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수소에너지

친환경 에너지 수소

지구온난화 가속화를 완화하기 위해서는 화석연료를 대체할 수 있는 친환경적이고 지속 가능한 대체에너지원을 개발하는 것이 필수적입니다. 현재까지 개발된 대체에너지원 중 수소에너지는 화석연료와는 달리 연소 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경 에너지이며, 지속가능한 자원으로써의 잠재력을 가지고 있기 때문에 전 세계 에너지 관련 전문가들에 의해 높이 평가받는 추세입니다.

수소 생산기술과 미래

대표적으로 알려진 수소 생산기술은 크게 그레이수소, 블루수소, 블랙수소, 그린수소 등으로 분류할 수 있습니다. 하지만 이러한 수소 생산 기술은 수소를 추출하는 과정에서 대량의 이산화탄소를 발생시키거나 이산화탄소를 배출하지 않더라도 생산 비용이 높고, 대량 생산에 어려움이 있다는 한계점을 가집니다. 이에 대한 대안으로 최근 천연수소에 대한 관심이 커지고 있습니다.

< from Science Magazine >

천연수소의 생산성 평가 연구

자연적인 메커니즘에 의해 발생하는 천연수소를 백색수소 또는 골드수소라 칭하며, 지질학적 메커니즘과 미생물학적 메커니즘 등 다양한 자연적인 기작에 의해 발생하는 수소가 존재합니다. 천연수소는 물-암석 반응 중 사문암화작용(Serpentinization)에 의해 생성되는 것으로 알려져 있으며, 사문암화작용이란 고철질 내지 초고철질암석이 물과 반응할때, 암석 내 철을 함유하는 광물 중 감람석(olivine)이나 휘석(pyroxene)이 물과 반응하여 사문석이라는 2차 광물을 침전시키는 것을 의미합니다. 그 과정에서 수소가 생성되는 주요 기작은 감람석이나 휘석 내부에 존재하는 Fe2+ 성분과 물(H2O)의 산화환원반응인 것으로 알려져 있습니다.

따라서 와이블은 인위적으로 개발하는 기존의 수소 생산기술과는 달리 자연적으로 발생하는 메커니즘을 활용하여 수소가스의 부존 가능성 또는 생산 가능성을 평가하는 연구를 수행하고 있습니다.

대기중 CO2 배출량 저감을 위한 CO2 지중저장 기술

CO2지중저장이란?

CO2지중저장(CO2 capture and storage, CCS)은 지구온난화의 주범 중 하나인 CO2를 반영구적으로 심부 지중에 저장하는 기술입니다. CO2지중저장은 산업 공정에서 포집된 CO2를 대량의 온실가스 저장이 가능하면서 누출되지 않는 특성을 가지고 있는 지하 암석층에 주입하여 대기권으로부터 CO2를 반영구적으로 제거할 수 있는 기술입니다.

< Ali et al., 2022 >

파리기후변화협약이 체결되면서 대부분의 국가는 온실가스 감축의 주요 수단으로 CO2지중저장 기술(CO2 capture and storage, CCS)을 채택해 연구하고 있습니다. 세계적으로 43개의 대규모 CCS 프로젝트가 진행되고 있으며(2018년기준), 이 중 23개의 프로젝트는 운영, 건설단계에 있습니다. 대규모 저장의 경우 해양 지중저장이 활발하게 추진되고 있는데, 노르웨이와 호주는 이미 세계 최대 규모의 해양 CCS프로젝트를 운영하고 있으며 미국과 일본 등도 해양 지중저장 프로젝트를 준비하고 있습니다.

우리나라는 2008년부터 CO2지중저장에 적당한 부지를 찾기 시작해 중소규모의 실증사업을 수행해왔고 실증사업은 지중저장을 위한 주입, 모니터링 등 관련 기술의 자립화와 기술성실증을 통해 2030년 온실가스감축 목표에 기여할 수 있는 상용화기반 확보를 목표로 하고 있습니다.

CO2 물-암석간 지화학적 반응 연구

CO2는 일반적으로 지하 800m 이상의 심부에 주입되어 저장되며, 이러한 심부의 온도, 압력 조건에서 CO2는 초임계 상으로 존재합니다. 초임계 CO2는 물보다 밀도가 낮아 높은 부력을 가지고 있기 때문에 이산화탄소 중 일부는 최상층으로 이동하여, 봉인 역할을 하는 불투과성의 암석인 덮개암에 의해 격리됩니다. 주입된 CO2의 일부는 지하수에서 천천히 용해되어 영구적으로 저장될 것이며, 다른 일부는 기공 속에 잔류물로 갇히게됩니다.

CO2지중저장에서 최종 과정은 용해된 CO2가 저장 부지의 암석과 반응하여 탄산염 광물의 형태로 저장되는 것입니다. 이러한 광물 형태의 CO2저장이 가장 안정적인 형태로 간주되며, 저장 부지를 구성하는 암석의 광물조성에 따라 진행 속도와 양상이 크게 차이나게 됩니다. 따라서 CO2지중저장소 내 암석을 대상으로 한 CO2 물-암석간 지화학적 반응에 대한 연구는 성공적인 CO2지중저장을 위해 필수적으로 수행되어야 합니다.

EICP 기술을 이용한 기밀성 향상 연구

공적인 CO2지중저장을 위해서는 저장암에 주입된 CO2가 장기간 누출되지 않아야 합니다. 하지만 CO2 주입을 위한 관정 시멘트에 미세균열이 존재할 경우, 주입된 CO2가 균열을 통해 누출될 위험성이 있습니다. 현재 균열을 밀봉하기 위한 여러 그라우팅 공법이 존재하지만, 미세균열과 같이 작은 스케일에서는 높은 점성으로 인해 적용이 어렵다는 한계를 가집니다. 이에 대한 대안으로 낮은 점성을 가지는 요소분해효소를 이용한 탄산칼슘 침전(Enzyme Induced Calcium carbonate Precipitation, EICP) 기술을 이용하여 미세 균열을 밀봉하는 연구가 주목받고 있습니다. EICP 기술을 CO2지중저장 환경에서 적용하기 위해 온도, 압력, pH 조건에 따른 실험을 수행하였으며, EICP 반응용액 농도에 따른 탄산칼슘 침전 효율을 검증했습니다.

최종적으로 EICP 기술을 CO2지중저장소 내 CO2누출 통로가 될 수 있는 미세균열과 같은 고투수성 매질을 밀봉하기 위한 공법으로 활용하기 위해 다양한 실내 EICP 코어 유동실험 및 현장 실증 연구를 수행하고 있습니다.