이산화탄소 포집 효율 높여 블루수소 생산 비용 낮춘다

에너지연, 메탄 대비 이산화탄소 선택도 4.6배 높은 흡착제 개발
기존 흡착 공정 대비 전력 사용량 절반 이상 절감 가능

박종호 한국에너지기술연구원(에너지연) 청정연료연구실 책임연구원 연구진이 블루수소 생산의 핵심 기술인 이산화탄소 포집 핵심 소재와 공정 기술을 개발해 포집 비용을 획기적으로 낮추는 데 성공했다./에너지연

박종호 한국에너지기술연구원(에너지연) 청정연료연구실 책임연구원 연구진이 블루수소 생산의 핵심 기술인 이산화탄소 포집 핵심 소재와 공정 기술을 개발해 포집 비용을 획기적으로 낮추는 데 성공했다고 7일 밝혔다. 블루수소는 수소를 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 탄소 포집이나 활용, 저장 기술을 활용해 제거한 수소를 말한다.

수소는 청정에너지로 주목받고 있으나 화석연료로부터 생산되는 그레이수소가 총생산량의 90% 이상을 차지한다. 이 과정에서 수소 1㎏을 생산하는데 약 10㎏의 이산화탄소가 발생한다. 탄소중립을 위해서는 물을 전기분해해 이산화탄소를 배출하지 않고도 얻을 수 있는 그린수소의 생산 비율이 높아져야 하나, 아직은 기술력과 경제성이 부족해 상용화 이전까지 징검다리의 역할을 하는 기술이 필요하다. 현재 가장 현실적인 대안은 블루수소다.

하지만 기존 블루수소 생산 공정에서 이산화탄소 포집을 위해 활용하던 상용 흡착제는 흡착량이 많으면 배출가스 중 이산화탄소가 아닌 메탄을 더 많이 포집하거나, 이산화탄소에 대한 선택도가 높으면 흡착량이 적어지는 단점이 있었다. 이러한 단점으로 인해 이산화탄소 포집 설비를 키워 이산화탄소 포집량을 늘릴 수밖에 없고 장치 축소에 따른 운전비용 절감과 같은 효율 개선은 기대하기 어려웠다.

이에 연구진은 표면 특성이 극성인 흡착제를 개발하고 유효 흡착량의 극대화를 위해 이산화탄소에 대한 결합력을 최적화했다. 흡착제는 정전기적인 인력을 통해 분자를 끌어당기고 포집하는데, 개발된 흡착제는 극성을 띄고 있어 무극성도가 매우 높은 메탄과의 인력을 최소화하는 동시에 이산화탄소에 대한 친화도는 유지하도록 설계했다. 개발된 흡착제는 이산화탄소에 대해 상용 흡착제 대비 4.6배 이상 높은 선택도를 보였다.

연구진은 개발한 흡착제를 적용한 공정 기술을 개발해 99% 순도의 이산화탄소를 92%의 회수율로 포집하는 데 성공했다. 기존 흡착제의 경우 96%의 순도의 이산화탄소를 67%만 회수할 수 있는 반면, 개발된 흡착제는 순도와 회수율 모두 압도적으로 높아 공정 효율을 크게 높일 수 있다.

특히 이산화탄소를 분리하고 고순도로 회수하는 데 필요한 전력 소비를 공정 모사를 통해 계산한 결과, 이산화탄소 1t당 40kWh(킬로와트시)의 전력이 필요한 것으로 확인됐다. 선도 기업인 미국 에어프로덕츠의 기술이 이산화탄소 1t당 83kWh가 드는 것에 비해 전력 사용이 절반으로 절감되면서 포집 비용도 절반가량 줄일 수 있게 된 것이다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 2050년 블루수소 공급량은 연 2억t에 달하며, 이를 통해 연 13억t의 이산화탄소 배출 저감이 이루어질 것으로 전망된다. 연구를 이끈 박종호 책임연구원은 “이번에 개발한 흡착제와 연구원이 보유한 수소 플랜트 설계 기술, 공정 개발 경험을 접목하면 연 백만t 규모의 이산화탄소 포집 실증과 1t당 30달러 이하의 낮은 포집 비용으로도 블루수소 생산이 가능할 것”이라며 “선진 기술을 뛰어넘는 국산화 기술 확보로 블루수소 생산 시장을 선도하고, 장기적으로는 2050 탄소중립에 기여하기 위해 노력하겠다”고 전했다.

한국에너지기술연구원(에너지연) 연구진이 개발한 고성능 이산화탄소 흡착제./에너지연

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