2050년까지 탄소제로를 목표로 중요한 글로벌 아젠더입니다.
그와 관련된 기본이론과 실제 기업에서 진행중인 결과, 그리고 화학작용에 대한 매커니즘을 알아봅니다.
탄소포집(Carbon Capture, Utilization, and Storage)이란?
온실가스인 이산화탄소를 포집, 저장, 활용하는 기술을 이야기하며, 2050년까지 탄소중립을 목표로 기후동맹에 한국도 가입했습니다.
현재 2050년까지 탄소중립을 선언하였고, 그와 관련된 정부와 기업에서의 활발한 연구개발이 진행되고 있습니다.
탄소 포집 기술의 이론과 화학적 메커니즘, 그리고 실제 적용사례 탄소 포집 기술은 온실 가스 배출을 완화하고 기후 변화로 인한 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 합니다.
이 기술은 산업 공정 및 발전에서 배출되는 이산화탄소(CO2)를 포집하여 대기로 배출되는 CO2를 줄이고 지구 온난화에 기여하는 것을 방지하는 것을 목표로 합니다.
탄소 포집 기술 이산화탄소를 포집하고 활용하는 CCU, 이산화탄소를 포집하고 저장하는 CCS 등 두 가지 기술을 합친 것을 뜻합니다.
대기와 산업공정에서 발생되는 이산화탄소를 포집해서 재처리, 에너지로 사용하는 기술을 이야기합니다. 탄소 포집 기술은 CO2 배출을 포집하고 저장하도록 설계된 다양한 방법과 프로세스를 포함합니다.
탄소포집관련 내용
1) CCS(Carbon Capture and Storage): CO₂를 지하 깊은 곳에 저장하는 기술로 파이프라인이나 선박을 이용해 운반한 CO₂를 고갈된 유전·가스전 등 지하 800m 이상 깊이의 지하저장고(육지,바다)에 주입하여 자연반응에 의해서 용해 또는 광물화를 목표로 합니다.
2) CCU(Carbon Capture and Utilization): 포집한 CO₂를 활용해 새로운 에너지원, 또는 자원에 활용하는 방법으로 포집한 CO₂를 활용하여 연료, 화학물질, 건축자재 등 새로운 제품생산을 합니다.
탄소포집의 화학적 작용은 CO2의 물리화학적 속성을 이용하여 이루어지며, 주로 흡착, 흡수, 화학 반응 등이 있습니다.
첫째로, 흡착은 대기 중의 CO2를 탄소포집 기술을 사용하여 고체 또는 액체 표면에 잡아놓는 작용을 말합니다.
이 작용은 주로 화학 흡착에 의해 일어나며, CO2 분자가 지표면과 결합합니다. 흡착제로는 알루미나, 실리카, 탄산염 등이 사용됩니다.
둘째로, 흡수는 CO2를 흡수하고 운반하도록 설계된 용매 또는 재료를 사용하는 작용입니다.
이 작용은 물리 흡착과 화학 흡착의 양쪽으로 나뉘어집니다. 화학 흡착은 CO2가 용매 분자와 결합하여 새로운 물질을 생성하는 반응입니다.
셋째로, 화학 반응입니다. 이 작용은 CO2 분자와 다른 화학물질이 반응하여 안정적인 화합물을 생성하는 작용입니다.
이러한 화학 반응은 발열 작용과 수소 화학 작용 등이 있습니다. 이러한 화학적 작용이 조합되어 탄소포집 기술이 개발되어왔습니다.
한 가지 예로는 질산염 용액에서 유래된 CO2 포집 기술인 '오리무중'이 있습니다.
이 기술은 질산칼슘과 CO2를 사용하여 바인딩되고 탈수됩니다. 이러한 화학 반응을 이용하여 탄소포집 기술은 더욱 발전할 것으로 기대됩니다.
탄소포집의 역사
*출처 : sk에너지 미디어
CCUS의 핵심인 탄소포집(Carbon Capture) 기술은 1930년대부터 약 100년에 걸친 오랜 역사를 갖고 있습니다.
천연가스 채굴·생산 공정에서 순수한 가스를 얻기 위해 불순물인 CO₂를 제거하는 과정이 필수적이었기 때문입니다.
** CCUS는 미국 발베르데 천연가스 발전소(Val Verde Natural Gas Power Plant)에서 1972년 최초로 활용
CCUS는 미국 발베르데 천연가스 발전소(Val Verde Natural Gas Power Plant)에서 1972년 최초로 활용
포집된 탄소를 저장하는 기술(CCS) 역시 1970년대부터 석유회수증진(EOR: Enhanced Oil Recovery) 프로젝트를 통해 상업 가동돼 왔습니다.
EOR은 노후 유전에 CO₂를 주입해 석유 생산량을 늘리는 공정입니다.
과거 석유 및 천연가스 생산량 증진 등을 위해 사용되던 탄소포집·저장 기술이 최근에는 친환경적인 측면에서 활용되고 있습니다.
1996년 노르웨이 슬라이프너(Sleipner) 해상 가스전 CCS 프로젝트를 시작으로 다양한 지역에서 온실가스 배출 저감 목적의 CCS 프로젝트가 추진되고 있습니다.
현재 전 세계 여러 지역에서 상업 운전중인 CCS 프로젝트는 27개, 개발 중인 프로젝트는 100여 개에 달합니다.
현재 진행사례
국내 이산화탄소 저장규모는 7.3억톤으로 예상되며, 2015년 예상보다 1.3억톤 초과하는 규모로 향후 최대 11억 6천톤까지 추가 저장할 수 있는 잠재력이 있다고 분석되었다
탄소포집 기술은 대기 중 CO2를 포집하여 지속 가능한 미래를 위해 에너지 및 산업부문에서 광범위하게 사용될 것으로 예상됩니다. 탄소포집 기술 개발은 산업부문에서 중요한 요구 사항 중 하나이며, 현재 연구의 방향성은 다음과 같습니다.
1. 효율적인 포집 기술 개발
탄소포집 기술은 CO2 포집 기술이 매우 효율적이어야 가능합니다. 포집 기술의 개발은 포집 장치 설계 개선, 방출 가스 조작 및 최적화와 같은 기술적 혁신을 포함합니다.
2. 적극적인 수송 및 저장 기술 개발
CO2 포집은 보통 공장이나 발전소의 근처에서 발생하기 때문에 저장 및 수송 과정이 매우 중요합니다. 이러한 기술은 수송 업계에서 충분한 지식을 바탕으로 개발될 필요가 있습니다.
3. 탄소 포집과 유효 활용을 결합한 실용적인 기술 탄소포집 기술 수준에서 바로 CO2 배출시 경화한 기술을 함께 연구하는 것도 탄소 포집 분야에서 중요한 연구 방향 중 하나입니다. 즉, 탄소 포집과 유효 활용을 결합한 실용적인 기술의 개발을 통해 CO2 배출량을 줄일 수 있습니다.
이러한 연구와 기술 발전을 통해 탄소포집 기술은 더욱 발전하게 되어 지속 가능한 방식으로 화석 연료를 사용할 수 있을 것으로 기대됩니다.
탄소포집기술에 대한 화학적 매커니즘 규명
탄소 포집 기술은 연도 가스 또는 대기에서 직접 이산화탄소(CO2)를 포집 및 분리하기 위해 다양한 화학적 메커니즘을 사용합니다.
가장 일반적인 방법인 연소 후 포집과 연소 전 포집에 대해 설명하겠습니다.
연소 후 포집기술
연소 후 포집은 화석연료 연소 후 발전소나 산업시설에서 배출되는 연도가스에서 CO2를 포집하는 것입니다. 연소 후 포집에 사용되는 기본 화학적 메커니즘은 흡수입니다.
가) 흡수:
이 공정에서 연도 가스는 용매, 일반적으로 CO2에 대한 친화력이 높은 아민 수용액과 접촉하게 됩니다. 아민 용액은 연도 가스에서 CO2를 선택적으로 흡수하는 동시에 다른 가스는 통과시키는 "세정기" 역할을 합니다. 흡수는 흡수기 또는 접촉기라고 하는 특수 용기에서 발생합니다.
b) 반응:
연도 가스가 아민 용액과 접촉하면 CO2와 아민 분자 사이에서 화학 반응이 일어납니다. 연소 후 포집에 가장 일반적으로 사용되는 아민은 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA) 및 메틸 디에탄올아민(MDEA)입니다. 이러한 아민과의 반응은 아민과 CO2 사이에 화학 결합을 형성하여 카바메이트라는 화합물을 생성합니다.
c) 스트리핑:
흡수 단계 후, CO2가 포함된 용매(카바메이트)는 나머지 연도 가스에서 분리되어 스트리핑 또는 탈착이라는 공정을 거칩니다. 여기에는 포집된 CO2를 방출하기 위해 용매를 가열하는 것이 포함됩니다. 방출된 CO2는 수집되어 저장 또는 활용을 위해 준비되며 재생된 용매는 추가 사용을 위해 흡수 단계로 다시 재활용됩니다.
연소 전 포집기술
연소 전 포집은 연소되기 전에 화석 연료의 가스화 또는 개질로부터 CO2를 포집하는 것을 포함합니다. 이 방법은 통합 가스화 복합 사이클(IGCC) 발전소나 수소 생산을 위한 석탄 가스화 또는 증기 메탄 개질과 같은 공정에서 일반적으로 사용됩니다.
a) 가스화/개질:
연소 전 포집에서 석탄이나 천연 가스와 같은 화석 연료는 먼저 가스화 또는 개질과 같은 공정을 통해 합성 가스 또는 합성 가스(수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 혼합물)로 전환됩니다. 이 단계는 일반적으로 고온 및 고압 환경에서 화석 연료를 증기 및/또는 산소와 반응시키는 것을 포함합니다.
b) 시프트 반응:
일단 합성가스가 형성되면 CO의 일부를 CO2와 H2로 변환하기 위해 전환 반응, 특히 수성 가스 전환 반응을 겪습니다. 반응은 일반적으로 철 또는 구리를 기반으로 하는 이동 촉매에 의해 촉매됩니다.
c) CO2 분리:
전환 반응 후 생성된 가스 혼합물에는 CO2, H2 및 미량의 기타 가스가 포함되어 있습니다. PSA(압력 변동 흡착), 멤브레인 또는 물리적 용매를 포함하여 이 혼합물에서 CO2를 포집하기 위해 다양한 분리 방법을 사용할 수 있습니다. 이러한 방법은 저장 또는 활용을 위해 CO2를 분리하고 포집하기 위해 CO2 및 기타 가스의 물리적 또는 화학적 특성의 차이에 의존합니다.
반응을 조금더 쉽게 설명해보겠습니다.
탄소포집 기술에서 화학적 작용은 주로 이산화탄소를 포집하는 단계에서 일어납니다.
이산화탄소는 대기 중의 가스 상태로, 분자 구조가 안정하고 반응성이 낮기 때문에 쉽게 포집되지 않습니다.
이러한 점에 비추어, 탄소포집 기술에서는 이산화탄소를 포집하기 위해 화학적인 흡착작용을 이용합니다.
일반적으로 흡착제(material)를 이용하여 이산화탄소 분자를 소속시킵니다.
예를 들어, 물리적 흡착을 이용한 기법에서는 탄소(섬유의 형태)나 실리카, 활성탄, MOF 등의 소재를 이용하여 이산화탄소분자를 흡착합니다. 흡착제에는 이산화탄소 분자와 반응할만한 화학기 또는 기공구조가 포함되어 있습니다.
화학적 흡착 기법에서는, 포집 장치 내에 알카리성 화학 물질 반응을 이용해 이산화탄소를 흡착하는 제품이 있습니다.
해당 화학반응은 포화상태에 이르러 이산화탄소가 작용하지 않은 경우에도 일어납니다.
여러 기술들로 화학적 작용이 일어나 탄소포집 기술이 가능하며, 이산화탄소의 흡착 효율을 높일 수 있습니다.
이산화탄소의 흡착 기술은 크게 물리적인 흡착과 화학적인 흡착으로 나뉩니다.
물리적 흡착은 기체 성분 간 상대적인 분자 크기와 분극성의 차이를 이용합니다.
이산화탄소 분자는 비교적 비대한 분자 크기, 높은 분극성, 또한 보통 0.3MPa 이상의 상대적으로 높은 압력에서 흡착됩니다.
따라서 이산화탄소 분자를 분리하기 위한 효과적인 방법 중 하나는, 이산화탄소 분자를 물리학적으로 흡착하는 물리적 흡착입니다.
물리적 흡착소재로는 기공성이 높은 활성탄, 분자나노필터링 기술, 이산화탄소 선택성 수지 기술, 압생막을 이용한 분리 기술 등이 사용됩니다.
화학적인 흡착소재는 화학적 반응을 일으켜 이산화탄소 분자를 골라내는 것입니다.
일반적으로 포획부위에 아황산이나 알칼리류, 아민등을 사용하는데, 이산화탄소와 화학적 반응을 일으켜 이산화탄소를 선택적으로 포획하는 원리로 작용합니다.
화학적 흡착소재에는 다른 종류의 금속 및 금속 화합물, 금속 유도체, 세라믹, 포런 몰라이드 등이 있습니다.
정리
탄소포집기술은 환경공학, 화학공학, 화학과를 진학하고자 하는 학생의 진로관련 세특주제로 활용가능합니다.
구체적인 화학적 매커니즘을 설명하는 보고서도 좋을듯 하고
왜 탄소포집이 중요하고 미래의 환경을 위해서 지금부터 어떻게 준비하고있는지 국가와 기업의 탄소제로 2050에 대해서
구체적으로 고민해보고 탐구해보는 보고서도 좋을듯 합니다.
