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.

한국이산화탄소포집및처리연구개발센터(KCRC)는 미래창조과학부 산하 공익재단 법인 형태의 기관이다. Korea CCS 2020 사업을 통해 기후 변화 대응 기술 개발의 일환으로 혁신적인 이산화탄소 포집 및 처리 기술을 개발하고 있다.