251102_신재생에너지_이정연_최종

KU Homeworks

4시간 전

Transcript

00:00안녕하세요. 저는 이정현이라고 합니다.

00:05현재 한국과학기술연구원 키스트에서 이윤 박사님 연구실에서 학부 연구생으로 활동하고 있습니다.

00:13저는 전기화학적 포집 전원 시스템, 즉 Electrochemical Reactive Capturing Conversion, 줄여서 ERCC에 대한 연구를 수행하고 있습니다.

00:26이 연구는 기존의 이산화탄소 포집 전원 공정을 보다 단순화하고 전원 효율을 극대화하는 것으로 목표를 하고 있습니다.

00:37현재 저희 팀은 이 기술을 실험실 규모와 파일럿 규모 두 단계로 나누어서 검증하고 있으며,

00:44각 단계별로 전원 효율 향상, 에너지 절감, 그리고 안정적인 연속 운전 가능성을 중심으로 연구를 진행 중입니다.

00:53이 프로젝트는 저희 연구실의 박준우 박사님, 그리고 최은영 박사님과 협업을 통해 수행하고 있습니다.

01:04오늘 발표에서는 이러한 공동연구의 주요 성과와 앞으로의 방향성을 함께 소개하겠습니다.

01:12발표의 구성은 다음과 같습니다.

01:15먼저 연구를 시작하게 된 배경과 필요성에 대해서 설명드리고,

01:21다음으로 RCC 시스템의 핵심 개념과 주요 인자들에 대해서 말씀드리겠습니다.

01:28그 후에 실제로 수행한 실험 결과와 분석, 그리고 향후 연구의 개선 방향 및 계획에 대해서 순서대로 말씀드리겠습니다.

01:37즉, 왜 이 연구를 해야 하는가에서부터 어떻게 개선할 것인가까지의 흐름으로 말씀드릴 예정입니다.

01:47탄소 포집 활용 저장 기술, 카본 캡처 앤 유틸라이제이션 앤 스토리지가 왜 중요한지 말씀드리겠습니다.

02:01현재 각국이 탄소중립 넷제로를 향한 목표로 다양한 감축 정책을 추진하고 있지만,

02:10이행이 완벽히 이루어진다고 해도 전세계의 CO2 배출량은 여전히 지구 평균 온도 상승을 2도씨 이내로 억제하기에는 부족한 상황입니다.

02:21이 때문에 이산화탄소를 포집하고 활용하거나 저장하는 기술, 즉 CCUS 기술은 탄소중립 실현을 위한 핵심 수단으로 부상하고 있습니다.

02:35특히 CCUS 중에서도 CO2 포집 기술은 최근 연평균 30% 이상의 성장률을 기록하며 가장 빠르게 발전하고 있는 분야 중 하나입니다.

02:46저희 연구팀은 이러한 흐름 속에서 단순히 CO2를 포집하는 데 그치지 않고 포집된 CO2를 유용한 연료나 화학제품으로 전환할 수 있는 전기화학적 CO2 환원 기술,

03:01일렉트로케미컬 CO2 리액티브 캡처 앤 컨버전에 집중하고 있습니다.

03:06이를 통해 CCUS의 저장 기술을 넘어 전환까지 아우르는 보다 지속가능한 탄소순환 시스템을 구축하는 것이 저희의 목표입니다.

03:22이제 기존의 CO2 전기화학적 CO2 환원 방법인 CO2 환원 반응, CO2 리액티브 캡처 앤 컨버, CO2 리액션 리액션에 대해 간단히 설명드리겠습니다.

03:35CO2 RR에서는 CO2 가스를 전해조로 주입하며 전기화학적으로 CO, 포름산, 그리고 C2 플러스 이상의 탄화수소 화합물로 환원시킵니다.

03:49오른쪽 그림에서 보시는 것처럼

03:51일반적인 CO2 시스템은 앱졸버에서 알칼리 용액을 이용해서 CO2를 포집하고,

04:01이후 스트리퍼에서 고온 저압 조건으로 CO2를 재생합니다.

04:05재생된 CO2는 다시 엘렉트롤라이저로 공급되어 전자전달을 통해 CO로 전환되지만,

04:14이 반응에서 이 과정에서 생성되는 가스는 CO, H2, 그리고 미반응된 CO2가 섞여 있으며,

04:22이를 분리하기 위해 추가적인 정제 공정이 필요합니다.

04:25또한 전해 과정 중 CO2 크로스오버, 즉 CO2가 반대 전각으로 이동하는 현상이 발생하여 전환 효율이 낮아지고,

04:36시스템 에너지가 낭비되는 문제가 있습니다.

04:39이처럼 기존 CO2RR은 공정이 복잡하고 비효율적이기 때문에 이를 해결하기 위해 최근 RCC, 즉 Reactive Capture and Conversion이라는 새로운 접근법이 제안되었습니다.

04:57기존의 CO2RR은 포집, 재생, 분리 등 여러 단계를 거쳐야 하기 때문에 시스템이 복잡하고 에너지 소모가 매우 큽니다.

05:05이를 해결하기 위해서 저희는 전기화학적 포집 및 전환 시스템 ERCC를 제안했습니다.

05:15ERCC의 핵심 아이디어는 매우 간단합니다.

05:19CO2를 포집한 용액 자체를 전극에 주고 직접 공급하여 하나의 단계에서 곧바로 전기화학적 전환을 수행하는 것입니다.

05:29이렇게 하면 기존 공정에서 필수적이던 아민 재생, 중탄산형 재생, 생선물 분리 단계가 모두 생략되며 에너지 요구량을 크게 줄일 수 있습니다.

05:45하지만 이 방식에도 한 가지 중요한 병목 현상이 존재합니다.

05:49반응이 진행될수록 전극 근처에서 CO2 농도가 점점 고갈되고, 대신에 CO와 H2가 축적되어 반응 효율이 감소한다는 점입니다.

06:03따라서 이러한 방병목 현상을 어떻게 극복하느냐가 ERCC 개념의 효율 향상을 위한 핵심 과제가 됩니다.

06:11기존의 CO2 아라 시스템은 CO2 포집 이후에도 재생, 압축, 가스 분리, 순도 조정 등 여러 단계가 필요합니다.

06:24이 과정에서 상당한 에너지가 소모되며 공정구조도 복잡해집니다.

06:30반면 ERCC는 포집된 CO2 용액을 전극에 바로 공급함으로 단 한 개의 전기화학적 전환 반응으로 CO2 전환이 가능합니다.

06:46이로 인해 전체 시스템의 구조가 단순해지고, 에너지 소비 또한 기존 CO2 아라 대비 약 30-45% 정도 절감됩니다.

06:56즉, ERCC는 단순히 실험적인 아이디어가 아니라 실제 산업적 관점에서도 탄소 전환 공정의 에너지 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술적인 대안입니다.

07:14이제 이러한 ERCC 시스템의 성능을 좌우하는 핵심 반응 인자에 대해 설명해드리겠습니다.

07:22특히 저희는 앞서 언급한 병목현상, 즉 전극 표면 근처에서의 CO2 농도 저하 문제를 극복하기 위해 여러가지 운전 변수들을 분석했습니다.

07:36그 결과 반응 효율에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 바로 압력, pressure 이라는 점을 확인했습니다.

07:45이제 다음 슬라이드에서 압력의 효과에 대해 구체적으로 설명해드리겠습니다.

07:53저희는 CO2 전환 효율의 근본적인 원인을 전극 근처의 CO2 농도 감소로 보았습니다.

08:04기존 연구들에서도 반응이 진행될수록 총매 표면의 CO2가 소모되고,

08:10그 결과 CO2의 전환 효율이 급격히 떨어진다는 보고가 있었습니다.

08:16이를 해결하기 위해 고압 조건을 적용했습니다.

08:19압력을 높이면 용액 내의 용존 CO2 농도가 증가하게 되고,

08:27전극 근처의 CO2 공급이 훨씬 안정적으로 유지가 됩니다.

08:32이로 인해 CO 선택도, 패러디 Efficiency of CO가 눈에 띄게 향상됩니다.

08:38물론 반응이 진행되면서 CO와 H2가 함께 생성되어 곡소적인 CO2 분압이 다소 낮아지기도 하지만,

08:49전체 압력이 이를 충분히 상세해주기 때문에 결국 전극 주변의 CO2 가용성이 유지됩니다.

08:57즉, 고압 운전은 ERCC 시스템의 가장 근본적인 한계인 CO2 고갈 문제를 해완화할 수 있는 핵심 전략이라고 할 수 있습니다.

09:10고압 조건의 장점은 반응 효율 향상 뿐만 아니라 시스템 전체의 에너지 효율 개선에도 있습니다.

09:22CO2, CO, H2와 같은 기체들이 저압에서 생성될 경우,

09:28이들을 후속 공정에서 사용하거나 저장하려면 추가적인 기체 압축이 필요합니다.

09:34하지만 고압 상태에서 바로 생성되면 이미 충분한 압력 포텐셜을 갖고 있기 때문에 별도의 압축 과정이 거의 필요하지 않습니다.

09:48따라서 전해조 수준에서는 반응 효율 향상, 시스템 수준에서는 압축 에너지 절감이라는 두 가지 이점을 동시에 얻을 수 있습니다.

09:59즉, 고압 ERCC는 단순히 반응 조건의 조정이 아니라 공정 전체의 에너지 흐름을 효율화하는 핵심 설계 요소로 볼 수 있습니다.

10:15지금까지 ERCC 개념에서 주요 인자에 대해 설명드렸습니다.

10:20이제부터는 실제로 수행한 실험 결과와 그 분석을 통해서 이러한 개념이 실제로 어떻게 작동하는지, 그리고 어떤 성능 향상을 가져오는지를 자세하게 보여드리겠습니다.

10:37앞서 설명드린 것처럼 고압 조건이 총매 표면 근처의 CO2 농도를 유지시키는 핵심 역할을 한다는 메커니즘을 제시했습니다.

10:54이번에는 그 개념을 실제로 실험을 통해 검증한 결과를 소개해드리겠습니다.

11:00이 슬라이드는 실험실 규모 ERCC 시스템에서 고압 검증 실험 결과를 나타냅니다.

11:10먼저 실험 조건을 간단히 말씀드리면,

11:14CO2를 포집한 알칼리성 용액을 전극적으로 직접 주입하여 압력 조건만을 변화시키며 CO 전환 반응을 진행하였습니다.

11:24그 결과, 압력이 증가될수록 패러데이 퓨션시 오브 CO, 이 CO의 선택도가 뚜렷하게 상승하는 경향을 보였습니다.

11:37이 현상은 매우 중요한 의미를 가집니다.

11:40기존의 CO2 아랫 시스템에서는 반응이 진행될수록 전극 표면 근처의 CO2가 소모되어 CO2 농도가 급격히 낮아지고,

11:52이에 따라 반응 효율이 떨어지는 것이 일반적입니다.

11:55하지만 저희의 ERCC 시스템에서는 고압이 용존 CO2 농도를 높여주기 때문에,

12:08총매 근처에서 항상 충분한 CO2가 공급될 수 있었던 것입니다.

12:15즉, 고압 운전이 실제로 전극 표면의 반응 환경을 안정화시키고,

12:20그 결과 CO 생성 효율을 직접적으로 향상시킨다는 사실을 실험적으로 입증했습니다.

12:30이 결과는 이후의 파일럿 규모의 연구로 이어지는 중요한 기초 데이터로 활용되었습니다.

12:37실험 시 수준에서 개념 검증을 마친 후,

12:45저희는 이를 실제 산업 공정에 가까운 파일럿 규모 시스템으로 확장했습니다.

12:53이 단계에서는 단순히 반응 효율만이 아니라,

12:56시스템 안정성, 순환구조, 압력 제어, 가스 리퀴드, 분리 효율 등을

13:03공정 전반의 운전 특성을 함께 검토하였습니다.

13:10왼쪽 사진은 현재 운전 중인 파일럿 ERCC 시스템의 실제 모습입니다.

13:17전체 장치는 대략 1.5m 높이의 규모로 모듈형 구조로 설계되었으며,

13:24왼쪽에는 캐슬라이트 순환이 개통하고,

13:27오른쪽에는 에널라이트 순환이 되도록 배치하였습니다.

13:31조금 더 자세하게 설명드리면,

13:36먼저 1번 탱크 쪽에는 35%의 TEOH 용액이 저장되어 있습니다.

13:44이 용액은 CO2를 포집한 후에 2번 펌프를 통해서 셀 모듈 5번으로 주입됩니다.

13:52셀 내부에서는 전기화학적 반응이 일어나며,

13:56CO와 H2 등의 생산물이 발생합니다.

13:58이때 발생하는 혼합물은 기체와 액체가 서로 섞인 상태로 나오기 때문에,

14:07이를 기액분리기, 세프가스 리킬을 세퍼레이터 6번으로 보내어,

14:12두 상을 분리합니다.

14:16분리된 기체는 가스 크로마토 그래피 GC 장비로 전달되어,

14:21실시간으로 생산물의 농도와 조성을 분석합니다.

14:25한편, 에놀라이트 쪽에서는 일물 농도의 KOH 용액이 3번과 4번 탱크 사이를 순환하며,

14:35전 전류 균형을 유지하고 있고,

14:37반응 중 생성도 발생되는 이온 교환을 안정화시킵니다.

14:41오른쪽 블럭 다이어그램은 이러한 전체 시스템의 순환 구조를 단순화하여 표현한 것입니다.

14:53CO2가 포집, 주입, 전환, 분리, 분석까지의 하나의 페르프 안에서 연속적으로 이루어지는 구조입니다.

15:00이 구성은 이후 고압 조건 실험과 장시간 운전 실험을 가능하게 해주었습니다.

15:10이제 파일럿 규모에서의 압력 효과 실험 결과를 보시겠습니다.

15:14앞서 실험실 단계에서 이미 압력이 CO 선택도를 높인다는 것을 확인했지만,

15:22파일럿 규모에서는 훨씬 더 복잡한 변수들이 존재하기 때문에,

15:27그 효과를 다시 정량적으로 검증할 필요가 있었습니다.

15:30그래프에서 보시다시피, 압력이 1바에서 4바로 증가함에 따라,

15:37패러데이피션시 오브 CO가 점진적으로 상승했습니다.

15:42이는 매우 일관된 추세로 나타났으며,

15:45CO2 용유도 증가에 따른 전극 근처 CO2 농도 향상이 주요 원인으로 분석됩니다.

15:52특히 주목할 점은 낮은 CO2 로딩 조건에서도 이러한 경향이 유지되었다는 것입니다.

16:00즉, 요행 내의 CO2 농도가 제한적인 상황 속에서도,

16:05압력 상승이 질량 전달을 향상시켜서 전국에 더 많은 CO2를 공급한 것입니다.

16:13이를 통해 저희는 단순히 반응 효율의 상승 뿐만 아니라,

16:17공정 전반의 반응 안정성을 확보하기 위한 운전 변수로서 압력의 중요성을 확인할 수 있었습니다.

16:25결국 이 실험은 앞서 제시했던 고압 설계의 타당성을 파일럿 수준에서도 실어실증적으로 입증한 결과라고 할 수 있습니다.

16:39다음으로 십바 조건에서 페루프 형태로 운전원 RCC 시스템의 결과를 보여드리겠습니다.

16:50이 실험에서는 단순히 압력을 높이는 것에 그치지 않고,

16:54촉매 종류에 따른 반응 특성의 차이도 함께 조사했습니다.

16:59수용액 기반의 RCC 시스템에서는 촉매의 전자전달 능력과 표면 친화도에 따라서 CO2의 환원 경로가 크게 달라집니다.

17:13그래서 동일한 압력 조건에서도 촉매마다 생성물의 분포와 효율이 달라집니다.

17:19결과적으로 저희는 촉매의 물리, 화학적 특성에 따라 반응 선택성과 효율이 명확히 달라진다는 점을 확인했습니다.

17:30이는 단순히 고압 조건이 효율을 높이는 데 그치는 것이 아니라,

17:36적절한 촉매와의 초압을 통해 시너지를 극대화할 수 있다는 가능성을 보여줍니다.

17:42이 슬라이드는 ERCC 시스템의 7셀 면적을 확대한 실험 결과입니다.

17:51즉, 연구의 스케일업 단계라고 할 수 있습니다.

17:55기존 5제곱 스퀘어의 셀은 실험실 수준에서 반응 특성을 파악하기에는 적절하지만,

18:05실제 파일럿 시스템에서는 더 큰 전극 면적이 필요합니다.

18:09그래서 저희는 70스케어 규모의 셀을 새롭게 설계하고,

18:15이를 기존 조건과 동일한 시스템에 연결하여 연속식 운전 실험을 진행했습니다.

18:23결과적으로 5스케어 셀은 12바에서 50%의 성능을, 70스케어에서는 10바에서 45%의 성능을 달성했습니다.

18:33면적이 14배 증가했음에도 불구하고, 효율 조화는 매우 제한적이었고,

18:40전체적으로 안정적인 성능을 유지했습니다.

18:44이는 시스템이 단순히 소형셀에서만 적동하는 개념이 아니라,

18:49고압 조건에서도 대면적 셀로 안정적인 확장이 가능하다는 점을 명확히 보여줍니다.

18:58즉, 스케일업과 효율 안정성의 두 가지 목표를 달성한 결과입니다.

19:06다음으로는 12시간에 걸친 연속 전기화학 운전 실험 결과입니다.

19:12이 실험은 단순히 반응 효율을 측정하는 것이 아니라,

19:16시스템의 장시간 운전 안정성을 평가하기 위해 설계되었습니다.

19:20초기 약 2시간 30분 동안은 오버 조건에서 반응을 진행했습니다.

19:29이 구간에서는 전류 밀도, 셀을 전압, 패러드 이피션시 오브 CO 등이 모두 안정적으로 유지되었습니다.

19:35그 후 CO2를 점진적으로 주입하여 압력을 십박까지 상승시켰습니다.

19:44압력이 올라가면서 전국 주변의 CO2 농도가 증가했고,

19:48질량 전달 제한이 완화되면서 반응 속도가 향상되었습니다.

19:55그 결과 패러드 이피션시 오브 CO가 47.71%를 달성했습니다.

19:59이 실험은 단시간의 효율만이 아니라,

20:04장시간 운전에서도 전기화학적 반응이 안정적으로 유지될 수 있음을 보여주는 결정적인 근거가 되었습니다.

20:13즉, ERCC 시스템이 산업안전의 연속 공정운전이 가능한 단계에 도달했다는 의미입니다.

20:19결론적으로 저희는 70 스퀘어셀을 이용한 10바 연속 운전 실험을 통해,

20:27장시간 안정성과 성능 제한성을 모두 확보했습니다.

20:32이 실험 결과는 ERCC 기술이 단순한 실험식 개념을 넘어,

20:38파일럿 규모에서도 안정적인 공정을 운영할 수 있다는 가능성을 명확히 보여줍니다.

20:43앞으로의 시스템 개발 방향과 성능 향상 계획에 대해 말씀드리겠습니다.

20:51저희의 첫 번째 목표는 운전 압력을 현재 10바에서 최대 30바까지 확장하는 것입니다.

20:58두 번째 목표는 셀 면적을 140 스퀘어로 확장하는 것입니다.

21:03이를 위해 70 스퀘어 셀 두 개를 병률로 쌓은 듀얼 셀 구조를 설계 중입니다.

21:07세 번째 구조는, 세 번째 목표는 총매의 내구성을 평가하는 것입니다.

21:16현재 사용적인 AG 총매는 CO 선택도의 높은 성능을 보이지만,

21:20장시간 고압 운전에서는 표면 재배율이나 산화로 인해 효율이 서서히 저하될 수 있습니다.

21:29마지막 네 번째 목표는 멘브레인 최적화입니다.

21:32현재 CM과 BPM을 각각 실험 중인데,

21:34CM은 낮은 전압으로 구동이 가능하지만,

21:38CO 선택도가 낮고, BPM은 선택도가 높지만,

21:41더 높은 전압이 필요하다는 트리드 오프가 있습니다.

21:47이상으로 저희 연구 내용을 모두 소개해드렸습니다.

21:50이상으로 제 발표를 마치겠습니다.

21:53경청해주셔서 진심으로 감사합니다.

21:55감사합니다.

21:56감사합니다.

251102_신재생에너지_이정연_최종

카테고리

트랜스크립트

첫 번째로 댓글을 남겨보세요

추천