비용 '확' 낮춘 신기술로 99% 순도 이산화탄소 포집한다

이번 연구를 이끈 한국에너지기술연구원 청정연료연구실 연구원들의 모습. 박종호 책임연구원, 윤형진 선임연구원, 장현성 학생연구원, 추고연 책임연구원, 이경원 학생연구원, 범희태 선임기술원(오른쪽 위부터 시계방향). /사진=한국에너지기술연구원

국내 연구진이 지구온난화에 대응할 미래 기술로 꼽히는 이산화탄소 포집 기술의 핵심 소재를 개발했다. 이산화탄소 포집 비용을 기존 기술에 비해 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 보인다.

한국에너지기술연구원(에너지연)은 박종호 청정연료연구실 책임연구원이 이끄는 연구팀이 '블루수소' 생산의 핵심 소재와 공정 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 블루수소는 화석연료의 질을 개선해 수소 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 제거한 친환경 수소를 말한다.


수소는 청정에너지원으로 꼽히지만 화석연료에서 수소를 뽑아낼 때 이산화탄소가 발생한다. 수소 1kg을 생산하는 데 약 10kg의 이산화탄소가 생기는 것으로 알려져 있다. 탄소중립을 달성하려면 이산화탄소를 배출하지 않는 그린수소의 생산 비율이 높아져야 하지만 기술과 경제성에 한계가 있어 상용화가 어렵다.

블루수소는 그린수소의 대안책이다. 수소 생산 과정 중 발생하는 이산화탄소를 포집해 지하에 매장하거나 석유화학 제품 원료로 활용해 이산화탄소가 대기 중에 방출되지 않게 하는 방식이다. 국제에너지기구 통계에 따르면 2050년 블루수소 공급량은 연 2억 톤(t)으로, 이를 통해 연 13억t의 이산화탄소를 저감할 수 있을 것으로 전망된다.

에너지연 연구팀은 이산화탄소 포집에 활용하는 흡착제의 효율을 높였다. 흡착제는 정전기적인 인력을 통해 분자를 끌어당기고 포집한다. 연구팀이 개발한 흡착제는 극성을 띠고 있다. 무극성도가 높은 메탄을 끌어당기는 힘은 최소화하고 이산화탄소를 끌어당기는 힘은 강화했다. 기존 사용되던 흡착제와 비교할 때 이산화탄소 흡착량은 비슷하지만 4.6배 이상 높은 정밀도로 포집할 수 있게 됐다.


기존 이산화탄소 포집 공정에 사용되던 흡착제는 정밀도가 떨어졌다. 흡착량이 많으면 배출가스 중 이산화탄소가 아닌 메탄을 더 많이 포집했다. 정밀도를 높일 경우 흡착량이 떨어졌다. 단점을 극복하려면 이산화탄소 포집 설비의 용량을 키워야하지만 비용이 높아진다는 한계가 있었다. 연구팀은 흡착량과 정밀도를 모두 잡은 흡착제를 개발했다.

연구팀은 이어 개발한 흡착제를 적용한 '진공압력변동흡착(VPSA)' 공정 기술을 개발했다. 압력 변화에 따른 흡착량 차이를 이용한 기체 분리 기술이다. 연속 운전 수행을 통해 99% 순도의 이산화탄소를 92%의 회수율로 포집하는 데성공했다. 기존 흡착제는 96% 순도의 이산화탄소를 67% 정도만 회수할 수 있었다. 이때 소모된 전력을 계산한 결과 1t당 40킬로와트시(kWh)가 들었다. 이는 이산화탄소 포집 기술의 선두주자로 꼽히는 미국 에어프로덕츠사의 전력 소모량인 83kWh에서도 절반 이상 줄인 수치다.

이번 연구를 이끈 박 책임연구원은 "이번에 개발한 흡착제와 연구원이 보유한 수소 플랜트 설계 기술, 공정 개발 경험을 접목하면 연 100만t 규모의 이산화탄소 포집을 실증하고 1t당 30달러 이하의 낮은 포집 비용으로 블루수소 생산이 가능할 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 CCU 3050 사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구진이 개발한 고성능 이산화탄소 흡착제 /사진=한국에너지기술연구원