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신기술 1 // 대기 중 이산화탄소 직접 포집을 위한 신소재 및 공정기술 개발

2025-04-14

대기 중 이산화탄소 직접 포집을 위한 신소재 및 공정기술 개발 에너지연, 탄소중립의 열쇠가 될 신기술 개발 성공 한국에너지기술연구원(이하 에너지연) CCS연구단 박영철 박사 연구진이 새로 개발한 건식흡수제를 이용해 대기 중의 이산화탄소를 직접 포집하고 평균 96.5% 고농도로 회수하는 데 성공했다. 연구진은 대기 중 이산화탄소를 하루 1kg 이상 회수하는 실증에도 성공하여 상용화에 한 발짝 다가섰다. 자료제공 KIER 통계청 지표누리 <e-나라지표> 데이터에 따르면, 현재 우리나라의 대기 중 이산화탄소 농도는 2013년에 최초로 400ppm을 돌파해 2023년 427ppm으로 매년 높아지는 추세다. 같은 기간 연평균 온도는 1.1℃ 상승하여 지구온난화로 인한 기후위기의 심각성을 나타냈다. 발전소, 공장 등 대표적인 이산화탄소 배출 시설에는 이미 많은 개발이 이뤄진 이산화탄소 포집 기술을 적용할 수 있다. 하지만 대기 중에 퍼진 이산화탄소를 줄이기 위해서는 새로운 기술이 필요하다. 대기 중 이산화탄소를 직접 잡아내는 <직접 공기 포집 기술>(이하 ‘DAC’)이 주목받는 이유다. DAC 기술은 2030년까지 연간 60 MtCO2의 이산화탄소를 포집할 수 있는 규모로 확장될 것으로 예상된다. 이를 위해 현재 기술의 성능 개선과 비용 절감을 목표로 한 대규모 실증 플랜트 구축이 필요하다. 국제에너지기구(IEA)의 『Energy Technology Perspectives 2020』 보고서에 따르면, DAC 및 BECCS(Bio-Energy with Carbon Capture and Storage)와 같은 ‘탄소 네거티브 기술’은 2030년에 전체 탄소 처리량의 10%, 2070년에는 35% 이상을 담당할 것으로 예측된다. 美 에너지부(DOE)는 DAC 기술 중에서도 ‘건식 포집 기술’이 78%를 차지한다고 보고하며, 건식소재 기술 개발의 중요성을 강조하고 있다. 현재 DAC의 CO2 포집 비용은 톤당 $300~600 수준으로, 경제성을 확보하려면 톤당 $100 이하로 낮추는 기술 개발이 필요하다. 새로운 PEI 기반의 건식흡수제 자체 개발 DAC 기술에는 이산화탄소만 선택적으로 흡수하는 성질을 가진 아민 기반의 건식흡수제가 주로 사용된다. 흡수제가 이산화탄소를 머금은 뒤 100℃ 이상의 고온 환경에서 이산화탄소를 분리하고 순수한 이산화탄소만 회수하는 원리다. 하지만 아민 흡수제는 고온 환경에서 내구성이 떨어져 성능이 저하된다는 단점이 있다. 이에 진공 환경에서 이산화탄소를 회수하는 등 다양한 대안 기술이 개발되고 있지만, 아직까지 상용화에 이르지 못했다. 연구진은 기존 흡수제가 고온 환경의 내구성 저하 문제를 해결하기 위해 새로운 PEI(Polyetherimide) 기반의 건식흡수제(SMKIER-1)를 자체 개발했다. 기존 흡수제는 이산화탄소를 강하게 흡수하는 아민과 아민을 잡아주는 실리카 지지체로 구성되어 있다. 하지만 아민이 가진 이산화탄소와의 결합력이 너무 강해서 다시 떼어내려면 많은 열에너지가 필요하다. 이 과정에서 열에 대한 내구성이 낮은 아민이 쉽게 손상되고 성능 저하를 일으킨다. 이를 해결하기 위해 연구진은 아민에 고리화합물 형태의 첨가제를 추가했다. 추가된 첨가제는 이산화탄소와의 결합력을 낮추면서도 아민을 보호하는 역할을 함께 수행하여 열로 인한 손상을 막아준다. 이를 통해 이산화탄소 흡수 및 회수에 들어가는 에너지는 줄이고, 100℃ 이상의 고온 환경에서도 안정적으로 고순도의 이산화탄소를 회수할 수 있게 됐다. 연구의 주요 내용 및 성과 연구진은 개발한 흡수제를 공정에 적용하고 350시간 이상 연속운전 실증을 진행했다. 그 결과, 하루 1kg의 이산화탄소를 96.5%의 고순도로 회수1)하는데 성공했다. 이는 국내에 보고된 최초 사례다. 연구의 주요 내용 및 성과는 다음과 같다. ▶1kg/일 CO2 생산량 달성 : 100 CMH급 DAC 고정층 연속시스템의 안정화 및 최적화를 통해 대기 중 이산화탄소를 직접 포집하고, 하루 1kg 이상의 95vol.% 이상 고농도 CO2를 생산했다. 본 연구를 위해 개발된 흡수제의 CO2 흡수능은 평균 3.0wt.% 이상을 달성했는데, 이러한 결과를 통해 DAC 공정의 경제적 및 실용적 가능성을 입증했다. ▶재생열에너지 저감 : 고체흡수제 동적흡수능 3.0wt.% 기준, 생산량 평균 1.26kg/일 기준 제안된 열에너지 저감 전략 도입을 통해 소재에 의한 재생열에너지는 7.13GJ/tCO2에서 3.3GJ/tCO2로 저감되는 것을 확인했다. <SUS306>으로 제작된 유닛의 온도를 올리는데 들어간 현열에너지가 1.7GJ/tCO2로 계산되어, 총 시스템에 들어간 재생열에너지는 5.0GJ/tCO2로 분석된다. ▶공정 압력손실 최소화 : 기체처리 용량 100CMH(m3/hr) 공정 규모 운전을 통해 도출된 결과 기준, 흡수 유닛에서 반응기 차압(압력강하)은 300Pa 이하로 유지됨을 확인할 수 있었다. 장기 운영 시에도 안정적인 공정 유지가 가능하고, 유속조건의 상승을 고려하여 시스템의 추가 성능 향상도 가능하다. 탄소중립 달성의 핵심 역할 기대 대한민국은 2050 탄소중립 실현을 위해 「2050 장기저탄소발전전략(LEDS)」과 「2030 국가온실가스감축목표(NDC)」를 확정하고, CCUS를 통해 연간 8,460만 톤의 감축 목표를 설정했다. 이 중 DAC 기술을 통해 연간 740만 톤의 이산화탄소를 감축할 계획이다. DAC 기술은 차량용 대체 연료 등 다양한 활용 방안을 통해 탄소중립 시나리오 달성의 핵심 역할을 할 것으로 기대된다. 연구진은 올해 중 하루 이산화탄소 10kg을 포집할 수 있는 공정 실증을 진행할 예정이며, 향후 하루 200kg급의 단계적 규모 확대를 통해 2030년 상용화 기술 확보를 목표로 하고 있다. 이를 통해 2035년까지 연간 1,000톤 이상의 이산화탄소를 포집할 수 있는 실증 설비를 구축할 수 있을 것으로 내다봤다. 연구책임자인 박영철 박사는 “본 기술을 통해 우리나라에서도 궁극적으로 연간 수백만 톤의 이산화탄소를 줄일 수 있는 기술의 첫발을 내디뎠다”며, “이를 통해 탄소중립을 목표로 하는 글로벌 노력에 중요한 기여를 할 수 있을 것”이라고 입장을 전했다. 1) 고순도 이산화탄소 회수 : 포집된 이산화탄소는 압축·액화 처리 후 저장되며, 이산화탄소의 순도가 높을수록 압축·액화에 들어가는 비용이 줄어든다. 이산화탄소 재활용 시에도 고순도일수록 유리하다는 장점이 있다. < Energy News >