- 수소 생산 시 발생하는 이산화탄소 배출 최소화로 탄소중립 실현 기여

- 메탄(CH4) 대비 이산화탄소(CO2) 선택도 4.6배 향상, 흡착량도 매우 우수

- 기존 흡착 공정 대비 전력 사용량 절반 이상 절감 가능

■ 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 청정연료연구실 박종호 박사 연구진이 블루수소* 생산의 핵심 기술인 이산화탄소 포집 핵심 소재와 공정 기술을 개발해 포집 비용을 획기적으로 낮추는데 성공했다. 

* 블루수소: 액화천연가스(LNG) 등의 화석연료를 개질(reforming)해 수소를 생산(=그레이수소)하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 CCUS(탄소 포집, 활용 및 저장) 기술을 활용해 제거한 수소

[사진자료] 연구진 단체사진(오른쪽 위부터 시계방향 박종호 책임연구원, 윤형진 선임연구원, 장현성 학생연구원, 추고연 책임연구원, 이경원 학생연구원, 범희태 선임기술원)

□ 수소(H2)는 청정에너지로 주목 받고 있으나 화석연료로부터 생산되는 그레이수소가 총 생산량의 90% 이상을 차지하고 있으며 수소 1킬로그램(kg)을 생산하는데 약 10킬로그램(kg)의 이산화탄소가 발생한다. 탄소중립을 위해서는 이산화탄소를 배출하지 않는 그린수소*의 생산 비율이 높아져야하나 아직까지는 기술력과 경제성이 부족해 상용화 이전까지 징검다리의 역할을 하는 기술이 필요하다.

* 그린수소: 재생전력을 이용해 물을 전기분해해 얻어지는 수소로, 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 없는 친환경 수소

□ 가장 현실적인 대안*은 블루수소로, 수소 생산 과정 중 발생하는 이산화탄소를 포집해 지하에 매장하거나 석유화학 제품 원료로 활용함으로써 대기 중에 방출되지 않게 하는 수소 생산 방식이다. 국제에너지기구에 따르면 2050년 블루수소 공급량은 연 2억 톤에 달하며, 이를 통해 연 13억 톤의 이산화탄소 배출 저감이 이루어질 것으로 전망된다.

* 정부는 청정수소 활성화를 위해 ’24년 6월 세계 최초로 그린수소부터 블루수소 등 모든종류의 청정수소가 참여하는 청정수소발전입찰시장을 개시하며, SK E&S는 보령 LNG 터미널 인근에 블루수소 생산 공장을 세워 연간 25만 톤의 블루수소를 생산할 계획이다.

■ 연구진은 기존 수소 생산 공정에서 이산화탄소 포집을 위해 활용하던 흡착제의 낮은 흡착량과 배출가스 중 이산화탄소만 포집하는 선택도를 개선해 전체 공정의 효율을 올렸다. 개발된 흡착제를 공정에 활용하면 상용 흡착제 대비 이산화탄소를 4.6배 이상 높은 선택도로 정밀 포집할 수 있으며, 동시에 상용 흡착제와 유사한 수준의 흡착량을 유지할 수 있다. 

□ 기존 이산화탄소 포집 공정에서 사용하는 상용 흡착제는 흡착량이 많으면 배출가스 중 이산화탄소가 아닌 메탄(CH4)을 더 많이 포집하거나, 이산화탄소에 대한 선택도가 높으면 흡착량이 낮아지는 단점이 있었다. 이러한 단점으로 인해 이산화탄소 포집 설비를 키워 이산화탄소 포집량을 늘릴 수밖에 없고 장치 축소에 따른 운전비용 절감 등 효율 개선은 기대하기 어려웠다.

□ 이를 극복하기 위해 연구진은 표면 특성이 극성인 흡착제를 개발하고 유효 흡착량의 극대화를 위해 이산화탄소에 대한 결합력을 최적화했다. 흡착제는 정전기적인 인력을 통해 분자를 끌어당기고 포집하는데, 개발된 흡착제는 극성을 띄고 있어 무극성도가 매우 높은 메탄과의 인력을 최소화하는 동시에 이산화탄소에 대한 친화도는 유지하도록 설계됐다.

■ 연구진은 개발한 흡착제를 적용한 진공압력변동흡착(VPSA)* 공정 기술을 개발하고 연속운전 수행을 통해 99% 순도의 이산화탄소를 92%의 회수율로 포집*하는데 성공했다. 기존 흡착제의 경우 96%의 순도의 이산화탄소를 67%만 회수할 수 있는 반면, 개발된 흡착제는 순도와 회수율 모두 압도적으로 높아 공정 효율 개선에 크게 기여할 수 있다. 

* 진공압력변동흡착(Vacuum Pressure Swing Adsorption): 압력 변화에 따른 흡착량 차이를 이용한 기체 분리 기술

[사진자료] 연구진이 개발한 블루수소 생산을 위한 이산화탄소 농축 시스템

□ 특히 이산화탄소를 분리하고 고순도로 회수하는데 필요한 전력 소비를 공정 모사를 통해 계산한 결과, 1톤당 40킬로와트시(40kWh/ton-CO2)의 전력이 필요한 것으로 확인됐다. 선도 기업인 미국 에어프로덕츠사(社)의 기술(83kWh/ton-CO2)에 비해 전력 사용이 절반으로 절감됨에 따라 포집 비용도 절반가량 줄일 수 있게 된 것이다.

■ 연구책임자 박종호 박사는 “이번에 개발한 흡착제와 연구원이 보유한 수소 플랜트 설계기술, 공정 개발 경험을 접목하면 연 백만 톤 규모의 이산화탄소 포집 실증 및 1톤당 30달러 이하의 낮은 포집 비용으로도 블루수소 생산이 가능할 것”이라며, “선진 기술을 뛰어넘는 국산화 기술 확보로 블루수소 생산 시장을 선도하고, 장기적으로는 2050 탄소중립에 기여하기 위해 노력하겠다.”고 밝혔다.

□ 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 CCU 3050 사업의 지원을 받아 수행됐다.