| 초록 |
1. 개요 최근 지구온난화에 대한 문제점이 드러나고 있으며, 지구 기후변화의 주요 원인 중 하나로 이산화탄소 배출이 지목되고 있다. 이산화탄소 배출량 감소를 위해서는 신재생에너지를 통한 발전, 기존 화석연료 기반 시설의 고효율화 등의 시도들이 있었으나, 이산화탄소의 생성 및 처리 분야에 대한 연구개발과 같이 문제에 대한 근본적인 접근이 요구되고 있다. 이에 따라 2016년 파리기후협약에서 국제사회의 이산화탄소 배출 감축 노력에 대한 합의를 진행하였다. IEA 보고서에 따르면, CCS 기술이 이산화탄소 감축 목표 달성에 매우 중요한 역할을 감당할 것이며, 2050년까지 94 Gton의 이산화탄소가 포집 및 저장될 것이라고 예측하고 있다. 이산화탄소를 활용하기 위해서는 물을 분해하여 수소를 생산하는 수전해 공정 이후, 이산화탄소 환원을 통해 합성가스, 포름산, 메탄올, 또는 탄화수소 물질 등으로 변환하는 방법을 주로 적용하고 있다. 다양한 연구자들이 상기 기술과 관련된 연구를 수행하고 있으며, 특히 전기화학 원리를 이용한 이산화탄소 포집 및 활용은 친환경과 경제성을 모두 만족시킬 수 있기에 많은 관심을 받고 있다. 2. 주요 내용 2.1. 이산화탄소 포집 연소 공정의 종류에 따라, 이산화탄소 포집은 연소 후, 연소 전, 산소 주입 연소에 적용 가능하다. 화학적 흡착 및 극저온 증류 기술 또한 산업에 적용되고 있으며, 물리적 흡착 및 분리막 관련 기술은 개발 중에 있다. 연소 후 포집을 위해서는 주로 monoethanolamine을 통한 화학적 흡착 기술을 적용하고 있다. CuEllar-Franca 연구진은 생애주기분석을 통해 플랜트에 CCS를 활용할 경우 지구온난화에 미치는 영향도를 63~82% 줄일 수 있다고 주장하였다[1]. 반면에, CCS의 적용에 따라 에너지효율이 낮아지고, 이를 보상하기 위한 과량의 화석연료 사용 및 Amine 흡착제 사용으로 인한 암모니아 배출의 부작용이 있다는 점 또한 고려해야 한다. 이와 같은 문제들을 해결하기 위해서 앞서 언급된 포집 기술들을 결합하여 활용하는 기술이 제시되었으며[2], Amine을 대체하기 위한 흡착제로서 ionic liquid에 대한 연구 또한 활발하게 진행되고 있다. Ionic liquid는 휘발성이 매우 낮기 때문에 환경에 미치는 영향이 낮으며, 이산화탄소의 용해성이 높은 특성이 있다[3]. 2.2. 전기화학적 이산화탄소 환원 이산화탄소는 완벽히 산화된 상태이고 열역학적으로 안정성을 띠기 때문에, 탄소와 산소를 분리하는 환원 과정에는 기술적 어려움이 존재한다. 낮은 kinetic으로 인해 환원반응이 쉽게 일어나지 않으며, 현재까지 열화학적, 전기화학적, 광화학적 기술을 통한 접근들이 이루어지고 있다. 전기를 통한 이산화탄소 환원에 대한 연구는 1870년에 시작되었으나, 오랜 기간 동안 공정 기술에 대한 문제가 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 전기화학적 특성을 고려할 경우, 표준전극의 전위(potential)가 이산화탄소 환원전위, 그리고 수전해를 통한 수소 발생 전위와 유사한 특성을 확인할 수 있다. 이산화탄소 전기분해 시스템을 구성하는 애노드에서는 물이 산화(산소 발생)되고 전자가 캐소드로 이동하게 된다. 이때, 이산화탄소는 formate, CO, methane, ethylene, ethane, methanol, ethanol 등 다양한 물질로 환원된다. 전기화학 반응은 대개 높은 과전위(>1V)를 필요로 하는데[4], 활성화에너지를 낮추고 공정 효율성을 향상시키기 위해서는 활성과 선택성(selectivity)이 높은 전기화학 촉매를 필요로 한다. 현재 관련 기술의 상용화를 위해서 상기 촉매의 성능 및 안정성 확보가 요구되고 있다. 전해액에 용해된 이산화탄소의 환원을 위해 금속 기반 전극, 나노물질, 합금 촉매, 금속산화물 등에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[5]. 2.3. 바이오가스 고질화 바이오가스는 농업폐기물, 하수슬러지 등의 처리 공정 중 혐기성 소화에 의해 발생하며 발전용 가스터빈 운전에 이용된다. 그 외 목적에 활용하기 위해서는, 바이오가스의 고질화(upgrading)가 필요하다. 이를 위해서 이산화탄소를 포집 및 제거를 통해 biomethane을 생산할 수 있는데, 이는 천연가스와 특성이 유사하기 때문에 다양한 분야에 활용할 수 있다. 바이오가스의 발생 원료는 황화수소(H 2 S), 암모니아, 휘발성유기탄소(VOC) 등과 같이 다양한 불순물을 포함하고 있는데, 그중 황화수소를 제거하는 것이 고질화를 진행하는 데에 필수적이다. 상기 황화수소 제거 공정에서 이산화탄소가 부산물로 발생하게 되는데, 환경 기준을 충족하기 위해 이산화탄소의 포집 및 활용 기술이 요구된다[6]. 2.4. 이산화탄소 활용 2.4.1. 온실 내 작물 재배 녹색식물의 광합성 반응에서는 빛에너지를 이용하여 이산화탄소와 물을 당으로 변환시킨다. 따라서 이산화탄소가 식물 성장에 중요한 역할을 하며 이를 통해 작물의 성장률과 생산성을 향상시킬 수 있다[7]. 일반적으로 온실 내 이산화탄소 농도를 조절하기 위해서 탄소를 함유한 연료를 연소시키는데, 원료에 함유된 오염물질 및 불완전연소 물질이 문제가 될 수 있다. 또한 액화 이산화탄소를 특수 탱크에 저장하여 필요에 따라 기화시키는 방법을 활용할 수 있는데, 비교적 비싼 운영 비용을 고려해야 한다. 바이오가스 고질화를 통해 생성된 이산화탄소를 온실에서 이용하기 위해서는 순도가 높은 이산화탄소를 얻는 기술이 중요하며, 온실 내 식물 및 사람이 직접적인 영향을 받을 수 있기 때문에 오염물질을 제거하는 것이 필수적이다. 네덜란드 정부는 2020년까지 온실 부문 20%에 재생에너지를 기반으로 한 이산화탄소를 공급하는 것에 동의하였다. 2.4.2. 식품산업 이산화탄소는 식품산업에서 널리 사용되고 있는데, 특히 공기조절포장(modified atmospheric pack-aging - MAP)에 주로 이용된다. MAP 공정은 식품 포장을 할 때 산소의 함량을 낮추는 기술로, 이산화탄소 주입을 통해 식품 산화 속도를 지연시킬 수 있다. 이외에도 이산화탄소는 탄산음료 제조 과정에 사용된다. 식품은 인체에 직접적인 영향을 주기 때문에, 온실 부문 적용과 마찬가지로 높은 순도(>99.9%) 유지 및 오염물질 제거가 필수적이다. 높은 순도를 얻기 위해서는 극저온 증류 공정을 적용하며, 이에 따라 높은 비용이 소요된다. 이와 같은 이유로 바이오가스 고질화를 통해 생성된 이산화탄소와 식품산업이 밀접한 관련성은 없다. 2.4.3. 냉각산업 '드라이아이스'로 알려진 고체 이산화탄소는 냉동식품을 운송할 때 냉각제로 사용되고, 액화 이산화탄소는 냉매로 사용된다. R744는 이산화탄소 기반의 냉매로서, 독성 및 폭발성이 없는 장점으로 열펌프, 냉방 시스템, 그리고 상용 냉장고 등에 사용된다. 냉각산업용 이산화탄소 역시 높은 순도(>99.99%)를 요구하기 때문에, 바이오가스에서 분리된 이산화탄소를 활용하기는 쉽지 않다. 2.4.4. Power-To-Gas 산업 이산화탄소는 에너지 수송 매개체(carrier)로서 사용이 가능하다. 풍력 및 태양광과 같은 재생에너지의 잉여 전력을 수전해에 적용하여 수소를 생산할 수 있으나, 수소 관련 기반시설이 아직 부족한 상황이다. 수소 저장, 운송, 그리고 안정성 관련 기술적 이슈들이 남아 있다. 이와 같은 문제들을 극복하기 위하여 수소를 이산화탄소와 반응시켜서 methane을 생산할 수 있고, 기존 methane 관련 기반시설을 활용하면 에너지 수송이 가능하게 된다. 수전해를 통한 수소를 이산화탄소와 반응시켜 methane을 생산하는 기술을 'Power-To-Gas'라고 하며, 비혐기성 소화 공정에 수소를 공급하여 최종생성물로 methane을 만들 수 있다. 상기 혼합 공정은 전체적인 반응 수율을 높여주는 효과가 있다. 3. 결론 이산화탄소 제거 공정을 통해 biomethane으로 변환하는 바이오가스 고질화는 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 감축하는 데에 큰 역할을 할 수 있다. 2013년 대비, 현재 바이오가스 플랜트는 약 두 배로 늘어났으며, 특히 독일과 스웨덴이 큰 관심을 갖고 있다. 이들과 더불어 영국, 프랑스, 덴마크, 핀란드, 한국에서도 바이오가스 고질화 플랜트에 대한 투자를 확대하고 있다. 이산화탄소 감축을 |
