초록 ▼

1세부과제: 이산화탄소의 고부가가치 화합물로의 전환 공정 연구
Ⅳ.연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
현재 시점에서의 이산화탄소의 수소화에 의한 재자원화 기술은 전 세계적으로 본격적인 기술개발을 모색하고 개시하는 단계에 머물러 있다. 이러한 기술성장 초기단계는 해당 기술의 기초원천 분야에 대한 투자가 집중되어야 할 적기이기 때문에, 이산화탄소 활성화 메카니즘의 근본적인 이해와 이산화탄소 활성화에 필요한 촉매 설계 기술 등과 같은 이산화탄소 자원화 관련 기초원천 기술 분야에 대한 집중적인 연구비 투자가 이루어져야 한다고 판

1세부과제: 이산화탄소의 고부가가치 화합물로의 전환 공정 연구
Ⅳ.연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
현재 시점에서의 이산화탄소의 수소화에 의한 재자원화 기술은 전 세계적으로 본격적인 기술개발을 모색하고 개시하는 단계에 머물러 있다. 이러한 기술성장 초기단계는 해당 기술의 기초원천 분야에 대한 투자가 집중되어야 할 적기이기 때문에, 이산화탄소 활성화 메카니즘의 근본적인 이해와 이산화탄소 활성화에 필요한 촉매 설계 기술 등과 같은 이산화탄소 자원화 관련 기초원천 기술 분야에 대한 집중적인 연구비 투자가 이루어져야 한다고 판단된다.

국내외의 이산화탄소 수소화에 의한 연구는 대부분이 역수성가스전환반응과 메탄올, DME 합성반응을 경유하는 2단 합성공정에 집중되어 왔기 때문에 높은 투자비와 2단 공정 운전의 어려움 및 고비용의 문제점들을 해결하기 위하여 1단 공정에 의한 직접 합성 공정의 개발이 필요하다고 판단된다.

본 연구 과제를 통하여 확보된 고활성, 고선택성 1단 직접 합성 공정용 촉매 및 반응시스템을 바탕으로 이산화탄소의 수소화에 의한 청정연료를 생산하기 위한 원천기술을 국내 기업에 기술이전하여 글로벌 시장에 참여할 수 있는 네트워크를 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

2세부과제: 이산화탄소 포집 및 무기자원화 단일공정개발
Ⅱ 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
ㅇ 지구온난화 방지를 위한 다양한 대응방안이 수립되어 진행 중에 있으며, 우리나라에서도 2030년까지 BAU 대비 37% 삭감을 포함하는 INDC(Intended Nationally Determined Contribution)를 제출하였음.
ㅇ 지구온난화 방지를 위한 여러 가지 대안 기술 중 이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS: CO₂ Capture & Storage)이 약 12%를 차지 할 것으로 국제에너지 기구에서는 예측하고 있으나 공정 설치 및 운영에 따른 CAPEX, OPEX 문제를 해결해야만 함. 또한 포집된 이산화탄소를 처리하기 위한 별도의 저장 공간을 필요로 함.
ㅇ 따라서 온실가스 감축과 동시에 기존 기술 대비 비용을 절감할 수 있거나 경제적 가치를 창출할 수 있는 기술개발이 요구되고 있음.
ㅇ 본 연구는 이산화탄소 활용 기술 중 이산화탄소 광물화에 대한 연구개발로 CCS 대비 별도의 저장 공간과 이를 위한 수송, 모니터링이 필요 없으며, 유용한 물질 생성을 통하여 부가가치를 창출 할 수 있는 기술로 평가됨.
ㅇ 해당 분야의 국내 연구는 한국지질자원연구원에서 광물 및 산업부산물을 이용 광물화 공정 연구를 환경부 지원을 받아 수행하였으며, KIST에서 전기화학적 방법에 의한 무기탄산 개발에 관한 연구를 미래부 지원을 받아 수행하고 있음. 국외에서는 미국의 Calera사에서 전기화학 이용기술, 핀란드 Abo 대학에서 간접 광물화에 대한 연구를 진행하고 있음.
ㅇ 상기 연구기관 개발 기술은 고온(100~150℃), 고압(30~50 bars) 반응이거나 염수(brine water)이용 및 별도의 이산화탄소 포집장치에서 포집된 이산화탄소를 광물화에 활용하기 때문에 높은 비용 소모, 생성물의 낮은 품질 등의 문제점이 있음. 이러한 연구들은 이산화탄소 포집과 광물화 반응을 상온, 상압 조건의 일체형 반응시스템에서 달성하고자 하는 본 연구개발 기술과는 차이가 큼.
ㅇ 본 기술은 온실가스를 배출하는 것과 동시에 탄산칼슘을 원료 사용하는 제지, 화학, 약품, 환경분야 등 다양한 산업체에 on-site 활용 공정을 설치할 수 있어 산업체의 온실가스 감축 및 제품 생산에 필요한 원료를 확보할 수 있는 산업지향적인 온실가스 감축기술임.
ㅇ 또한 국내외 연구사례가 없는 원천기술로서 기술 개발 시 거대한 세계 탄소시장 진입을 통한 국부 창출과 이로 인한 국내 산업 활성화와 고용창출을 유발할 수 있음.

3세부과제: 재생에너지 2GJ/tCO₂ 달성을 위한 아민계 상분리 흡수제 및 공정 개발
Ⅱ 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
- 현재 혼합가스로부터 이산화탄소를 포집하는 대표적인 방법은 아민 수용액을 이용한 흡수법으로 알려져 있으며 이러한 기술은 실증 단계에 진입하였으나, 현 기술 수준에서 에너지소비가 크고, 이로 인해 포집 비용 상승하여 상용화하는데 장애요인으로 작용하고 있음
◦ 에너지 소비량과 포집비용의 주원인은 흡수제를 재생하기 위해 사용되는 에너지 소비량이며, 전체 에너지 소비의 75%를 차지하는 재생에너지 절감을 위한 기술개발이 활발히 이뤄지고 있음
◦ 재생에너지는 (1)흡수제 온도를 흡수온도에서 재생온도까지 높이기 위한 현열,(2)수용액 중 물의 증발로 인한 잠열, (3)흡수제와 CO₂의 반응 결합을 깨기 위한 반응열로 구성됨
- 해외에서는 아민, 알칼리염, 암모니아수 등 1세대 포집기술에 대한 실증과 더불어 재생에너지 절감을 위한 혁신 흡수제 R&D가 지속적으로 진행되고 있음
◦ 미국 NETL은 '25년 실증 대상(2세대),'35년 실증 대상(3세대) 기술로 구분하여 혁신 포집기술을 개발하고 있음. 응용기술 (2세대 포집기술), 원천기술 (3세대 포집기술) 확보를 위한 연구가 수행되고 있음
◦ 최근 아민 이용 CO₂ 포집 공정을 대체할 수 있는 기술로 상분리 (Phase separation) 액상 흡수제를 이용한 흡수 기술이 주목받고 있음
◦ 상분리 흡수제는 3세대 기술로 활발히 연구되고 있으며, IFP(프),3H Company (미), GE(미),TNO(네), Dortmund Univ.(독) 등에서도 상분리/상전이 흡수제를 연구하여 특허를 확보하고 있음
- 2세대 기술인 개량 아민 혹은 개량 알카리염 수용액 흡수제의 경우, 국외와 기술격차가 거의 존재하지 않음
◦ 해외기술: KS-1(일),Piperazine(미) 등, 재생열 2.2-2.5GJ/톤CO₂
◦ 국내기술: KIERSOL(KIER), KOSOL(한전),재생열 2.2-2.8GJ/톤 CO₂
- 반면, 혁신 흡수제의 경우 국외와 기술격차가 커지고 있는 상황임
◦ IFP(프), GE(미), 3H Company(미) 등의 상분리 흡수제 기술수준은 흡수물질 선정이 완료되고, 실험실 규모 이상의 검증을 시도하는 단계임
◦ 국내의 경우, 상분리 흡수제에 대한 연구가 미미한 상황이므로 원천기술 확보 및 상분리 흡수제, 공정설계 관련 기술 확보가 시급함

4세부과제: 저비용 이산화탄소 포집을 위한 초청정 배가스 전처리 기술 개발
Ⅱ 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
ㅇ 세계적으로 기후변화 대응에 기술에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데 주요 선진국들은 관련기술 개발을 통해 자국의 온실가스 감축과 동시에 국가 신산업 창출을 위해 노력 중임
ㅇ 최근 IEA(International Energy Agency)에서 보고한 CCS Technology Roadmap에 의하면,2050년에 온실가스 저감기술로 CCS로 CO₂ 저감 17%를 담당하여야 하며, 이는 CCS 단일 기술로 CO₂ 저감 효과는 타 기술과 비교할 때 매우 높음
ㅇ 국내에서도 2010년 7월에 “국가 CCS 종합 추진계획”을 제8차 녹색성장위원회 상정하여 국가기술개발 방향을 설정하고 추진하고 있음
ㅇ CCS 기술개발 로드맵에 의거한 세계적 기술개발 방향은 기존 기술을 적용한 상용화 개발과 기존 CCS 기술이 비용이 매우 높기 때문에 이를 극복하기 위한 혁신적 기술개발을 추진함
- 향후 선진 그린 시장 선점을 위하여, CCS 비용을 현재 $60∼90/tCO₂에서 $30/tCO₂ 이하로 달성하기 위하여 혁신적인 기술개발을 추진하여야 함
ㅇ CCS 비용 중에서 75∼85%가 포집 비용이 차지하고 있어, 혁신적인 포집 기술 개발시 CO₂ 포집 비용을 크게 줄여 상용화를 촉진할 것임
ㅇ 연소후 포집 기술은 단기간에 기술 상용화하기에 적합한 공정 성능, 운전경험, 안정성이 확보된 기술이므로 우선적으로 추진하여야 할 기술임
ㅇ 국내에서는 2014년 10MW급 연소후 포집 장치를 설계, 건설한 후 현재 운전 중이나, 이는 포집 장치 개발에 주력하고 있으며 운전시 많은 문제점을 유발시키는 배가스의 불순물에 대한 처리 기술은 개발되어 있지 않음
ㅇ 습식 포집에서 배가스 불순물((SO₂, O₂)은 재생과정에 있어서 재생탑내에서 순환하는 흡수제를 열화시켜 탑 상단에 암모니아 등 휘발성 물질, 탑 하단에 염(Salt)이 생성되어 이를 제거하기 위한 추가적인 장치가 필요함
- 포집 공정 운전시 흡수제 열화 방지를 위한 고도 탈황장치 설치
- 산소 등 불순물에 의한 열화, 부식 등을 방지하기 위하여 Reclaimer 설치
ㅇ 경제성 있는 CO₂ 포집 공정 개발을 위하여는 공정이 단순하고 처리효율이 높은 전처리 기술 개발 필요하며,막을 이용한 처리 기술은 이에 부합한 기술임
- 재래식 방법을 이용한 전처리 방법으로 고도 탈황(Deep FGD), 산소 제거를 위한 PSA 방법이 이용되고 있으며, 장치비 및 운전비가 매우 높음
- 막을 이용한 불순물 제거 방법은 처리가스를 동시에 제거할 수 있다는 장점을 가지고 있어 타 기술보다 경제적 운전 가능
ㅇ 따라서 배가스 중 불순물(황산화물, 산소)을 처리할 수 있는 전처리 기술 개발은 매우 필요하며, 이와 같은 기술 개발시 compact 한 전처리 공정을 포함한 CO₂ 포집 통합 시스템 개발이 가능하며 이는 CCS 비용을 혁신적으로 줄일 수 있는 기술을 확보할 수 있는 동시에 이와 같은 기술을 기반으로 거대한 그린 시장의 선점이 가능함
ㅇ 또한 분리막 공정 시스템을 이용한 배가스 중 불순물을 동시 제거하는 기술로써, 세계 최초로 수행하는 것으로써 기존 상용화 및 개발 기술과의 차별성이 있음

5세부과제: CO₂로부터 개미산 제조를 위한 Catholyte-Free 전환시스템 개발
Ⅱ 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
○ 이산화탄소 이용 및 전환기술
"탄소원의 지속적 활용 및 고부가가치의 제품 생산을 통한 이익 창출"
• CO₂ 사후처리 필요성 증대로 인해 CCS 연계 및 보완을 위한 CCU 기술 개발 필요
• CO₂ 활용 효율이 높은 고부가가치 화학제품 제조 기술 개발 필요

ㅇ 기후변화 대응 기술로 발전소 및 산업공정에서 대량 배출되는 CO₂를 포집하여 지중이나 해저에 저장하는 CCS (Carbon Capture and Storage) 기술에 주로 초점을 맞추어 연구가 진행되어 왔으나, 최근 들어 포집된 CO₂를 자원화 하는 CCU (Carbon Capture and Utilization) 기술이 새로운 관심을 받고 있음
ㅇ CCU 기술은 CO₂를 단순히 버려지는 물질이 아닌 유용한 자원으로 활용하여 부가가치가 높은 탄소화합물로 전환하는 기술로서 온실가스 감축, 지속적인 탄소원의 활용 및 고부가 가치의 화합물 생산을 통한 이익 창출 등의 효과를 가지는 연구 분야임
ㅇ 전기에너지를 투입하여 전기화학적으로 CO₂를 전환시키면 CO₂ 환원반응에 의하여 개미산, 일산화탄소,알코올, 알데하이드 등의 화합물을 생산할 수 있으며, 모듈화를 통한 scale-up이 용이함
ㅇ 특히, 개미산 제조 반응은 선택도가 매우 높고 전환 생성물의 시장 가격이 높아 전환 생성물 중에서 경제성이 가장 우수함
ㅇ 또한, 반응에 투입되는 전기에너지를 신재생 에너지로부터 공급받을 경우 높은 경제성을 확보할 수 있으며 신재생 에너지 저장 기술로도 활용 가능함
ㅇ CO₂를 개미산으로 전환 시, 발생하는 부가가치는 최대 $1,000/톤으로 일산화탄소와 함께 전환 생성물 중에서 경제성이 가장 높음
ㅇ 대부분의 이산화탄소 활용 및 자원화 기술은 기술 검증 단계이며, 2015년 이후부터 일부 기술의 상용화가 진행될 것으로 예상됨. 개미산 전환 기술의 경우에는 2020년 이후에 실용화 될 것으로 예상됨

○ 국내·외 기술개발 동향
• CO₂의 연료화 연구는 기초연구 및 기술검증 단계로 2020년 이후 상용화 될것으로 예상됨.
- (미국)ARPA-E Electrofuels, OPEN2012 프로그램을 중심으로 기술개발 진행중
- (캐나다)NRC-IRAP 프로그램 지원으로 UBC,Mantra에서 연료화 기술개발 중
- (유럽)각국 정부 자체 R&D 프로그램 및 EU-ELCAT 프로젝트 진행중
- (일본)RITE를 중심으로 생물학적 CO₂전환 기술개발 진행중
• 국내에서는 미래부(KOREA CCS 2020사업),산업부 지원으로 CO₂ 전환기술개발이 진행중

○ 시장규모
• 개미산은 CO₂전환 생성물 중 경제성이 가장 우수함
• 2014년 수요는 100만톤, 시장은 9억 달러 규모임
• 2019년 수요가 300만톤 이상으로 급증할 것으로 예상되며,이에 따라 연평균 5.63%씩 시장이 성장 할것으로 전망됨
• 특히,CO₂ 대량 배출 업종이면서 개미산을 소비하는 제철 및 제지 분야 신규 수요발굴시,연간 120억 달러 규모의 시장이 형성될것으로 기대됨

ㅇ 전기화학적 CO₂ 전환 기술의 실용화를 위해서는 촉매의 선택도 향상과 더불어 CO₂ 용해도 향상 및 고농도 전환 생성물 제조 기술이 필요함
ㅇ 특히 개미산과 같이 전환 생성물이 액상인 경우 전환 공정 후단의 분리 공정비용이 전체 공정의 30 %이상을 차지하므로 전환 생성물의 경제성 확보를 위해서 고농도 생성물 회수 기술 개발이 반드시 필요함
ㅇ 본 과제 수행을 통하여 고효율 CO₂ 전환 촉매 및 전극 소재를 개발함으로서 핵심 전극 소재 원천 기술을 확보할 수 있음
ㅇ 또한, 음극(cathode)에 액상의 전해액을 사용하지 않고 기상의 CO₂를 반응물로 직접 공급하는 catholyte-free 시스템을 개발함으로서 용해도 및 반응온도의 제약 없이 전환 반응 속도를 획기적으로 향상 시킬 수 있음
ㅇ 이를 통하여 CO₂ 전환 공정의 효율 및 전환 생성물의 경제성을 향상시킴으로서 CO₂ 전환 기술의 실용화를 위한 원천기술을 확보할 수 있음

Abstract ▼

1. Development of conversion process for production of valuable chemicals from carbon dioxide as feedstock
Ⅳ. Result and Recommendations
Currently, the recycling of carbon dioxide as a chemical feedstock is at the starting point of developing technologies available in commercial scale. At the

1. Development of conversion process for production of valuable chemicals from carbon dioxide as feedstock
Ⅳ. Result and Recommendations
Currently, the recycling of carbon dioxide as a chemical feedstock is at the starting point of developing technologies available in commercial scale. At the early stage of technology development agenda, we should focus for the development of original technology, such as the fundamental understanding of the activation mechanism for proper design of catalyst promoting the activation of carbon dioxide.
Considering the process compactness and feasibility, technology development of single stage direct synthesis of alcohols from carbon dioxide hydrogenation should be mainly focused in a commercial scale as a mitigation policy against global warming.
The successful results of the project, highly active and selective new catalytic system operating at low temperatures, might be transferred to private companies which can play a key role in the global energy sector.

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 3목차 ... 5I 이산화탄소의 고부가가치 화합물로의 전환 공정 연구 ... 7 요 약 문 ... 9 SUMMARY ... 12 CONTENTS ... 15 목차 ... 17 그림목차 ... 19 표목차 ... 21 제 1 장 서 론 ... 23 제 2 장 연구개발 내용 정의 ... 35 제 3 장 기술 특허분석 ... 38 제 4 장 촉매 기술개발 ... 76 제 5 장 반응공정 기술개발 ... 95 참 고 문 헌 ... 102II 이산화탄소 포집 및 무기자원화 단일공정개발 ... 107 목차 ... 109 Ⅰ 일반현황 ... 111 Ⅱ 과제의 목표 및 내용 ... 112 Ⅲ 추진 전략 ... 114 Ⅳ 추진 실적 ... 116 Ⅴ 향후 계획 ... 132III 재생에너지 2GJ/tCO2 달성을 위한 아민계 상분리 흡수제 및 공정 개발 ... 133 목차 ... 135 Ⅰ 일반현황 ... 137 Ⅱ 과제의 목표 및 내용 ... 138 Ⅲ 추진 전략 ... 141 Ⅳ 추진 실적 ... 143 Ⅴ 향후 계획 ... 164IV 저비용 이산화탄소 포집을 위한 초청정 배가스 전처리 기술 개발 ... 165 목차 ... 167 Ⅰ 일반현황 ... 169 Ⅱ 과제의 목표 및 내용 ... 170 Ⅲ 추진 전략 ... 172 Ⅳ 추진 실적 ... 174 Ⅴ 향후 계획 ... 204V CO2로부터 개미산 제조를 위한 Catholyte-Free 전환 시스템 개발 ... 205 목차 ... 207 Ⅰ 일반현황 ... 209 Ⅱ 과제의 목표 및 내용 ... 210 Ⅲ 추진 전략 ... 213 Ⅳ 추진 실적 ... 216 Ⅴ 향후 계획 ... 231끝페이지 ... 233