Research
제 21차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP21)를 통해 도출된 새로운 온실가스 감축 체제는 금세기 내 지구 평균 기온 상승을 산업화 이전 대비 섭씨 2 도씨 이하로 억제하는 것을 목표로 하며, 우리나라는 2030년까지 (CO2, CH4, N2O 등) 배출 전망치(BAU) 대비 37% 감축 목표를 설정하였다. 국제에너지기구(IEA)는 에너지산업 전반에서 온실가스를 감축시킬 수 있는 실현 가능한 시나리오를 검토하여 에너지효율, 재생에너지, 연료전환, 원자핵에너지, CCUS 다섯 가지 기술을 주요 돌파구로 꼽았다. 이 중 CCUS는 온실효과의 주요 원인인 이산화탄소를 대량을 처리할 수 있는 기술로써, 국제사회로부터 기후 협약 2 도씨 시나리오를 이행하기 위한 필수적인 요소로 평가받고 있다. CCUS 기술은 이산화탄소 대량 배출원으로부터(산업체 및 에너지 발전소 등) 이산화탄소를 효과적으로 포집하고(Capture), 이를 영구적으로 격리하거나(Storage & Sequestration), 유용한 자원으로 활용(Utilization)하는 일련의 기술을 일컫는다.
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 형성되며, 이러한 특징으로 일반적으로 가스 하이드레이트(Gas Hydrate)라고도 불린다. 자연계에 존재하는 천연가스 하이드레이트(Natural Gas Hydrates)는 그 주성분을 메탄으로 하며 차세대 청정 에너지원으로의 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. 가스 하이드레이트는 하이드레이트 단위 부피당 약 170 배에 해당하는 가스분자를 저장할 수 있다. 이를 통하여 천연가스 또는 수소 연료와 같은 에너지 가스 저장 기술에 적용될 수 있으며, 에너지 수송 산업에도 응용할 수 있다. 가스 하이드레이트의 열역학적 특성을 이용한 산업 배기가스로부터의 이산화탄소 포집 및 분리공정은 기존 공정에 비해 비교적 적은 재생에너지 요구량을 가진다는 이점이 있어 차세대 이산화탄소 포집 공정을 주목받고 있다. 가스 하이드레이트 형성시 이온이 배제되는 원리를 이용한 가스 하이드레이트 기반 해수담수화 공정은 기존 분리 막 기반 담수화 공정에 비해 비교적 간단한 공정을 거치고, 경제성 측면에서 강점을 갖는 것으로 알려져있다. 탄소에너지시스템 연구실에서는 이와 같은 가스하이드레이트의 다양한 성질을 이용하여 여러 연구분야 혹은 산업현장에 적용할 수 있는 응용 연구들을 수행 중에 있다.
대기 중 이산화탄소 농도 증가에 따른 급격한 기후 변화가 전 세계적으로 중요한 환경 문제로 인식됨에 따라 이산화탄소를 포집, 전환 및 저장하려는 기술(CCUS)의 중요성이 더욱 크게 주목받고 있다. 탄소에너지시스템 연구실에서는 이산화탄소 순환 시스템 개발을 위해 이산화탄소를 효과적으로 포집하고 유용한 자원(연료, 화학물질, 건설 자재 등)으로 전환할 수 있는 고기능성 유무기 하이브리드 플랫폼 소재인 NOHMs(Nanoparticle Organic Hybrid Materials) 개발 연구를 진행하고 있다. 특히 NOHMs는 주요 이산화탄소 배출원인 산업 배가스 뿐만 아니라 전체 이산화탄소 배출의 약 50%를 차지하는 저농도 비점 배출원(Non-Point Source)을 고려하기 위해 낮은 농도(약 400 ppm)의 대기 중 이산화탄소 포집 또한 목표로 한다. 이는 기존 이산화탄소 포집 공정에서 사용되는 아민 기반 용매가 낮은 재생 효율로 인해 저농도 비점에서 발생하는 이산화탄소 포집에는 적합하지 않은 반면 NOHMs의 경우 구성물인 무기 지지체와 유기 고부자를 통해 'enthalpic' 및 'entropic' 효과를 설계할 수 있다는 장점을 활용한 것이다. 세부적인 연구 내용으러써, 무기 지지체와 유기 고분자를 합성 및 NOHMs 합성 연구, NOHMs의 이산화탄소 포집 및 재생 메커니즘 연구, 포집 된 이산화탄소의 전환 기술 및 메커니즘 연구로 이루어지고 있다.
전세계적인 기후변화 대응 및 온실가스 감축 기조에 따른 신재생 에너지 보급 확대에 발맞춰 대규모 집광 시설을 이용한 태양열 발전소가 급격히 늘어나는 추세이다. 특히, 열에너지 저장 시스템을 포함한 태양열 발전은 일기 변화에 따른 간헐적 에너지 공급의 문제점을 극복하여 안정적인 에너지 공급을 가능하게 한다. 현대의 집광형 태양열 발전은 가동 온도가 1000 °C를 넘겨 이를 위한 열에너지 저장 매체로 초고온에서 열에너지를 저장할 수 있는 열화학 에너지 저장 (Thermochemical Energy Storage, TCES) 소재에 대한 연구가 진행되고 있다. 열화학 에너지 저장은 화학 물질간 결합과 분해를 통해 유발되는 흡열 및 발열 반응 과정을 기반으로 하는 에너지 저장 방법으로, 태양열 발전에서는 집열한 태양에너지를 화학에너지로 저장(흡열반응: AB -> A+B)하고 ,이를 이산화탄소, 산소, 수증기 등과 반응시켜 열에너지를 방출(발열반응: AB <- A+B)하는 공정으로 사용된다. 탄소에너지시스템 연구실에서는 대표적인 TCES 소재인 CaO/CaCO3 의 반응 메커니즘 분석과 물성 개선에 대한 연구를 중점적으로 진행하고 있다. 반복 사용 과정에서 소재의 반응성이 급격하게 떨어지는 원인을 분석하고, 이를 물리적, 열역학적 방법으로 개선하기 위해 소재 제작 방법, 전처리 방법, 첨가물에 의한 물성 개선 방법에 대한 여구를 수행하고 있다. 이외에도 MgO를 비롯한 다양한 TCES 소재에 대한 연구 수행을 계획 중에 있다.
