이산화탄소 전환 및 격리기술소개

이 책의 목적은 이산화탄소(CO2)의 넓은 영역에서 재생 가능한 합성 연료 및 화학 물질로 전환하는 일반적인 과학적, 기술적 배경을 독자들에게 제공하는 것이다. 열 촉매, 전기화학, 광촉매 및 생물학적 경로가 논의되며, 특히 지속 가능성에 중점을 두고 있다. 더 자세한 것에 관심이 있는 독자들은 본문 전체에 걸쳐 제공되고 있는 많은 리뷰들을 참조하면 된다. 이 책은 전문적인 배경이 필요 없는 방식으로 쓰여 졌다. CO2 변환 경로의 각 유형에 대해, 독자는 먼저 기본 원칙을 도입한 후 반응 메커니즘과 설계 시 고려사항에 대한 보다 설득력 있는 논의가 뒤따른다. 기술적 도전과 실질적인 실현 가능성에 대해 특별히 강조하였다.

산업혁명과 인간 대중화의 빠른 성장에 이어 대기 중 CO2의 배출은 지구 온난화의 중요한 요인이 되었다. 현재 세계 에너지 시장은 화석 연소에 주로 의존하고 있으며, 이는 CO2 배출을 크게 유발하는 낮은 에너지 전환 효율 프로세스이다. 화석 에너지에 대한 지나친 의존은 경제적, 지리적 정치적 결과를 초래한다. 동시에, 대체 가능한 재생 에너지원은 빠르게 증가하는 수요를 공급할 수 없다. 미래에는 인공 기후변화의 정확한 결과를 예측하는 것이 다소 어렵지만, 과학계에서는 CO2 배출을 제한하는 것이 매우 바람직하다는 의견의 일치가 있다.

대기 중 CO2 농도를 줄이기 위한 세 가지 주요 접근방식이 있다. 즉, CO2 배출량을 직접 감소시키는 방법, CO2 포획 및 저장 방법, 연료 및 플랫폼 화학 물질로의 전환을 통한 CO2 이용이다. 첫 번째 접근법은 주로 화석 연료의 이용 효율 개선에 기초한다. 사실, 이 방면에서 매우 중요한 진전이 이루어졌다. 그러나 이 경로를 통해 CO2 배출량을 낮추는 것은 개발도상국의 인구 증가와 높은 삶의 질로 인해 어렵다. 예를 들어 지질학적 형태에서 CO2 포획과 저장을 통한 배출량 감소는 투자비 및 운영비용 때문에 용량이 제한되어 있기 때문에 이 접근방식의 광범위한 상용화를 어렵게 한다.

그 대안은 CO2를 합성 연료와 화학 물질로 변환하여 인공 탄소 순환을 만드는 것이다. 유해한 온실 가스인 CO2는 또한 훌륭하고, 불연성이고, 부식되지 않는 탄소 원천이다. 석탄 및 천연가스 연소 발전소, 바이오가스 및 매립 가스(최대 50% CO2)의 배연가스, 암모니아 생산 및 발효와 같은 여러 산업 공정의 배출가스를 공급 망으로 보면 자원이 풍부하다. 또한 천연가스와 석유 생산 유정을 동반한 많은 양의 CO2가 대기 중으로 배출된다.

CO2를 연료와 화학물질로 변환하려면 수소(H2)가 필요하다. 사실, 수소, 탄소, 산소는 우주에서 가장 풍부한 원소들 중 하나이고, 메탄(CH4), 물(H2O), 이산화탄소(CO2)와 같은 원소들로 구성된 단순한 분자들이다. 지구에는 CO2를 위한 H2의 공급원으로 사용될 수 있는 많은 물이 있다. 그러나 H2O에서 H2의 발생은 많은 에너지를 필요로 한다. 만약, 이 에너지가 재생 가능한 에너지원을 이용하여 제공될 수 있다면, 그러한 과정은 CO2에서 재생 가능한 합성 연료를 생산하는 통로를 만들 것이다.

분명히, 이러한 접근법은 탄소 기반 연료와 화학물질을 위한 대체적이고 재생 가능한 공급원을 제공함으로써 온실 가스 배출과 화석 연료 소비를 줄일 수 있기 때문에 매력적이다. 그러나 CO2는 고도로 산화되고 안정적인 분자이며, 전환하려면 상당한 에너지 투자가 필요하며, 이로 인해 전체 공정 연결이 지속 가능하지 않게 될 수 있다. 또한, 재생 가능한 CO2 전환 공정은 높은 자본 투자를 필요로 하는 재생 가능한 에너지원에 의존해야 한다. 따라서 CO2를 연료 및 화학 물질로 전환하기 위한 진정으로 취약한 경로를 인식하는 것이 매우 중요하다. 기술-경제적 평가와 결합된 CO2 전환 메커니즘의 근본적인 이해에 기초한 중요한 평가가 필요하다.

제1장 서론 |1

1.1 기후 변화와 지구 온난화: 의미와 중요성 1

1.2. 완화와 적응 2

1.3. 세계적인 CO2 완화에 대한 전략 3

1.4. 저장에서 활용으로의 전환 4

1.5. 이 책의 내용과 구성 5



제2장 이산화탄소의 열 촉매에 의한 전환 |7

2.1. 동기 부여 및 일반 배경 8

2.2. 전환 경로 및 주요 과제 10

2.3. 촉매 비활성화 12

2.4. 반응기 및 시스템 설계 21

2.5. 메탄 건식 개질 25

2.6. CO2 수소화 반응을 통한 메탄올 합성 27

2.7. 역 수성가스 전환 반응 29

2.8. Sabatier 반응, 동력에서 가스로 및 재생 가능한 천연가스 31

2.9. 미래 전망 37

참고문헌



제3장 이산화탄소의 전기 촉매 환원 |43

3.1. CO2의 전기 화학 환원의 기초 45

3.2. 근본적인 도전 49

3.3. 전기 화학적 CO2 환원을 위한 촉매 52

3.4. 전기 화학 전지 설계 56

3.5. 메탄올 합성 58

3.6. 고체 산화물 연료 전지의 합성 가스 생산 61

3.7. 끝 맺는말 62

참고문헌

제4장 이산화탄소의 광촉매 환원 |67

4.1. 기본 원리들 68

4.2. 주요 단점들 71

4.3. CO2 전환을 위한 광촉매 이론 73

4.4. 광화학 반응기 설계 76

4.5. 운영상의 제한사항 및 실제 운영 가능성 80

참고문헌



제5장 이산화탄소의 생물학적 전환 |83

5.1. 미생물을 이용한 CO2의 생물학적 고정 85

5.2. 합성 생물학 87

5.3. 생물학적 전기 연료 88

5.4. CO2의 생물학적 수소화 92

5.5. 도전과 기회 94

참고문헌



제6장 오일 회수 증진에 이산화탄소의 사용 및

탄소에서 포집 및 격리 |99

6.1. 서론 99

6.2. 오일 회수 증진 100

6.3. 탄소 포집 및 격리 107

6.4. 앞으로의 과제들 112

6.5. 요약 113

참고문헌



제7장 가속된 탄산염을 통한 CO2 광물화 및 이용 |119

7.1. 이산화탄소의 광물화를 위한 열역학 119

7.2. 탄산화를 통한 CO2 광물화 123

7.3. 알칼리성 폐기물의 현장 외 탄산화 개선 방안 130

참고문헌

김동선