도로 위의 탄소포집

엔지니어링 우수성


  • 2010년 아람코의 한 연구팀이 이동식탄소포집이라는 혁신적인 아이디어 도출
  • 1년의 개발을 거쳐 탄소포집시스템을 포드 F-250 픽업트럭에 성공적으로 적용
  • 아람코는 대형트럭 및 선박용 이동식탄소포집을 위한 초기 연구개발 진행 중

마샬 카세더 |

항공 및 대형 육∙해상 수송은 전 세계 이산화탄소 배출의 많은 부분을 차지하며, 이들 부문의 탈탄소화를 위한 기술은 여전히 개발 초기 실증단계에 머물러 있다. 이들 부문의 높은 에너지 요구량은 탈탄소화 도전과제를 더욱 복잡하게 만든다.

아람코 연구개발센터의 연구원과 과학자들은 오늘날의 가장 시급한 도전과제를 해결할 보다 지속가능한 솔루션을 찾기 위해 최선을 다하고 있다. 때로는 가장 단순한 개념에서 가장 유망하고 혁신적인 아이디어가 탄생한다.

이동식탄소포집이 그러한 혁신 중 하나이다.

수수께끼 풀기

이동식탄소포집의 아이디어는 간단한다. 이산화탄소가 대기로 유입되기 전에 가능한 한 많은 이산화탄소를 차량 배기흐름에서 직접 포집하는 것이다. 이러한 접근방식을 적절하게 적용하고 관리하면 탄소배출을 줄일 수 있고, 배출 감축이 어려운 대형 육∙해상 수송에 매력적인 솔루션이 될 수 있다.

정말 훌륭한 아이디어이다. 하지만 실행할 수 있을까?

아람코 연구원들은 이 질문에 답하기 위해 상당 기간 노력해왔다.

10여 년 전 이동식탄소포집이라는 아이디어를 처음 생각해 낸 사람은 아람코 선임 연구컨설턴트 에삼 하마드 (Esam Hamad) 박사였다. 아이디어가 떠오른 직후 하마드 박사는 이동식탄소포집 개념의 대략적인 스케치를 상사에게 제안했다.

“그 아이디어가 마음에 드셨던 것 같아요.”라고 하마드 박사가 말했다. “‘아주 좋아. 1년 안에 할 수 있겠나?’”라고 하셨거든요.”

이러한 목표를 염두에 두고 하마드 박사 팀은 연구를 시작했다.

대형 차량∙선박 엔진에 적용되는 기술을 개발하는 것은 어려운 일이다. 하마드 박사 팀은 경량차량을 대상으로 하는 개념증명 연구개발 활동을 출발점으로 삼았다.

불과 1년 후인 2011년 팀은 프로토타입 시스템을 포드 F-250 픽업트럭에 설치하여, 차량 이동 중 이산화탄소 포집의 실현가능성을 최초로 실증했다. 2년 후에는 개선된 포집시스템을 개발하여 토요타 캠리 승용차에 설치했다. 새로운 엔지니어링 설계로 포집률을 높여, 일반 토요타 캠리 승용차에 비해 차량 배기가스에서 배출된 이산화탄소를 최대 25% 줄였다.

이 시스템은 어떻게 작동하는 것일까?

“이동식탄소포집의 아이디어는 간단하다. 이산화탄소가 대기로 유입되기 전에 가능한 한 많은 이산화탄소를 차량 배기흐름에서 직접 포집하는 것이다.”
이동식탄소포집 설명

이 혁신적인 기술은 차량에 직접 설치되며, 연소 후 발생하는 가스인 이산화탄소를 재설계된 배기시스템을 통해 배출원에서 직접 포집한다.

이 시스템은 연소 중에 엔진이 생성하는 열에 의해 구동되며, 포집된 이산화탄소는 차량에 저장된 후 주유 중에 하차되도록 설계되어 있다.

아람코가 개발한 이동식탄소포집 공정의 제1 단계는 물과 염기성 질소 화합물로 만든 용제 등의 이산화탄소 포집 매질을 배기가스 흐름에 도입하는 것이다. 배기가스가 매질과 접촉하면 이산화탄소가 자연히 매질과 결합하여 흡수된다.

이 공정을 통해 잔여 배기가스에서 일부 이산화탄소가 분리 및 제거된다. 그런 다음 이산화탄소가 저감된 배기가스가 배출되고, 포집된 이산화탄소는 포집 매질에서 분리되고 압축되어 차량 내에 저장된 후 주유시 하차된다.

그렇다면 포집된 이산화탄소로 무엇을 할 수 있을까? 포집된 이산화탄소는 산업 용도로 사용되거나 격리를 통해 땅속에 저장될 수 있다. 산업 용도에는 석유회수증진, 신소재 및 저탄소 연료 제조, 조류 재배, 온실 식물생장 향상이 포함될 수 있다. 활용이 어려운 경우에는 격리를 통해 땅속에 대량 저장할 수 있다.

향후 발전

육∙해상 운송 부문에 이동식탄소포집 기술을 적용하기 위해서는 기술 및 가치사슬의 여러 측면에서 추가적 발전을 달성해야 한다.

첫 번째 도전과제는 시스템의 크기와 무게를 최소화하여 차량이나 선박의 적재량에 미치는 영향을 최소화하는 것이다. 연구팀은 지속적인 기술 최적화를 통해 시스템이 차지하는 물리적 공간을 줄였으며, 시스템을 더 컴팩트하게 만드는 작업을 진행 중이다.

또 다른 도전과제는 비용을 절감하여 소유자와 운영자에 대한 판매 경제성을 확보하는 것이다.

이동식탄소포집 기술의 적용을 위한 중요한 도전과제는 이산화탄소를 차량 내에 포집한 후 안전하고 지속가능하게 하차하는 능력이다. 이를 위해서는 완전히 새로운 가치사슬의 구축이 필요하다. 특히 잠재적 해양 애플리케이션과 관련하여 아람코 연구팀은 주변의 탄소포집·활용·저장 (CCUS) 인프라를 활용할 수 있는 27개의 항구를 파악했다.

이산화탄소를 다시 생각하다

이동식탄소포집 또는 산업에서 사용되는 여타 포집공정을 통해 이산화탄소를 포집한 후 다음 단계는 이를 저장장소로 운반하는 것이다. 이때 파이프라인을 통해 이산화탄소를 운반할 수 있다.

아람코 수송 전문연구원 타무르 제이브드 (Tamour Javed) 박사는 “지중 저장도 물론 실현 가능하지만, 또 다른 솔루션은 이산화탄소를 유용한 제품으로 전환하는 것이다.”라고 설명한다.

탄산화 양생’이라는 공정을 통해, 포집된 이산화탄소를 콘크리트에 혼합하여 사용할 수 있다. 이 공정은 이산화탄소를 가스에서 광물로 전환하며, 이에 따라 생성된 탄소 물질인 탄산염은 건축 자재를 강화하는 역할을 한다. 또한 이산화탄소는 유용한 소재, 화학물질, 연료로 매우 다양하게 전환될 수 있다.

적절한 제품 개발과 규제 지원이 있다면 전 세계의 제조업체들은 이산화탄소를 매력적인 원재료로 인식하게 될 수 있다.


새로운 응용분야, 새로운 개발

아람코의 초기 테스트에 따르면, 이동식탄소포집 기술은 내연기관에서 발생하는 이산화탄소의 약 절반을 포집할 수 있는 잠재력이 있다.

아람코 과학자들은 육상 및 해상 수송에서 이동식탄소포집 기술을 적용하기 위해 전 세계 수송 산업 이해관계자들과 협력하고 있다. 이 기술은 육∙해상 인프라 전반에 대규모로 도입될 수 있는 가능성이 있다.

최근 이동식탄소포집 팀은 클래스 8 대형트럭에 이 기술을 적용하는 새로운 개발 단계를 시작했다. 이동식탄소포집을 또 다른 효율성 개선 기술과 결합하여 클래스 8 트럭의 이산화탄소 배출을 최소 50% 줄이는 것을 목표로 한다.


 

다수의 참여자, 하나의 돌파구

어떤 신기술이든 실험 단계를 넘어 생산을 시작하기 위해서는 적용 계획이 필요하다.

이동식탄소포집 기술에 대해서는, 시장 분석가와 화학 엔지니어부터 데이터 과학자 및 물류 전문가에 이르기까지 아람코 전문가팀이 실험실의 성공을 실험실 외부의 현실로 전환한다는 목표 하에 협력하고 있다.

타무르 박사에 따르면, 지속적인 과학 혁신과 본격적인 가치사슬 최적화가 아직 진행 중이지만 이동식탄소포집 기술은 다수의 상업수송 부문에 적용될 가능성이 있다. 이 기술이 효과적으로 구현된다면 많은 차량과 선박이 이산화탄소 배출을 줄이며 운행할 수 있다.

불과 10여 년 만에 수많은 전문가들이 이동식탄소포집을 가능성이 불투명한 아이디어에서 수송 부문 이산화탄소 감축을 위한 잠재적으로 실현 가능한 솔루션으로 변모시켰다. 더 많은 노력을 더하면 이 혁신적이고 새로운 재활용 방식을 가까운 도로에서 곧 만나볼 수 있을지도 모른다.