GIST, 천연가스·수소 저장량 극대화 '가스 하이드레이트' 원천기술 개발…탄소중립 실현

가스 하이드레이트에서의 공융점 및 튜닝 효과에 의한 가스 저장량 향상 메커니즘 모식도.

광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 박영준 지구·환경공학부 교수팀이 천연가스 및 수소와 같은 에너지 가스의 저장량을 극대화할 수 있는 가스 하이드레이트 원천기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

친환경 소재인 물과 가스로 만드는 가스 하이드레이트는 가스 저장·분리 등 산업적으로 활용 범위가 넓다. 천연가스 저장 매체로 사용할 경우 액화 및 압축 천연가스 기술보다 상온·저압 조건에서 천연가스를 저장할 수 있다. 지구 온난화에 대비하는 차세대 에너지 저장 매체로 주목받고 있다.

저온·고압 조건의 가스 하이드레이트 형성 조건을 완화하기 위해 열역학적 형성 촉진제를 화학 양론적 농도로 사용할 수 있다. 하지만 에너지 가스를 저장할 수 있는 나노 격자 공간의 일부를 차지해 하이드레이트내 가스 저장량이 감소하는 문제가 발생한다.

김 교수팀은 이를 해결하기 위해 열역학적 형성 촉진제의 농도를 선택적으로 조절해 하이드레이트의 나노 격자 공간 중 일부를 비우고 이를 가스 분자로 채우되 열역학적 형성조건을 완화하며 가스 저장량을 향상시킬 수 있는 '튜닝 효과'를 유용하게 활용할 수 있다는 사실을 규명했다.

튜닝 효과는 천연가스 및 차세대 대체에너지원인 수소 에너지를 저장하는 데 매우 효과적인 접근법이다. 가스 하이드레이트 문제점인 극한의 형성 조건을 완화시키는 동시에 제한된 저장량의 한계점을 극복해 가스의 저장량을 대폭 향상시킬 수 있다.

박영준 GIST 교수와 서동주 박사과정생, 이윤석 박사, 이승인 박사과정생(왼쪽부터).

연구팀은 기존에 확인한 메탄 및 수소와 같은 에너지 가스뿐만 아니라 이산화탄소에 대해 처음으로 튜닝 효과를 확인했다. 튜닝 효과의 개념을 대량생산에 유리한 물 기반의 하이드레이트로 확장했으며 튜닝 효과를 유도하기 위한 공융점 및 하이드레이트 전환율과 같은 주요 인자의 상관관계도 규명했다.

박영준 교수는 “에너지 가스 저장 매체로 활용할 때 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있는 가스 하이드레이트의 에너지 저장량을 극대화하기 위해 튜닝 효과를 활용해 원천 기술을 확보했다”면서 “이번 연구 성과는 다가오는 수소 에너지 시대에 높은 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

박 교수가 지도하고 이윤석 박사, 서동주 박사과정생, 이승인 박사과정생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 중견 개인기초연구자 지원사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 화학 분야 상위 5% 이내의 저명 학술지인 '어카운트 오브 케미컬 리서치'와 화학공학 분야 상위 5% 저명학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'에 최근 온라인 게재됐다.

광주=김한식 기자 hskim@etnews.com