Research
전 세계 천연가스의 수요 증가로 인해 효율적인 천연가스의 저장 및 운송 기술이 필요한 실정이며, 천연가스 액화 및 압축 기술이 사용되고 있으나 각각 극저온의 액화조건, 초고압의 압축조건으로 인해 중소규모 가스 저장 및 운송에는 많은 에너지를 필요로 한다. 이에 가스 하이드레이트는 동공 내 높은 가스 저장량을 가지며, 물 기반의 소재이기 때문에 에너지 가스를 저장하기 위한 친환경적, 차세대 매체로써 각광받고 있다. 특히 메탄 하이드레이트의 경우, 하이드레이트 단위 부피당 최대 170배에 해당하는 메탄가스를 저장할 수 있다. 이러한 가스 하이드레이트의 형성 조건을 완화하기 위해 열역학적 촉진제(Thermodynamic Promoter)를 도입하게되면 촉진제의 동공 점유로 인해 이론적 최대 가스 저장량이 감소하게 된다. 이를 극복하기 위해 열역학적 촉진제의 농도를 조절하여, 완화된 형성조건에서 이론적 최대 가스 저장량을 달성하고자 하는 튜닝 현상(Tuning Effect)에 대한 연구가 진행되고 있다. 또한, 실제 천연가스는 메탄, 에탄, 프로판 등의 다성분계로 이루어져 있으며, 특히 메탄은 여러 개질 공정을 통해 수소를 비롯한 유용 화학물질을 만들 수 있기 때문에, 다성분계 천연가스의 저장 및 천연가스로부터의 메탄 분리가 많은 주목을 받고 있다. 이에, 가스 하이드레이트의 동공 점유 거동을 이용해 다성분계 천연가스 저장량을 극대화시키거나, 고순도의 메탄만을 분리하는 하이드레이트 형성 프로세스를 연구하고 있다.
전 세계적인 기후변화는 온실가스 배출으로 인해 계속해서 가속화되고 있다. 이산화탄소 농도의 증가가 그 주요 원인으로 알려져 있으며, 특히 화석연료를 사용하는 화력발전소 및 산업시설에서 배출되는 다량의 이산화탄소가 이 문제를 악화시키고 있다. 화력발전소 기반 이산화탄소 저감을 위한 많은 노력이 기울여지고 있지만, 높은 에너지 비용으로 인해 이를 극복하기 위한 연구가 현재에도 진행되고 있다. 또한, 재생에너지의 일종이며 높은 메탄함량으로 인해 지속가능한 대체에너지원으로 각광받는 바이오가스 내 메탄의 고순도화(Upgrading) 및 이산화탄소 포집을 위한 연구가 진행중에 있다. 해당 연구의 일환으로, 가스 하이드레이트의 열역학적 특성을 활용하여 배가스(Flue Gas, N2 + CO2), 연료가스(Flue gas, H2 + CO2), 바이오가스(Biogas, CH4 + CO2)와 같은 혼합가스에서 이산화탄소를 분리하는 공정이 개발되고 있다. 하이드레이트 기반 이산화탄소 분리 및 포집 공정은 상대적으로 낮은 에너지 투입량으로 인해 새로운 산업 플랫폼으로서 막대한 잠재력을 가지고 있으며, 우수한 이산화탄소 포집 능력 및 선택성을 달성하기 위한 연구를 진행하고 있다.
이산화탄소 및 기타 온실가스 배출의 가속화로 인한 우려로 인해, 재생가능한 에너지원 중 수소는 여러 응용 분야에서 기존 화석연료에 대한 대안 옵션으로 각광받고 있다. 현재의 전통적 화석연료에 대한 의존도를 줄이고 지속 가능한 에너지원으로 에너지 패러다임을 전환하는 중기적 관점에서 수소-천연가스 블랜드(Hydrogen-Natural Gas Blend)가 대체 에너지원으로써 연구되고 있다. 전 세계적으로 기존 천연가스 배관망에 수소를 혼입(Hydrogen blending)하려는 시도가 지속되고 있으며 기존 천연가스 배관망과 연계한 수소의 활용을 위해서는 고압 압축 기술 대비 낮은 압력조건에서 우수한 수소 저장 능력을 가지며, 수소 저장 설비에 수소-천연가스 분리 기능을 부여할 수 있어야 한다. 이에, 수소-천연가스 블랜드 하이드레이트 시스템에서 하이드레이트 동공 내 수소 저장량을 극대화시키고 수소-천연가스의 분리능을 갖는 가스 하이드레이트에 대한 연구를 진행하고 있다.
자연계에 존재하는 메탄을 중심으로 구성된 천연가스 하이드레이트 (Natural Gas Hydrate)가 발견되어, 이를 청정 에너지원으로 활용하는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 우리나라의 경우에도 독도 인근 지역에서 상당량의 천연가스 하이드레이트가 발견되었으며, 이를 에너지 자원으로 활용할 경우 국가 에너지 안보에 기여할 수 있을 것으로 전망된다. 2006년에 도입된 천연가스 치환 기술(CO2 Swapping) 은 화력발전소에서 발생하는 배가스를 천연가스 하이드레이트 층에 주입하여 친환경적으로 천연가스 회수를 가능하게 하는 원천 기술이다. 천연가스 회수와 온실가스 저장을 동시에 실현할 수 있는 혁신성을 가지고 있으며, 이 기술들을 실제 공정에 적용하기 위한 응용 연구를 진행하고 있다.
가스 하이드레이트를 형성하기 위한 재료로써, 해수 또는 오염수를 사용하면 해수 및 오염수 속 이온이 하이드레이트 동공 밖으로 배제되는 원리를 통해 순수(純水)를 획득할 수 있다. 이러한 가스 하이드레이트 기반 해수담수화 공정은 기존 분리 막 기반 담수화 공정에 비해 비교적 간단한 공정을 거치고, 경제성 측면에서 강점을 갖는 것으로 알려져 있다. 이에, 기존 담수화 인프라에 적용할 수 있는 가스 하이드레이트 기반 하이브리드형 차세대 수 처리 공정 모사를 위한 융합연구를 진행하고 있다.
따라서, 현재 탄소에너지시스템 연구실에서는 가스 하이드레이트라는 친환경적 매체를 이용한 에너지 가스 저장 및 생산, 온실 가스 포집 및 저장, 담수화 등의 기술을 실제 공정에 적용하기 위한 응용 연구를 진행하고 있습니다. 궁극적으로 에너지 자원과 온실가스를 순환할 수 있는 시스템을 구축하고자 한다.
