Ewha magazine

온실가스란 이산화탄소, 도시가스의 주성분인 메탄 등 대기에 있으면서 지구로부터 방출되는 열을 흡수하거나 지표면으로 열을 재방출해 지구온난화를 일으키는 가스를 일컫는다. 넷제로(Net-Zero)라는 용어로도 불리는 탄소중립은 인간 활동으로 배출되는 온실가스의 발생을 최소화하고, 또한 이미 배출된 온실가스를 이산화탄소 포집·활용·저장(Carbon Capture Utilization and Storage, CCUS) 등의 방법으로 제거해 실질적인 온실가스 배출량을 ‘0’으로 만들어 인류가 생존할 수 있는 환경을 만들기 위한 필수적인 활동이다.

온실가스 발생을 최소화하기 위해서는 이산화탄소가 발생하지 않는 태양광발전, 풍력발전, 수소에너지와 전기자동차, 수소연료전지자동차 등의 기술이 필요하고, 또한 이미 생성되어 있는 이산화탄소를 제거하기 위해 대기 중에 있는 이산화탄소를 포집하고, 이를 땅속 깊은 곳에 저장하거나, 식물이 물과 태양에너지를 이용해 이산화탄소를 화학에너지(쌀, 밀 등)로 전환하는 광합성처럼 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 기술 개발이 필요하다. 2050 탄소중립 목표 달성을 위해 태양광, 그린수소 등 친환경 에너지 개발, 저탄소 화학공정 및 친환경 신소재 개발, 전기차, 수소연료전지차 개발 연구를 수행하며 저탄소·그린에너지 화학공정 선도연구사업단을 이끌고 있는 김우재 교수에게 탄소중립 기술 연구의 현주소를 들어본다.

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이산화탄소 포집·활용·저장은 어떻게 이뤄지나

이산화탄소 포집(Capture)은 대기에서 혹은 화력발전소, 제철공장과 같은 산업 프로세스에서 발생한 CO2를 포집하는 공정으로 다양한 기술이 사용되며 주로 물리적 포집과 화학적 포집방법이 있다. 다만, 공기와 함께 소량 섞여 있는 이산화탄소만을 선택적으로 포집하는 기술이 어렵고 공정에 사용되는 에너지 소모가 커서 이를 극복하기 위한 연구가 진행 중이다.

이산화탄소 저장(Storage)은 CO2를 안전하게 저장하는 단계이다. 이산화탄소는 지하 수력층 및 지구의 다양한 지층에 저장될 수 있다. 파이프라인이나 선박을 이용해 운반한 CO2를 고갈된 유전·가스전 등 지하 800m 이상 깊이의 육지와 바다의 깊은 땅속에 주입해 저장한다. 주입된 CO2는 시간이 지나며 용해되거나 광물화가 된다. 미국에서는 셰일가스를 추출하고 난 빈 지하공간에 CO2를 채워 넣음으로써, CO2 저장 및 지반침하를 막는 효과를 얻고자 하고 있다. 우리나라의 경우, 동해 가스전에 저장하거나 주변 협력국의 원유 추출 후 공간에 CO2를 채워 넣는 방법을 고려하고 있다.

이산화탄소 활용(Utilization)은 광합성처럼 촉매를 사용해 CO2를 수소, 메탄 등으로 전환시켜 고부가 화학물질, 연료, 건축자재 등 새로운 제품을 만드는 데 활용하는 기술이다. 기술은 계속 발전하고 있지만 CO2가 상당히 안정화된 물질이어서 이를 분해해 다른 물질로 전환하는 것이 여전히 어렵다. 다행히 이산화탄소 활용 기술은 아직 초기 단계여서 선진국과 우리나라의 기술 격차가 크지 않기에 열심히 노력한다면 우리가 이 분야를 선점할 수 있을 것으로 기대한다.

현재 탄소중립 기술은 기술적, 경제적, 그리고 정책적인 도전에 직면해 있다. 일부 산업에서는 이미 상용화된 기술도 있지만 전반적으로는 아직까지 대규모로 확산되지 않았다. CO2 포집 및 저장에 높은 비용이 발생하기 때문에 CO2 활용은 기술적인 어려움을 겪고 있다. 전 세계적인 목표인 2050 탄소중립을 달성하기 위해서는 기술 발전, 정부 정책 및 기업의 노력이 모두 동시에 투입되어야 한다. 저탄소·그린에너지 화학공정 선도연구사업단도 이러한 노력으로 설립되었으며 탄소중립 기술개발을 통해 국내외 최고의 탄소중립 선도연구사업단을 목표로 한다.

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제조업 분야에서 실제로 활용되고 있는 탄소포집·활용·저장 기술과 한계점은 무엇인지

탄소포집은 기술적인 측면에서 흡수법, 흡착법, 막분리법으로 나눌 수 있는데, 처리 용량면에서는 흡수법이, 경제적인 측면에서는 흡착법이, 공정적인 측면에서는 막분리법이 우수해 세 가지 방법 모두 각 상황에 맞게 사용되고 있다.

탄소저장 기술의 경우, 우리나라는 탄소 저장소가 부족하기 때문에 다수 기업들이 해외 탄소 저장소를 확보하기 위해 노력하고 있다. SK E&S는 호주와 동티모르에서 2030년 기준 연 300만 톤 규모의 CCS사업을 추진 중이고, 삼성엔지니어링은 말레이시아에 연 200만 톤 규모의 사업을 추진 중이다. 다만 국내에서 포집한 이산화탄소를 해외 저장소로 이동시키는 수송 비용을 고려할 때 경제성이 상당히 부족한 상황이어서 이산화탄소 저장소 개발에 박차를 가해야 하는 상황이다.

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주력으로 연구하고 있는 기술은 무엇인가

화공신소재공학전공 교수진을 주축으로 한 우리 연구단은 저탄소 분야에서는 ‘차세대 이산화탄소 포집 및 전환 소재·공정 개발’과 ‘저탄소 화학공정 개발’, 그린에너지 분야에서는 ‘그린수소 생산촉매 개발’과 ‘차세대 배터리 소재개발’을 주력으로 연구하고 있다. 특히 이화프론티어 10-10의 전폭적인 지원으로 ‘탄소중립 이론-실험 융합 연구센터’ 구축과 이를 기반으로 CCUS 신소재/공정기술 개발 및 데이터 수집, 양자역학기반 전산모사기술을 통한 데이터 해석, 딥러닝 기반의 신소재 설계 핵심 인자 예측 기술 개발을 추진하고 있다. 이러한 기술들은 이산화탄소 배출의 주요인으로 지목되는 철강, 정유, 석유화학, 시멘트, 화력발전 등의 기업들뿐만 아니라 곧 시행될 미국, 유럽의 탄소관세에 영향을 받게 될 삼성전자, SK하이닉스 등 반도체 기업들에게도 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

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탄소중립 공정에 많은 관심을 가진 기업들의 니즈는 무엇이고 학계와 어떻게 협력하고 있는지

우리 사업단은 2022년부터 SK이노베이션, 한화솔루션 케미칼, 롯데케미칼, 삼성전자, 원익머티리얼즈, 동진세미캠 등 탄소중립 공정개발에 큰 관심을 갖고 있는 기업들과 정기적으로 만나 세미나, 워크샵 및 산학협력 연구 논의를 진행해 왔다. 기업들은 연구진과의 연구협력뿐만 아니라 탄소중립 교육 과정에도 직간접적으로 참여해 이화의 우수한 탄소중립인재 영입에도 관심을 보이고 있다. 일례로, 한화솔루션 케미칼은 2023년도 2학기에 화공신소재공학과에 ‘저탄소그린에너지 기술세미나’라는 교과목을 개설해 한화에서 추진하는 탄소중립 연구의 모든 책임자들이 매주 돌아가며 학교로 방문, 기업 기술에 대해 소개하고 토론하는 수업을 진행 중이다. 이를 통해 학교와 기업이 탄소중립 연구의 방향성에 대해 같이 논의하고 토론하며, 같은 목표 아래 산학연이 함께 고민하고 연구하는 분위기를 만들고 있다.

그린수소 생산용 촉매 개발

연구진은 수소 생산을 위한 신개념 촉매 개발을 위해 2016년 노벨 물리학상을 수상한 위상절연체의 특이한 물성에 착안하여 위상적 전하를 가지고 있는 금속인 위상준금속에서의 촉매성, 나노 입자보다도 작은 원자 몇 개 단위의 촉매에서의 수소 생산, 압력 및 전하 주입과 같은 외부 자극에 따른 수소 생산 촉매성 제어 등과 같은 다양한 연구를 수행하고 있다. 또한 용액 공정에서의 수소 발생 반응 시 안정적인 표면 상태를 제공하며 용액-전극 계면에서의 전하 수송을 향상시키는 연구도 진행 중이다.

2050 탄소중립 이행을 위해서는 산업구조 및 에너지믹스 두 분야에서 혁신적이고 도전적인 연구개발 및 이를 이끌어갈 우수한 인력이 절대적으로 필요하다. 최근 우리 대학교도 탄소중립 달성을 위한 대학의 역할과 산·학·연 협력에 대해 관심을 갖고 ‘이화 탄소중립 포럼’을 개최하여 글로벌리더 양성, 연구자 역량 결집, ‘지속가능한 사회를 선도하는 창의, 혁신 플랫폼’으로서 이화의 위상을 제고하고자 하는 의지를 나타낸 바 있다.

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탄소중립을 위해 그린수소 연구가 왜 중요한가

수소는 생산 방법에 따라 크게 그레이수소, 블루수소, 그린수소 세 가지로 나눌 수 있다. 그레이수소는 천연가스의 주성분인 메탄과 고온의 수증기를 촉매 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 만들어내는데, 약 1kg의 수소를 생산하기 위해 이산화탄소 10kg을 배출한다. 그러니까 그레이수소는 진정한 의미에서의 친환경 에너지원은 아니다. 블루수소는 그레이수소를 만드는 과정에서 부산물로 발생하는 이산화탄소를 포집 및 저장 기술을 활용해 제거한 수소로, 그레이수소 대비 친환경성이 높다는 장점이 있다. 그러나 아직은 이산화탄소 포집 및 저장 기술의 비용이 높고 또 이산화탄소를 완전히 제거하진 못한다는 단점이 있다. 청정 에너지라고 부를 수 있는 그린수소는 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없어 탄소중립적인 에너지 공급체, 최고의 친환경 수소라 불린다. 하지만 그린수소에도 현실적인 문제점들이 존재한다. 먼저 신재생에너지로부터 전력을 생산하는 단가가 너무 높고, 그린수소를 생산하는 수전해 설비의 효율이 아직 낮다. 이러한 경제적, 기술적 한계로 인해 아직까지 수소 생산공정의 90% 이상이 그레이수소를 사용하고 있다. 그래서 전 세계는 그린수소를 만들기 위해 고효율 수전해 촉매 개발 및 그린수소 인프라 확대 등 그린수소사회 구축을 위한 다양한 노력을 진행하고 있다.

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탄소중립을 위한 배터리 연구의 현 주소는

전기자동차의 보급은 탄소중립을 위해 매우 중요한 전략이기 때문에 전기자동차 적용을 위한 고에너지밀도, 고출력, 고안전성의 배터리 개발이 활발히 진행 중이다. 또한 태양광·풍력 등으로 생산된 전기에너지를 효율적으로 저장하고 배분할 수 있는 대용량 전력저장장치 연구도 한창이다. 하지만 배터리 제조 과정과 원재료 생산 과정에서 탄소 배출이 많은 단점이 있어서 이를 극복하고자 원재료의 직접 채굴 대신 재활용 원재료 사용 비중을 높이는 연구가 이뤄지고 있다. 구체적으로는 수명이 끝난 폐배터리에 남아 있는 니켈, 코발트, 망간, 리튬 등의 금속 성분을 재사용함으로써 자원 채굴 시 발생하는 탄소 배출량을 감소시킬 수 있어 관련 연구가 진행되고 있고, 또 전극 생산공정 중 탄소 배출을 줄이고자 유기용매를 사용하지 않는 건식공정 기법을 도입하는 연구도 활발히 수행되고 있다.

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사업단의 강점은 무엇인가

우리 사업단은 탄소중립 관련 소재·공정 개발 전문가, 이론 계산화학 전문가, 머신러닝 및 인공지능 전문가들로 구성되어 탄소중립 이론과 실험을 융합한 연구를 수행함으로써 미래에너지 솔루션을 찾는 것에 중점을 두고 있다. 딥러닝과 화학시뮬레이션 기술을 이용해 쉽고 높은 효율로 온실가스를 저감하는 용매 판별법을 개발했고(나종걸 교수팀), 수전해용 비귀금속 촉매로 사용가능한 새로운 2차원 물질 합성에 성공했다(조수연 교수팀). 현존하는 기술보다 최대 1.7배 많은 수소를 생산할 수 있는 친환경 수소에너지 생산기술을 개발하였으며(김우재 교수팀), 나노 합성 기술에 숨겨진 원자의 비밀을 찾아 새로운 촉매개발 방법을 도출하는(이상헌 교수팀) 등 지속적으로 우수한 결과를 보고하고 있다.