플라즈마 - 이산화탄소처리및 전환기술동향 국가핵융합연구소 홍용철선임연구원 Ⅰ. 개요 전세계이산화탄소배출저감노력 국내의이산화탄소배출현황 95 Ⅱ. 동향분석 국내동향 해외동향 97 Ⅲ. 향후전망 99 < 참고문헌 > 100 플라즈

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민종 호
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플라즈마 - 이산화탄소처리및 전환기술동향 국가핵융합연구소 홍용철선임연구원 Ⅰ. 개요 93 1. 전세계이산화탄소배출저감노력 93 2.

1 플라즈마 - 이산화탄소처리및 전환기술동향 국가핵융합연구소 홍용철선임연구원 Ⅰ. 개요 전세계이산화탄소배출저감노력 국내의이산화탄소배출현황 95 Ⅱ. 동향분석 국내동향 해외동향 97 Ⅲ. 향후전망 99 < 참고문헌 > 100 플라즈마 - 이산화탄소처리및전환기술동향 _91

3 Green Technology Trend Report 플라즈마 - 이산화탄소처리및전환기술동향 국가핵융합연구소 홍용철선임연구원 Ⅰ. 개요 1. 전세계이산화탄소배출저감노력 가. 온실가스의영향산업화에따른화석연료사용이증가하고온실가스의배출량이증가하여지난 100년간 (1906~2005년) 전세계평균기온이 0.74 o C 상승했고, 21세기말에 6.4 o C 상승할것으로전망되며, 한반도는지난 96년간 (1912~2008년) 1.7 o C 상승하였다. 또한지구온도상승으로인한기후변화로인해기상재해가발생하고, 생태계가파괴되고있으며, 스턴보고서 (2006년) 에따르면매년세계 GDP의 5~20% 에달하는경제적손실을유발할것으로예상하였다. 나. 국제사회의지속적인온실가스감축노력및의무 2005년교토의정서발효에따라온실가스감축의무국들은 2012년까지온실가스감축목표를명시하였으며, 유럽연합 (EU) 은 2020년까지에너지효율 20% 향상, 신재생에너지비중 20%, 온실가스 20% 감축 (2020프로그램) 목표를추진하고있다. 일본은 2020년까지 2005년대비 15~30% 감축계획을발표하였으며, 미국에서는 2020년까지 2005년대비온실가스배출 17% 감축을목표로하는왁스먼-마키 (Waxman-Markey) 법안이하원을통과하였다. 플라즈마 - 이산화탄소처리및전환기술동향 _93

4 < 표 1> 국가별중기감축목표및발표형식 1) 국가일본 EU 영국독일스웨덴미국호주캐나다멕시코인도네시아브라질인도중국러시아대만 중기목표및발표형식 년까지 2005년대비 15%(1990년대비 8%) 감축 ('09.6, 아소총리발표 ) 년까지 2005년대비 30%(1990년대비 25% 감축 ('09.9, 하토야마총리 ) 년까지 1990년대비 20% 감축 범세계동참시 30% 감축 국가별감축량은 GDP를고려, 각국이결정하도록권고 - '08.12월 기후변화종합법 에명시 ('09.4월시행 ). * : '20년까지온실가스배출량 20% 감축 & 재생에너지사용비율 20% 확대 - ('08.11월발효 기후변화법 ) '90년대비최소 26% 감축 - ('09.4, 재무부 ) '90년대비 34% 감축 - ('09.7, 기후변화에너지부 ) '90년대비 36% 감축 ( 저탄소전환계획 의회제출 ) - ('07) '90년대비 40% 감축 - ('09) '90년대비 40% 감축 년까지 2005년대비 17% 감축 - '09.6월하원통과 왁스만-마키법안 에명시 년까지 2005년대비 20% 감축 - '09.9월상원에서 Kerry-Boxer 법안에명시 년까지 2000년대비 5-15% 감축 - 범세계동참시 25% 감축 - 추진중인 탄소오염감축정책 (CPRS) 에규정 년까지 2006년대비 20% 감축 년 5천만톤감축계획 - ' 칼데론대통령이언론회견통해발표 - BAU 대비 26% 감축 ( 선진국지원시 40% 감축 ) - '09.9, G20에서대통령언급 - 현재수준대비 20~40% 감축 ( 아마존산림파괴관리로 '05년수준동결목표치포함 ) 발표예정 (12월코펜하겐회의이전 ) - 국내법을통해감축규제도입을언급 년까지 2005년대비원단위 (GDP Intensity) 를현저한 (notable) 수준감축 - '09.9월후진타오주석이 UN 정상회의시발표 년까지 1990년대비 10-15% 감축 - '09.6월메브데프대통령발표 ( 언론회견 ) 년까지 2000년수준복귀 ( 지속에너지정책강령, '08.6) 자료 : 교육과학기술부, KOREA CCS 2020 사업세부기획연구, 년교토의정서의완료에의해국제사회는 Post-2012 체제에대한기본틀에대해합의하였으며, 국제사회는제18차기후변화협약에서교토의정서기간을연장 ( 선진국만감축의무 ) 하는 94_ 녹색기술동향보고서 (

5 동시에 2020년이후모든국가가참여하는새로운법적체제에대한협상을 2015년까지완료하기로합의하였다. 이번합의에서일본과러시아가탈퇴함으로써온실가스배출량 1~5위 ( 중국, 미국, 러시아, 인도, 일본 ) 가 Post-2012 체제에참여하지않게되었으나, 195개국가가 2차공약기간인 2020년까지온실가스를 1990년대비 25~40% 감축하자는큰틀에서합의가이루어졌다. 개발도상국으로분류되는중국과인도, 교토의정서 1차공약기간에참여하지않은미국, 2차공약기간에불참을선언한일본과러시아의불참으로교토의정서가유명무실하다는평이있으나, 해당국가들도지속적으로온실가스감축노력을보이는것을보면, 장기적으로온실가스감축은전지구적으로중요한사안이다. 연도협약주요내용 2011 제 18 차기후변화협약 < 표 2> 국제사회협약체결현황 2) - Post-2012 체제기본틀합의 - 교토의정서공약기간연장 (~2020 년 ) 및모든나라가참여하는새로운체제구축할것에합의 2007 발리로드맵 - 포스트교토의정서체제에대한협상을 2009 년말까지완료 - 선진국은물론개도국도측정 검증 보고가능한감축행동 교토의정서발효 마라케쉬합의문채택 교토의정서채택 리오 UN 환경개발회의 - 온실가스감축 1 차의무공약기간 (2008~2012 년 ) 이행준비및교토메커니즘활용 - 교토의정서구체적인이행방안마련 - 37 개선진국과 EU 대상으로온실가스배출감소협의 ( 한국은감축의무국에서제외 ) - 기후변화에관한국가연합협약 (UNFCCC) 자료 : United Nation Framework Convention on Climate Change, 국내의이산화탄소배출현황우리나라는 1990년이후제조업중심의경제성장으로온실가스배출량이 2배가량증가하여 1990년 ~2005년간증가율이 OECD 국가중 1위이다. 이는화석연료의존도가높은에너지다소비산업구조와사회구조에기인하며대표적인에너지다소비업종인철강, 시멘트, 석유화학비중이 8.0% 로일본 4.6%, 미국 3.1% 에비하여약 2배가까이높다. < 그림 1> 은국내의온실가스배출현황을정리하였다. 플라즈마 - 이산화탄소처리및전환기술동향 _95

자료 : 녹색성장위원회, 국가온실가스중기 (2020 년 ) 감축목표 의설정방안, 2009 < 그림 1> 우리나라온실가스배출현황 Ⅱ. 동향분석 1. 국내동향이산화탄소전환기술은이산화탄소를변환하여탄소를생성하고이를연료및산업공정에필요한기초화합물로전환하는것이궁극적인목표이다. 환경적측면과에너지측면에서보면, 이산화탄소를탄화수소등의유용한물질로전환시키는데의의가있다.

6 자료 : 녹색성장위원회, 국가온실가스중기 (2020 년 ) 감축목표 의설정방안, 2009 < 그림 1> 우리나라온실가스배출현황 Ⅱ. 동향분석 1. 국내동향이산화탄소전환기술은이산화탄소를변환하여탄소를생성하고이를연료및산업공정에필요한기초화합물로전환하는것이궁극적인목표이다. 환경적측면과에너지측면에서보면, 이산화탄소를탄화수소등의유용한물질로전환시키는데의의가있다. 천연가스의대부분을차지하고있는메탄은에너지뿐만아니라기초화학원료로중요성이커지고있으나가장안정한탄화수소가운데하나이기때문에이를활성화시켜유용한화합물질로전환하고자하는노력이큰관심사로대두되고있다. 특히, 메탄은이산화탄소전환을위한환원제로이용하는연구가진행되고있으며, 지구상에서가장풍부한수소함유화합물의하나인메탄의이산화탄소개질은지구온난화라는심각한문제해결의한방편으로탄소자원의재활용측면에서큰의미가있다. 국내에서포항공과대학교와한국에너지기술연구원에서는주로 Group VIII의금속들의환원형태촉매들이담지 ( 擔持 ) 되었을때, 활성을나타내는것으로보고하였다. 특히, Ni, Ru, Rh, Pd, Ir, Pt 등이효과적인촉매인것을확인하였다. 이산화탄소의자원화연구는대부분촉매를이용하여탄화수소체 ( 주로, 메탄 ) 하에서건식개질연구가진행되고있으며, 촉매의성능을향상하기위한연구가주를이루고있다. 최근, 한국기초과학지원연구원부설국가핵융합연구소와광운대학교에서는상압에서전자파플라즈마토치를이용하여전이금속촉매없이이산화탄소-메탄개질연구를수행하고있다. 전자파플라즈마토치는전극이필요없는무전극구조를가지고있어서전극마모가없으며, 플라즈마가스로이산화탄소를사용하고있으므로, 후단공정에서불활성가스의분리가필요 96_ 녹색기술동향보고서 (

7 없다. 플라즈마의중심온도는 6,500K 정도이며, 발생한토치플라즈마화염전반의온도는이산화탄소-메탄의자발적반응온도에해당한다. 개질공정에서탄소증착의문제는발생하지않았으며, 최적조건에서이산화탄소와메탄의분해효율은각각 80%, 100% 에이른다. 플라즈마장치의단순화, 플라즈마의대형화, 장비의경제성을확보하여전기에너지사용을줄이기위한연구가진행되고있다. 플라즈마를이용한연구는대학의일부연구실에서수행되고있으며, 최근저온플라즈마를이용하여건식개질을시도하고있고촉매와하이브리드 (Hybrid) 형태로성능을향상시키는노력이진행되고있다. 조선대학교에서는고분자전해질연료전지작동을위해글라이딩아크플라즈마반응기와니켈촉매반응기3) 를동시에사용하여수소를생산하는연구가진행되고있다. 플라즈마를이용한해외선행기술을기초로촉매의적용, 자열반응 (Auto thermal reforming), 부분스팀개질등을혼용한플라즈마기술개발이필요하다. 자료 : 양윤철, 전영남, PEMFC 용플라즈마개질시스템의수소생산, Korean Chem. Eng. Res., 46(5), pp , 2008 < 그림 2> 글라이딩아크를이용한이산화탄소 - 메탄개질 2. 해외동향미국 Drexel University의 Friedman 교수팀은 CH 4 -CO 2 아크방전 5) 플라즈마를이용하여매우제한적인조건에서실험을수행하였다. 촉매개질공정과비교하였을때, 전자유도화학반응과열화학반응을가진플라즈마 CH 4-CO 2 개질반응은높은전환률과선택성을보여주었으며, 탄소증착의문제가없다는것이실험결과에서나타났다. 그때문에, 플라즈마발생의에너지사용이라는문제에도불구하고지난 10여년동안지속적으로연구가진행되어왔으며, 효율을증가시키기위해수소생산비율의증가와전기에너지를줄이려는연구가진행되었다. 대기압저온플라즈마를이용한이산화탄소-메탄개질반응기를 < 그림 3> 에나타내었다. 플라즈마 - 이산화탄소처리및전환기술동향 _97

8 < 코로나방전 > < 유체장벽방전플라즈마 > 자료 : A. Fridman, S. Nester, L. A. Kennedy, A. Saveliev, O. Mutaf-Yardimci, Gliding arc gas discharge, Progress in Energy and Combustion Science, 25(2), pp , 1998 < 그림 3> 저온플라즈마를이용한이산화탄소 - 메탄개질 미국코네티컷대학교 (Connecticut University) 의 Suib 교수팀은코로나방전, 스위스 PSI (Paul-Scherrer Institute) 의 Kraus 박사팀은유전체장벽방전 (Dielectric barrier discharge) 을이용하여이산화탄소의메탄개질연구를진행하고있다. 유전체장벽방전의특성때문에대용량의이산화탄소-메탄개질을처리하기어려우며, 전극사이에채워진촉매는재결합현상 ( 플라즈마쉬스현상 ) 때문에플라즈마전자의밀도가감소하여균일한플라즈마를생성하기어렵다. 이런문제점을극복하기위한반응기구조, 반응기가열, 촉매의배치등다양한후속연구가진행되고있다. < 표 3> 은다양한플라즈마에따른이산화탄소-메탄개질공정에대한성능을보여주고있다. < 표 3> 에서보듯이, 열플라즈마공정이저온플라즈마공정에비해이산화탄소와메탄전환률이높고, 수소와일산화탄소의선택성이높아대용량처리가가능하다. 또한단위몰당인가되는에너지가낮으며에너지변환효율이높다. 저온플라즈마의경우전자, 라디칼, 이온뿐만아니라, 이온화율 ( 플라즈마밀도 ) 이열플라즈마에비해훨씬낮은것으로알려져있다. 열플라즈마는 < 표 3> 에언급된플라즈마들중가장높은플라즈마밀도와건식개질에적합하다. 열플라즈마공정의목표는에너지변환효율을높이는것이다. 높은에너지변환효율은최적의반응기설계및운전, 촉매사용에의한촉매-플라즈마의시너지효과, 공정에서의열회수와같은최적화된조건에서가능할것으로예상된다. 98_ 녹색기술동향보고서 (

9 < 표 3> 플라즈마종류에따른변환효율및에너지소비의비교 Plasma form Feed flux CH4/CO2 P Conversion (%) Selectivity (%) H2/CO SE ECE (%) Ref. (ml/min) (W) (kj/mol) CH4 CO2 CO H2 C2H2 C2H4 Coke Corona discharge 43 1/ DC corona discharge 60 1/ Corona discharge + zeolite 25 1/ DBD 150 2/ DBD 20 1/ ~82 ~ DBD + Ni/Al2O3 30 1/ Microwave discharge 200 3/ Glow discharge 120 1/ ~63 ~77.5 ~15 ~9 ~ Cold plasma jet 0.83 x / / / Cold plasma jet + Ni/Al2O x / / / Gliding arc discharge /1 190 ~40.00 ~31.00 ~62 ~50 ~ Single-anode thermal plasma 2.17 x /6 8.5 x / / (H2) Single-anode thermal plasma 3 x /6 9.6 x / / (N2) Single-anode thermal plasma 3.33 x /6 9.6 x / / (N2) + Ni/Al2O3 Binode thermal plasma 7.33 x /6 1.8 x / / 자료 : X. Tao, M. Bai, X. Li, H. Long, S. Shang, Y. Yin, X. Dai, CH 4-CO 2 reforming by plasma-challenges and opportunities, Progress in Energy and Combustion Science, 37, pp , 2011 Ⅲ. 향후전망 플라즈마화학반응을이용하는기술에있어서가장중요한것은원하는반응에적합한에너지를제공하는적절한플라즈마를찾고이를이용하여화학반응을유도하는데있다. 특히, 상압저온플라즈마기술과고온플라즈마기술은화학반응을유도하는데가장적합하다고평가되며, 이를촉매반응과연계하여중점적으로연구한다면다양한화학반응이가능할것으로전망된다. 화학적으로매우안정된화합물을반응시킬경우에고온, 고압하에서반응이일어나는데, 이경우온도를높이기위한에너지가많이필요하므로고압에견딜수있는반응기의재질을선택해야한다. 하지만플라즈마를이용할경우저온상압반응이나고온상압반응이가능하므로에너지를절약할수있고, 장치의크기를획기적으로줄일수있다. 본보고서에서는다양한플라즈마의이산화탄소-메탄개질에대한특성과공정에대한성능을비교하였다. 저온플라즈마의경우, 낮은전자밀도와제한된반응부피가대용량처리능력을제한하며그에따라에너지변환효율이낮은것으로나타났다. 마이크로웨이브방전을이용한경우, 높은플라즈마온도와큰방전공간과함께균일한방전효과를얻을수있으며, 그에따른전환효율과에너지변환효율이높다. 그러나장치가복잡하고산업화하기에장치의가격이고가라는점이문제이다. 글라이딩아크를이용한공정은제한된방전공간과낮은처리용량으로산업적응용에거리가먼것으로보고되었다. 연료전지가점차각광받기시작하면서많은연구자들이연료전지를연구하고있으며, 연료수급을위한연료의개발이진행되고있다. 현재대두되고있는방법은메탄올직접전환을통한수소공급, 촉매반응을통한가솔린이나디젤유의개질반응등이있는데, 플라즈마개질방법이성공하게되면, 다양한연료를이용한개질이가능하며소형의개질기를만들수있기때문에향후수요가점차증가할전망이다. 플라즈마 - 이산화탄소처리및전환기술동향 _99

10 < 참고문헌 > 1. 교육과학기술부, KOREA CCS 2020 사업세부기획연구, United Nation Framework Convention on Climate Change, 양윤철, 전영남, PEMFC용플라즈마개질시스템의수소생산, Korean Chem. Eng. Res., 46(5), pp , Rostrup-Nielsen JR., New aspects of syngas production and use, Catalysis Today, 63(2-4), pp , A. Fridman, S. Nester, L. A. Kennedy, A. Saveliev, O. Mutaf-Yardimci, Gliding arc gas discharge, Progress in Energy and Combustion Science, 25(2), pp , Z. Bo, J. Yan, X. Li, Y. Chi, K. Cen, Plasma assisted dry methane reforming using gliding arc gas discharge: effect of feed gases proportion, International Journal of hydrogen Energy, 33(20), pp , X. Tao, M. Bai, X. Li, H. Long, S. Shang, Y. Yin, X. Dai, CH 4 -CO 2 reforming by plasma-challenges and opportunities", Progress in Energy and Combustion Science, 37, pp , _ 녹색기술동향보고서 (

+ 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 그림 3 지역 및 에너지원별 1차 에너지 수요 증가율 그림 4 최종 에너지 소비량 중 에너지원별 점유율 시장 전망에서 세계 GDP 성장률은 연평균 3.4% 인 증가를 선도하겠지만 이후에는 인도가 지배적인 역할 구는 0.9% 증

+ 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 그림 3 지역 및 에너지원별 1차 에너지 수요 증가율 그림 4 최종 에너지 소비량 중 에너지원별 점유율 시장 전망에서 세계 GDP 성장률은 연평균 3.4% 인 증가를 선도하겠지만 이후에는 인도가 지배적인 역할 구는 0.9% 증 Special Issues 특집 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 1 개황 국제에너지기구(IEA)는 매년 세계 에너지시장에 대한 중장기 전망을 발표해 오고 있다. 2014년 세계 에너지시장 전망은 분석기간을 2040년까지 확대해 장기 전망과 분석을 수행했고 에너지소비와 수급측면의 종합적인 동향과 석유 천연 가스 석탄 전력 신재생에너지 및 에너지효율 등의