WIN-WIN TECH - 한국형 이산화탄소 포집기술, KIERSOL
지구온난화를 방지하기 위한
적극적인 대안 기술
요즘 들어 지구촌의 기후가 심상치 않다. 북극의 차가운 냉기가 북반구를 일찍 덮어버리며 한국 특유의 겨울 추위 경향인 삼한사온도 옛말이 되어 버렸고, 지구촌 곳곳에 잦은 대형 태풍, 가뭄, 홍수, 쓰나미 발생이 비일비재하다.
뉴스나 신문 등 언론에서는 그 원인을 지구온난화 때문으로 규정하고 있다.
지구온난화란 지구의 평균 기온이 예전에 비해 더욱 높아졌다는 뜻으로 온도 상승으로 인해 빙하가 녹아 해수면이 높아지며 해안선이 변화되고, 기후가 변화되며 생태계에까지 영향을 미치는 현상을 의미한다.
지구온난화의 주된 원인은 온실가스이다.
온실가스에는 세계기후변화기구에서 규정한 지구 온난화 지수가 높은 6대 기체(CO2, CH₄, PFCs, HFCs, N2O, SF6)가 있는데 이 중 약 80%의 발생량을 차지하고 있는 이산화탄소가 가장 주된 온실가스이다.
인류의 문명이 발달할수록 그를 뒷받침하는 에너지 소비량은 증가하게 되는데, 현재까지 가장 효율이 좋은 화석 연료를 통해 에너지를 주로 얻다보니 부산물인 이산화탄소를 대량으로 배출하게 되었다.
< 그림 1 >은 미국의 National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA)가 설치한 하와이 마우나 로아 관측소에서 측정한 대기 중의 이산화탄소 농도 추이도이다.
검은색 선이 평균 농도치로서 2013년 현재 395ppm(Parts Per Million)까지 도달한 상태이다.
그림 1 > 하와이 Mauna Loa 관측소에서 측정한 2009-2013년 대기 중 CO2 농도
기후 학자들은 대기 중의 이산화탄소 평균 농도가 450ppm까지 도달할 때, 지구의 평균 기온이 2℃ 상승하는 임계점으로 인식하여 기후변화의 대재앙이 본격적으로 시작되는 시점이라 경고하고 있으며, 대표적 온실가스인 이산화탄소 배출량을 지금부터라도 철저히 제어해야 한다고 경고하고 있다.
이처럼 지구온난화는 인류 및 지구 생태계의 생존을 위협하는 존재이기에 UN은 기후변화협약을 범세계적으로 추진하였으며, 2013년 11월 13일 제19차 유엔기후변화당사국 총회(COP 19)를 폴란드 바르샤바에서 개최하였다.
회의 결과 2020년까지 신기후 체제 합의문에 담길 요소들과 2020년까지 개도국에 대한 기후변화억제를 위한 1천억 달러의 재원을 마련하기로 하였다.
즉 2020년까지 전 세계 모든 국가들이 감축해야 할 이산화탄소의 목표량을 제시해야 하며 그 목표를 달성하기 위한 방안을 2020년이 되기 전까지 준비해야 하는 상황인 것이다.
그림 2 > 폴란드 바르샤바에서 열린 2013년 COP 19 총회
그렇다면 점차적으로 증가하는 이산화탄소 배출량을 효과적으로 줄일 수 있는 방법이 무엇일까?
가장 손쉬운 방법은 에너지를 절약하여 원천적으로 화석연료의 사용량을 절감하는 것이나, 점차 증가하는 에너지 사용량을 줄이는 데는 한계가 있다.
다른 방법으로는 태양, 바람, 파력, 조력, 원자력 에너지를 사용하는 방법이 있는데 자연의 힘을 이용하는 방법은 에너지 효율이 낮아 현재의 사회가 요구하는 에너지량을 전량 대체하기에는 불가능하다.
원자력의 경우 체르노빌, 후쿠시마 원전사고처럼 에너지에 대한 불안정성이 높아 청정에너지 사회인 수소에너지 사회로 가기 위한 가교 역할을 하기에 적합하지 않다.
결국 현재의 화석 에너지를 그대로 이용하면서 대기 중에 이산화탄소를 배출하지 않는 CCUS(Carbon Dioxide Capture, Utilization and Storage)를 이용하는 방법이 답일 수밖에 없다.
CCUS기술은 < 그림 3 >에 나타낸 것처럼 대량의 이산화탄소를 배출하는 화력발전소, 제철소, 시멘트 생산공장, 석유화학시설 등으로부터 이산화탄소를 포집, 압축하여 파이프나 선박을 이용하여 수송 후 지중에 저장 격리하거나 원유 증산에 이용하는 방법이다.
또한, 포집한 이산화탄소의 일부를 인류에게 유용한 화학물질, 연료, Biomass로 간접 전환하거나 탄산음료, 용접산업에 직접 사용하는 방법이다.
이 기술은 크게 포집, 압축, 수송, 저장, 전환이라는 다섯 개의 기술이 유기적으로 융합된 기술군으로 전체 소요 비용 중 포집 부분이 가장 높다.
그림 3 > CCUS(Carbon Dioxide Capture, Utilization & Storage)기술
그렇다면, 이산화탄소를 가장 효과적으로 포집할 수 있는 방법은 무엇일까? 화학적으로 기체를 분리하는 방법에는 흡수, 흡착, 막분리, 증류 등 다양한 방법이 있는데, 이 중 대형 시설에 가장 적합한 방법은 액상 용액을 이용한 흡수 방법이다.
그림 4 > 전형적인 알카놀아민 이용 연소 후 CO2 포집용 액상흡수기술
흡착, 막분리, 증류 방법은 전기 에너지를 과다하게 사용하는 방법이므로 이산화탄소를 포집하려다가 오히려 전기 소모량으로 인해 이산화탄소를 더 많이 발생시키는 역효과가 일어날 수 있기 때문이다.
< 그림 4 >는 전형적인 알카놀아민 수용액을 이용한 이산화탄소포집 공정으로써 왼편의 흡수탑에 이산화탄소가 포함된 연소 배연가스가 들어오게 되면 흡수탑 상단에서 내려오는 알카놀아민 수용액이 이산화탄소만 선택적으로 흡수한 후 오른쪽의 재생탑으로 이동하게 된다.
재생탑으로 이동한 이산화탄소 포화 흡수액은 재생이 된 후 다시 흡수탑으로 이동하여 연속적으로 공정이 운전되는 원리이다.
이 재생 과정을 위해 외부로부터 약 140℃ 내외의 고열 수증기를 이용하게 되는데 이 에너지량이 전체 공정 운전 비용의 60%를 상회하게 된다.
때문에 흡수제를 재생하는 데 소요되는 에너지량이 작은 공정 또는 흡수제를 개발하기 위하여 기술 선진국들이 노력을 하고 있는 상황이다.
한국에너지기술연구원에서 2006년부터 개발에 들어가 2012년 9월에 현대기아자동차 측에 기술이전을 한 KIERSOL01 흡수제도 < 그림 4 >와 같은 원리로 동작한다.
(01 KIERSOL은 한국에너지기술연구원에서 독자적으로 개발한 CO2 포집용 고성능 흡수제 및 공정 브랜드(브랜드 등록 : 40-2011-0046524, 40-2011-0046525)로써, 한국 특허에 등록(10-1157141)되어 있으며 미국, 유럽, 호주, 캐나다, 중국, 인도에 특허출원이 되어 있음.)
흡수력에 있어서는 기존 상용공정과 유사한데, 차별성이라면 1톤의 이산화탄소를 포집한 후 이를 재생할 때 필요한 에너지량이 기술 선진국인 미국 Fluor사의 Econamine 공정(3.8~4.0 GJ/tCO2), 일본 미츠비시 중공업사의 KS 공정 (2.8~3.2 GJ/tCO2)보다 낮은 2.2~2.5 GJ/tCO2라는 점이다.
이러한 현상이 일어나는 이유는 바로 흡수제에 있다. 보통 기체 이산화탄소는 아래와 같은 메커니즘으로 액상흡수액에 흡수된다.
즉, 아민 두 분자가 하나의 이산화탄소와 만나 다른 아민은 염기로 작용, 다른 아민은 직접 이산화탄소와 결합하여 카바메이트 이온을 형성하는 반응이다.
이러한 메커니즘은 주로 0급(암모니아), 1급 아민(모노에탄올아민류), 2급 아민(시클릭 아민, 디에탄올아민류)에서 주로 일어나는 반응이다.
이 반응의 특징은 반응속도가 아주 빠르다는 점이다. 다만 이산화탄소와 아민 분자와의 결합력이 너무 강하여 이를 떼어내는 재생 과정에서 많은 열에너지가 소요된다는 결정적 단점이 있다.
미국 Fluor사의 공정에서 사용하는 아민이 바로 위와 같은 카바메이트 메커니즘을 이용하는 30wt%의 모노에탄올아민 수용액이다. 이와는 달리 아래와 같이 바이카보네이트(HCO3-) 메커니즘을 이용하는 경우도 있다.
이러한 반응은 카바메이트 반응보다 비록 반응속도가 느리지만, 바이카보네이트가 카바메이트보다 안정성이 떨어지므로 재생에 소요되는 에너지가 낮다는 장점이 있다.
이러한 반응이 주로 일어나는 흡수제는 아민 관능기(-NH2) 주변에 입체저항체를 가지고 있는 알카놀아민 류, 알칼리탄산염류, 3급 아민 (트리에탄올아민, 메틸디에탄올아민 등)이 있다.
일본 미츠비시사의 KS 흡수공정, 독일 BASF 사의 a-MDEA 공정, 미국 UOP사의 Benfiled 공정과 한국에너지기술연구원의 KIERSOL 공정이 이러한 메커니즘이다.
알카놀아민류를 이용하는 공정엔 이러한 재생에너지 문제 뿐만 아니라 다른 문제점도 추가로 존재한다.
연소 배연 가스 내에 이산화탄소 외에 이산화황, 17족 분자류, 산소가 들어올 경우 아민과 반응하여 열안정성염이 생성되어 결국에는 공정의 성능을 떨어뜨리는 결과를 초래한다.
그 외에 재생을 위해 주입되는 열에너지로 알카놀아민 자체가 중합되거나 분자 사슬이 끊어져 다른 부산물을 형성하거나, 알카놀아민 자체의 증발력으로 인해 손실이 일어나는 경우, 혹은 흡수액의 높은 염기성 때문에 장치 내벽을 부식시키는 일도 있다.
부식 문제의 경우엔 부식 방지제를 혼합하면 해결할 수 있으나, 부반응에 의한 손실은 흡수제를 계속 구매하여 보충해줘야 하는 큰 단점이다.
KIERSOL은 탄산칼륨 수용액이 주물질이다. 주물질이 알칼리탄산염이므로 위에 열거한 알카놀아민이 가지고 있는 단점 중 부반응 손실, 증발 손실, 높은 재생에너지 부분을 일거에 해결할 수 있다.
하지만, 탄산칼륨 역시 물에 대한 낮은 용해도, 느린 이산화탄소 흡수속도 특성이 있어서 이를 반드시 개선해야 한다.
KIERSOL의 경우 속도 촉진제로써 시클릭 디아민을 이용하여 개선하였으며, 낮은 용해도 문제를 해결하기 위하여 용질 농도를 최적화한 흡수제이다.
또한 이 흡수제를 이용한 공정을 운전하여 연소배연가스의 유속과 적합한 액상흡수제의 낙하 유속 및 공정 내 순환 유속, 열교환기 크기 및 조건, 응축기와 재가열기 등 제반 부속 시스템에 대한 최적화를 통해 한국 고유의 독자 설계 자료를 구축하였다.
흡수 소재부터 개발하여 이를 공정에 이용할 수 있는 설계도까지 구축한 시스템은 국내에 거의 유일무이하기에 2012년 국가과학위원회가 선정한 정부연구개발우수성과로 가치를 인정받았으며, 세계최고 수준의 이산화탄소 흡수제/공정 개발에 대한 소식은 2012년 9월 12일 호주의 GCCSI(Global CCS Institute)의 웹사이트에 신기술 소식으로 실리기도 하였다.
그림 5 > 제품화한 KIERSOL 및 KIERSOL 이용 공정
현재 KIERSOL은 2020년 전까지 완전 상용화를 위해 공정 격상 연구를 추진 중에 있으며, 계속적인 기술 개량을 통해 공정에 소요되는 에너지값을 낮추고자 노력하고 있다.
국제 에너지기구 CCS 로드맵에 의하면 2020년에 약 100여 개의 CCS 플랜트가 세계적으로 설치될 것으로 전망하고 있으며, 2020년 이후엔 플랜트의 개수가 급격히 증가하여 2030년 850개, 2050년에는 3400개의 공정이 설치 운전되어 2050년 기준 연간 약 10기가 톤의 이산화탄소가 CCS 기술에 의해 감축될 것으로 예상하고 있다.
보통 500 MW급 화력발전소 1기에 CO2 포집 공정을 설치할 경우 투자비는 약 5,200억 원이 소요될 것으로 추산하고 있으므로 향후 환경 시장에 미치는 파급력은 매우 긍정적이라고 할 수 있다.
2010년 7월 녹색성장위원회가 분석한 한국 CCS 종합 추진 계획에 의거하면 CCS 기술 확보 시 향후 2030년까지 100조 원의 누적 매출액, 10만 명 고용 창출, 연간 3,200만 톤의 CO2 감축을 예측하고 있으므로, KIERSOL 기술은 다가오는 블루오션 시장으로 향하는 문을 활짝 열 수 있는 열쇠가 될 수 있을 것이다.