이산화 탄소의 혼합 기체로 가스 하이드레이트를 형성할 경 우, 이산화탄소의 선택적 포집이 가능하다. 이를 이 용하여 연소 전(CO2 + H2)/연소 후(CO2 + N2) 혼합 기 체로부터 이산화탄소를 포집하는 기술이 연구되고 있다.

보다 온화한 조건에서 클러스레이트 하이드레이 트의 형성을 도모하기 위하여 다양한 열역학적 첨가 제 주입과 세미 클러스레이트 형성에 대한 연구도 진행 중이다.

또한, 반도체 산업이나 전력기기에 주로 사용되 는 다양한 불화가스(SF6, C2F6, C3F8 등)도 질소에 비 해 상당히 온화한 조건에서 하이드레이트를 형성하 기 때문에 가스 하이드레이트 기반의 불화가스 분리 공정에 대한 연구를 진행 중이며, 이를 기존의 막분 리, 액화공정과 연계하는 하이브리드 공정 개발연구

도 진행하고 있다.

3) 기체 저장 및 수송

가스 하이드레이트의 기체 저장 능력을 활용하 여 다양한 기체를 효율적으로 저장하고 수송하기 위 한 연구도 진행하고 있다. 1.0 cc의 메탄 하이드레이 트에는 물 0.8 cc와 메탄 기체 172 cc가 포함되어 있 다. 이러한 가스 하이드레이트의 기체 저장매체로서 의 능력과 잠재력을 천연가스 수송 및 저장에 활용 할 수 있다.

그림 3. 가스 하이드레이트 형성을 이용한 이산화탄소 포집 개념도.

그림 4. 가스 하이드레이트의 메탄 저장 용량.

그림 2. 가스 하이드레이트의 대표적인 3가지 구조.

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또한, 가스 하이드레이트는 수소(H2)의 저장/수송 매체로도 활용될 수 있다. 순수한 수소 하이드레이트 는 매우 극한조건(저온 및 고압)에서만 하이드레이트 를 형성할 수 있다. 하지만, tetrahydrofuran(THF)과 같 이 분자량이 큰 열역학적 촉진제를 첨가하면, 촉진제 분자가 안정적으로 하이드레이트 구조 내 큰 동공을 점유함으로써 하이드레이트의 열역학적 안정 영역이 고온 및 저압의 범위까지 확장된다. 따라서, 훨씬 온 화한 조건에서 수소를 하이드레이트 격자 내에 저장 하는 것이 가능하다.

본 실험실에서는 다양한 열역학적 촉진제의 첨가 를 통한 메탄, 수소와 같은 주요 에너지 기체에 대한 저장/수송에 대한 연구를 수행 중이다.

4) CH₄-CO₂ 치환

심해저 퇴적층이나 영구 동토층에 매장되어 있는 천연가스 하이드레이트는 그 막대한 매장량으로 인 하여 미래 청정에너지원으로 각광받고 있다. 우리나 라 동해 인근 해역에도 약 6억톤 가량의 천연가스 하 이드레이트가 매장되어 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 천연가스 하이드레이트를 개발/생산하기 위 한 기존의 방법(열수주입법, 감압법, 저해제 주입법) 은 하이드레이트의 해리를 기반으로 하기 때문에 시 추 및 생산하는 과정에서 지반 안정성의 저해로 인 하여 지반 침하 등의 재난을 야기할 수 있다. 이에 이 산화탄소를 천연가스 하이드레이트 층에 주입하여 천연가스를 생산해 내는 방법이 주목받고 있다. 이 치환기술은 온실가스인 이산화탄소를 가스 하이드 레이트 층에 안정적으로 저장하고 청정에너지인 메

탄을 생산할 수 있는 획기적인 방법이다. 또한, 하이 드레이트의 해리를 유도하지 않고 격자 내부의 기체 만 바꿔주기 때문에 지반 안정성 면에서도 매우 우 수하다고 할 수 있다.

다양한 천연가스 하이드레이트 구조(구조 I, II, H)에서 이산화탄소와 배가스(CO2+N2) 주입이 치환 의 효율, 지반 안정성, 치환 동안의 구조 전이 등에 미치는 영향에 대하여 거시적 및 미시적 관점에서 관찰하는 연구를 진행 중이다.

5) 배관 유동안정성 확보

심해저의 석유 및 천연가스를 생산하기 위한 해 양 플랜트의 배관이나 천연가스를 수송하는 배관 내 부는 물과 기체가 존재하고 고압 및 저온 조건을 만 족하기 때문에 가스 하이드레이트가 생성될 수 있으 며, 이 가스 하이드레이트 생성은 배관 막힘을 유발 하여 배관 파손, 해양 플랜트의 붕괴, 환경 오염 등의 막대한 경제적 및 환경적 손실을 초래할 수 있다.

이를 방지하기 위하여 배관 유동 안정성 확보를 위한 연구가 필수적이며, 본 실험실에서는 하이드레 이트 생성을 저해하는 억제제(hydrate inhibitor) 관련 연구를 수행하고 있다. 하이드레이트 억제제는 가 스 하이드레이트의 형성 조건을 열역학적으로 이동

그림 5. 수소 + THF 하이드레이트(Lee et al., Nature, 2005).

그림 6. 가스 하이드레이트 치환기술 개념도.

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 36, No. 6, 2018 … 697 시켜서 배관 내에서 하이드레이트가 생성할 수 없

도록 하는 열역학적 저해제(thermodynamic hydrate inhibitor)와 소량을 사용하여 하이드레이트 생성을 늦추거나 응집을 방지하는 소량 저해제(low dosage hydrate inhibitor)로 분류할 수 있다. 열역학적 저해 제의 대표적인 예로 메탄올, 글리콜 등의 알코올이 있으며, 소량 저해제는 하이드레이트의 핵 형성을 늦추어 주는 동적 저해제(kinetic inhibitor)와 하이드 레이트의 응집을 막아 슬러리 형태가 되도록 해 주 는 응집방지제(anti-agglomerant)가 있다. 본 연구실

에서는 환경 친화적인 저해제에 대한 탐색, 열역학 적/동적 저해제 역할을 동시에 할 수 있는 이중 억 제제(dual inhibitor)에 대한 연구, 그리고 저해제의 혼합에 의한 시너지 효과 등에 대한 연구를 진행하 고 있다.

연구실 구성원

본 연구실은 2018년 11월 현재 석박사 통합과정 7 명, 학부 연구참여생 3명으로 구성되어 있다.

그림 7. 가스 하이드레이트 생성으로 인한 배관 막힘의 예(PetroBras). 그림 8. 2018년 봄 연구실 단체사진.