[기후변화] KIST, CO2→포름산 전환하는 CCU 기술 상용화 기술 개발

- 경제성과 환경성을 동시에 갖춘 포름산 생산 CCU 공정 개발

- 세계 최대 규모 실증을 통해 CCU 기술의 상업화 앞당길 것으로 기대

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이산화탄소를 포집해 유용한 화합물로 전환하는 CCU(Carbon Capture & Utilization) 기술은 탄소중립 사회로 빠르게 진입하기 위한 핵심이다. 포집된 이산화탄소를 저장만 하는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술은 공정이 비교적 단순하고, 운영 및 유지보수 비용이 적어 초기 상업화 단계에 진입했다. 하지만 CCU 기술은 전환 공정의 복잡성 및 화합물의 높은 생산비용으로 촉매개발 등 기술 탐색 수준의 연구만 이루어지고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 이웅 박사팀은 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 CCU 신공정을 개발했다고 밝혔다. 유기산의 일종인 포름산은 가죽, 식품, 의약품 등 다양한 산업에 활용되는 고부가가치 화합물로 연간 1백만 톤 규모가 소비되는 큰 시장이 있으며, 수소 운반체 역할도 할 수 있다. 그뿐만 아니라 하나의 이산화탄소 분자를 사용해 포름산을 생산할 수 있어 다른 유기산 대비 생산 효율성이 높다.

 

연구팀은 포름산 생산반응을 매개하는 여러 아민 중 가장 높은 이산화탄소 전환율을 나타내는 1-메틸피롤리딘 아민을 선정하고, 루테늄금속(Ru) 기반 촉매에 대한 반응기의 운전 온도 및 압력을 최적화하는 공정을 개발해 기존 38% 수준의 이산화탄소 전환율을 2배 이상 높였다. 또한, 대기나 배출가스로부터 이산화탄소를 분리하는 과정에서 발생하는 과다한 에너지 소모 및 부식으로 인한 포름산 분해 문제를 해결하기 위해 이산화탄소를 분리하지 않고 직접 전환하는 동시 포집-전환 기술을 개발했다. 그 결과, 톤당 790달러 수준의 포름산 생산 단가를 톤당 490달러로 크게 낮추었으며 이산화탄소 발생량도 감축했다.

 

한편, 연구팀은 포름산 생산 CCU 기술의 상용화 가능성을 평가하기 위해 세계 최대인 하루 10kg 규모의 포름산 생산 파일럿 공정을 구축했다. 기존의 실증연구는 실험실에서 소규모로 수행돼 실제 대량생산 시 발생하는 불순물 정제공정을 고려하지 못했다. 하지만 연구팀은 부식을 최소화하는 공정 및 소재를 개발했고, 포름산 분해를 최소화하는 운전조건을 확인해 순도 92% 이상의 포름산을 생산하는 데 성공했다.

 

연구팀은 2025년까지 하루 100kg 규모의 파일럿을 완공하고 공정검증을 진행함으로써 2030년 상용화를 목표로 하는 후속 연구를 진행할 예정이다. 상업성 확보를 위해서는 연간 7만 톤 규모로 생산돼야 하는데, 100kg 파일럿으로 공정검증에 성공하면 수요기업으로의 운송, 판매 등이 가능해질 것으로 기대된다.

 

KIST 이웅 박사는 “CCU 기술로 생산된 화합물이 상용화 단계까지 가지 못한 상황에서 본 연구를 통해 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 공정의 상용화 가능성을 확인할 수 있었다”라며, “대기 중 이산화탄소를 직접적으로 감축할 수 있는 CCU 기술의 상업화를 앞당겨 2030년 국가의 탄소중립 목표 달성에 기여하겠다”라고 밝혔다.

 

과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 Carbon-to-X 사업(2020M3H7A1098271)을 통해 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Joule」 (IF 39.8, JCR 분야 상위 0.9%)에 최신호에 게재됐다.

 

* 논문명 : Accelerating the net-zero economy with CO2-hydrogenated formic acid production: Process development and pilot plant demonstration

 

[그림1] 이산화탄소 전환을 통한 포름산 생산 공정

새롭게 개발된 이산화탄소를 전환하여 (CCU) 포름산을 생산하는 공정의 흐름도 (위) 및 대규모 파일럿 공정 실증 운전 자료 (아래)

 

[그림 2] 하루 10kg의 포름산을 생산하는 파일럿 규모 실증 공정

실제 운전이 이뤄진 파일럿 실증 공정의 모습. 크게 반응부와 분리부, 재순환 및 진공 시스템으로 구성되어 있으며, 안정적인 연속 운전이 가능하며 상용화 가능성을 높임.

 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435124000229

Summary A process capable of large-scale formic acid (FA) production via CO2 hydrogenation is presented. This study provides the key strategies for use in developing a viable process for continuous operation. Based on the proposed strategies, a pilot-scale process with a capacity of 10 kg/day was constructed. The continuous operability of the process is demonstrated via pilot plant operation for >100 h, achieving a CO2 conversion rate of 82% and producing FA with a high purity of >92 wt %. Techno-economic analysis and life cycle assessment results of the validated simulation model indicate that the proposed process significantly reduces the level of global warming impact by 42% while cutting the production cost by 37%, compared with the conventional process for producing FA. The contents of this study provide a comprehensive manual for developing a viable CO2 utilization solution, showing economic profitability as well as environmental impact reduction.