[탄소중립! 세상이 숨쉬다②]에너지연 온실가스연구실
이산화탄소를 CO로 전환, 연속 공정 시스템 개발
생산단가 77% 낮추고 연간 6만톤의 온실가스 저감 기대

국내연구팀이 제철이나 석유 산업 공정에서 발생하는 가스, 폐열, 이산화탄소 전환경로를 개발, 포집과 활용 가능성이 커졌다.[사진= 한국에너지기술연구원]
국내연구팀이 제철이나 석유 산업 공정에서 발생하는 가스, 폐열, 이산화탄소 전환경로를 개발, 포집과 활용 가능성이 커졌다.[사진= 한국에너지기술연구원]
제철・석유 관련 화학공정에서 발생하는 3-waste(부생가스, 폐열, CO₂)를 모두 이용해 온실가스 주범인 이산화탄소를 자원화하는 공정이 개발돼 주목된다. 버려지는 가스와 열을 이용해 기후변화는 줄이면서 화학원료(CO)를 만들어내는 것으로 국내외 산업계에서 관심이 쏠리고 있다.

부생가스나 폐열, CO₂는 제철·석유 관련 화학공정에서 발생, 환경문제와 자원낭비를 일으킨다. 일반적으로 경제성 등의 문제로 소각해버리거나 금속산화물을 통한 산화환원 반응으로 처리하고 있다. 하지만  CO₂는 안정적 결합으로 1200도 이상의 열이 가열돼야 분해된다. 이처럼 고온반응으로 금속입자 간 응집 또는 소결현상으로 장기간 운영에 어려움이 있었다. 

한국에너지기술연구원 온실가스연구실의 남성찬 박사 연구팀이 금속산화물 니켈페라이트(NiFeO₄)와 스트론튬페라이트(SrFeO₃)를 이용해 경제성을 높인 새로운 이산화탄소 전환 경로를 개발했다.

금속산화물 SrFeO₃는 기존 촉매에 비해 상대적으로 낮은 온도(≥ 700℃)에서도 90% 이상의 CO₂ 전환율을 보였다. 고온 내열성과 안정성이 우수해 환원 및 산화 반복 운전에도 전환율, 수율 등의 감소없이 일정한 활성을 유지했다. 또 로듐(Rh)이나 루테늄(Ru)을 첨가해 분해온도를 100℃ 이상 낮추면서 전환율은 오히려 15%이상 향상시켜 효율을 높였다는게 연구팀의 설명이다..

연구팀에 의하면 전기 전도도 (electronic conductivity)와 이온 전도도 (ionic conductivity)가 뛰어난 페로브스카이트 타입 SrFeO₃를 합성, Fe의 산화수 변화가 자유로워 산소 이동에 의한 안정성이 상당히 우수한 것으로 나타났다.

연구성과는 국내외에서 산업과 연계돼 시도된 바가 없는 독창적인 기술로 인정 받고 있다. 향후 연구팀은 40 Nm₃/h급 파일럿 공정연구까지 확대 적용해 실증 기초 데이터를 확보할 예정이다.

남성찬 박사는 "3-waste 활용 공정에서 생산된 합성가스, 고순도 일산화탄소를 올레핀 제조 공정과 연계하면, 폐탄소원을 가치화해 상용 가능성이 높은 CCU(Carbon Capture and Utilization) 통합 공정을 구축할 수 있다"고 설명했다.

상용화 시기는 2030년 전후로 예상된다. 이 때 국내 일산화탄소 수요량의 5%인 연간 4만2000톤을 생산할 것으로 기대된다. 이에 따라 연간 6만톤의 온실가스 저감효과가 있을 것으로 예상된다. 연구팀의 최종 목표는 연간 일산화탄소를 14만2000톤까지 생산 가능한 효율, 생산단가 또한 기존 상용 기술 대비 77% 수준까지 낮추는 것이다. 연구팀은 이를 위해 지속적인 기술개발 연구를 진행중이다.

이번 연구는 차세대 탄소자원화 연구단의 지원을 받아 수행됐다. 결과는 2020 대한민국 환경에너지 대상(학술연구부문)에 선정됐다.

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