이산화탄소를 포집, 제거 및 재활용할 수 있는 기술에 대한 필요성은 지구 대기에 도달하는 모든 CO2 분자와 함께 더욱 강력해진다. 

 

이러한 요구를 충족하기 위해 에너지부 산하 태평양 북서부 국립 연구소의 과학자들은 탄소 포집을 보다 저렴하고 널리 보급하려는 노력에서 새로운 이정표를 세웠다. 

 

그들은 현재까지 가장 비용이 적게 드는 CO2를 효율적으로 포집하여 세계에서 가장 널리 사용되는 화학 물질 중 하나인 메탄올로 변환하는 새로운 시스템을 만들었다.

 

CO2가 대기로 떠오르기 전에 포획하는 것은 지구온난화를 늦추는 핵심요소이다. 그러나 가장 큰 배출자가 탄소 포집 기술을 채택하도록 인센티브를 만드는 것은 중요한 선구자이다. 상업용 캡처 기술의 높은 비용은 광범위한 사용에 대한 오랜 장벽이다.

 

PNNL 과학자들은 메탄올이 그러한 인센티브를 제공할 수 있다고 믿는다. 그것은 연료, 용제 및 플라스틱, 페인트, 건축 자재 및 자동차 부품의 중요한 성분으로 많이 사용된다. CO2를 메탄올과 같은 유용한 물질로 전환하는 것은 산업체가 탄소를 포획하고 용도를 ​​변경할 수 있는 경로를 제공한다.

 

신기술 연구 팀을 이끌고 있는 PNNL 화학자 David Heldebrant는 시스템을 재활용에 비유한다. 일회용품과 재활용품 중에서 선택할 수 있는 것처럼 탄소도 재활용할 수 있다.

 

Heldebrant는 "그게 본질적으로 우리가 여기서 하려는 것입니다."라고 말했다. "이러한 화학 물질을 만들기 위해 땅에서 석유를 추출하는 대신 대기 또는 석탄 발전소에서 포획한 CO2에서 이를 수행하여 유용한 것으로 재구성할 수 있도록 노력하고 있다. 말하자면 탄소를 살아 있게 하는 것이다. , 그래서 그냥 '땅에서 뽑아 한 번 쓰고 버린다'가 아니다. 우리는 유리, 알루미늄, 플라스틱과 같은 다른 것들을 재활용하려고 하는 것처럼 CO2를 재활용하려고 노력하고 있습니다."

 

Advanced Energy Materials 저널에 설명된 대로 새로운 시스템은 석탄, 가스 또는 바이오매스 화력 발전소는 물론 시멘트 가마 및 철강 공장에 적합하도록 설계되었다. PNNL에서 개발한 포집 용매를 사용하여 시스템은 CO2 분자가 방출되기 전에 이를 잡아낸 다음 유용하고 판매 가능한 물질로 변환한다.

 

긴 줄의 도미노는 탄소가 완전히 제거되거나 지구 대기에 유입되는 것을 완전히 방지하기 전에 떨어져야 한다. 이 노력을 통해 캡처 및 변환 기술을 세계로 내보내는 것은 처음 몇 가지 중요한 타일 중 일부를 나타낸다.

 

Heldebrant는 이 기술을 배치하면 배출량을 줄일 수 있다고 말했다. 그러나 그것은 또한 다른 탄소 포집 기술의 개발을 자극하고 CO2 함유 물질 시장을 확립하는 데 도움이 될 수 있다. 그러한 시장이 자리를 잡으면 예상되는 직접 공기 포집 기술에 의해 포착된 탄소는 수명이 더 긴 물질로 더 잘 재구성될 수 있다.

 

더 저렴한 탄소 포집에 대한 요구
2022년 4월 기후 변화에 관한 정부 간 패널은 기후 변화 완화에 초점을 맞춘 작업 그룹 III 보고서를 발표했다. 설명된 배출 제한 조치 중 탄소 포집 및 저장은 특히 철강 및 화학 생산과 같이 탈탄소화가 어려운 부문에서 순 제로 배출을 달성하는 데 필요한 요소로 명명되었다.

 

IPCC는 보고서의 2022년 분할 중 하나와 함께 발행된 보도 자료에서 "산업에서 배출을 줄이는 것은 재료를 보다 효율적으로 사용하고, 제품을 재사용 및 재활용하고, 폐기물을 최소화하는 것과 관련될 것"이라고 밝혔습니다. 보고서는 "사회에 필요한 탄소(예: 플라스틱, 목재, 항공 연료, 솔벤트 등)의 순 제로 CO2 배출량에 도달하기 위해서는 탄소와 이산화탄소의 사용 루프를 닫는 것이 중요합니다. 기계적 및 화학적 재활용으로 순환성을 높였습니다."

 

PNNL의 연구는 DOE의 Carbon Negative Shot과 일치하는 작업에 초점을 맞추고 있다. 변환에 재생 가능하게 공급된 수소를 사용함으로써 팀은 천연 가스를 공급 원료로 사용하는 기존 방법보다 탄소 발자국이 더 적은 메탄올을 생산할 수 있다. CO2 변환을 통해 생산된 메탄올은 탄소 감소 기술의 채택을 촉진하기 위한 정책 및 시장 인센티브에 적합할 수 있다.

 

메탄올은 부피 기준으로 현존하는 가장 많이 생산되는 화학 물질 중 하나이다. "플랫폼 소재"로 알려진 그 용도는 광범위하다. 메탄올 외에도 팀은 CO2를 포름산염(또 다른 상품 화학 물질), 메탄 및 기타 물질로 전환할 수 있다.

 

이 프로세스를 최적화하고 확장하기 위해 상당한 양의 작업이 남아 있으며 상용 배포 준비가 되려면 몇 년이 걸릴 수 있다. 그러나 PNNL의 탄소 관리 및 화석 에너지 시장 부문 매니저인 Casie Davidson은 기존의 화학 상품을 대체하는 것은 시작에 불과하다고 말했다. "팀의 통합된 접근 방식은 새로운 CO2 전환 화학의 세계를 열어줍니다. 확장 가능하고 비용 효율적인 탄소 기술이라는 완전히 새로운 분야의 문턱에 서 있다는 느낌이 듭니다. 지금은 매우 흥미로운 시기입니다."

 

부서지는 비용
DOE 분석에 따르면 상용 시스템은 CO2 미터톤당 약 $46의 연도 가스에서 탄소를 흡수합니다. PNNL 팀의 목표는 캡처 프로세스를 보다 효율적이고 경제적으로 경쟁력 있게 만들어 지속적으로 비용을 줄이는 것이다.

 

팀은 2021년에 포집 비용을 CO2 미터톤당 47.10달러로 낮췄습니다. Journal of Cleaner Production에 설명된 새로운 연구에서는 다양한 PNNL에서 개발한 포집 용매를 사용하여 메탄올 시스템을 운영하는 비용을 조사했으며 그 수치는 이제 떨어졌습니다. CO2 미터톤당 39달러 바로 아래이다.

 

평가를 이끈 화학공학자 Yuan Jiang은 "우리는 이 새로운 연구에서 3가지 CO2 결합 용매를 조사했습니다."라고 말했다. "우리는 그들이 통과하는 탄소의 90% 이상을 포집한다는 것을 발견했으며, 기존 포집 기술 비용의 약 75%로 그렇게 합니다."

 

공장이나 가마의 특성에 따라 다른 시스템을 사용할 수 있다. 그러나 설정에 관계없이 용매가 중심입니다. 이 시스템에서 솔벤트는 배출되기 전에 CO2가 풍부한 연도 가스를 씻어내어 이제 해당 액체 내에 결합된 CO2 분자를 남긴다.

 

CO2에서 메탄올을 생성하는 것은 새로운 것이 아니다. 그러나 연속적으로 흐르는 하나의 시스템에서 탄소를 포획한 다음 이를 메탄올로 변환하는 능력은 매우 뛰어나다. 캡처 및 변환은 전통적으로 각 프로세스의 고유하고 종종 보완적이지 않은 화학에 의해 분리된 두 개의 개별 단계로 발생했다.

 

"우리는 마침내 하나의 기술이 두 단계를 모두 수행할 수 있고 잘 수행할 수 있는지 확인하고 있습니다."라고 Heldebrant는 말하면서 전통적인 변환 기술에는 일반적으로 고도로 정제된 CO2가 필요하다고 덧붙였다. 새로운 시스템은 "더러운" CO2에서 메탄올을 생성하는 최초의 시스템이다.

 

미래의 배출량 감소
CO2를 포집하여 메탄올로 변환하는 과정은 CO2에 부정적이지 않다. 메탄올의 탄소는 메탄올이 더 긴 수명을 가진 물질로 전환될 때 연소되거나 격리될 때 방출된다. 그러나 이 기술은 물질 내부와 대기 외부에 결합된 탄소를 유지하는 중요한 작업을 위해 "무대를 설정"한다고 Heldebrant는 말했다.

 

다른 대상 물질로는 접착제, 코팅 및 발포 단열재에서 발견되는 폴리우레탄과 섬유 직물에 널리 사용되는 폴리에스테르가 있다. 일단 연구원들이 CO2를 기후와 관련된 시간 척도 동안 대기 밖으로 내보내는 물질로 전환시키는 화학 작용을 완성하면 광범위한 포집 시스템 웹이 그러한 반응을 실행할 준비가 될 수 있다.

 

Heldebrant는 오늘날의 굴뚝 대신 CO2 함유 제품을 현장에서 만들 수 있는 발전소 내부 또는 발전소 옆에 건설된 CO2 정제소를 구상하고 있다. Heldebrant와 그의 공동 저자는 Chemical Science 저널에 실린 최근 기사에서 "우리는 전환점에 있다. 여기서 우리는 20세기의 모놀리식 캡처 및 변환 인프라를 계속 사용할 수 있거나 새로운 21세기로의 전환을 시작할 수 있다. 통합 용매 기반 탄소 포집 및 변환 기술의 세기 패러다임."

 

이 기술은 라이선싱이 가능하다. 자세한 내용은 PNNL 상용화 관리자인 Sara Hunt에게 문의하자.

 

이 작업은 에너지부의 기술 상용화 기금, 화석 에너지 및 탄소 관리국, 남부 캘리포니아 가스의 지원을 받았다. 작업의 일부는 PNNL의 DOE Office of Science 사용자 시설인 EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory에서 수행되었다.

 

연구 보고서: 물 희박 용매로 가능해진 점오염원에서 에너지 효율적이고 저렴한 탄소 포집

관련 링크
Pacific Northwest National Laboratory
Carbon Worlds - 흑연, 다이아몬드, 비정질, 풀러렌이 만나는 곳