| 초록 |
1.분석자 서문 지속적으로 증가하고 있는 대기 중 이산화탄소로 인하여 세계적인 이상기후 현상이 발생하는 등 많은 문제들이 야기되고 있다. 이러한 상황에서 최근 10여 년간 이산화탄소의 전기화학적 전환에 대한 연구가 매우 활발하게 진행되어왔다. 특히 단순한 이산화탄소의 저감뿐만 아니라 이산화탄소를 액체 생산물로 전환함으로써 태양광, 바람 등을 에너지원으로 하여 전기를 생산하는 신재생에너지에서의 에너지 공급 불안정성을 해소할 수 있는 Power to liquid(P2L) 기술로의 확대도 가능하다는 점에서 많은 각광을 받고 있다. 하지만 지난 10여 년간의 활발한 연구 활동에도 불구하고 아직까지 소규모 연구에서의 결과들만 도출되고 있는 상황이며 실제 상업화나 더 큰 스케일의 연구를 진행하기에는 아직 많은 어려움이 있다. 더욱이 이들을 위한 기술경제성 분석 및 평가도 미흡한 상태이다. 본 논문에서는 이산화탄소의 액체 생산물로의 전기화학적 전환에 대한 반응 경로에 따른 기술경제성 분석을 진행하였으며 이산화탄소 전기화학적 전환 공정의 상업화를 위해 앞으로의 연구 방향을 제시하고자 하였다. 또한 이러한 결과들은 해당 연구 분야에 있어 우선순위를 정하는 데에도 많은 도움이 될 것으로 기대된다. 2. 목차 1. 개요 2. 이산화탄소의 디젤연료로의 전환(CO2-CO-FTL) 3. 이산화탄소의 에탄올로의 전환 3.1. Direct 전환(CO2-C2H5OH) 3.2. Indirect 전환(CO2-CO-C2H5OH) 4. 이산화탄소의 포름산으로의 전환(CO2-HCOOH) 5. 분석자 결론 많은 문제를 야기하고 있는 이산화탄소의 저감 및 활용 기술로서 이의 액체 생성물로의 전환이 각광을 받고 있다. 본 기술과 관련된 최근의 연구 결과들을 보면 주로 과전압이 낮고 선택성이 높은 전기화학 촉매 개발에만 치중되어 있는 상황이다. 본 논문에서는 해당 기술을 이용하여 전환되는 최종생성물에 따른 기술경제성 분석을 진행함으로써 한계 및 경제성을 알아보고자 하였다. 앞서 기술한 바와 같이 이산화탄소의 전환 기술을 이용하여 얻을 수 있는 최종생성물은 디젤연료, 에탄올, 포름산 등이 있으며, 현재로서는 포름산으로의 전환이 가장 경제성이 좋은 것으로 생각된다. 각 생성물별 기술경제성 분석 결과 전해 시스템과 관련 없는 capital cost와 셀 전압 등은 생성물 가격에 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 전해 시스템의 구동 조건에 있어 전류밀도, 전극 면적당 비용 그리고 경우에 따라서는 FE가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 이러한 결론을 기반으로 판단하였을 때, 구동 전류밀도와 전극 면적당 전해 시스템 비용을 절감하는 것이 경제성 확보를 위해서 가장 중요할 것으로 여겨진다. 이를 위해서 생성물의 선택성을 높이는 것도 중요하지만 과전압이 높더라도 전류밀도를 향상시킬 수 있는 연구 방향으로 먼저 진행될 필요가 있다고 생각된다. 특히 촉매를 개발하는 데 있어서 전류밀도를 고려하지 않는 경우가 많이 있는데 상기와 같은 관점에서 이는 지양할 필요가 있다. 하지만 이러한 전류밀도 역시 최적 조건을 고려할 필요가 있으며, 적정 수준(200~600 mA/cm2)에 도달한 상황에서는 과전압을 낮추려는 시도가 적절하다고 판단된다. 또한 선택성의 향상을 위한 하나의 방안으로는 다른 이종 금속과의 합금, 구조 제어를 통해 이산화탄소의 흡착 에너지 및 모드를 변형시킬 수 있는 새로운 촉매의 개발을 통해 전해 시스템의 비용을 낮출 수 있을 것으로 생각된다. 이와는 별개로 해당 시스템은 많은 양의 전기에너지를 요구하게 되는데, 이를 위한 대체에너지의 개발도 반드시 필요하며, 전극 촉매 이외의 다른 구성요소 및 시스템 기반 연구도 이루어질 필요가 있다고 여겨진다. 이와 같이 이산화탄소의 액체 생성물로의 전환은 아직 초기 단계로 많은 한계를 보여주고 있지만 아직 많은 개선 가능성이 있고 P2L 기술로서 신재생에너지의 공급 불균형 해소를 위한 에너지 저장체 생산의 역할을 할 수도 있기 때문에 생성물에 대한 시장경제성 이외의 부분도 고려한다면 해당 기술이 자리매김할 수 있도록 지속적인 관심과 연구개발이 필요하다고 생각된다. References 1. Joshua M. Sprugeon, Bijandra Kumar, A comparative technoeconimic analysis of pathways for commercial electrochemical CO2 reduction to liquid products, Energy Environmental Science, 2018. 2. Ruud Kortlever, Jing Shen, Klaas Jan P. Schouten, Federico Calle-Vallejo, and Marc T. M. Koper, Catalysts and Reaction Pathways for the Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide, Journal of Physical Chemistry Letters, 2015. 3. Ruperto G. Mariano, Kim McKelvey, Henry S. White, Matthew W. Kanan, Selective increase in CO2 electroreduction activity at grain-boundary surface terminations, Science, 2017. 4. Mar PErez-Fortes, Evangelos Tzimas, Techno-economic and environmental evaluation of carbon dioxide utilisation for fuel production; Synthesis of methanol and formic acid, EU Publications, 2016. 5. Matthew Jouny, Wesley Luc, Feng Jiao, General techno-economic analysis of CO2 electrolysis system, Industrial Engineering Chemistry Research, 2018. 6. Seunghwa Lee, Gibeom Park, Jaeyoung Lee, Importance of Ag-Cu biphasic boundaries for selective electrochemical reduction of CO2 to ethanol, ACS Catalysis, 2017. 7. Byoungsu Kim, Febrian Hillman, Miho Ariyoshi, Shigenori Fujikawa, Paul J. A. Kennis, Effect of composition of the micro porous layer and the substrate on performance in the electrochemical reduction of CO2 to CO, Journal of Power Sources, 2016. ※ 이 자료의 분석은 MPI-CEC의 신동윤님께서 수고해주셨습니다. |
