지구 온난화에 막대한 영향을 끼치는 온실가스 배출 저감을 위해서, 이산화탄소 포집·활용·저장(Carbon capture, utilization, and storage, CCUS)이 제안되었고, 궁극적 목표는 순 배출량이 제로(Net zero)가 되는 것이다. 2015년 파리협정에서, 2100년까지 지구 평균온도 상승폭을 1.5 ℃ 이하로 제한했으며, 이 목표를 실현시키기 위해서, 2030년까지 CO2 배출량을 2010년 대비 45% 이상 저감해야 하며, 특히 2050년까지 제로 배출량을 달성하는 것이 최종 목표이다.

산업 공정에서 발생하는 CO2를 선택적으로 제거하기 위해서, 물리적 흡수 공정의 저온(-40 ℃) 유지가 필요하며, 이것은 극심한 냉동 에너지의 소모가 불가피하다. 세계 최초로 나노 크기의 오일 액적을 물리적 흡수제에 분산시킨 형태의 나노흡수제를 개발하여 CO2 흡수 성능을 극대화시켰고, 궁극적으로 저온 환경이 아닌 상온에서, CO2 포집시스템을 구축하여 공정 에너지 저감을 실현하였다.

산업 공정에서 배출되는 CO2 문제 외에도, 주거·비주거용 건물 내에서의 에너지 저감은 탄소중립을 실현하는 데에 있어서 매우 중요한 이슈이다. 구체적으로, 2017년 서울의 전체 에너지 소비 중, 건물이 차지하는 비율은 55.9%에 달했다. 건물 에너지 소모의 일부를 신재생에너지원으로 대체하는 “제로에너지빌딩”의 기술적 한계를 뛰어넘어, 신재생에너지 생산·저장·변환 시스템의 최적화를 통해 건물에서 소모되는 에너지보다 더 많은 에너지를 생산하는 “플러스에너지빌딩”을 실현시키는 기술이 절대적으로 필요하다. 이 혁신적인 기술을 통해 B2G(Building-to-Grid) 거래가 가능하여 궁극적으로 탄소중립 실현에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

이에 한국연구재단 기초연구본부는 ‘탄소중립을 위한 CO2 저감기술’에 대한 연구동향 브리프를 발간했다(NRF R&D BRIEF 2021-15호/공학단).

 

 

■ 최근 국내․외 연구 동향은?

ㅇ 한국: 히프 펌프를 활용한 CO2 활용 기법(대한기계학회, 2019.05 [1])

▪ CO2를 포집하는 것뿐 아니라 활용하는 것이 중요한 문제임. 오늘날 CO2 고압 압축 과정은 인터쿨러를 동반한 다단 압축기가 활용되고 있음. CO2를 1차적으로 가압하고 히트펌프를 이용하여 이를 액화하고, CO2를 2차 가압함. 액상의 CO2를 가압함으로써 압축 동력을 저감할 수 있음. 이는 기존 다단 압축기법에 비해 25%의 압축 소요 전력을 저감할 수 있음. CO2를 냉매 로 활용함으로써, 지구온난화 저감에 기여할 수 있음.

ㅇ 한국: CO2 포집을 위한 차세대 탄소 기반 흡착제 개발(한국화학공학회, 2019.12 [2])

▪ CO2 흡착능이 낮은 탄소 소재에 염기성 아민의 표면 개질을 통해 CO2와의 흡착 관계를 향상시킴으로써 흡착 성능을 크게 증진시킴. PVDF 고분자를 이용한 CO2 흡착을 위한 다공성 탄소섬유를 개발함. 증가되는 포장 완충재를 CO2 흡착제로 활용함으로써 폐기물 처리와 동시에 온실가스 저감에 기여할 수 있는 방안을 제시함. 기존 산업공정에서는 액체 기반 흡수제(absorbent)가 주로 사용되지만, 최근에는 고체 흡착제(adsorbent) 연구가 활발히 수행됨.

ㅇ 중국: 하얼빈과학기술대, CO2 흡수를 위한 초염기 이온 액체 기반 심층 공융 용매 개발
(ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020.8.6. [3])

▪ 이온성 액체와 에틸렌 글라이콜을 이용해 이온성 액체 기반 심층 공융 용매를 만들어 효율적인 재생 가능한 CO2 흡수제를 만 듦. 이온성 액체와 에틸렌 글라이콜이 CO2와 만나면 서 카르 밤산염과 탄산염을 형성함. 이온성 액체 기반 CO2 분리 과정의 실행 가능한 모델을 제시했음. 기존 CO2 흡수공정에서, CO2를 분리 하는 과정에서 많은 에너지가 소모되는 것을 기반으로 한 연구임.

ㅇ 미국: 옥스퍼드 대학교, CO2 포집을 위한 아민기능화 금속산화물 시트 개발(Journal of
Material Chemistry A, 2020.7.15. [4])

▪ Mg-Al 금속 산화물의 나노시트 구조에 폴리에테르이미드 아민기능화로 CO2와의 화학적인
반응을 촉진함. 기존 연구된 고체 흡착제에 비해, CO2에 대한 선택적 포집력이 월등히 우수하며 흡착/탈착 반복 실험에서 안정성이 뛰어남.

 

■ 기초연구사업 지원 현황은?

ㅇ 지원과제 현황

ㅇ 성과현황

 

■ 향후 기초연구사업에서 어떤 연구들이 필요한가?

 

■ 기초연구성과 응용 연계를 위한 향후 과제