<사진. E-CEM 탄소 포획 활재(Carbon Capture Skid)
출처. KISTI 미리안>
해수에서 연료로 전환할 수 있는 수소를 생산하고 이산화탄소를 회수하는 방법
미 해군 연구소(NRL; US Naval Research Laboratory) 산하 재료 과학 및 기술부 소속의 연구진은 해수(seawater)로부터 수소(hydrogen)와 이산화탄소(carbon dioxide, CO2)를 회수할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 이때 회수된 수소는 차후 액체 연료로 전환이 가능하다. 역사적인 WWII P-51 무스탕(WWII P-51 Mustang) 적색 꼬리를 가지는 항공기의 무선 조정 복제품의 비행을 이용하여, NRL 연구원인 Jeffrey Baldwin 박사, Dennis Hardy 박사, Heather Willauer 박사 및 David Drab 박사 등은 항공기의 변경되지 않은 2행정 사이클의 내연기관(two-stroke internal combustion engine)에 동력을 공급하기 위하여 새로운 액체 탄화수소 연료를 사용했다.
테스트는 해수로부터 수소를 생성하고 이산화탄소를 추출하기 위한 NRL이 개발한 공정에 대한 개념 증명을 제공하고, 회수된 수소와 이산화탄소는 이후 촉매를 적용하여 가스를 액체로 전환하는 공정에 따라 연료로 전환된다. 가능한 더 장기적인 측면의 결과는 필요할 때 해군이 사용할 지점에서 또는 인근에서 연료를 제조할 수 있는 능력에 있다. 따라서 연료 보급에 대한 실행 계획의 이행을 줄이고, 전투 능력을 강화할 뿐 아니라 연료비용의 고정과 자체적인 이용 가능성에 의해 보다 더 우수한 에너지 안보를 제공하는 데 있다.
환경적 관점에서, 통합적인 NRL이 개발한 기술의 결합은 이산화탄소 중성으로 간주될 수 있다. 합성 연료의 연소에서 생성되는 이산화탄소는 대기로 돌아온다. 다시 돌아온 이산화탄소는 자연적인 탄소 순환을 완성하기 위하여 해양과 재평형을 이룬다.
NRL의 혁신적이고 전매특허인 E-CEM(electrolytic cation exchange module)을 이용하여, 용해되고 결합된 이산화탄소는 탄산염(carbonate)과 중탄산염(bicarbonate)을 이산화탄소로 재평형을 이루게 하고 동시에 수소를 생성함으로써 92% 효율로 해수로부터 제거된다. 이후 이러한 기체는 반응기 시스템에서 금속 촉매에 의해 액체 탄화수소(liquid hydrocarbon)로 전환된다.
해양에서 이러한 물질을 얻기 위하여 요구되는 에너지는 주로 수소의 생산을 위한 것이다. 이산화탄소는 해리된 부산물이다. 이산화탄소의 회수와 동시에 수소 기체를 생산하는 공정은 부가적인 거대하고 고가의 전기분해 유닛(electrolysis unit)의 필요성을 제거한다.
미국 해군 연구실(Office of Naval Research) P38 해군 예비역 프로그램(P38 Naval Reserve program)과의 밀접한 협력을 통해서, NRL은 해수로부터 이산화탄소와 수소를 동시에 추출할 수 있는 획기적인 기술을 개발했다. 이 기술은 자연이 실험실에서 전체 규모의 상업적인 실행으로 전이할 수 있는 가능성을 증명한 첫 번째 기술이라고 NRL 소속의 연구 화학자인 Heather Willauer 박사는 밝혔다.
공기와 해수에서 이산화탄소는 풍부한 탄소 공급원이지만, 해양에서의 농도는 100 mg/L(milligrams per liter)로 대기 중보다 약 140배 더 크고, 296 mg/L인 연도 기체(stack gas)의 이산화탄소 농도의 1/3에 해당한다. 해수에 존재하는 이산화탄소의 2~3%는 1%는 탄산염의 형태이고 나머지 96~97%는 중탄산염인 탄산(carbonic acid) 형태에서 이산화탄소 기체로 용해된다.
NRL은 C9-C16 분자의 연료와 같은 비율로 해수로부터 이산화탄소와 수소로 전환시키는 GTL(gas-to-liquids) 합성 공정의 개발에 상당한 진보를 이루었다.
첫 특허 단계에서 이산화탄소의 전환 수준을 60%까지 달성하고, 보다 더 긴 고리의 불포화 탄화수소(올레핀)를 선호하는 원하지 않는 메탄 생성을 줄일 수 있는 철을 기반으로 하는 촉매가 개발됐다. 이 공정으로부터 얻어지는 부가 가치의 탄화수소는 산업용 화학 물질과 유명 브랜드 연료를 생산하기 위한 빌딩 블록으로 사용될 수 있다.
두 번째 단계에서, 고체 산 촉매 반응(solid acid catalyst reaction)을 이용하여, 이러한 올레핀은 저중합 반응(제어된 중합 반응을 이용하여 보다 더 분자량이 높은 화합물을 단량체와 더 낮은 분자량을 가지는 분자로 전환시키는 화학 공정)을 거칠 수 있다. 결과적으로 얻어진 액체는 석유 기반의 제트 연료를 재생 가능한 자원으로 대체하는데 사용되기 적합한 C9-C16 범위의 탄소를 가지는 탄화수소 분자를 함유한다.
이러한 기술을 이용한 제트 연료의 예측된 비용은 갤런 당 $3~$6에 이를 것이며, 충분한 지원과 파트너십을 이용하여 이러한 접근은 향후 7~10년 이내에 상업적으로 실행 가능할 것이라고 Navy 연구진은 제안했다. 원격 토양 기반의 선택 사항의 추구는 미래 해양을 기반으로 하는 방안에 대한 첫 단계가 될 수 있을 것이다.
최소 모듈 탄소 포획 및 연료 합성 유닛은 개별적인 E-CEM 모듈과 연료 수요를 충족하기 위한 반응기 튜브를 추가함으로써 규모를 확대할 수 있을 것으로 연구진은 생각하고 있다.
NRL은 실험실 규모의 고정상 촉매 반응기 시스템(fixed-bed catalytic reactor system)을 운영하고, 시제품 유닛의 출력이 액체에서 필요한 C9-C16 분자의 존재를 확인했다. 이러한 실험실 규모의 시스템은 NRL 기술을 반응기의 길이와 수를 증가시킴으로써 규모가 확대될 수 있는 상용 모듈 반응기로 전환하는 첫 단계이다.
공정 효율성, 다량의 수소를 동시에 제조하는 용량 및 부가적인 화학물질 또는 오염물질이 없이 해수를 처리하는 공정 등은 이전에 개발되고 테스트된 해수 또는 공기로부터 이산화탄소의 회수를 위한 막 및 이온 교환 기술보다 훨씬 더 우수하다고 연구팀은 밝혔다.
■ KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』 http://mirian.kisti.re.kr