연구실 소개
우리나라 정부출연연구기관 중 기후변화대응 기 술 개발에 가장 선도적인 연구를 수행하고 있는 한 국에너지기술연구원 온실가스연구실은 지구온난화 방지 기술과 화석연료에 대한 의존도를 낮추기 위 한 청정에너지 사용 및 보급 확대 기술 개발을 수행 하고 있다. 당 연구실은 지구온난화 이슈가 부각되 기 전인 1994년부터 온실가스 저감 기술 개발에 매 진하여 세계 최고 수준의 이산화탄소 포집 소재 및 공정을 개발하였다. 이를 바탕으로 국내 최초로 민 간 기업에 기술이전을 실시하였고 미국 등 선진국 과의 공동 연구 및 해외 기술이전을 진행 중이다. 또 한 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하기 위한 촉매 및 공정개발 분야에서도 기존 공정을 넘어서는 뛰어 난 연구 성과를 도출하고 있다. 화석연료에 대한 의 존도를 낮추는 것은 지구온난화 방지를 위한 기술적 대응방안 중 가장 선제적 방법이다. 당 연구실에서 는 청정에너지 사용 및 보급 확대를 통한 지구온난 화 방지를 목표로 저탄소 에너지·환경 공정 기술, 유 동층 이용 에너지 연소/전환 및 연소 배가스 활용 및 오염물질 제거 기술 연구 등을 수행하고 있다. 한국 에너지기술연구원 온실가스연구실 72명의 연구진은 세계 최고의 원천 소재 및 공정 개발을 통해 쾌적한
지구 환경 구현과 우리나라 국익창출을 위해 노력하 고 있으며, 이를 실현하기 위한 주요 연구개발 내용 은 다음과 같다.
주요연구분야
1) CO2 포집 선도 기술 - KIERSOL
KIERSOL 기술은 연소후 CO2 포집, 석유화학공 정 중 AGRU(Acid Gas Removal Unit) 공정용으로 개 발되었다. 본 기술은 상압의 액상 흡수 반응을 통해 CO2를 효율적으로 포집하는 공정으로써 40℃에서 흡수, 103~120℃에서 흡수제를 가열하여 재생해 흡 수제를 순환 재사용하는 상용 아민과 유사한 반응 시스템을 가지고 있다. 흡수제는 탄산칼륨과 입체저 항 시클릭 디아민을 반응속도 촉진제로 혼합해 사용 하는 수용액이다. 본 기술은 정상상태에서 재생에 필요한 재비기 열용량이 2.2 GJ/tCO2로써 세계 최고 수준이며 이는 소재의 특성과 특수한 재비기 구조에 의한 결과이다. 2016년에는 미국 테크컨넥트에 기술 을 출품하여 글로벌 혁신기술상을 수상하여 글로벌 엔지니어링사들의 주목을 받은 바 있다. CO2 분리용 소재 뿐만 아니라 소재 특성이 반영된 공정 설계도 독자적으로 수행하여 공정 라이선스 패키지까지 완 성하였다. 아직 국내에 CO2 저장처가 없기에 CCS 기 술 상용화가 힘든 환경임에도 불구하고 기술력만으
한국에너지기술연구원 온실가스연구실
- 기후변화 대응 기술 개발의 과거, 현재 그리고 미래 -
정순관
한국에너지기술연구원
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로 2 건의 기술이전을 한 바 있다. 첫 번째로는 현대 기아자동차 생산 공장의 LNG 연소 보일러 내 배가 스 내 CO2 포집용으로, 두 번째로는 홍성 바이오 가 스 발전소의 바이오 메탄 업그레이딩용으로 본 기술 이 활용되었다. 최근에는 시멘트 생산 공장에서 배 출되는 대량의 CO2를 포집하는 연구를 수행 중에 있 고, 미국의 몬타나주 석탄 화력발전소와 연계하여 현지에서 CO2를 포집한 후 유전에 저장하는 CCS 기 술 체인 완성을 위한 연구를 수행하고 있다.
2) 건식CO2포집 유동층공정 개발 선도
2002년부터 CO2를 기존의 습식흡수법이 아닌 새 로운 혁신 개념으로 건식고체흡수제를 이용하여 포 집하는 신개념 건식 CO2 포집기술은 3無(폐수발생, 2차오염, 부식), 3高(흡수능, 내열성, 기-고 접촉), 3 低(투자비, 소요부지, 저가 활성소재)의 특징을 가 지고 있다. 소재인 건식흡수제는 한전전력연구원 에서 개발을 담당하였고, 유동층포집공정은 에너 지기술연구원 온실가스연구실에서 독자 개발하여 scale-up 과정을 2 Nm3/h, 100 Nm3/h, 2,000 Nm3/h, 35,000 Nm3/h 규모까지 3단계의 격상을 거치면서 엔지니어링 데이터를 축적 해석하였다. 남부발전소
그림 1. KIERSOL CO2 포집 공정 및 라이선스 패키지.
그림 2. 건식CO2포집 유동층공정 KIERDRYⓇ 개발경로.
의 실제 석탄연소 배가스와 연계하여 개발공정을 시험하였고, 현재 남부발전 하동화력본부 석탄 화 력발전소 8호기와 연계하여 건식으로는 세계 최대 규모인 10MWe 규모의 유동층 CO2 포집공정을 개 념부터 설계하여 세계 최초로 완공하고 80% 이상의 제거율, 1,500시간 연속운전에 성공하였다. 현재 남 부발전에서는 연 160일 이상의 장기연속운영을 통 해 공정의 최적화를 수행하고 있다. 국내 고유기술 인 본 기술은 세계선도 기술로서 미래 연소후 CO2
포집기술 수출시장 선점이 가능하고 경쟁력이 있는 혁신기술로 평가 받고 있다.
3) 매체순환 연소기술
매체순환 연소기술은 연료와 공기 중의 산소를 직접 반응시켜 연소시키는 직접 연소방식과는 달리 금속매체를 이용하여 산소를 공급하는 간접연소방 식으로 두 개의 반응기(산화반응기, 환원반응기) 사 이를 금속매체가 순환하면서 한 반응기에서는 금 속입자의 산화반응이, 다른 반응기에서는 금속입 자의 환원반응이 이루어지도록 하는 기술이다. 환 원반응에서 생성되는 기체는 CO2와 수증기(H2O)뿐 이므로 수증기를 응축하여 제거하면 고농도의 CO2
를 공정 내에서 원천적으로 분리할 수 있다. 산화 반응기는 공기 중의 산소를 산소공여입자(oxygen carrier particle)에 의해 분리하는 공기분리기(ASU : Air Separation Unit)의 역할을 하게 되며, 산소는 산 소공여입자에 의해 환원반응기로 이동하여 환원반 응기에서 연료와 접촉하면서 순수한 산소에 의한 연 소가 일어나게 된다. 주요 연구내용으로 금속 매체 입자(산소공여입자) 개발 및 성능개선, 유동층 매체 순환연소기 설계 및 운전기술 개발, 공정 scale-up 기 술 개발 등의 연구를 수행하고 있다. 본 연구는 2009 년도 지식경제부의 재원으로 한국에너지기술평가 원의 지원을 받아 연구를 수행하였으며(사업기간 : 2006.09.01∼2011.08.31, 총 사업비 61억원), 이 사업 을 통해 200 kW급 매체순환연소기를 참여기업인 대 성에너지 세너지(대구)에 설치하여 100시간 이상의 장기연속운전을 실증하였으며 연료 전환율 99.2%, 원천분리된 CO2 순도 99.0%의 성능을 실증하였다.
최근에는 산업자원부의 재원으로 한국에너지기술 평가원의 지원을 받아 격상연구를 수행하고 있으며 (사업기간 : 2015.06.01.~2019.05.31., 총 사업비 73억 원), 이 사업을 통해 500 kW급 가압 매체순환연소기 의 200시간 이상 장기연속운전 실증과 연료전환율 98% 이상, 원천분리된 CO2 순도 98% 이상의 성능 실 증을 목표로 하고 있다. 그림 3에는 200 kW급 매체 순환 가스연소기 사진 및 500 kW급 플랜트의 3D 도 면을 나타내었다.
4) 상분리 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 기술 기존 이산화탄소 포집 기술의 대형 실증과 더불 어 2030년 이후를 겨냥하여 CO2 포집에 소비되는 에 너지와 포집 비용을 혁신적으로 절감하기 위한 차 세대 포집 기술이 활발히 연구되고 있다. 상분리 흡 수제를 이용한 CO2 포집 기술은 이러한 혁신 포집 기술 중 하나이다. 상분리 흡수제란 단일 상(Phase) 의 흡수제가 CO2를 흡수하거나 온도가 변화되면 2
그림 3. 200kW급 매체순환 가스연소기 및 500kW급 매체순환 가 스연소 플랜트.
상(Two Phase)으로 액액 상분리(Liquid Liquid Phase Separation) 되는 흡수제를 의미한다. 3H Company (미국), IFP Energy Nouvelles(프랑스), NTNU(노르 웨이), 도르트문트 대학(독일) 등의 기관에서 다양한 CO2 포집용 상분리 흡수제 및 공정이 연구되고 있 다. 본 연구실이 개발 중인 아민계 상분리 흡수제는 주 흡수물질인 폴리아민과 흡수용량을 증대하는 상 분리 유도제 및 물로 구성되어 있다. CO2를 흡수함 에 따라 상분리가 용이한 폴리아민-상분리 유도제
조합으로 구성물질과 물의 함량이 결정되어 4종 이 상의 상분리 흡수제가 선정되었다. 구성물질들의 배 합비는 CO2 흡수능, 흡수제 재생능, CO2 흡수 속도 를 제공하도록 최적화되었다. 이러한 상분리 흡수제 는 흡수공정에서 CO2를 흡수하면서 상대적으로 CO2
를 많이 흡수하고 있는 상(CO2 Rich Phase)과 상대적 으로 적게 함유하고 있는 상(CO2-Lean Phase)으로 액액 상분리된다. CO2 포집 공정에서 CO2 Rich Phase 만 재생시키고, CO2 Lean Phase는 별도 재생 없이 재 생된 CO2 Rich Phase와 혼합하여 재사용하기 때문에 상용 공정 대비 재생 공정의 크기를 줄일 수 있고, 흡 수제 재생열을 혁신적으로 절감시킬 수 있다. 본 연 구실에서는 개발된 흡수제의 성능을 실험실 규모 연 속 순환 장치(1 m3/hr 가스 처리)에서 측정하고 있다.
현재까지 재생탑으로 공급되는 유량은 전체 순환유 량의 약 40%로서 재생열(Reboiler heat duty)을 상용 MEA 대비 45% 절감하였다. 향후 재생열을 기존 기 술 대비 50% 이상 절감하는 CO2 포집공정의 완성이 목표이다.
5) 이산화탄소 전환 공정기술 – 알코올 제조 저온 영역(160~180oC)에서 이산화탄소의 수소화 반응에 의해 메탄올을 포함한 고급 알코올을 제조하
그림 4. 상분리 흡수제 및 공정 개념도.
그림 5. CO2 전환 저온 메탄올 합성 공정.
기 위한 촉매 및 반응공학적 시스템 개발을 진행하 고 있다. 저온 알코올 합성 공정은 이산화탄소와 수 소를 균질/불균질 하이브리드 촉매가 슬러리화된 유 기 용매에 흡수시켜 이산화탄소의 활성화 에너지 를 낮춰 저온에서도 반응이 진행될 수 있다는 장점 을 가지고 있다. 현재 실험실 규모에서 연구를 진행 하고 있으며 반응압력 30 기압, 온도 160oC 조건에서 메탄올 수율 25%를 상회하는 결과를 얻고 있다. 향 후 기후변화 대응기술 개발을 위한 탄소자원화 분야 의 원천기술로서 미래성장 동력을 창출하는 데 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.
6) 전기화학적 이산화탄소 전환 기술개발
전기화학적 이산화탄소 전환 반응은 전기에너 지를 투입하여 두 전극 사이에 전위차를 발생시켜 전자의 이동을 통해 이산화탄소를 유용한 탄소화합 물로 환원시키는 반응이다. 전기화학적 전환 기술은 상온, 상압 조건에서도 반응을 수행할 수 있고 전해 질을 재활용함으로서 화학물질의 배출이 없으며 시 스템이 간단하고 모듈화가 가능하여 공정 격상이 용 이하다. 여러 전환 생성물 중에서 개미산의 경우 반 응 경로가 단순할 뿐만 아니라 선택도가 높고 투입 되는 전기 에너지 비용 대비 시장 가격이 높아 전환 생성물 중에서도 경제성이 가장 우수하다. 최근 수 소에너지 저장 매체로서의 가능성이 제시됨에 따라 이산화탄소로부터 전기화학적으로 개미산을 제조하 기 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 전기화 학적 이산화탄소 전환 기술의 실용화를 위해서는 이 산화탄소 환원 반응의 과전압이 낮고 생성물에 대한 선택도가 높은 고내구성 촉매의 개발과 더불어 전해 액의 낮은 이산화탄소 용해도를 극복하기 위한 방안 이 요구되고 있다. 특히 개미산과 같이 전환 생성물 이 액체인 경우 후단에서 전해액으로부터 생성물을 분리하기 위한 추가 비용이 발생하므로 생성물의 경
제성 확보를 위한 고농도 생성물 제조 기술이 반드 시 필요하다. 온실가스 연구실에서는 이러한 문제점 을 극복하기 위하여 기상의 이산화탄소를 반응물로 직접 공급하여 높은 효율로 고농도 개미산을 회수하 기 위한 Catholyte-Free 전환 시스템 및 전환 촉매 개 발을 진행하고 있다. 이 기술을 적용하면 전해액의 재순환 없이도 10% 이상의 고농도 생성물을 80% 이 상의 높은 선택도로 제조할 수 있으며, 기존 기술 대 비 25% 이상의 전기에너지를 절감할 수 있을 것으 로 기대된다. 이 기술은 개미산 뿐만 아니라 알코올 이나 알데하이드와 같은 다양한 액상의 전환 생성물 제조에도 활용될 수 있다.
7) DMC 생산을 위한 반응-탈수 공정기술
본 연구실에서는 이산화탄소를 메탄올과 직접 반응시켜 DMC(dimethyl carbonate)를 합성하는 공정(direct synthesis)을 개발하고 있으며, 반응 식은 아래와 같다.
2CH3OH + CO2 ↔ CH3O-CO-OCH3 (DMC) + H2O 반응식에서 볼 수 있듯이, 반응 부산물로는 물 (H2O)이 발생하며, 이는 메탄올 to DMC 전환율 및 DMC 선택도를 저하시키는 요인이 된다. 이때, 반응 부산물인 물을 화학적 혹은 물리적으로 제거할 경
그림 6. Catholyte-Free 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템.
우, 전환율을 향상(equilibrium shift, 르샤틀리에의 원 리)시킬 수 있다. 화학적 탈수제(dehydration agent)로 는 2-cyanopyridine이 대표적이며, 세리아 등의 촉매 와 함께 사용할 경우 전환율을 급격히 향상시킬 수 있다. 그러나 물과 반응한 탈수제를 반응물(DMC) 및 촉매로부터 분리-회수하여야 하며, 이때 추가적인 에너지 및 비용이 발생하게 된다. 한편 물리적으로 물을 제거하는 공정은 반응증류(reactive distillation), sorption enhanced process(흡착제, 흡수제 등을 이용 하여 물 제거), 막반응 공정(membrane reactor for in situ water removal) 등이 있으며, 본 연구실에서는 막 반응 공정을 적용하여 연구를 진행하고 있다. 현재 높은 반응 압력(30 bar 이상) 및 온도 (130℃ 이상) 조 건에서도 견딜 수 있는 분리막, 그리고 전환효율이 뛰어난 촉매를 개발하고 있다. 또한 공정 최적화를 통해 소재의 한계를 극복하는 기술 개발을 진행 중 이다.
8) 이산화탄소 포집 및 광물화 일체형 공정 개발 기존 이산화탄소 광물화 반응의 가장 큰 단점은 포집된 이산화탄소를 사용하기 때문에 포집으로 인 한 비용과 전환으로 인한 비용의 이중적 손실이 발 생하는 것과 광물화 반응에 사용되는 매개체의 이 산화탄소 용해도가 낮아 공정이 커질 수밖에 없다
는 것이다. 당 연구실에서는 이러한 문제를 극복할 수 있는 이산화탄소의 포집-광물화 단일공정 기술 을 개발하고 있다. 흡수속도와 용량이 큰 아민계 흡 수제를 이용하여 이산화탄소를 흡수시키고, 이 상태 에서 양이온을 주입하면 흡수된 이산화탄소가 무기 탄산염으로 전환되어 침전되어 유용한 탄산광물을 얻을 수 있다. 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 본 연 구에서 개발한 간단한 화학적 재생방법에 의해 재생 되어 연속적으로 사용이 가능하다. 본 기술은 기존 CCS 공정의 가장 큰 단점인 흡수제의 높은 재생에너 지 문제와 대량의 CO2 Storage를 위한 저장 문제 및 이산화탄소를 고부가 제품으로 전환하는 문제를 모 두 해결 할 수 있는 획기적인 기술로 현재는 산업폐 기물로부터 양이온을 추출하는 기술과 이산화탄소 포집 및 광물화 연속공정 연구를 통해 기술의 완성 도를 높이는 연구를 진행 중이다.
9. 유동층이용 화석연료 촉매가스화 기술
석탄가스화기술은 전기, SNG, 메탄올, DME, DMC 및 수소 외에도 다양한 화학원료를 생산하는 CO, H2가 주성분인 합성가스를 생산하는 석탄전환 기술이다. 가스화기의 성능과 경제성을 향상시키기 위하여 미래 지향적 연구로서 석탄촉매가스화 기술 을 연구하고 있다. 촉매를 사용함으로서 공정비용 을 낮추고, 냉가스 효율을 향상시키며, 조업조건을 개선하여 합성가스의 조성을 제어하여 경제성을 향 상시킬 수 있다. 유동층 가스화기에서 사용한 촉매
그림 7. In-situ water removal을 적용한 DMC 합성용 membrane reactor 개념도.
그림 8. 혁신적인 이산화탄소 포집-광물화 단일공정 개념도.
는 TGA 및 고정층 반응실험에서 선정한 K2CO3 촉 매를 사용하였으며, 촉매를 미분으로 분쇄하여 석 탄에 분산하는 방법, 성형촉매를 제조하여 조업 중 에 주입하는 방법 및 물에 용해시킨 촉매를 반응기 에 분무하여 주입하는 방법으로 공정운전을 수행하 였다. 또 가스화기 상부의 미반응 물질을 재순환시 킴으로서 가스화 성능에 미치는 영향을 관찰하였다.
온도 800 ~ 850 ℃, 압력 1 ~ 6 기압, O2/C ratio, H2O/
C ratio, 촉매 접촉방법 및 석탄주입속도에 따라 가스 화 실험을 수행한 결과 K2CO3/C = 0.1 wt% 촉매용액 분무 주입조건에서 탄소전환율 98% 이상을 얻었으 며, 냉가스 효율 70%를 얻었다. 현재 촉매가 고온에 서 기화 및 회분과의 반응에 의한 활성저하 현상이 나타나는 문제점을 극복하는 연구와 회분과 혼합된 촉매를 원활하게 진행하는 연구를 진행 중이다.
그림 9. 상부물질 재순환 가스화기 하부.
