월간전기

한국에너지기술연구원(이하 에너지연) CCS연구단 박영철 박사 연구진이 하루 1kg 수준에 불과했던 공기 중 이산화탄소 포집량을 1년 만에 19배 규모인 19kg으로 확대하는 데 성공했다. 개발된 공정은 1,000시간 이상의 실증 운전을 성공적으로 완수하여, 향후 더 큰 규모의 실증 가능성을 나타냈다.

전 세계적으로 《Net Zero Emissions(NZE) by 2050 시나리오》에 따르면, 직접공기포집(Direct Air Capture, DAC) 기술은 ’30년까지 연간 60MtCO2의 이산화탄소를 포집할 수 있는 규모로 확장될 것으로 예상된다. 이를 위해 현재 기술의 성능 개선과 비용 절감을 목표로 한 대규모 실증 플랜트 구축이 필요하다.

DAC 기술의 원리는 다음과 같다. 송풍기를 이용해 공기를 공정 설비로 흡입한 후, 흡수제를 활용해 흡입된 공기 중 이산화탄소(CO2)를 선택적으로 포집한다. 이후 흡수제에 열 또는 진공을 가하여 고농도의 CO2를 추출하고, 그렇게 추출된 CO2를 압축 및 저장하여 제품 원료 등으로 활용한다.

미국 에너지국(DOE)은 DAC 기술 중 ‘건식 포집기술’이 78%를 차지한다고 보고하며, 건식 소재 기술개발의 중요성을 강조하고 있다. 현재 DAC의 CO2 포집 비용은 톤당 $300~600 수준으로, 경제성을 확보하려면 톤당 $100 이하로 낮추는 기술개발이 필요하다.

박영철 박사 연구진은 이산화탄소 포집 효율이 높고, 장기 운전 시 성능 저하가 적은 혁신 소재와 고효율·저차압 공정 개발을 목표로 했다. 특히, 대기압 및 공정 차압을 1,000Pa 이하로 유지하며 경쟁력 있는 상업적 기술을 확보하고자 했다. 이를 위해 성능 향상을 위한 소재 원천기술 개발, 비용 저감형 공정 설계, 실증 기반 기술개발을 병행하여 글로벌 기술 격차를 해소하고자 했다.

연구진은 목표 CO2 생산량을 달성할 수 있는 성능 수준을 확보하면서, 동시에 대량 생산이 가능한 고체 흡수제를 개발하여 누적 1,000시간의 운전을 통해 개발 흡수제의 성능을 확인했다. 연구진이 개발한 DAC 기술은 건식 흡수제를 이용해 공기 중의 CO2를 직접 포집하고 제거하는 기술이다. 공장 등 배기가스 배출시설에 적용되는 기존 탄소포집기술과 달리, 공간의 제약 없이 설치할 수 있어 탄소중립의 핵심 기술로 꼽힌다.

연구진은 전년도에 수행한 《일일 1kg급 포집 실증》을 바탕으로 흡수제의 충전량, 기체 처리량, 열관리 설계를 고도화했다. 또한 한국과학기술원(KAIST) 최민기 교수 연구팀이 개발한 ‘아민 고분자’ 기반의 건식 흡수제를 도입하여 95% 이상의 고순도 이산화탄소를 일일 19kg까지 포집할 수 있는 시스템을 구축했다. 이는 하루 동안 소나무 약 1,000그루가 흡수하는 양과 맞먹는 수준이다.

연구진은 목표 CO2 생산량을 달성할 수 있는 성능 수준을 확보하면서, 대량 생산이 가능한 고체 흡수제를 개발하여 누적 1,000시간의 운전을 통해 개발 흡수제의 성능을 확인했다.

▶국내 최초 입자 형태의 고체흡수제를 사용한 DAC 고정층 연속운전 공정 개발 및 확장을 통해 10kg/일 CO2 생산량을 초과 달성하여 DAC 공정의 경제적 및 실용적 가능성을 입증했다.

▶기체 처리 용량 1,000CMH 조건에서 고체흡수제 동적흡수능 3.3wt.%, 생산량 평균 19.6kg/day 수준을 달성했다.

▶500시간 연속운전 결과, 고농도 CO2 생산 조건에서 흡수단계 동안 반응기 차압(압력 강하)은 500Pa 이하로 유지되었다. 이는 개발 당시 예상 목표를 훨씬 상회하는 수치로, 장기 운영 시에도 안정적인 공정 유지가 가능하고, 유속 조건의 상승을 고려하여 시스템의 추가 성능 향상도 가능하다.

개발된 시스템의 실증 결과, 연구진은 1,000시간 이상 운전해도 흡수제의 성능, 열관리 효율, 반응기 압력손실 등의 주요 지표가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다. 이를 통해 기존 1kg급 실증에서 확인하지 못한 장기 연속운전 시 안정성, 공정 사이클 간 성능 편차 등의 데이터를 확보해 향후 대규모 시스템으로 확대하기 위한 기반을 마련했다.

연구진은 이번 실증 결과를 바탕으로 포집 공정을 일일 200kg급으로 확대 실증할 계획이다. 또 단계적 규모 확대를 통해 ’35년까지 연간 1,000톤 이상의 CO2를 포집하는 설비를 실증할 수 있을 것으로 전망했다.

연구책임자인 박영철 박사는 “이번 실증 성과는 국내 고유의 직접공기포집 기술을 확보하기 위한 출발점”이며 “향후 연간 수백만 톤 규모의 CO2 감축이 가능한 기술로 발전시켜 국가 탄소중립에 이바지할 수 있도록 노력할 것”이라고 밝혔다.

▶정책적 효과 : 『2050 탄소중립』을 위한 네거티브 탄소 배출기술 확보 및 시나리오 B안에 따른 ‘DAC를 통한 이산화탄소 포집’ 목표 달성에 기여.

▶경제·사회적 성과 : 배출권거래제의 시행에 따른 블루오션 시장 창출에 기여. 전 세계적으로 연간 10억 톤의 CO2를 대기 중에서 직접 포집할 경우, 연간 300억 달러(약 33조원, 배출권가격 30$/톤CO2 적용)의 탄소배출권을 확보할 수 있을 것으로 기대.

▶경제·사회적 성과 : CO2 농도가 높은 대량 고정배출원에서 포집하는 기존 CCS 기술의 한계를 극복하고 소형 분산형 CO2 포집으로 발상 전환.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 『DACU 원천기술개발사업』의 지원으로 추진된 것으로, 에너지연을 중심으로 KAIST, 고려대학교, GS건설이 참여해 소재·공정·시스템·실증 전(全) 주기에 걸친 협력을 수행했다.