지구상 CO2 축적으로 인한 기후위기가 인류의 생존을 위협하는 최대 요인으로 부상하면서 온실가스를 줄여야하는 탄소중립이 당면과제로 됐다.
탄소중립 구현을 위한 여러 방법 중 하나인 이산화탄소(CO2) 포집·활용·저장(CCUS, Carbon dioxide Capture Utilization and Storage) 기술은 이산화탄소 감축을 위한 혁신 기술로 주목받고 있다.
그러나 CO2의 고순도화, 압축, 분리 및 재사용 과정에서 소모되는 에너지가 워낙 커 이 기술의 실용화 전망이 밝지만은 않았다.
이런 상황에서 KIST(한국과학기술연구원)가 청정에너지연구센터 이웅 박사, 원다혜 박사 연구팀이 액상 흡수제에 포집된 이산화탄소를 전기화학적으로 직접 전환해 고부가가치 합성가스를 생산하는 공정을 개발하는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 이 연구성과는 CCUS 기술의 한계로 지적되어 온 경제성 문제를 해결할 수 있다는 점에서 관심을 끈다.
연구팀이 개발한 이산화탄소 전환공정은 액상 흡수제에 포집된 고순도 기체 CO2를 활용하기 때문에 기존의 복잡하고 많은 에너지가 소모되는 이산화탄소의 고순도화 및 압축 과정을 생략할 수 있다.
이 때문에 기존 CCUS 기술 대비 가격경쟁력이 높고, 탄소배출 저감효과가 크다는 게 장점으로 꼽힌다.
뿐만 아니라 미반응 CO2는 여전히 액상 흡수제에 포집되어 있기 때문에 생성물인 합성가스와의 추가 분리 공정 또한 필요 없고 합성가스의 수소와 일산화탄소 비율을 손쉽게 제어할 수 있다는 것도 또 다른 장점이다.
이 연구는에 대해 관련학계와 업계에서는 CO2 전환 기술에 대한 새로운 패러다임을 제시했다는 평가가 나온다.를 받는다.
연구팀은 최적의 흡수제 선정, 반응 촉매 개발, 전기화학 반응기 개발, 장시간 운전 안정성 검증과 관련한 실험을 수행해 액상에서의 CO2 직접 전환 반응 효율을 극대화할 수 있었다고 설명했디.
개발 공정에 대한 상용화 가능성을 확인하기 위해 상용급 공정에 대한 컴퓨터 모델링 시뮬레이션 연구도 수행했다. 이 밖에도 기술경제성 및 전 과정 평가를 통해 새로 개발한 이산화탄소 전환공정은 기존 CCUS 기술 대비 생산 단가 27.0% 절감 및 탄소배출 75.7% 저감이 가능할 것으로 예상했다.
나아가 화석연료 기반 기술 중심으로 형성된 화학 시장 가격과 비교해도 대등한 가격경쟁력을 확보할 수 있었다는 것이다.
특히, 합성가스의 경우는 기존 전환기술 대비 27.02% 생산 단가가 절감(생산 단가를 $0.89/kg 에서 $0.65/kg까지 절감할 수 있으며 탄소배출은 1.13kg CO2/kg에서 0.27kg CO2/kg 저감이 가능하다고 한다.
개발된 CO2 전환공정을 화력발전소 등 이산화탄소 대량 배출원에 설치할 경우, 낮은 비용으로 CO2를 줄이는 동시에 에틸렌 등 고부가가치 화합물도 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
원다혜 KIST 선임연구원은 “개발된 기술은 포집된 이산화탄소를 활용해 전기화학적으로 고농도 합성가스를 효율적으로 합성하는 기술적 진보를 달성했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 밝혔다.
연구책임자인 이웅 책임연구원은 “이산화탄소를 활용하는 다양한 전기화학적 전환 시스템에 응용 가능할 것으로 기대하고 있으며, 향후 이를 위한 연속 공정 실증 및 기업으로의 기술이전을 추진할 계획”이라고 말했다.
향후 이 기술을 더욱 발전시킨다면, 탄소중립 탈성 시기를 조기에 달성하고 국가 온실가스 감축목표(NDC) 달성에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이 연구결과는 세계적 권위의 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF 17.694, JCR 7.432%)’2022년 12월 5일 실렸다. 논문명: Toward economical application of carbon capture and utilization technology with near-zero carbon emission