Research
클러스레이트 하이드레이트(Clathrate Hydrate)는 포접 화합물(Inclusion Compounds)의 일종으로 낮은 온도와 높은 압력의 조건에서 기체(CH4, N2, O2, H2 등) 등이 물 분자 간 수소결합으로 이루어진 다양한 구조의 격자 공간 내에 포집되어 형성되는 결정성 고체 수화물(Crystalline Solid Hydrates)을 일컫는다. 이러한 특징으로 일반적으로 가스 하이드레이트(Gas Hydrate)라고 불린다. 가스 하이드레이트의 형성을 촉진하는 화학 종 및 물리적 조건에 따라 특이적인 형상을 보이며, 이를 이용하여 다양한 연구분야 혹은 산업현장에 적용할 수 있는 잠재력을 갖고 있다.
자연계에 존재하는 천연가스 하이드레이트(Natural Gas Hydrates, NGH)는 그 주성분을 메탄으로 하며 차세대 청정에너지원으로의 활용 가능성에 대한 전 세계적인 연구가 활발히 진행되고 있다. 우리나라의 경우에도 독도 인근 지역에 상당량의 천연가스 하이드레이트가 매장되어 있는 것으로 확인되고 있어, 이를 에너지원으로 활용할 경우 국가 에너지 안보에도 큰 기여를 할 수 있을 것으로 전망된다. 화력발전소에서 배출되는 플루 가스(Flue Gas)를 천연가스 하이드레이트 층에 주입하여, 분자 간의 맞교환을 유도해 천연가스를 친환경적으로 회수할 수 있는 원천 기술(CO2 swapping)이 2006년에 도입되었다. 이 기술은 천연가스 하이드레이트의 구조적 손상 없이 천연가스를 회수하고 동시에 온실가스를 영구적으로 천연가스 하이드레이트 층에 저장할 수 있는 강점을 갖고 있다. 현재 탄소에너지시스템 연구실에서는 이 기술들을 실제 공정에 적용하기 위한 응용 연구가 활발히 진행되고 있다.
가스 하이드레이트는 동공(Cavity) 내에 높은 가스 저장 능력을 갖는다. 특히 메탄 하이드레이트의 경우 하이드레이트 단위 부피당 약 170배에 해당하는 메탄가스를 저장할 수 있다. 이를 통하여 천연가스 또는 수소 연료와 같은 에너지 가스 저장 기술에 적용될 수 있으며, 가스 하이드레이트 (Solidified Natural Gas, SNG)를 이용하는 에너지 수송 산업에 진출할 수 있다. 현재 탄소에너지시스템 연구실에서는 가스 하이드레이트의 열역학적 안정성 및 가스 저장의 지속 가능성 향상을 위한 연구가 진행되고 있다.
온실가스 배출에 의한 전 세계적 지구온난화는 꾸준히 가속화되고 있으며, 대기 중 이산화탄소 농도 증가가 주원인으로 알려져 있다. 그중 화석연료 기반 화력발전소 및 산업시설에서 다량 배출되는 이산화탄소가 주를 이루고 있다. 과거로부터 이산화탄소 저감을 위한 많은 노력들이 있었으나, 높은 에너지 패널티로 인해 이를 극복하기 위한 연구가 현재에도 진행되고 있다. 그 일환으로 가스 하이드레이트의 열역학적 특징을 이용한 산업 배기가스로부터 이산화탄소 포집 및 분리공정은 비교적 낮은 에너지 투입량과 높은 이산화탄소 포집 능력 및 선택성을 갖는다. 따라서, 가스 하이드레이트 기반 이산화탄소 분리 및 포집기술은 새로운 산업 플랫폼으로써 무한한 잠재력을 갖는다. 탄소에너지시스템 연구실에서는 이산화탄소 포집을 위한 연속식 분리공정 적용을 위한 연구를 수행하고 있다.
가스 하이드레이트를 형성하기 위한 재료로써, 해수를 사용하면 해수 속 이온이 하이드레이트 동공 밖으로 배제되는 원리를 통해 순수(純水)를 획득할 수 있다. 이러한 가스 하이드레이트 기반 해수담수화 공정은 기존 분리 막 기반 담수화 공정에 비해 비교적 간단한 공정을 거치고, 경제성 측면에서 강점을 갖는 것으로 알려져 있다. 현재, 탄소에너지시스템 연구실에서는 기존 담수화 인프라에 적용할 수 있는 가스 하이드레이트 기반 하이브리드형 차세대 수 처리 공정 모사를 위한 융합연구가 진행되고 있다.
