최근 COVID19 상황으로 액체이산화탄소 공급이 수요를 따라가지 못하는 상황에 놓였다. 액체이산화탄소는 기체 이산화탄소보다 장거리 운송·저장 관점에서 더욱 용이하며, 또한 식음료, 가스, 금속 등 다양한 산업에 걸쳐 사용되고 있는 물질이기 때문에 이의 수요는 점점 증가할 전망이다.
UNIST(총장 이용훈) 탄소중립대학원 및 에너지화학공학과 임한권 교수팀은 ‘ 블루 수소 연계를 위한 액체이산화탄소 최적 생산 모델의 기술·경제·환경적 타당성 분석 연구’를 진행해 국제학술지 ‘어플라이드 에너지(Applied Energy)’에 출판했다. 다기준 의사결정 방법을 적용해 다양한 이산화탄소 액화 시스템에 대해 최적 시나리오 도출이 주요 내용이다.
이번 연구는 ‘수소생산을 위한 천연가스 수증기 개질 반응 공정(Natural gas steam reforming)’에서 발생하는 배기가스를 대상으로 이산화탄소 포집 및 액화 시스템을 설계하고 분석했다. 특히, 위 공정으로 얻어진 수소를 블루 수소라 명명하는데, 본 연구에서는 블루 수소 연계를 위한 다양한 이산화탄소 액화 시스템과 더불어 4E(에너지, 엑서지, 경제성, 환경성) 타당성 분석을 통한 모든 측면을 고려했다.
그림1. 블루 수소 연계 이산화탄소 포집 및 액화 시스템 분석의 개략도
수소생산 과정에서 발생하는 배기가스를 대상으로 다기준 의사결정 기법을 적용한 이번 연구는 수소 생산과정에서 발생하는 이산화탄소 배출 저감의 기회를 제공한다. 또한, 동시에 액화 시스템의 기술적·경제적·환경적 측면에서의 중요한 지표가 될 것이라 기대된다.
본 연구의 결과로써 암모니아 냉매를 적용한 “Vapor compression refrigeration” 시스템을 적용한 경우 대해 높은 “우선도(Priority)”를 나타냈다. 이는 기술적·경제적·환경적 측면을 모두 만족하는 지속가능한 최적의 블루 수소 연계 이산화탄소 액화 시스템임을 나타낸다.
제1저자 최창권 에너지화학공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “이번 연구를 통해 진행된 이산화탄소 액화 시스템 분석은 향후 예상되는 수소 및 액체이산화탄소 수요를 동시에 만족시킬 수 있을 것으로 기대한다”며 “4E 타당성 기반의 다기준 의사결정 분석을 통해 액체이산화탄소 생산에 있어서 기술적·경제적·환경적 측면에서의 정량적 결과를 제시하고 구체적인 가이드라인으로 적용될 수 있을 것이다”고 전했다.
그림2. 블루 수소 연계 이산화탄소 포집 및 액화 시스템의 경제성평가 결과
공동교신저자인 Junaid Haider 에너지화학공학과 연구교수는 “본 연구는 최초의 블루 수소 연계 액체이산화탄소 생산을 위한 연구이며, 4E를 기반으로 효율적인 액체이산화탄소 생산 공정을 모색하는 연구이다”라며 본 연구를 강조했다.
임한권 탄소중립대학원 교수는 “이산화탄소 액화의 경우 다양한 기업 및 산업에서 이미 광범위하게 다루어지고 있지만, 이산화탄소 포집 기반의 블루 수소 생산 공정과 연계된 지속가능한 이산화탄소 액화 시스템 모델 제시와 관련된 연구로서 매우 큰 의미를 가진다”며 “본 연구가 향후 액체이산화탄소 산업에 중요한 지표가 될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
그림3. 다양한 이산화탄소 액화 시스템에 대한 분석적 계층화 과정(AHP) 결과
이번 연구는 울산과학기술원(UNIST) 탄소중립융합원 및 탄소중립실증화연구센터의 지원을 받아 수행됐고, 국제학술지인 어플라이드 에너지(Applied Energy)에 2월 15일자 온라인 게재됐다.
