[CCUS] 탄소 포집(Carbon Capture) 기술의 종류 및 성숙도

 

 

탄소 포집(Carbon Capture) 기술은 여러 물질이 혼합된 배가스에서 CO2를 포집 및 분리하는 기술로서, CO2를 분리하는 방식에 따라 습식/건식/분리막 방식으로 구분되기도 하고, 공정의 위치 에 따라 연소 전 포집/연소 후 포집/ 순산소 연소 방식으로 구분되기도 함. 

 

CO2를 분리하는 방식에 따른 탄소 포집 기술의 분류

① 습식 흡수 (Absorption): 액체 상태의 흡수제(solvents)를 활용하여 물리/화학적 결합을 통해 CO2 포집

② 건식 흡착 (Adsorption): 고체 상태의 흡착제(sorbents)를 활용하여 물리/화학적 결합을 통해 CO2 포집

③ 분리막 (Membrane): CO2를 선택적으로 투과시키는 분리막을 이용하여 CO2를 포집

 

 CO2 포집 및 분리 공정의 위치에 따른 분류

① 연소 후(Post-combustion) 포집: 발전소에서 연소 후 발생하는 배가스의 일부에서 이산화탄소를 포집

② 연소 전(Pre-combustion) 포집: 연소과정이 이루어지기 전 화석연료로부터 '가스화(gasfication)' 과정을 거쳐서 수소와 일산화탄소 혼합가스를 만들고 여기에서 이산화탄소를 사전 분리

③ 순산소연소(Oxyfuel combustion): 공기 중에서 산소만을 분리하여 연료의 연소용 기체로 사용하여 배기가스로 이산화탄소와 수분만을 배출, 분리

 

CO2 포집 방식 별 특징 개요

분리 방식 구분	장점	단점	규모 (Scale)	적용처
습식 흡수 (Absoprtion)	- 빠른 반응 속도  - 대용량 포집 가능	- 장비 부식  - 에너지 소비 큼	산업화 (Industrial)	연소 후 포집 배가스
건식 흡착 (Adsorption)	- 낮은 에너지 소비  - 낮은 포집 비용  - 희석된 가스에서 CO2 분리 용이	- 포집 용량이 낮음 (배가스 조건에 따라)	파일럿(Pilot)	연소 후 포집 배가스
분리막 (Membrane Seperation)	- 연속적, 안정	- 연소후 포집에 적용 시 에너지 소비가 큼	파일럿/산업화	순산소 연소 방식에 적합 (연소 후 포집에 부적합)

※ Source: Kearney, 2021

 

 

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이 중, 공정 상의 유사성이 상대적으로 높은 흡수(Absorption)와 흡착(Adsoprtion)에 대해 먼저 설명하겠음.

 

흡수(Absorption)과 흡착(Adsorption)의 원리

https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2023102716320259529

 

흡수/흡착 방식 CO2 포집의 기본적인 원리는
① 흡수/흡착: 흡수탑/흡착탑에서 CO2가 포함된 가스가 포집 설비를 통과하며 CO2가 흡수제/흡착제와 결합하고,
② 재생(regneration): 재생탑(stripper) CO2와 결합된 흡수제/흡착제를 가열하여 CO2를 분리해내는 방식으로, CO2를 선별적으로 포집하는 것임

 

습식 흡수(Absorption)와 건식 흡착(Adsorption) 방식의 비교

• 흡수와 흡착의 가장 큰 차이는, 액체 상태의 흡수제를 사용하는가, 고체 상태의 흡착제를 사용하는가 여부임
• 포집 과정이 비용이 많이 드는 이유는 '에너지 소비량' 때문인데, CO2와 결합한 흡수제/흡착제를 가열하여 CO2를 분리해내는 재생(regeneration) 과정에서 많은 에너지가 소모됨
• 일반적으로 '흡수(Absorption)' 방식은 배가스 내의 CO2와 액체 흡수제(Solvents)의 결합 반응이 흡착제(Sorbents) 대비 빠르지만, 그만큼 CO2를 다시 흡수제(solvents)로부터 분리해 내기 위해 높은 에너지가 소모됨
• '흡착(Adsorption)' 방식은 배가스 내의 CO2와 고체 흡착제(sorbents)와의 결합 반응이 흡수제(solvents) 대비 느리지만, 그만큼 CO2를 다시 흡착제(sorbents)로부터 분리해내는데 소모되는 에너지가 적음
• 따라서 에너지 소모가 더 적은 흡착(Adsorption) 방식이 더 비용이 적게 들지만, 대규모 가스를 처리하는데에 있어서는 한계가 존재
• 반면 흡수(Absorption) 방식은 에너지 소모가 더 크지만, 대규모 가스의 처리가 가능하고, 상용화 수준이 높음

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습식 흡수(Absorption) 상세

• 흡수는 CO2가 액체 용매(습식)와 접촉했을 때 기체 용해도의 차이 또는 액상 흡수제와 CO2 사이의 산-염기중화 반응을 활용하는 방식이며, 화학 반응을 이용하는 화학적 흡수와, 분압차로 CO2를 분리하는 물리적 흡수로 구분됨
• 가장 많이 사용되는 흡수제는 아민계(amine) 흡수제인 Ethanolamine (MEA)이며, 이러한 화학적 흡수 방식은 탄소 포집 기술 중 가장 상용화에 근접함

※ 화학적 흡수제: Ethanolamine (MEA), caustic, ammonia solution 등

※ 물리적 흡수제:  SelexolTM, Rectisol, Fluorinated solvents, N-Methyl-2- Pyrrolidone (Purisol®) 등

 

 

건식 흡착(Absorption) 상세

• 건식 포집기술은 연소배가스에 포함된 CO2를 고체 입자를 이용하여 화학적/물리적으로 포집하는 기술
• 화학 흡수법은 고체 입자를 연속적으로 사용하여, 연소 배가스로부터 CO2를 흡수 반응기 에서 선택적으로 반응시켜 포집하고 고체 입자를 재상 반응기로 보내 CO2를 고농도로 회수하는 기술 (주로 알칼리 금속 활용)
• 물리 흡착법은 연소 배가스 중에서 CO2를 선택적으로 흡착하는 고체 입자(제올라이트, 활성탄, MOF 등)를 사용하여 CO2를 분리하는 방법으로 압력순환식 흡착(Pressure Swing Absorption)* 과 온도순환식 흡착**으로 구분
  * 흡착된 성분의 분압 차이로 인한 흡착량의 차이를 이용하는 기술
  ** 압력을 일정하게 유지한 상태에서 온도 변화로 인한 흡착량의 차이를 이용하는 기술

[참고] 흡착 기술 中 Pressure Swing Absorption (PSA)  개요 Pressure Swing Absorption (PSA) 기술은 가스 혼합물에서 특정 가스를 흡착하는 과정에서 압력의 변화를 활용하는 탄소 포집 방식 중 하나.  혼합가스로부터 탄소를 고순도로 정제하기 위해 압력이 높은 상태에서 불순물을 흡착시켜 제거하는 공정 기술이며 흡착된 물질을 탈착시켜 재생할 때에는 압력을 낮추게 된다. 압력이 고압에서 저압으로 주기적으로 변환하여 Pressure Swing이라고 함 PSA 기술은 간단하면서도 효율적이며, 특히 비교적 낮은 CO2 농도에서의 포집에 적합합니다. 이는 PSA 기술이 저농도의 CO2 스트림을 처리하고 분리하는 데 효과적으로 사용될 수 있음을 의미합니다.

 

분리막(Membrane) 상세

• 분리막 포집기술은 연소 전･후 과정에서 CO2를 선택적으로 투과시키는 분리막을 이용하여 CO2를 포집하는 기술
• 분리막 소재의 성능은 선별도(Selectivity)*와 투과도(Perfomnace)**에 따라 구분됨
• 선별도(Selectivity)* 가 높아지면 투과도(Perfomnace)** 가 낮아지므로, 기술적으로 선별도와 투과도를 동시에 향상 시키는데 어려움 존재
  * 선별도(Selectivity): 다른 기체 사이에서 CO2와 선별적으로 결합하는 정도
  ** 투과도(Performance): 일정 기간 동안 분리막을 지나갈 수 있는 기체 분자의 양

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각 탄소 포집 기술별 기술 성숙도

Source: Kearney, 2021

• 화학적 흡수 방식 중 아민 계열의 전통적인 흡수제(MEA 등)는 이미 상업화가 완료됨
• 물리적 흡수 방식 중 Selexol, Rectisol을 활용하는 방식도 기술적 성숙도가 높음
• 흡착 방식 중에서는  Pressure Swing Absorption (PSA)* 기술의 성숙도가 높음
• 분리막 방식은, CO2 농도가 높은 천연 가스 Processing 과정에서 이미 수십년간 사용되어 옴

 

 

 

※ 참고자료

 - 국내 CCU 최신 기술개발 동향과 미래 전망, 녹색기술센터, 2022

 - Kearney