Tech Issue 01 - CO₂ 포집기술(KIERSOL)을 활용한 온실가스 감축
Tech Issue 01은 공공기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 글. 윤여일 책임연구원
한국에너지기술연구원 온실가스연구실
2016년에 최초로 대기 중 평균 이산화탄소(CO2)의 농도가 400ppm을 넘었다.
대기 중 평균 CO2의 농도가 450ppm을 넘어서게 되면 산업혁명 이전과 비교할때 평균 2℃ 이상 상승한다.
그렇게 되면 세계 산호의 99%가 소멸하고 10만 5,000종 이상의 생물이 멸종할 것으로 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 기후 전문가들은 예측하였다.
지구 온난화를 일으키는 6대 온실가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 육불화황(SF6), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs)로 규정되어 있고, 이 중 화석에너지를 연소할 때 발생하는 CO2는 전체 온실가스의 약 88%를 차지하고 있어서 우리는 CO2를 온실효과 유발의 대표 기체로 간주하고 있다.
온실가스 감축을 위해 2015년 21차 기후변화총회에서는 195개 국이 파리기후변화협약을 채택하였으며, 한국 정부도 신기후 체제를 출범하여 2030년까지 자연증가분 대비 37%의 온실가스를 감축하겠다는 목표를 설정하였다(그림 1).
CO2를 대량으로 배출하는 곳은 화력발전소, 고로가 설치된 제철소, 시멘트 생산시설, 석유화학 단지로서 대부분 화석에너지 사용처이다.
CCS(CO2 Capture & Storage) 기술은 대량 배출처에서 발생한 CO2가 대기중으로 방출되기 전에 CO2만 선택적으로 포집한 후, 액화하여 부피를 축소한 다음 수송하여 지하 1,000m이하로 격리하는 기술이다.
전체 CCS 처리 비용 중 포집 비용이 80%를 차지하기에 우수한 CO2 포집 기술을 확보하기 위하여 세계적인 연구개발 투자가 20년간 진행되었다.
최근에는 포집한 CO2를 활용하여 유용한 물질로 변환하는 전환기술까지 연구가 확대되고 있다.
우리 정부에서도 2030년까지 CCUS(CO2 Capture, Utilization & Storage)기술을 활용하여 1,030만 톤의 온실가스를 감축하겠다는 목표를 설정하였다.
현재까지 개발된 CCUS 기술 중 가장 경제성이 있고, UN에서 감축량으로 인정하는 CO2 감축 방법은 포집한 CO2를 압축 액화하여 지하에 안전하게 격리하는 방법이다(그림 2).
국내에서는 한국에너지기술연구원, 전력연구원, 포항산업과학연구원, 다수의 대학에서 효율적인 CO2 포집 기술을 개발하기 위해 산업통상자원부, 과학기술정보통신부의 프로젝트를 수행했으며, 국외에서는 일본(MHI, Toshiba, Hitachi, Japan CCS 등), 미국(Texas University, Shell, Exxon, UOP 등), 유럽(노르웨이 Aker Solution, 프랑스 Alstom, IFP 등)에서도 많은 프로젝트를 수행하며 기술 실증을 추진하고 있다.
한국에너지기술연구원에서는 2006년부터 KIERSOL이라는 고유 CO2 포집기술을 개발해 왔다.
2012년에 상표권으로 등록된 KIERSOL 기술은 그림 3처럼 탄산칼륨을 주물질로 하여, 속도촉진제가 소량 포함된 수용액을 핵심 흡수제로 사용하고 있다.
속도촉진제는 기체에 존재하는 CO2를 액체 벌크상으로 운반하는 셔틀 역할을 수행하며, 운반된 CO2는 칼륨이온에 의해 이온결합으로 잡혀 있다가 외부에서 공급되는 스팀 열에 의해 재생되어 99.95%의 CO2로 재생되는 시스템이다.
2009년에 확보한 이 핵심 소재는 CO2 포집기술 수출이 가능한 국가로 판단되는 7개국에 현재 특허로 등록된 상태이다.
괄목할 만한 점은 흡수제 재생에 필요한 에너지가 2.2GJ/tCO2로 세계 최고로 낮으며, 개발한 소재를 활용하여 이 소재의 성능을 극대화 할 수 있는 공정 시스템을 자체 설계하였다는 점이다(그림 4).
국내 연구개발 기관의 90% 이상이 소재를 개발한 이후 공정화 단계에서 실패하는 경우가 대부분이다.
비록 소재를 개발했더라도 공정화 단계에서 설계 소스코드가 공개된 기존 상용공정으로 공정 규모만 키워 제조하고 단순히 흡수제만 끼워 맞춰 장기 운전함으로써, 개발한 기술의 독자성을 잃고 최종 기술 소비자에게 라이선싱 입찰조차 할 수 없는 경우도 있다.
현재 KIERSOL 기술은 그림 5와 같이 2019년에 CCS 기술로는 최초로 녹색기술인증을 취득하였으며, 기술성숙도(TRL, Technical Readiness Level) 8 수준인 표준화 및 인허가 취득단계까지 도달한 상태이다.
기술개발 과정에서 현대기아자동차, 기반, 나린스테크놀로지에 3건이 기술이전 되었으며 현재까지 국내외 많은 업체와 기술이전을 협의하고 있다.
이러한 성과들과 제3자가 검증한 세계 최고 수준의 낮은 흡수제 재생 에너지와 설계자료의 우수성을 통해 2016년 미국 정부 연합체가 주관하는 TechConnect에서 지구 온난화를 막을 혁신기술로서 "Global Innovation Award"를 수상, 2018년 한국공학한림원으로부터 “2025년 미래 한국을 이끌 100대 공학기술”에 선정된 바 있다.
현재 KIERSOL 기술은 CCUS 기술의 최종 완성을 위해 CO2 저장처가 풍부한 미국과 국제 협동연구를 수행하고 있다(그림 6).
화석에너지 매장량이 풍부한 미국 몬태나 지역에 위치한 Colstrip 화력발전소에서 배출되는 CO2를 KIERSOL 기술로 포집한 후, 포집한 CO2를 미국 몬태나대학과 Talen Energy 측에서 지중에 저장하는 연구이다.
본 연구를 통해 CCS 기술 체인을 완성한다면, 개도국에 한미 협동으로 청정개발체제(CDM, Clean Development Mechanism) 사업으로 진출할 수 있으며, 국내 기술을 활용하여 해외에서 온실가스를 감축함으로써 CCUS 기술을 통한 1,030만톤 온실가스 감축 목표는 초과 달성할 것으로 예상한다.