KAIST, 상용화 안된 이산화탄소 활용 기술을 사전 분석하고 평가하는 툴 개발
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KAIST, 상용화 안된 이산화탄소 활용 기술을 사전 분석하고 평가하는 툴 개발
  • 송윤영 기자
  • yaho1130@hanmail.net
  • 승인 2020.06.22 10:53
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KAIST 이재형 교수 연구팀, 독일 아헨공대 연구진과의 협력 연구로 성과 거둬
녹색 분야 관련 유망 신기술을 선택·집중지원이 가능한 기반을 마련
(사진제공=KAIST)(좌)이재형 교수,(우)노고산 박사
(사진제공=KAIST)(좌)이재형 교수,(우)노고산 박사

(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = 국내 연구진이 독일 전문 연구진과 협력 연구를 통해 지구온난화의 주범 기체인 이산화탄소 활용 기술을 평가하는 방법을 국제 학술지에 발표했다. 이산화탄소 활용을 위한 신기술을 개발 중인 단계에서 연구의 효율성과 경제성을 사전에 파악할 수 있기 때문에 유망 신기술 발굴에 크게 도움을 줄것으로 기대된다.

KAIST(총장 신성철)는 이재형 생명화학공학과 교수 연구팀이 아직 상용화가 안되거나 개발단계에 있는 이산화탄소 활용 기술을 사전에 분석하고 평가하는 툴(Tool)을 개발했다고 22일 밝혔다. 이번 연구는 이재형 교수 연구실 노고산 박사가 제1 저자로 참여했으며 녹색·지속가능 기술 분야 국제 학술지인 녹색 화학(Green Chemistry)’ 온라인에 지난달 21일 게재됐다. (논문명: Ealry-stage evaluation of emerging COutilization technologies at low technology readiness levels)

다양한 신흥(emerging) 녹색 기술을 연구하는 과정에서는 해당 기술이 과연 유망한 기술인지, 아닌지를 사전에 판단해 연구 인력과 예산을 집중하는 것은 매우 중요하다. 예를 들어, 해당 기술의 에너지 효율이 얼마나 높은지, 또는 향후 비용경쟁력을 확보할 수 있는지, 그리고 기술 도입이 환경에 얼마나 큰 영향을 미칠지를 사전에 분석할 수 있어야 한다. 하지만 연구개발 초기 단계에서는 관련 기술에 대한 정보력 부족으로 정확한 기술 분석이나 평가를 하기가 어렵다.

이재형 교수 연구팀이 개발한 이 툴은 상용화가 안 돼 있거나 개발단계에 있는 이산화탄소 활용 기술을 대상으로 구체적이고 세부적인 정보가 없이 일부 제한적인 정보만으로도 해당 기술의 에너지 효율과 기술 경제성, 온실가스 저감 잠재량 등을 파악할 수 있다는 게 장점이다.

이 교수팀은 특히, 이번 연구에서 기술 평가에 필요한 지표 계산이 가능하도록 해당 기술이 지니는 고유의 기술성숙도(Technology readiness level)와 다양한 이산화탄소 전환 특성 등 체계적이고 세분된 전략을 제시했다. 연구팀은 이와 함께 개발한 툴 검증을 위해 다양한 이산화탄소 활용 기술들을 대상으로 사례 연구를 수행했다고 밝혔다.

 

이번 연구는 이 교수팀과 독일 아헨공과대학교(RWTH Aachen University)에서 공정 설계와 최적화 분야 전문가로 꼽히는 알렉산더 밋소스(Alexander Mitsos) 교수, 이산화탄소 포집 및 활용 기술의 모든 과정을 평가(Life Cycle Assessment)하는 분야의 전문가인 안드레 바도우(André Bardow)교수, 그리고 분리막과 전기화학 분야 전문가인 마티아스 웨슬링(Matthias Wessling)교수 연구팀과 긴밀한 협력을 통해 이뤄졌다.

이재형 교수는 "이번 연구성과는 현재 전 세계에서 연구되고 있는 다양한 이산화탄소 활용 기술에 적용이 가능하다ˮ고 말했다. 이 교수는 이어 "아직 상용화가 안 돼 있거나 개발 중인 미성숙 기술을 대상으로 에너지 효율과 비용대비 경제성 등을 정확하게 평가할 수 있어 유망 신기술에 연구개발 인력과 비용을 집중할 수 있다라고 강조했다.

한편, 이번 연구는 한국 이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터(KCRC)의 지원을 받아 수행됐다.

그림 1. 미성숙 기술의 평가 지표 계산을 위한 3단계 분석 전략. 1단계에서는 기술과 직간접적으로 관련이 있는 정보들을 수집한다. 2단계에서는 수집된 정보를 바탕으로 기술이 향후 공정으로 개발이 되었을 때 예상이 되는 물질 수지와 에너지 소비량 등을 추산한다. 이를 바탕으로 3단계에서 기술 평가에 필요한 평가 지표를 계산한다. 대상 기술의 기술성숙도와 종류에 따라 각 단계에서의 세부적인 전략은 달라진다.
그림 1. 미성숙 기술의 평가 지표 계산을 위한 3단계 분석 전략. 1단계에서는 기술과 직간접적으로 관련이 있는 정보들을 수집한다. 2단계에서는 수집된 정보를 바탕으로 기술이 향후 공정으로 개발이 되었을 때 예상이 되는 물질 수지와 에너지 소비량 등을 추산한다. 이를 바탕으로 3단계에서 기술 평가에 필요한 평가 지표를 계산한다. 대상 기술의 기술성숙도와 종류에 따라 각 단계에서의 세부적인 전략은 달라진다.
그림 1. 미성숙 기술의 평가 지표 계산을 위한 3단계 분석 전략. 1단계에서는 기술과 직간접적으로 관련이 있는 정보들을 수집한다. 2단계에서는 수집된 정보를 바탕으로 기술이 향후 공정으로 개발이 되었을 때 예상이 되는 물질 수지와 에너지 소비량 등을 추산한다. 이를 바탕으로 3단계에서 기술 평가에 필요한 평가 지표를 계산한다. 대상 기술의 기술성숙도와 종류에 따라 각 단계에서의 세부적인 전략은 달라진다.
그림 1. 미성숙 기술의 평가 지표 계산을 위한 3단계 분석 전략. 1단계에서는 기술과 직간접적으로 관련이 있는 정보들을 수집한다. 2단계에서는 수집된 정보를 바탕으로 기술이 향후 공정으로 개발이 되었을 때 예상이 되는 물질 수지와 에너지 소비량 등을 추산한다. 이를 바탕으로 3단계에서 기술 평가에 필요한 평가 지표를 계산한다. 대상 기술의 기술성숙도와 종류에 따라 각 단계에서의 세부적인 전략은 달라진다.

□ 연구개요

1. 연구 배경
다양한 신흥(emerging) 녹색 기술들 중에서 유망한 기술을 사전에 파악하여 연구 인력과 예산을 집중하는 것은 매우 중요하다. 예를 들어, 해당 기술의 에너지 효율이 얼마나 높은 지, 향후 비용경쟁력을 확보할 수 있는지, 그리고 기술 도입이 환경에 얼마나 큰 영향을 미칠지를 사전에 분석할 수 있어야 한다. 하지만 연구개발 초기 단계에서는 기술에 대한 정보가 부족하여 정확한 기술 분석 및 평가가 어렵다. 특히, 이산화탄소 활용(CO2 utilization) 기술은 온실가스 배출량 저감과 동시에 경제적 이득을 얻을 수 있다는 점에서 주목을 받아온 기술인데, 몇몇 기술을 제외하면 아직 대부분 미성숙한 기술이다. 이전까지는 미성숙한 이산화탄소 활용 기술들의 특성을 고려한 체계적이고 구체적인 기술 분석 및 평가 방법이 전무했다.

2. 연구 내용
본 연구팀은 이산화탄소 활용 미성숙 기술을 대상으로 제한적인 정보만을 바탕으로 기술의 탄소 활용 효율, 에너지 (혹은 엑서지) 효율, 기술경제성, 온실가스 저감 잠재량, 그리고 온실가스 회피 비용을 파악하는 데에 활용 가능한 기술 분석 및 평가 방법론을 제한했다. 특히, 대상 기술 고유의 기술성숙도(Technology readiness level)와 세 가지 이산화탄소 전환 특성(열화학 전환, 전기화학 전환, 생물 전환)을 고려하여 기술 평가에 필요한 지표 계산을 위한 체계적이고 세분화된 전략을 제시한 것이 주요한 특징이다.

본 연구에서는 총 세 단계에 걸친 기술 분석 전략을 제시한다. 각 단계에서는 (1) 어떤 정보가 분석에 필요한지, (2) 해당 기술을 적용된 (가상의) 공정의 물질 수지와 에너지 소비량은 어떻게 추산할 지, (3) 그리고 어떤 지표를 기술 평가에 사용할 수 있는지에 대한 방안을 제시한다. 연구진은 특히 대상 기술의 기술성숙도와 기술 종류에 알맞은 분석 방안을 제시했다.

제한된 기술 방법론은 총 네 개의 사례 연구를 통해 검증됐다.

첫 번째 사례연구에서는 총 열 가지의 전기화학 전환 기반 화학제품 생산 기술을 대상으로 분석 및 평가를 진행했다. 각 기술이 이상적인 상황에서 예상되는 성능을 분석, 어떠한 경우에도 이산화탄소 배출량 저감이 불가능한 혹은 대체 기술보다 경쟁력이 떨어지는 기술을 파악했다.

두 번째 사례 연구에서는 전기화학 전환 기술을 통한 에틸렌 생산 기술을 분석했다. 여기서는 해당 기술이 기술성숙소 레벨 2, 3, 그리고 4에 해당한다고 가정한 뒤, 제안한 방법론을 적용하여 기술을 분석한 뒤, 레벨이 높아지면서 계산된 평가 지표가 얼마나 바뀌는지 살펴보았다. 나머지 두 사례 연구에서는 디젤을 대체할 수 있는 옥시메틸렌에테르(oxymethylene ether)라는 화학제품 생산 공정과 석탄과 혼합하여 전기 발전이 가능한 미세조류 배양 및 생산 공정을 설계하고 이들의 기술 경제성과 탄소발자국(carbon footprint)을 분석하였다.

3. 기대 효과
본 연구성과는 전 세계에서 연구되고 있는 다양한 미성숙 이산화탄소 활용 기술들을 대상으로 보다 정확한 평가 결과를 바탕으로 유망한 기술에 연구개발 인력과 비용을 집중하는 데에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

 

 


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