[ENTECH 후기] 탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단, CO2를 쓸모있게

탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단, CO2를 쓸모있게

대학생신재생에너지기자단 24기 김하은, 변지원, 이지혜

[자료 1. 탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단 부스 전경]

출처 : ©24기 이지혜

 탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단 소개

[자료2. 탄소자원화 플랫폼 화합물 연구사업단 구성도]

출처:  탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단 과제 소개집

탄소자원화 플랫폼 화합물 제조기술 개발사업은 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 산하에 2022년부터 현재까지 총 458억원을 투자하여 산 학 연 21개 기관과 연간 약 167명의 연구진이 참여하고 있는 사업이다. 본 사업은 ‘탄소자원화 혁신기술 기반 탄소중립 기여 및 산업 지속발전’이라는 비전 하에 저탄소 산업 구조를 위한 탄소자원화 플랫폼 화합물 생산 기술 실증 및 상용화 기반 확보를 목표로 한다. 이에 따라 2030 NDC 실질적 기여를 위한 탄소자원화 실증기술을 3건 이상 도출해냈으며, 실용가능한 탄소 자원화 기술이전은 3건 이상, 세계최고 수준 Scale up 핵심기술을 3건 이상 확보했다. 또한 응용 가능 기술 확보 - 현장중심 scale up 기술 확보 - 전주기 통합공정 개발의 3단계를 거쳐 추진되고 있다. 

[자료3. 탄소자원화 플랫폼 화합물 연구개발 세부내용]

출처:  탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단 과제 소개집

탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단의 중점 연구 분야는 총 3가지 분야로 나뉜다. ‘부생가스/CO2 동시활용’ 분야에 해당하는 기술에는 ‘고순도 CO분리회수를 위한 막분리-PSA 혼성 공정 개발’, ‘부생가스와 CO2를 이용한 Syngas 및 올레핀 생산 실증기술 개발’이 있다. ‘재생에너지 연계 CO2 전환’ 분야에는 ‘전기화학적 CO2 전환 에틸렌 생산 핵심 기술 개발 및 실증 연구’, ‘CO2 직접수소화를 통한 액체 탄화수소 제조 Power-to-Liquid 실증기술 개발’이 있다. 마지막으로 ‘유기성폐자원/CO2 동시활용’ 분야에는 ‘유기성폐자원 및 이산화탄소 동시활용 폴리머 플랫폼 화합물 제조기술 개발’, ‘유기성 폐자원 유래 바이오가스로부터 바이오납사/윤활기유 생산 통합 실증기술 개발’ 연구가 있다. 본 기사에서는 ‘재생에너지 연계 CO2 전환’ 분야의 기술에 대해 자세히 다루고자 한다.

 

전기화학적 CO2 전환 에틸렌 생산 핵심 기술 개발 및 실증 연구

[자료4. CO2의 전기화학적 에틸렌 제조 기술 구성도]

출처:  ©24기 김하은

탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단의 중점 연구 분야는 총 3가지 분야로 나뉜다. ‘부생가스/CO2 동시활용’ 분야에 해당하는 기술에는 ‘고순도 CO분리회수를 위한 막분리-PSA 혼성 공정 개발’, ‘부생가스와 CO2를 이용한 Syngas 및 올레핀 생산 실증기술 개발’이 있다. ‘재생에너지 연계 CO2 전환’ 분야에는 ‘전기화학적 CO2 전환 에틸렌 생산 핵심 기술 개발 및 실증 연구’, ‘CO2 직접수소화를 통한 액체 탄화수소 제조 Power-to-Liquid 실증기술 개발’이 있다. 마지막으로 ‘유기성폐자원/CO2 동시활용’ 분야에는 ‘유기성폐자원 및 이산화탄소 동시활용 폴리머 플랫폼 화합물 제조기술 개발’, ‘유기성 폐자원 유래 바이오가스로부터 바이오납사/윤활기유 생산 통합 실증기술 개발’ 연구가 있다. 본 기사에서는 ‘재생에너지 연계 CO2 전환’ 분야의 기술에 대해 자세히 다루고자 한다.

[자료5. 고효율/고내구성 구리 촉매]

출처:  ©24기 김하은

연구단의 설명을 들은 결과 이 기술에서의 핵심 요소는 촉매라는 답변을 받았다. 전기화학적 CO2 전환 그린 에틸렌 생산 촉매를 통해 주요 시스템을 구축할 수 있는 것이다. 이 촉매는 전자구조 조절 구리 기반의 디자인을 갖추고 있으며, 고효율, 고내구성 확보를 위해 구리 전극 표면 처리 기술이 적용 되어있다. 더해서 전기화학적 CO2 전환 반응 시스템은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 대면적 반응기 유로 설계 및 스택 적중 기술을 통해 구축되었다. 마지막으로 대면적 전극 준비 기술과 대규모 전기화학 시스템 운전 및 최적화를 통해 최종적으로 전기화학적 그린 에틸렌 대량생산 시스템을 구축할 수 있는 것이다. 

[자료6. 전기화학적 CO2 전환 에틸렌 생산 촉매 기술 개발]

출처:  ©24기 김하은

현재 이 기술은 대량 생산 기술 확보 연구를 하고 있으며, 실증화 목표로는 총 4가지를 두고 연구하고 있다. 먼저 CO2를 그린 에틸렌으로 전환하는 데 있어서 제조 패러데이 효율을 55% 이상 확보하기 위해 노력하고 있다. 또한 에틸렌 제조 전류 밀도를 250Ma/cm2로 맞추는 것을 목표로 하고 있다. 

더 큰 규모를 위해서는 에틸렌 생산 파일럿 및 설계 패키지 확보, 규모 1,000cm2의 스택화 반응기를 구축하는 것이 필요하다. 이러한 실증화 목표들이 실현된다면, 화석연료 기반의 에틸렌 생산 공정이 가능해지고, 생산된 에틸렌을 원료로 하는 가스 절단 및 용접 공정에서의 사용, 폴리에스테르와 같은 각종 합성섬유와 합성수지 공정에서의 사용을 기대해 볼 수 있다.

[자료7. 신재생에너지(전기)를 활용한 CO2 전환 에틸렌 생성 반응기]

출처:  ©24기 김하은

 

CO2 직접수소화를 통한 액체 탄화수소 제조 Power-to-Liquid 실증기술

연구단에서는 진행하고 있는 또다른 연구는 액체 탄화수소 제조를 위한 직접수소화 기술이다. 이는  CO2를 CO로 전환시키지 않고, 수소와 직접 반응시켜 액체 탄화수소를 제조하는 기술로 재생에너지로부터 생산된 수소를 이용해 CO2를 유용한 화학원료로 직접 전환하는 탄소중립 핵심기술을 일컫는다.연구단에서는 진행하고 있는 또다른 연구는 액체 탄화수소 제조를 위한 탄소중립 핵심기술을 일컫는다.

[자료8. 액체 탄화수소 제조 CO2 직접수소화 기술 구성도]

출처:  ©24기 변지원

연구단은 직접수소화 과정을 포집된 이산화탄소 기체를 촉매와 반응시켜 역수성 가스화 반응(RWGS), 피셔-트롭시 합성 반응(FTS)을 거쳐서 액체 탄화수소를 만들낸다고 소개했다. 연구단에서는 크게 3가지의 요소기술을 이용해 연구를 진행했다. 첫번째로 CO2 직접수소화 고수율 촉매 대량 제조법 개발이다. 본래 직접수소화 기술은 RWGS 반응과 FTS 반응이 각각 이루어졌다. 연구단에서는 한번에 반응 시킬 수 있는 촉매 제조법을 개발함으로써 경제성을 향상 시켰다. 두번째로 직접수소화 반응의 발열 제어를 위해 반응속도식 도출 및 반응기 모사 최적화 연구를 통해 설계에 대한 연구를 진행했다. 마지막으로 실증 파일럿 플랜트 구축/운전 및 PtL 공정 설계 최적화와 통합공정 경제성 및 CO2 저감량 분석 기술에 대한 연구가 구현됐다.

본 기술은 두개의 공정을 단일 촉매 반응 공정으로 만들면서 CO2를 직접 전환해 높은 에너지 효율과 시설 및 운영비 절감 효과를 극대화 한다. 또한 재생에너지 기반의 수소를 활용함으로써 온실가스 감축에 기여한다는 이점을 지닌다.

[자료9. 직접전환 공정을 통한 액체탄화수소 제조 공정]

출처:  ©24기 변지원

연구단에서는 현재 이 기술이 실증 개발 단계이며 GS건설 등의 기업에 기술 이전하여 상용화를 위한 준비 단계에 있다고 밝혔다. 기술이 실증화 된다면 합성 납사, 연료 등 탄소 중립의 효과의 화학 원료 제조, 기존 화학 및 석유 산업에서 CO2 저감 효과, 액화 탄화수소를 활용하는 제조업에서 단가 절감 효과, 효과적인 에너지 저장,공급효과의 에너지 저장 및 발전 산업을 기대할 수 있다.

[자료10. 직접수소화 기대효과 및 적용 분야]

출처:  ©24기 변지원

탄소자원화 기술의 필요성

탄소제로(Net Zero)를 실현하기 위한 폐탄소자원의 고부가화 제품으로의 전환기술은 기업 경쟁력을 넘어 국가 경쟁력을 위해 필요한 역량이라 평가된다. 이러한 가운데 CO2를 자원화시키고자 하는 탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단의 기술은 이산화탄소가 포함돼 있는 온실가스, 부생가스, 유기성 폐자원을 활용하여 화학제품과 청정원료를 생산하는 선순환 경제가치를 창출할 수 있을 것이라 기대된다.

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1. "탄소 자원화, "온실가스를 에너지로 바꾼다고?"", 19기 김다빈, https://renewableenergyfollowers.org/3294

탄소 자원화, "온실가스를 에너지로 바꾼다고?"

2. "이산화탄소로 휘발유를 만들 수 있다?", 16기 문정호, https://renewableenergyfollowers.org/2919

이산화탄소로 휘발유를 만들 수 있다?

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