기후변화 대응기술 확보의 일환으로 CCS 원천기술 개발을 위해 미래부 지원으로 설립된 한국이산화탄소포집및처리연구개발센터(Korea CCS R&D Center, 이하KCRC, 센터장 박상도)의 연구진들이 세계 최고 수준의 이산화탄소 포집 기술 개발에 성공했다.

CCS(Carbon Capture&Sequestration)란 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소를 대량으로 배출하는 화력발전소, 제철소 등에 적용하여 CO₂를 고농도로 포집한 후 압축 및 수송 과정을 거쳐 지하 1,000m 이상의 지중에 안전하게 저장하거나, 유용한 물질로 전환하여 재활용하는 기술을 뜻한다.

이산화탄소 포집 기술은 화석연료 연소 후의 배기가스로부터 이산화탄소를 분리하는 기술로 CCS 전체 비용의 약75% 이상을 차지한다. 때문에 전 세계적으로 이 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 혁신적 이산화탄소 포집 기술 확보에 주력하고 있다.

현재까지 개발되어 발표된 대부분의 이산화탄소 흡수제는 최소 120 ℃ 이상의 온도에서 재생되기 때문에 과다한 재생에너지가 소모되는 문제점이 존재한다. 따라서 포집 기술의 본격적인 상용화를 위해서는 재생에너지를 혁신적으로 낮출 수 있는 혁신 흡수제 및 공정 개발이 절실한 시점이다.

◇ 기존 흡수제 대비 빠르고 효율적인 처리 가능

이번에 KCRC 연구진들에 의해 개발된 MAB 흡수제 기반의 습식 포집 기술은 기존 포집 기술의 한계를 극복한 기술로 이산화탄소 포집 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 전망된다.

기존의 상용화된 MEA 흡수제 대비 이산화탄소 흡수 용량이 2.5배 이상 크고 흡수 속도가 1.5배 이상 빠르며 에너지 사용량과 투자비를 각각 40%, 30% 이상 절감시킬 수 있다는 것이 가장 획기적인 점이다.

특히 재생에너지 요구량을 2.0 GJ/tCO₂까지 낮출 수 있어 기존 기술 중 세계 최고 수준으로 평가되고 있는 흡수제의 2.4 GJ/tCO₂을 15% 이상 개선할 수 있다.

◇ 각 분야 전문가들의 협업으로 혁신적 성과 달성

이번 성과는 CCS 전문 대형 R&D 사업을 통해 각 연구팀 간의 체계적인 협업을 통해 달성된 연구 성과라는 점에서도 매우 큰 의의가 있다.

그 동안 흡수제 기술이 시행착오적으로 개발되어 온 것과는 달리, KCRC는 각 분야 최고의 전문가로 연구팀을 구성하여 흡수제 설계↔합성↔성능 평가/개선↔공정 모사/공정 개발에 이르는 전 주기를 체계적인 기획 하에 추진한 결과 이러한 성과를 달성할 수 있었다.

경희대 김훈식 교수팀은 화학적 관점에서의 안정화된 혼합 아민 수용액에 비아민 계열의 물질을 첨가하여 물리·화학적 안정성뿐 아니라 흡수 속도 및 용량을 크게 향상시킨 흡수제를 개발하였다.

서강대 이광순 교수팀은 신속하고 정확한 평가 시스템을 구축하여 우수한 흡수제를 선별(screening)하고 에너지 손실을 최소화할 수 있는 효율적인 신 공정을 개발하였다.

한국에너지기술연구원의 백일현 박사팀은 연속 순환장치 운전을 통하여 흡수제 성능과 안정성을 평가하고 해당 결과를 기반으로 선정된 흡수제와 공정에 대한 개선 방향을 제시하는 역할을 수행하였다.

또한 KCRC 주도로 150 Nm³/h 규모의 실증 테스트 운전 총괄, 분석 평가와 더불어 EERC 및 NCCC 테스트 지원 등 연구 이외의 상업화나 기술 검증 등의 업무를 수행하고 있다.

◇ 내년 초 객관화된 성능 자료 구축 위한 국제 검증 수행

이번 성과는 한국에너지기술연구원 내 구축되어 있는 2MW급 발전 설비와 연계하여 새로 건설된 150Nm³/h 규모의 실증 테스트 설비에서 장기 운전을 통해 검증된 결과이다. 2017년에는 2000 Nm³/h(0.5MW 상당) 규모 실증 설비를 활용하여 국제적 성능 검증을 추진할 예정이다.

이미 2015년 1월 미국 EERC의 100Nm³/h 규모 파일롯 공정에서 초기 MAB 흡수제의 성능을 검증한 바 있으며 이번에 개선된 흡수제에 대해 국내에서150Nm³/h 규모의 공정에서 장기 운전(500 시간 연속)을 통해 성능 검증을 완료한 것이다.

또한 내년 초 국제기관을 통한 성능 객관화를 위하여 미국 NCCC(National Carbon Capture Center)의 2,000Nm³/h 실증 설비에서 성능 검증을 수행할 예정이며 해당 결과를 기반으로 기술 사업화도 적극 추진할 계획이다.

KCRC는 이번 성과를 통해 2030년 세계 CO₂포집 플랜트 시장 진입을 통해 2050년 전망되는 150조 규모의 글로벌 CO₂포집 플랜트 시장의 10% 점유 시 약 15조원의 매출이 창출될 것으로 예상한다고 밝혔다. 또한 고성능/저비용의 CO₂포집 원천 기술 확보 및 적용을 통한 국가 온실 가스 감축과 경제 활성화 및 일자리 창출 역시 기대된다고 밝혔다.

KCRC 박상도 단장은 “지난 5년간 연구자들이 지속해 온 노력이 헛되지 않고 이렇게 결실을 맺게 되어 매우 자랑스럽다”며 “향후 국제기관의 성능 검증과 관련 기업의 주도로 대규모 실증을 완료하여 국내뿐 아니라 세계 시장을 선점해 나갈 수 있을 것”이라고 밝혔다.