플라즈마-이산화탄소 처리 및 전환기술...

플라즈마-이산화탄소 처리 및 전환기술 동향_91

플라즈마-이산화탄소 처리 및

전환기술 동향

국가핵융합연구소 | 홍용철 선임연구원

Ⅰ. 개 요 ··········································································· 93

1. 전 세계 이산화탄소 배출 저감 노력 ······················ 93

2. 국내의 이산화탄소 배출 현황 ································· 95

Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 96

1. 국내 동향 ··································································· 96

2. 해외 동향 ··································································· 97

Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 99

<참고문헌> ······································································· 100


플라즈마-이산화탄소 처리 및 전환기술 동향

국가핵융합연구소 | 홍용철 선임연구원

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

1. 전 세계 이산화탄소 배출 저감 노력

가. 온실가스의 영향

산업화에 따른 화석연료 사용이 증가하고 온실가스의 배출량이 증가하여 지난 100년 간

(1906~2005년) 전 세계 평균기온이 0.74oC 상승했고, 21세기 말에 6.4oC 상승할 것으로 전망

되며, 한반도는 지난 96년 간(1912~2008년) 1.7oC 상승하였다. 또한 지구 온도 상승으로 인한

기후 변화로 인해 기상재해가 발생하고, 생태계가 파괴되고 있으며, 스턴보고서(2006년)에

따르면 매년 세계 GDP의 5~20%에 달하는 경제적 손실을 유발할 것으로 예상하였다.

나. 국제사회의 지속적인 온실가스 감축 노력 및 의무

2005년 교토의정서 발효에 따라 온실가스 감축 의무국들은 2012년까지 온실가스 감축

목표를 명시하였으며, 유럽연합(EU)은 2020년까지 에너지효율 20% 향상, 신재생에너지 비중

20%, 온실 가스 20% 감축(2020프로그램) 목표를 추진하고 있다. 일본은 2020년까지 2005년

대비 15~30% 감축 계획을 발표하였으며, 미국에서는 2020년까지 2005년 대비 온실가스 배출

17% 감축을 목표로 하는 왁스먼-마키(Waxman-Markey) 법안이 하원을 통과하였다.

94_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

국가 중기목표 및 발표형식

일본- 2020년까지 2005년 대비 15%(1990년 대비 8%) 감축 ('09.6, 아소총리 발표)

- 2020년까지 2005년 대비 30%(1990년 대비 25% 감축 ('09.9, 하토야마 총리)

EU

- 2020년까지 1990년 대비 20% 감축

․ 범세계 동참시 30% 감축

․ 국가별 감축량은 GDP를 고려, 각국이 결정하도록 권고

- '08.12월 ‘20-20-20 기후변화종합법’에 명시('09.4월 시행). *20-20-20: '20년까지 온실가스

배출량 20% 감축 & 재생에너지 사용비율 20% 확대

영국

- ('08.11월 발효 ‘기후변화법’) '90년 대비 최소 26% 감축

- ('09.4, 재무부) '90년 대비 34% 감축

- ('09.7, 기후변화에너지부) '90년 대비 36% 감축 (‘저탄소전환계획’ 의회 제출)

독일 - ('07) '90년 대비 40% 감축

스웨덴 - ('09) '90년 대비 40% 감축

미국

- 2020년까지 2005년 대비 17% 감축

- '09.6월 하원통과 ‘왁스만-마키 법안’에 명시

- 2020년까지 2005년 대비 20% 감축

- '09.9월 상원에서 ‘Kerry-Boxer’법안에 명시

호주

- 2020년까지 2000년 대비 5-15% 감축

- 범세계 동참시 25% 감축

- 추진 중인 ‘탄소오염감축정책 (CPRS)’에 규정

캐나다 - 2020년까지 2006년 대비 20% 감축

멕시코- 2012년 5천만톤 감축 계획

- '09.6.5 칼데론 대통령이 언론회견 통해 발표

인도네시아- BAU 대비 26% 감축(선진국 지원시 40% 감축)

- '09.9, G20에서 대통령 언급

브라질- 현재수준 대비 20~40% 감축(아마존 산림파괴 관리로 '05년 수준 동결 목표치 포함) 발표 예정

(12월 코펜하겐 회의 이전)

인도 - 국내법을 통해 감축 규제 도입을 언급

중국- 2020년까지 2005년 대비 원단위(GDP Intensity)를 현저한(notable) 수준 감축

- '09.9월 후진타오 주석이 UN 정상회의시 발표

러시아- 2020년까지 1990년 대비 10-15% 감축

- '09.6월 메브데프 대통령 발표(언론회견)

대만 - 2025년까지 2000년 수준복귀(지속에너지정책강령, '08.6)

<표 1> 국가별 중기 감축목표 및 발표형식1)

자료: 교육과학기술부, KOREA CCS 2020 사업 세부기획 연구, 2011

2012년 교토의정서의 완료에 의해 국제사회는 Post-2012 체제에 대한 기본 틀에 대해 합의

하였으며, 국제사회는 제18차 기후변화협약에서 교토의정서 기간을 연장(선진국만 감축의무)하는


동시에 2020년 이후 모든 국가가 참여하는 새로운 법적 체제에 대한 협상을 2015년까지 완료

하기로 합의하였다.

이번 합의에서 일본과 러시아가 탈퇴함으로써 온실가스 배출량 1~5위(중국, 미국, 러시아, 인도,

일본)가 Post-2012 체제에 참여하지 않게 되었으나, 195개 국가가 2차 공약기간인 2020년까지

온실가스를 1990년 대비 25~40% 감축하자는 큰 틀에서 합의가 이루어졌다. 개발도상국으로 분류

되는 중국과 인도, 교토의정서 1차 공약기간에 참여하지 않은 미국, 2차 공약기간에 불참을

선언한 일본과 러시아의 불참으로 교토의정서가 유명무실하다는 평이 있으나, 해당 국가들도 지속

적으로 온실가스 감축 노력을 보이는 것을 보면, 장기적으로 온실가스 감축은 전 지구적으로

중요한 사안이다.

연도 협약 주요 내용

2011제18차

기후변화협약

- Post-2012 체제 기본 틀 합의- 교토의정서 공약기간 연장(~2020년) 및 모든 나라가 참여하는

새로운 체제 구축할 것에 합의

2007 발리로드맵- 포스트 교토의정서 체제에 대한 협상을 2009년 말까지 완료- 선진국은 물론 개도국도 측정․검증․보고 가능한 감축행동

2005교토의정서

발효- 온실가스 감축 1차 의무공약기간 (2008~2012년) 이행준비 및 교토 메커니즘 활용

2001마라케쉬

합의문채택- 교토의정서 구체적인 이행방안 마련

1997교토의정서

채택- 37개 선진국과 EU 대상으로 온실가스 배출 감소 협의 (한국은 감축의무국에서 제외)

1992리오 UN

환경개발회의- 기후변화에 관한 국가연합 협약 (UNFCCC)

<표 2> 국제사회 협약 체결 현황2)

자료: United Nation Framework Convention on Climate Change, 1992

2. 국내의 이산화탄소 배출 현황

우리나라는 1990년 이후 제조업 중심의 경제성장으로 온실가스 배출량이 2배 가량 증가하여

1990년~2005년간 증가율이 OECD 국가 중 1위이다. 이는 화석연료 의존도가 높은 에너지

다소비 산업구조와 사회구조에 기인하며 대표적인 에너지 다소비업종인 철강, 시멘트, 석유화학

비중이 8.0%로 일본 4.6%, 미국 3.1%에 비하여 약 2배 가까이 높다. <그림 1>은 국내의 온실

가스 배출 현황을 정리하였다.


자료: 녹색성장위원회, “국가 온실가스 중기(2020년) 감축목표”의 설정방안, 2009

<그림 1> 우리나라 온실가스 배출 현황

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

이산화탄소 전환기술은 이산화탄소를 변환하여 탄소를 생성하고 이를 연료 및 산업 공정에

필요한 기초화합물로 전환하는 것이 궁극적인 목표이다. 환경적 측면과 에너지 측면에서 보면,

이산화탄소를 탄화수소 등의 유용한 물질로 전환시키는데 의의가 있다.

천연가스의 대부분을 차지하고 있는 메탄은 에너지뿐만 아니라 기초화학 원료로 중요성이

커지고 있으나 가장 안정한 탄화수소 가운데 하나이기 때문에 이를 활성화시켜 유용한 화합물질로

전환하고자 하는 노력이 큰 관심사로 대두되고 있다. 특히, 메탄은 이산화탄소 전환을 위한 환원

제로 이용하는 연구가 진행되고 있으며, 지구상에서 가장 풍부한 수소함유 화합물의 하나인

메탄의 이산화탄소 개질은 지구 온난화라는 심각한 문제 해결의 한 방편으로 탄소자원의 재활용

측면에서 큰 의미가 있다.

국내에서 포항공과대학교와 한국에너지기술연구원에서는 주로 Group VIII의 금속들의 환원형태

촉매들이 담지(擔持)되었을 때, 활성을 나타내는 것으로 보고하였다. 특히, Ni, Ru, Rh, Pd,

Ir, Pt 등이 효과적인 촉매인 것을 확인하였다. 이산화탄소의 자원화 연구는 대부분 촉매를 이용

하여 탄화수소체(주로, 메탄) 하에서 건식개질 연구가 진행되고 있으며, 촉매의 성능을 향상하기

위한 연구가 주를 이루고 있다.

최근, 한국기초과학지원연구원 부설 국가핵융합연구소와 광운대학교에서는 상압에서 전자파

플라즈마 토치를 이용하여 전이금속 촉매 없이 이산화탄소-메탄 개질 연구를 수행하고 있다.

전자파 플라즈마 토치는 전극이 필요 없는 무전극 구조를 가지고 있어서 전극마모가 없으며,

플라즈마 가스로 이산화탄소를 사용하고 있으므로, 후단 공정에서 불활성 가스의 분리가 필요


없다. 플라즈마의 중심온도는 6,500K 정도이며, 발생한 토치 플라즈마 화염 전반의 온도는

이산화탄소-메탄의 자발적 반응 온도에 해당한다. 개질 공정에서 탄소 증착의 문제는 발생하지

않았으며, 최적 조건에서 이산화탄소와 메탄의 분해 효율은 각각 80%, 100%에 이른다. 플라즈마

장치의 단순화, 플라즈마의 대형화, 장비의 경제성을 확보하여 전기 에너지 사용을 줄이기 위한

연구가 진행되고 있다.

플라즈마를 이용한 연구는 대학의 일부 연구실에서 수행되고 있으며, 최근 저온 플라즈마를

이용하여 건식 개질을 시도하고 있고 촉매와 하이브리드(Hybrid) 형태로 성능을 향상시키는

노력이 진행되고 있다. 조선대학교에서는 고분자 전해질 연료전지 작동을 위해 글라이딩 아크

플라즈마 반응기와 니켈 촉매 반응기3)를 동시에 사용하여 수소를 생산하는 연구가 진행되고 있다.

플라즈마를 이용한 해외 선행기술을 기초로 촉매의 적용, 자열반응(Auto thermal reforming),

부분 스팀 개질 등을 혼용한 플라즈마 기술 개발이 필요하다.

자료: 양윤철, 전영남, “PEMFC용 플라즈마 개질 시스템의 수소 생산”, Korean Chem. Eng. Res., 46(5), pp. 1002-1007, 2008

<그림 2> 글라이딩 아크를 이용한 이산화탄소-메탄 개질

2. 해외 동향

미국 Drexel University의 Friedman 교수팀은 CH4-CO2 아크 방전5) 플라즈마를 이용하여

매우 제한적인 조건에서 실험을 수행하였다. 촉매 개질 공정과 비교하였을 때, 전자유도 화학

반응과 열화학 반응을 가진 플라즈마 CH4-CO2 개질 반응은 높은 전환률과 선택성을 보여주었

으며, 탄소 증착의 문제가 없다는 것이 실험결과에서 나타났다. 그 때문에, 플라즈마 발생의

에너지 사용이라는 문제에도 불구하고 지난 10여 년 동안 지속적으로 연구가 진행되어 왔으며,

효율을 증가시키기 위해 수소생산 비율의 증가와 전기 에너지를 줄이려는 연구가 진행되었다.

대기압 저온 플라즈마를 이용한 이산화탄소-메탄 개질 반응기를 <그림 3>에 나타내었다.


<코로나 방전> <유체장벽방전 플라즈마>

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.211-231, 1998

<그림 3> 저온 플라즈마를 이용한 이산화탄소-메탄 개질

미국 코네티컷대학교(Connecticut University)의 Suib 교수팀은 코로나 방전, 스위스 PSI

(Paul-Scherrer Institute)의 Kraus 박사팀은 유전체장벽 방전(Dielectric barrier discharge)을

이용하여 이산화탄소의 메탄개질 연구를 진행하고 있다. 유전체장벽방전의 특성 때문에 대용량의

이산화탄소-메탄 개질을 처리하기 어려우며, 전극 사이에 채워진 촉매는 재결합 현상(플라즈마

쉬스 현상) 때문에 플라즈마 전자의 밀도가 감소하여 균일한 플라즈마를 생성하기 어렵다. 이런

문제점을 극복하기 위한 반응기 구조, 반응기 가열, 촉매의 배치 등 다양한 후속연구가 진행되고

있다.

<표 3>은 다양한 플라즈마에 따른 이산화탄소-메탄 개질 공정에 대한 성능을 보여주고 있다.

<표 3>에서 보듯이, 열 플라즈마 공정이 저온 플라즈마 공정에 비해 이산화탄소와 메탄 전환률이

높고, 수소와 일산화탄소의 선택성이 높아 대용량 처리가 가능하다. 또한 단위 몰 당 인가되는

에너지가 낮으며 에너지 변환효율이 높다.

저온 플라즈마의 경우 전자, 라디칼, 이온뿐만 아니라, 이온화율(플라즈마 밀도)이 열 플라즈마에

비해 훨씬 낮은 것으로 알려져 있다. 열 플라즈마는 <표 3>에 언급된 플라즈마들 중 가장 높은

플라즈마 밀도와 건식개질에 적합하다.

열 플라즈마 공정의 목표는 에너지 변환 효율을 높이는 것이다. 높은 에너지변환효율은 최적의

반응기 설계 및 운전, 촉매 사용에 의한 촉매-플라즈마의 시너지 효과, 공정에서의 열 회수와

같은 최적화된 조건에서 가능할 것으로 예상된다.


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 CokeCorona discharge 43 1/1 46.3 62.4 47.8 66.8 70 15.8 1.5 - 1.2 1798 13 23DC corona discharge 60 1/2 63 94.1 77.9 97.1 69.4 - - 2.39 0.6 1134 21 25Corona discharge + zeolite 25 1/1 8.4 56.3 22.8 9.1 - 15.0 1.9 - 2.1 4022 4 26DBD 150 2/1 500 64.3 55.4 33.3 - 1.2 1.2 - 1.7 8124 3 39DBD 20 1/1 107.4 72.8 44.4 ~82 ~70 - - - 1.0 7289 4 43DBD + Ni/Al2O3 30 1/1 130 55.71 33.48 60.9 51.92 10.12 - 1.0 10385 3 44Microwave discharge 200 3/2 60 70.8 68.8 75 - 17.8 4.1 - 1.5 307 47 50Glow discharge 120 1/1 23 61 50 ~63 ~77.5 ~15 ~9 ~8 1.4 313 44 57Cold plasma jet 0.83 x 104 4/6 770 45.68 34.03 85.41 78.11 / / 14.59 0.8 202 63 59Cold plasma jet + Ni/Al2O3 0.83 x 104 4/6 770 60.06 40.35 96.79 96.87 / / 3.21 1.0 134 80 59Gliding arc discharge 1000 1/1 190 ~40.00 ~31.00 ~62 ~50 ~12 - - 0.9 608 28 62Single-anode thermal plasma 2.17 x 104 4/6 8.5 x 103 87.98 84.34 82.27 43.48 / / 17.66 0.4 520 36 65(H2) Single-anode thermal plasma 3 x 104 4/6 9.6 x 103 89.82 80.14 88.37 68.60 / / 11.63 0.7 348 48 66(N 2)Single-anode thermal plasma 3.33 x 104 4/6 9.6 x 103 92.32 82.19 90.15 75.43 / / 9.85 0.7 290 54 66(N 2) + Ni/Al2O3

Binode thermal plasma 7.33 x 104 4/6 1.8 x 104 78.71 64.80 96.79 82.85 / / 3.21 0.8 274 57 67

<표 3> 플라즈마 종류에 따른 변환효율 및 에너지 소비의 비교

자료: X. Tao, M. Bai, X. Li, H. Long, S. Shang, Y. Yin, X. Dai, “CH4-CO2 reforming by plasma-challenges and opportunities”, Progress in Energy and Combustion Science, 37, pp.113-124, 2011

Ⅲ. 향후 전망

플라즈마 화학반응을 이용하는 기술에 있어서 가장 중요한 것은 원하는 반응에 적합한 에너지를

제공하는 적절한 플라즈마를 찾고 이를 이용하여 화학반응을 유도하는데 있다. 특히, 상압 저온

플라즈마 기술과 고온 플라즈마 기술은 화학반응을 유도하는데 가장 적합하다고 평가되며, 이를

촉매반응과 연계하여 중점적으로 연구한다면 다양한 화학반응이 가능할 것으로 전망된다.

화학적으로 매우 안정된 화합물을 반응시킬 경우에 고온, 고압 하에서 반응이 일어나는데,

이 경우 온도를 높이기 위한 에너지가 많이 필요하므로 고압에 견딜 수 있는 반응기의 재질을

선택해야한다. 하지만 플라즈마를 이용할 경우 저온 상압반응이나 고온 상압반응이 가능하므로

에너지를 절약할 수 있고, 장치의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다.

본 보고서에서는 다양한 플라즈마의 이산화탄소-메탄 개질에 대한 특성과 공정에 대한 성능을

비교하였다.

저온 플라즈마의 경우, 낮은 전자 밀도와 제한된 반응 부피가 대용량 처리 능력을 제한하며

그에 따라 에너지변환효율이 낮은 것으로 나타났다. 마이크로웨이브 방전을 이용한 경우, 높은

플라즈마 온도와 큰 방전 공간과 함께 균일한 방전 효과를 얻을 수 있으며, 그에 따른 전환효율과

에너지변환효율이 높다. 그러나 장치가 복잡하고 산업화하기에 장치의 가격이 고가라는 점이

문제이다. 글라이딩 아크를 이용한 공정은 제한된 방전 공간과 낮은 처리용량으로 산업적 응용에

거리가 먼 것으로 보고되었다.

연료전지가 점차 각광받기 시작하면서 많은 연구자들이 연료전지를 연구하고 있으며, 연료

수급을 위한 연료의 개발이 진행되고 있다. 현재 대두되고 있는 방법은 메탄올 직접 전환을

통한 수소 공급, 촉매반응을 통한 가솔린이나 디젤유의 개질 반응 등이 있는데, 플라즈마 개질

방법이 성공하게 되면, 다양한 연료를 이용한 개질이 가능하며 소형의 개질기를 만들 수 있기

때문에 향후 수요가 점차 증가할 전망이다.


<참고문헌>

1. 교육과학기술부, “KOREA CCS 2020 사업 세부기획 연구”, 2011

2. United Nation Framework Convention on Climate Change, 1992

3. 양윤철, 전영남, “PEMFC용 플라즈마 개질 시스템의 수소 생산”, Korean Chem. Eng. Res.,

46(5), pp.1002-1007, 2008

4. Rostrup-Nielsen JR., “New aspects of syngas production and use”, Catalysis Today,

63(2-4), pp.159-164, 2000

5. 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.211-231, 1998

6. 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.5545-5553, 2009

7. X. Tao, M. Bai, X. Li, H. Long, S. Shang, Y. Yin, X. Dai, “CH4-CO2 reforming by

plasma-challenges and opportunities", Progress in Energy and Combustion Science, 37,

pp.113-124, 2011

플라즈마-이산화탄소 처리 및 전환기술...

Documents