Microsoft PowerPoint - CO2-현황-김종남-3

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준엽 채
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1 변환기술개발현황 촉매화학적방법 전기화학적방법 광화학적방법 생물학적방법

2 변환 CO 2 변환기술 Syngas(H 2 /CO) Methane +CH 4 Reforming CH 3 OH Elementry carbon, Hydrocarbon Hydrogenation +H 2 Syngas, C 3 H 6 or BTX + C 3 H 6 Reforming, dehydrogenation or aromatization Carbon Dioxide +e - (and(h+) Electrochemical reduction CO, HCHO, CH 3 OH, CH 4 or HCOOH +NH 3 or Carbamates for urea Carbonate esters for polycarbonate plastics Coupling Reaction Photochemical Reduction +hv(uv) CO, HCHO, CH 3 OH, CH 4 or HCOOH

3 변환 촉매화학적방법 - 이산화탄소를촉매반응등을이용하여화학적으로변환시켜다른물질로전환시키는방법 - 메탄올및 DME 제조공정개발 < 반응 > CO 2 + CH 4 2CO + 2H 2 CO + 2H 2 CH 3 OH 3CO + 3H 2 CH 3 OCH 3 + CO 2 < 국내현황 > KIST : 수소화에의한메탄올합성연구 ( 수율 14% 정도 ) 50 kg/day 생산데모플랜트건설중 (KIST-POSCO- 한전 ) KIER : 2 단계반응에의한 DME 제조공정연구 (8.5 kg/ 일 ) 가스공사 / 삼성 Eng/KIST/KIER/KRICT: DME 제조 Pilot plant 연구중 (50 kg/ 일 ) < 국외현황 > 일본 RITE 연구소 : 50kg/day 직접전환방식의 pilot plant 수행

4 변환촉매화학적방법 ( 탄화수소류제조 ) (FTS 경유제조법 ) CO + 2 H 2 2H 2 O + CO nco + 2n H 2 -(CH 2 ) n -+ nh 2 O ( 메탄올경유제조법 ) CO + 2 3H 2 CH 3 OH + H 2 O nch 3 OH -(CH 2 ) n -+ nh 2 O < 국내현황 > KAIST : FTS 경유법촉매반응공정에필요한촉매기초연구현대석유화학 : 실험실적으로 80% 탄화수소선택성촉매공정개발 (FTS) < 국외현황 > 일본 : 오사카국립연구소및교토대학등에서메탄올경유법으로제조하고있으나 C 2-4 가주로생성되므로부가가치가낮음독일 : Karlsruhe 대학 FTS 경유법으로 Fe/Cu/K/Al 2 O 3 촉매사용공정개발미국 : EXXON 에서 FTS 법에의한촉매공정개발

5 변환촉매화학적방법 (Dimethyl Carbonate ) < 반응 > ( 에스테르교환법 ) (CH 2 ) 2 O + CO 2 2CO + (CH 2 O) 2 CO (CH 2 O) 2 CO + 2CH 3 OH (CH 3 O) 2 CO + (CH 2 OH) 2 ( 메탄올산화법 ) 2CH 3 OH + CO + 1/2O 2 (CH 3 O) 2 CO + (CH 2 OH) 2 < 국내현황 > KAIST 및일부대학에서기초연구수행 KIST 에서실험실적규모로연구 ( 에스테르교환법 ) < 국외현황 > 90 년대이후미국, 일본, 유럽등에서활발히연구되고있슴일본 : 상업화 (3,000ton/yr) 프랑스 : SNPE 에서상업화이테리 : 메탄올산화법공정이상업화되었슴독일 : Bayer 에서상업화연구중

6 변환촉매화학적방법 ( 에틸벤젠탈수소화 ) < 반응 > C 6 H 5 C 2 H 5 + CO 2 C 6 H 4 CH=CH 2 + CO + H 2 /H 2 O < 국내현황 > 국내여러기관에서연구되어왔고현재도진행중임 (KRICT, KAIST, 포항공대, KIST, KIER 등 ) KIER: Pilot Plant 연구 (SM 250 kg/day) KRICT/ 삼성종합화학 : Pilot Plant 연구중 (SM 100 kg/day) 중 < 국외현황 > 이산화탄소에의한탈수소화는해외에서도 90 년대들어결과가발표되기시작하였슴일본 : 자원환경연구소, 미쯔비시캐미칼등에서촉매및상업화연구 기타선진국에서도계속연구중에있슴

7 변환 전기화학적방법 공정에서배출되는이산화탄소가포함되어있는가스를 KOH 나 KHCO 3 등의수용액에흡수, 포화시키고금속전극을사용하여이를전기화학적으로환원시켜일산화탄소, 메탄, 에틸렌, 메탄올, 포름산등의생성물을얻어내는방법 - 연구관련요소전극재료및종류, 전해질의조성, 열원, 생산품, 반응조건 ( 온도, ph 등 ) - 생성물메탄, 에틸렌 : Cu, Ru 일산화탄소 : Ag, Au glycolic acid, malic acid : Pb, Hg( 수용성전해질 ) oxalic acid : Pb, Hg( 비수용성전해질 )

8 변환 광화학적방법 Conduction band (CB) e - 2e 6e 8e CO, HCOO - CH 3 OH CH 4 V vs. SHE Photon, hv acceptor (e.g. CO 2 ) donor Valence band (VB) h + donor + (e.g. OH from water) System (sensitizer, e - -relay, catalyst)

9 변환 광화학적방법연구현황 광화학적 CO 2 의 methane, methanol, 그리고 formate로의전환 (1997 ~ ) - 대부분일본의대학에서수행중임. 1. Japan photocatalyst (embedded TiO 2 in SiO 2, CdS, etc), solvent ~ 4 µmol acetone / h / 0.56mg coated catalyst in acetonitrile TiO 2 in liquid CO 2 medium, high pressure : ~ 6 µmol formic acid / 10h / g-cat Rhenium bipyridine complexes: ~ 5 µmol formic acid / h mesoporous zeolite: 7 ~ 12 µmol methane / h / g-cat ZnS nanocrystallites: ~ 80 µmol formate / 5h 2. Premkumar, J. (India) : metal porphyrins and phthalocyanines with Nafion ~ 200 µmol formic acid / h

10 변환 생물학적 CO 2 고정화공정의개요

11 변환 생물학적 CO 2 고정화공정의장점 CO 2 고정화공정의운전에따른에너지소모량극히적음. (CO 2 의발생량은제거량의 0.02%)* 연소가스로부터직접 CO 2 고정화가능. (CO 2 의분리과정이필요없음 ) 투자비가낮음. 미세조류의활용가능 ( 예 : 사료, 연료등 ). *: Neenan et al., SERI/SP , SERI, Golden CO. p.149 (1986).

12 변환 생물학적고정화 국외현황 Aquasearch Inc., IGV-GmbH, 동경전력등 CO 2 의고부가가치제품화 ( 사료첨가제, 식용색소, 의약품 ) 기술연구 광생물반응기개발, 미세조류균주개량연구등 고생산성대형광생물반응기개발, 균체생산성 0.6g/l-day, 반응기 700kL (17.8 Nm 3 CO 2 /h 처리, 균체 1g 생산시 CO 2 2g 사용 ) 반응기용량이증가하면생산성낮아지고, vice versa 상용화경계치 : 미세조류가격, kg > 50,000원, 반응기 > 200kL 국내현황 LNG 연소가스로부터직접 CO 2 고정화기술개발, 우수균주특허, 1kL 광생물반응기, CO 2 의기능성사료제품화기술연구중 ( 한국에너지기술연구원 ) 타고부가제품화기술을학교, 출연연에서연구중

13 변환 향후연구방향 생물학적 CO 2 고정화방법은처리속도가낮아연소배가스의대량처리수단으로서는한계가있으므로, 배가스의직접처리보다는 CO 2 를원료로산업적으로중요한유용물질을생산하는분야에집중되고있다. 따라서연구가필요한분야로는 CO 2 로부터고가의유용물질 ( 예 : 의약품, 식용색소, 기능성식품등 ) 을생산할수있는미세조류균주의탐색분야 유용물질생산을위한광생물반응기개발분야 유용물질의정제및활용분야

14 저장기술개발현황 해양저장 EOR (enhanced oil recovery) 난채굴석탄층저장 광물저장 대수층저장

15 저장 해양저장기술개요 해수의 CO 2 용해작용을이용한저장기술 500m 이하의해수에액화 CO 2 를분산하여해수에용해 3,000m 이하의해저에액화 CO 2 를주입하여고형화 ( 수화물형성 ) 탄산칼슘으로고정시켜해양에폐기하는방법 해양저장개념도

16 저장 해양저장요소기술 이산화탄소이송기술 기체상의 CO 2 를액화, 수송에는기술적문제는없음 이산화탄소의임계온도및압력 ; 31 C, 72.8 bar 액화이산화탄소의수송은파이프라인또는 LNG수송선을이용 3,000m이상의해수로이송설계기술은개발여지가있음 이산화탄소주입기술 액화 CO 2 의이송과같이주입기술에는큰장애요소가없음 1m 직경의파이프로약 5,000m이하의해저에주입이가능 고형의이산화탄소주입기술도검토되고있음 해수용해또는해저저장에따른환경영향평가기술확보가필요

17 저장 해양저장기술의국내외현황 국외 미국, 일본에서는기본기술은이미확보, 적용이가 능 처리가능지역및기본실험완료 ( MIT, 전력중앙연구소등 ) 해양에서의 ph 변화등에관한예측모형개발에관한연구추진 해양저장이가장현실적인이산화탄소처리기술분야임 국내 기술개발을위한초보적인사전연구를주로수행 전력연구원, 해양연구소및 KAIST 에서추진 2000 년부터 CO 2 격리처리를위한기술개발이과기부에서추진 해외의기술협력또는공동연구가필요한분야임

18 저장 난채굴석탄층저장 (CO 2 -ECBM) 실증연구예 : U.S. (Burlington Resources+BP Amoco); San Juan Basin Canada (Alberta Research Council+IEA); Fenn Big Valley R&D needs: 경제적 site 선정, 저장된 CO 2 거동예측, 경제적인주입기술개발

19 저장 EOR (Enhanced Oil Recovery) EOR 의개념도 CO 2 -EOR 을통한저장가능량및경제성 지하에매립된이산화탄소를이용, 전세계유정에서사용중 Anthropogenic CO 2 를이용한실증연구예 : Canada+U.S.+IEA: Canada 의 Weyburn 유정 Exxon mobil 사 : Sharon Ridge 유정 Chevron 사 : Rangley 유정, Anadarko 사 : Purdy 유정

20 저장 Direct Mineral Carbonation Carbonation 공정의개략도 장점 : 저장안정성이보장됨 2 차적인환경문제없음 단점 : MgO, CaO 함유광물 (Peridotites, Serpentitite) 의채취에많은비용이소비 ( 약 20$/t), CO 2 1 ton 처리에광물이많게는 3 ton이필요, 염산의회수에많은비용이소비됨 연구방향 : MgCl 2 melt 사용하여염산회수비용절감 : $62/tCO 2 고온, 고압의수용액중에서반응 ( 염산회수가불필요, 광물의전처리에많은비용이소비 )

21 저장 대수층저장 대수층저장의개념도 저장기구 : 대수층의광물에포집물과용해되어포집 장점 : 해양저장다음으로저장가능성이큼저장비용이작음 (4.7$/tC) 실증연구예 : Statoil 사 : 북해 Sleipner 대수층에연간백만톤의이산화탄소를폐기하는실증실험수행 (1998 년여름부터시작 ) 지층의안정성감시및예측모델, 저장된이산화탄소의거동예측모델들을개발

22 기술분야별연구비지원 연구비지원기술분야환경부산자부과기부특허청 ( ) ( ) ( ) (2000) 민간 계 ( 백만원 ) 조사, 분석 흡수분리 2,878 1,975 4,853 CO2 흡착분리 ,276 회수막분리 ,770 혼성분리 촉매화학적 2,386 2,288 3,396 2,247 10,317 CO2 생물학적 271 1, ,553 전환전기화학적 ,118 광화학적 CO2 저장 기후변화탐지 계 ( 백만원 ) 2,706 6,613 7, ,510 22,001

23 결론 CO 2 회수및처리기술 탄소세와연계, 저비용회수및처리기술개발 $100~300/ton CO 2 $ 10/ton CO 2 이하 혁신적저비용기술 : 초기탐색단계 연구비미국 : 2000년 ~2015년, 1조 1500억원투자우리나라 : 향후 10년동안 1000억이하 -향후개발방향소규모로다양한분야기반기술연구, 추이탐색가능성있는기술집중투자대량회수 저장기술우선개발

기후변화국내이슈 CCUS (Carbon Capture( 포집 ) Utilization( 전환 ) Storage( 저장 )) 기술 기술정의및범위 이산화탄소 의포집 전환 저장기술은공정중배출되는 를포집하고수송하여지하의안전한지층에저장하거나 포집한 를석유나천연가스의회수증진 에활

기후변화국내이슈 CCUS (Carbon Capture( 포집 ) Utilization( 전환 ) Storage( 저장 )) 기술 기술정의및범위 이산화탄소 의포집 전환 저장기술은공정중배출되는 를포집하고수송하여지하의안전한지층에저장하거나 포집한 를석유나천연가스의회수증진 에활용하거나화학적 생물학적인 방법을이용해고분자나액체연료등유용한물질로전환 배출원포집수송저장및전환