[신진연구자 컬럼] 저에너지 이산화탄소 포집 기술 개발

서론

최근 지구온난화로 인한 기후변화 발생에 따라 선진국 들은 기술개발을 통해 자국의 온실가스 감축 및 세계시 장 선점을 위해 노력하고 있다. 기후변화 대응 기술로는 에너지 효율 향상 기술, 원자력 기술, 신재생 에너지 기술 및 온실가스 처리 기술 등이 있으며, 이중 한 가지 기술 만으로는 대기 중 온실가스 농도의 안정화에 필요한 온 실가스 감축 요구량을 만족시키지 못한다. 이산화탄소는 대기 중 온실가스의 80% 이상을 차지하는 지구온난화의 주요 원인으로서 산업화에 따른 지속적인 화석연료 사용 의 증가로 인해 대기 중 이산화탄소 농도가 급격하게 증 가하고 있다. [그림 1]에 나타낸 바와 같이 2008년 국제 에너지기구(IEA, International Energy Association)에 서 발표한 에너지기술전망(ETP, Energy Technology Perspectives)에 따르면 에너지 수요의 화석연료 의존도 는 2005년 80%에서 2050년 84%로 꾸준히 증가할 것으 로 전망되어 화석연료 사용으로 인해 발생하는 이산화탄 소를 저감하기 위한 기술 개발이 시급하다.

산업 현장 및 발전소에서 대량 배출되는 이산화탄소를 대기로 방출시키지 않고 포집하여 지중 및 해양에 저장 하거나 화학소재 및 연료화 등으로 전환 처리하는 이산 화탄소 포집 및 저장 (CCS, Carbon Capture and Storage) 기술은 경제발전에 필요한 에너지를 이용하면서도 이산 화탄소를 감축할 수 있는 현실적인 대안으로 주목받고

2005 고려대학교 화공생명공학과 공학사 2011 고려대학교 화공생명공학과 공학박사

현 재 한국에너지기술연구원 온실가스연구단 선임연구원

박 기 태

한국에너지기술연구원 온실가스 연구단 저에너지포집기술연구팀 [email protected]

그림 1. 연도별 에너지 수요 및 자원 전망.

박기태

있다[그림 2]. 국제에너지기구(IEA)의 에너지기술 전망(ETP, 2010)에 따르면 CCS 기술은 주로 발전 소, 주요 이산화탄소 배출 산업, 천연가스생산 및 합 성연료 플랜트를 포함한 대규모 고정 배출원에 적용 되어 2050년에는 전체 온실가스 저감의 19%를 감 당하게 될 것으로 전망하고 있다. 또한, 교토의정서 발효 이후 선진국 중심으로 형성된 이산화탄소 배출

권 시장은 2020년 18,600억불 규모의 거대시장으로 급성장할 것으로 전망되며, 더불어 2011년 12월 남 아공 더반에 열린 제17차 UN기후변화협약당사국회 의 (COP17, Conference of Parties)에서는 CCS 기 술이 CDM 사업으로 포함되어 향후 시장 규모는 더 욱 증가할 것으로 예상된다.

CCS 세부 기술인 이산화탄소 포집기술은 연소 전

그림 2. 이산화탄소 포집 및 저장 기술.

그림 3. 이산화탄소 포집 기술 분류.

포집(pre-combustion capture), 연소 후 포집(post- combustion capture) 및 순 산소 연소(oxyfuel combustion) 기술로 분류되며, 연소 후 포집기술인 액상 화학 흡수제를 이용한 포집기술은 상용화에 가 장 근접해 있는 기술이다. 본 컬럼에서는 연소 후 포집 기술 중 액상 화학 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 기술을 중심으로 연구동향 분석 및 한국에너지기술연 구원에서 수행중인 연구 내용을 소개하고자 한다.

이산화탄소 포집 기술

이산화탄소 포집기술은 [그림 3]과 같이 3가지 형 태로 분류할 수 있다. 연소 전 포집(pre-combustion capture) 기술은 주로 가스화기와 연계하여 합성가 스로부터 수성가스 전이반응(WGS, water gas shift reaction)을 거친 후 이산화탄소를 선택적으로 분리함으로서 고순도 수소를 생산하는 가스화복합 발전에(IGCC) 사용되고 있다. 연소 전 포집 기술의 장점은 포집공정에 도입되는 혼합가스의 압력이 높 고 이산화탄소의 농도가 연소 후 포집 기술에 비해 상대적으로 높기 때문에 분리 효율이 높고 포집설비 의 규모가 작다.

순산소 연소(oxyfuel combustion)는 연료의 연소 시 공기 대신 고순도 산소를 사용함으로서 연소배가 스 중의 이산화탄소의 농도를 높여 이산화탄소의 분 리가 매우쉽다. 그러나 고순도 산소를 얻기 위하여 공기로부터 산소를 분리하는 데에 많은 에너지 소모 를 초래한다.

연소 후 포집(post-combustion capture) 기술은 화력 발전소를 비롯한 대량 배출원에서 발생하는 연 소배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 회수하는 기술로서 크게 건식 흡수, 막분리 및 습식 흡수 기술 로 분류된다. 건식 흡수법은 액상 흡수제 대신 고체 입자를 사용하여 이산화탄소를 흡수하는 기술로서 CO2와 반응하여 안정된 화합물로 변하고, 재생 조건 에서 이산화탄소를 배출하고 원래의 화합물로 재생 된다. 알칼리금속, 알칼리 토금속, 건식아민 등의 다 양한 건식 흡수제가 개발되고 있으며, 폐수가 발생 하지 않고 부식문제가 적다는 장점을 가지고 있다.

막분리 기술은 장치비와 운전비를 혁신적으로 줄일 수 있는 장점을 갖고 있다. 현재 막분리 기술의 핵심 인 막 소재의 낮은 경제성이 기술의 상용화를 저해 하는 주요 원인이 되고 있다. 저비용 막 소재 확보가

그림 4. 연소 후 습식 이산화탄소 포집 개념도.

박기태

어려운 것은 이산화탄소 회수 시의 열적, 화학적, 기 계적 조건이 매우 혹독하며, 대량의 이산화탄소 회 수를 위해서는 우수한 분리성능(선택도, 투과도)을 가지는 대면적 막이 요구되기 때문이다.

습식 포집 기술은 20세기 중반부터 석유화학공정 내 산성가스를 제거하기 위한 목적으로 일부 상용화 된 기술로써, 단기간에 상용하기에 적합한 공정 성 능, 운전경험 및 안정성이 확보된 기술이다. [그림 4]에 나타낸 화력발전소와 연계한 연소 후 습식 포 집공정 개념도와 같이 화력발전소에서 배출되는 연 소배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하고, 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 탈거탑에서 원래의 흡수제로 재생되어 흡수탑으로 재순환된다. 흡수제 는 이산화탄소와 선택적으로 잘 반응하는 아민 수용 액이 흡수제로 널리 이용되고 있으며, 암모니아 수 용액이나 탄산칼륨 수용액을 이용하기도 한다.

습식 이산화탄소 포집 기술

연소 후 습식 포집 기술의 핵심 요소 기술은 흡수 소재와 공정으로 구분할 수 있으며, 포집 공정은 흡

수와 재생 반응이 이루어지는 흡수탑, 재생탑 및 두 반응탑 사이의 효과적인 열 및 물질 전달과 가열 및 냉각을 위한 주변장치로 이루어져 있다[그림 5]. 흡 수 소재는 이산화탄소와 선택적으로 잘 반응하는 아 민 수용액이 흡수제로 널리 이용되고 있으며, 암모 니아 수용액이나 탄산칼륨 수용액을 이용하기도 한 다. 아민계 흡수제로 가장 널리 이용되고 있는 MEA(monoethanol amine)는 아민기의 비공유 전 자에 의하여 형성되는 알칼리성이 수용액 상에서 산 성인 이산화탄소와 산-염기 중화반응을 일으키며, 생 성된 염(carbamate 또는 bicarbonate)은 약 110~

130 ℃에서 분해되어 재생된다. 이 밖에도 아민계 흡 수제로는 구조에 따라 DEA(diethanol amine), TEA(triethanolamine), MDEA (methyldiethanol amine), DIPA(diiso-propanolamine), AMP (2-amino-2-methyl-1-propanol) 등이 있는데, 이들은 각각의 구조적인 특성에 따라 이산화탄소의 흡수능과 흡수속도 등에 차이를 보인다.

습식 포집기술은 석유화학 및 비료(요소비료) 분 야에서는 이미 적용되고 있는 기술로(일본 MHI,

그림 5. 습식 아민 포집 공정.

KS-1) 상용화에 가장 근접해 있는 기술임에는 분명 하지만 이들 공정에 사용되는 기존 1세대 MEA 흡 수제 및 2세대 흡수제(AMP등)는 재생에너지 소모 가 매우 높아 발전소에 연계한 대규모 포집공정에 적용하기에는 어려움이 있다. MEA의 경우 이산화

탄소 1톤당 약 4.0GJ의 재생에너지를 필요로 한다.

현재 습식 포집 공정의 포집비용은 이산화탄소 1톤 당 40~80US$로 화력발전소에 포집설비를 추가할 경우, 발전비용을 크게 증가시켜 기술의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 특히 포집공정 중 흡수

그림 6. 일본 미쓰비시 중공업(MHI)의 상용 포집 공정.

그림 7. 이산화탄소 포집공정 개발 단계.

제의 재생에 소비되는 비용은 전체 포집 비용의 70% 이상을 차지하고 있어 습식 포집 기술의 경제 성 확보를 위하여 시급히 해결해야 할 문제이다.

습식 포집 기술의 상용화를 위하여 일본의 미츠비시 중공업 (MHI), 미국의 Flour사 Cansolv Technologies 사 덴마크의 Dong Energy사 캐나다의 Regina 대학 등이 기술선점을 위한 기술개발 경쟁을 벌이고 있으 며, 이중 미쓰비시 중공업 (MHI)은 Kansai 전력사 (KEPCO)와 함께 습식 아민 공정에서 가장 앞선 기술을 보유하고 있다[그림 6]. 흡수제로는 KS-1 흡수제를 사용하여 약 90%의 이산화탄소를 포집하 고 재생에 사용하는 에너지를 약 2.8GJ/t-CO2로 절 감하였다.

저 에너지 이산화탄소 포집 기술 개발-KIER

한국에너지기술연구원은 1997년부터 이산화탄소 포집기술개발을 시작하여 습식아민 개선, 건식흡수 공 정 , 암 모 니 아 공 정 , 습 식 K2CO3 공 정 , SOx/NOx/CO2 동시처리공정과 같이 다양한 연소 후 포집 기술에 대한 연구를 수행하고 있다. [그림 7]과 같이 다양한 흡수제를 평가하여 우수한 흡수제 를 선별하고 이를 공정에 적용하기 위한 공정자료를

도출하여 공정설계에 반영함으로서 신규 흡수제 및 저에너지형 포집 공정개발을 단계적으로 진행하고 있다.

[그림 8]과 같이 흡수제 평가 장치들을 구축하여 신규 흡수제 선별 및 공정 설계 자료를 선별하고 있 으며, 특히 실험실 규모 (1Nm³/h) 흡수-재생 연속 장치 운전을 통하여 선정된 흡수제의 공정 성능을 평가할 수 있는 연구 기반을 구축하고 있다.

습식 포집기술과 관련하여 신규 아민 흡수제 개발 및 아민공정의 효율개선, 상분리 흡수제 및 공정개 발, 반응 촉진형 탄산칼륨 흡수제를 이용한 포집공 정 개발을 비롯하여 재생에너지를 획기적으로 저감

박기태

그림 8. 이산화탄소 포집 흡수제 평가 장치.

그림 9. 반응 촉진형 탄산칼륨 흡수제 (KIERSOL).

할 수 있는 차세대 흡수제 및 신개념 공정개발을 진 행 중이다. 이 중 반응 촉진형 탄산칼륨 흡수제 KIERSOL[그림 9]은 국내 이산화탄소 포집 기술 중 유일하게 모사 열역학 식과 기본설계자료를 보유 하고 있는 흡수제로 부반응 및 열화에 대한 내성이 강하고 반응속도가 빠를 뿐만 아니라 재생에너지가 약 2.6 GJ/t-CO2로 매우 낮다. 2012년 상반기에 KIERSOL을 적용한 포집공정의 기술이전을 앞두 고 있다[그림 10].

이밖에도 흡수제의 부식 및 열화특성 규명, 연소 전 물리/화학 흡수제, 분리막을 이용한 연소전 이산 화탄소 분리기술 및 포집된 이산화탄소의 화학적 전 환을 통한 자원화 연구 등 이산화탄소 포집 기술 전 반에 대한 포괄적인 연구를 수행하고 있다.

결론

미국, 일본, EU 등 주요 선진국은 2008년 6월 G8 정상회담에서 합의한 2020년 상용화 목표를 달성하 기 위해 현재까지 개발된 기술의 격상을 통한 기술 실증과 획기적인 CCS 비용 저감을 위한 혁신기술 개발을 병행 추진하고 있으며, G8 회담에서 합의한 20by20에 따라 선진국들은 2010년까지 20개의 프로 젝트를 선정하고 2020년까지 실증 완료를 목표로 대 용량 실증에 보다 유리한 연소 후 습식 포집 공정 개 발을 서두르고 있다. 2020년 CCS 기술 상용화에 대 비하여 한국에너지기술연구원에서는 국내 CCS 원 천 기술 개발을 목표로 저비용 고효율 이산화탄소 포집 기술 개발에 주력하고 있다.

그림 10. 반응 촉진형 탄산칼륨 흡수 공정.