1. 서 론
1.1 연구의 목적
1.2 연구의 방법 및 절차
2. 예비적 고찰
2.1 탄소 포집 장치 선행 사례 분석
2.2 연구의 방법 선정 및 근거
3. 가정용 보일러 CCUS 장치 설계
3.1 탄소 포집 장치 설계 목적
3.2 장치의 작동 개요
3.3 장치의 작동 원리
3.4 콘덴싱 보일러 사용
4. 실 험
4.1 실험 용액 선정
4.2 아크릴 부스 제작
4.3 실험 과정
5. 실험 결과
5.1 실험 결과
5.2 결과 분석
6. 결 론
1. 서 론
1.1 연구의 목적
기후 위기의 심화로 인해 전 세계적으로 탄소 감축의 필요성이 더욱 강조되고 있으며, 이에 따라 다양한 산업 부문에서 탄소 배출 저감을 위한 노력이 이루어지고 있다1). 국제에너지기구(International Energy Agency)의 2023년 조사에 따르면, 건물 부문은 전 세계 이산화탄소 배출량의 37%를 차지하는 것으로 나타났으며 특히, 2023년 서울시 조사에서는 건물이 전체 온실가스 배출량 중 69%를 차지하고, 이 중 가정 건물이 27.9%의 비율을 차지한다. 따라서 가정 부분의 탄소 배출을 저감하는 노력이 필요하다2). 건물 부문의 온실가스 배출은 건물 내 에너지 사용으로 인한 직접 배출과 에너지 공급 과정에서 발생하는 간접 배출로 구분된다. 이에 본 연구에서는 가정 건물 부문에서의 직접 배출량을 감소시키는 방안을 모색 하기 위해, 주거 건물의 이산화탄소를 효과적으로 저감할 수 있는 소규모 탄소포집 장치를 설계하고, 그 포집 성능을 실험을 통해 검증하고자 한다. 최종적으로 탄소 포집 및 활용(CCUS; Carbon Capture, Utilization, and Storage) 기술을 가정용 보일러에 적용하는 방안을 연구하고자 한다.
최근 다양한 산업 분야에서 CCUS 기술이 탄소 감축의 핵심 기술로 부상하면서 대규모 산업 시설 중심으로 연구 및 투자가 확대되고 있다3). 기존 연구가 대규모 산업 시설에 집중된 반면 본 연구에서는 대형 CCUS 장치의 경제적·기술적 한계를 극복하고, 기존 가정용 보일러 급배기통에 적용할 수 있는 실용적인 탄소 저감 솔루션을 제시함으로써, 가정 부문의 탄소 배출 저감 및 기후 변화 완화에 기여하고자 한다.
1.2 연구의 방법 및 절차
본 연구는 선행 연구 분석을 바탕으로 CCUS 기술의 포집 과정과 방식을 고려하여, 국내 주거 시설에 쉽게 설치가 가능하며, 이산화탄소 직접 배출 감소가 가능한 탄소 포집 장치를 구상하고자 한다. 이를 위해 가정용 보일러에서 배출되는 배기가스 내 이산화탄소를 선택적으로 포집할 수 있는 탄소 포집 장치를 설계하였다. 최종적으로 탄소 포집 장치의 성능을 실험을 통해 검증하고자 다음과 같은 절차를 진행하였다.
이산화탄소 포집 실험을 위한 간이 부스를 제작하고, 4가지 용액의 실험을 통해 탄소 포집 장치의 포집 방식, 포집 효율 및 적용 가능성을 분석하였으며, 기존 연구와 비교하여 주거 시설에서의 최적 적용 방안을 도출하였다. 건물 내부의 구조적 변경 없이 설치가 가능하며, 주거 시설의 이산화탄소 배출 저감에 직접적으로 기여할 수 있는 실용적인 솔루션을 제시하는 데 의의를 둔다.
2. 예비적 고찰
2.1 탄소 포집 장치 선행 사례 분석
CCUS (Carbon Capture, Utilization, and Storage)는 온실가스 배출원에서 발생하는 이산화탄소(Carbon)를 선택적으로 포집(Capture)한 후, 이를 직접 사용 혹은 전환하여 활용(Utilization) 하거나, 저장(Storage)하는 기술을 의미한다.
전 세계적으로 2050년 탄소 중립 목표를 추진 중이며, CCUS는 기후 변화 완화를 위한 필수적인 기술로 자리 잡고 있다4). CCUS 기술은 전 세계적으로 다양한 산업군에서 도입되고 있으며, 각국의 정부는 대규모 프로젝트를 통해 기술 확산을 가속화하고 있다. 예를 들어, 미국은 2017년 페트라 노바(Petra Nova) 프로젝트를 완공하며 세계 최대 규모의 이산화탄소 포집 및 저장 시설을 구축하였다5). 이 프로젝트를 통해 텍사스주 휴스턴에 위치한 석탄 화력발전소에서 연간 약 140만 톤의 이산화탄소를 포집하였으며, 이는 기존 화력발전소의 배출량을 효과적으로 저감하는 데 기여했다. 또한, 중국은 대규모 CCUS 기술 개발을 적극적으로 추진하고 있으며, 중국석유천연가스공사(CNPC) 프로젝트를 통해 총 200만 톤 이상의 이산화탄소를 포집하였다. 이는 아시아 최대 규모의 CCUS 프로젝트로 평가된다6).
국내에서도 CCUS 기술 도입이 활발히 이루어지고 있으며, 현재는 주로 석유 및 가스 기업 중심으로 추진되고 있다. 한국 정부는 CCUS 기술의 대규모 확장을 목표로 연구개발과 투자를 진행하고 있으나, 대형화가 진행될수록 비용 부담과 기술적 한계로 인해 기대되는 발전 속도를 따라가지 못하는 실정이다.
CCUS 기술의 적용 가능성을 평가하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있으며, Table 1은 선행 연구를 정리한 내용이다. Otitoju et al. (2021)7)은 탄소 포집 기술의 에너지 소비량, 비용 등 기술성·경제성을 분석하기 위해 피페라진(PZ) 용액을 활용한 세 가지 공정 실험을 진행하였다. 대규모 천연가스 복합 사이클(NGCC) 발전소에서 발생하는 이산화탄소를 효율적으로 포집하기 위한 목적으로 PZ 용액을 활용한 연소 후 탄소 포집(PCC, post-combustion carbon capture)을 연구하였고 최대 99%의 포집 성능을 평가하였다. 또한, Ros et al. (2022)8)는 액화천연가스(LNG) 연료 선박에 적용 가능한 선박 기반 탄소 포획(SBCC) 기술의 설계 및 경제성을 분석하였으며, 모노에탄올아민(MEA), 피페라진(PZ), 암모니아 용매를 평가하여 약 70 ~ 90% 탄소 포집 성능을 확인하였다. Lee et al. (2024)9)에서는 가성소다(NaOH)을 이용한 선박용 이산화탄소 포집 장치(OCCS, Onboard Carbon dioxide Capture System)를 개발하고 실증 실험을 수행하였으며, 이를 통해 가성소다의 이산화탄소 포집 성능을 분석하여 실용적인 감축 솔루션을 제시하였다. Ben Mansour et al. (2016)1)는 물리적 흡착을 이용한 탄소 포집의 산업 적용 가능성을 연구하였으며, Zeolite 13X를 이용한 실험을 진행 후 Zeolite A5와의 비교 실험을 진행한 결과, 이산화탄소의 85 ~ 95% 포집 성능을 확인하였다.
Table 1.
Preliminary research on application of carbon capture technology
| Author | Process | Method |
Capture Efficiency | Application | Scale | Cost |
| Otitoju et al. | PCC | Absorption (PZ) | 90% | Power Station | Large Scale | 125.35M$ |
| Ros et al. | SBCC | Absorption (MEA) | 70 ~ 90% | Ship | Large Scale | 119 ~ 133 €/ton |
| Lee et al. | OCCS | Absorption (NaOH) | 42.5% ~ 64.1% | Ship | Large Scale | 119 ~ 133 €/ton |
| Ben Mansour et al. | CCS |
Adsorption (Zeolite 13X) | 85 ~ 95% |
Large Scale Industry | Large Scale |
20-30% savings compared to basic adsorption method |
현재까지의 연구 및 상용화 사례를 살펴보면 건설산업에서 발생하는 이산화탄소 배출을 직접적으로 저감하는 연구는 상대적으로 부족하며, CCUS 기술 적용은 아직 초기 단계에 머물러 있다. 하지만 최근 CCUS는 건설 산업 부문에서 온실가스 배출을 효과적으로 감축할 수 있는 기술로 주목받고 있으며 적용 및 상용화에 대한 연구가 증가하고 있다.
2.2 연구의 방법 선정 및 근거
탄소 포집 기술은 포집 과정에 따라 연소 전 포집(pre-combustion capture), 연소 중 포집(oxy-fuel combustion capture), 연소 후 포집(post-combustion capture)으로 구분된다. 이 중 연소 후 포집 기술은 기존 연소 시스템을 변경하지 않고도 적용할 수 있으며, 대량의 이산화탄소를 처리할 수 있어 상용화 단계에 가장 근접한 기술로 평가되고 있다. 따라서 본 연구에서는 연소 후 포집 공정을 적용하였다. 연소 후 포집 기술은 포집 방식에 따라 흡수법(습식), 흡착법(건식), 막 분리법으로 구분된다. 그 중 흡수법(습식)은 아민계 용액을 활용하여 대량의 이산화탄소를 처리할 수 있고, 다른 방식보다 유지보수 측면에서 경제적이라는 장점이 있어 상업적 적용 사례가 많으며, 다양한 규모의 시스템에 응용이 가능하다. 국내 가정용 보일러의 운영 용이성 및 적용 가능성 등을 종합적으로 고려하여 흡수법(습식)을 선택하였으며, 포집된 이산화탄소는 회수하여 다양한 용도로 활용할 수 있도록 설계하였다.
3. 가정용 보일러 CCUS 장치 설계
3.1 탄소 포집 장치 설계 목적
한국 가정에서는 일반적으로 강제 급배기 방식의 보일러를 사용하며, 개별 보일러 시스템으로 보급되어 있다. 본 연구에서는 국내 주거 시설에서 배관을 통해 배출되는 배기가스 속 이산화탄소를 선택적으로 포집할 수 있는 모듈형 탄소 포집 장치를 설계하는 것을 목표로 한다. 설계된 장치는 기존 보일러 시스템의 구조적 변경 없이 설치 및 운영이 가능하며, 일정 주기마다 탄소 포집 필터의 교체가 용이한 구조로 설계하였다. 이를 통해 가정용 보일러에서 발생하는 직접 배출 이산화탄소를 저감하고, 포집된 탄소를 활용할 수 있는 방안을 함께 고려하여, 실질적인 탄소 저감 효과를 제공하는 것이 본 연구의 목적이다.
3.2 장치의 작동 개요
설계한 장치는 보일러의 배기 가스가 옥외로 바로 배출되지 않고, 탄소 포집 장치 안에 일정 시간 머물면서 이산화탄소를 효과적으로 포집할 수 있도록 연통 배관 사이에 연결하는 방식으로 설계되었다. 배기가스가 부스 내부에 오래 머무를수록 이산화탄소 포집 효과가 증가하므로, 가스 누설 방지를 고려하여 가스 체류 공간을 확보한 부스 형태의 구조를 적용하였다. 장치를 통해 포집된 탄소는 판매하여 탄소 포집 장치의 유지·관리 비용으로 사용하거나, 스마트팜에서 광합성 효율을 향상시키는 방식으로 적용이 가능하며 광물 탄산화 과정을 거쳐 기존 시멘트 대체 소재로 활용 가능하다. Fig. 1은 설계한 장치의 적용 위치를 나타낸 모습이다.
3.3 장치의 작동 원리
본 장치의 탄소 포집은 아민계 용액 도포 필터 형태로, 흡수법(습식)을 사용하였다. Fig. 2는 탄소 포집 장치의 내부 설계 구상도이다. 보일러의 연통 배관을 통해 배기가스가 유입된 후, 아민계 용액이 도포된 필터를 통과하면서 부스 내부에 머무르는 동안 배기가스 속 이산화탄소가 포집된다.
최종적으로, 필터를 거친 배기가스가 외부로 배출된다. 일정 기간 후 필터 교체를 진행하여 고온 재생(Heat Regeneration) 과정을 거쳐, 필터와 분리된 탄소만을 재사용하거나 저장할 수 있다. 부스 내부에 배기가스가 머물 수 있는 공간을 제공하고, 내부에 높은 압력을 유지하여 기체 흐름 속도를 낮춰, 이산화탄소가 부스 안에 충분한 시간 머물 수 있도록 한다.
3.4 콘덴싱 보일러 사용
흡수법(습식)에 기반한 탄소 포집 기술에서 최적의 포집 온도는 40 ~ 60℃로 알려져 있다. 일반 보일러의 경우 배기가스 온도가 120 ~ 180℃에 이르기 때문에, 흡수 전 냉각을 위한 별도의 열교환기 또는 냉각 장치가 필요하다. 반면, 콘덴싱 보일러의 경우 배기가스 온도가 50 ~ 80℃ 수준으로 상대적으로 낮아 포집에 적합한 온도이다. 따라서 별도의 냉각 공정 없이 도입이 가능하므로 설비를 간소화할 수 있다. 또한, 콘덴싱 보일러는 응축수 회수를 위한 구조적 특성상 연통이 일정 길이를 확보하고 있어, 포집 장치의 설치 공간 확보 측면에서도 유리하다. 폐열 회수 구조를 갖춘 콘덴싱 보일러에 본 기술을 적용할 경우, 탄소 포집 성능의 극대화가 가능할 것으로 예상된다.
4. 실 험
4.1 실험 용액 선정
흡수법(습식)에서 대표적으로 사용되는 용매는 아민 계열의 용액이다. 아민 계열 용액은 이산화탄소를 흡수한 후 가열을 통해 이를 재생할 수 있는 특성을 가지며, 이러한 특성 덕분에 이산화탄소 포집에 효과적으로 활용된다. 이 중에서도 모노에탄올아민(Monoethanolamine, MEA)은 가장 일반적으로 사용되는 1차 아민으로, 이산화탄소와의 반응속도가 빠르고 신속한 흡수가 가능하지만, 분리 과정에서 높은 에너지를 필요로 하는 단점이 있다. 이에 따라 본 연구에서는 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEA)과 비교하여 평가하고자 한다. TEA는 3차 아민으로, 흡수 속도는 상대적으로 낮지만, 낮은 재생 에너지 요구량을 가지므로 경제적 운영 측면에서 장점이 있을 것으로 기대된다.
아민 기반의 습식 흡수법은 몇 가지 한계점을 가진다. 공정 적용이 용이한 반면, 용매의 회수와 배기가스 중의 잔류 산소로 인한 산화 및 부식, 불순물로 인한 효율 저하의 문제점을 가지고 있다. 이를 보완하기 위해 가성소다(NaOH)를 첨가하여 이산화탄소 포집 효율을 향상시키는 방법이 제안된 바 있다9). 아민 용액의 또 다른 단점은 다량의 수용액을 필요로 한다는 점이다. 이에 따라, 수산화칼륨(KOH)을 대체제로 활용한 연구가 진행된 바 있다10).
이러한 배경으로, 본 연구에서는 모노에탄올아민(MEA), 트리에탄올아민(TEA), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH)을 실험 용액으로 선정하였다.
Table 2.
Characteristics of absorbents used in this study
4.2 아크릴 부스 제작
설계한 탄소 포집 장치의 성능을 검증하기 위해 밀폐형 아크릴 부스를 제작하고 이산화탄소 포집 실험을 진행하였다. Fig. 3은 실험에 사용한 아크릴 부스이다. 실험 부스는 이산화탄소 발생 공간과 배출 가스 처리 공간으로 구분하였다. 보일러가 위치하는 실내 배관의 입구와 실외로 배기가스를 배출하는 출구를 분리하여 배관을 통한 공기 유입 이외에는 두 공간이 상호 영향을 주지 않도록 제작하였다. 이산화탄소 발생 공간에 드라이아이스를 준비하고, 배관 입구에 아민계 용액 도포 필터를 부착하여, 필터를 거친 후 배관을 통해 흘러간 공기의 이산화탄소 농도를 측정할 수 있도록 하였다.
4.3 실험 과정
탄소 포집 성능을 확인하기에 앞서, 실험에 사용될 용액들의 물리적 특성과 변수를 확인하였다. 먼저, 수용액의 증발 속도를 확인하기 위해 실온에서 48시간 이상 노출한 후 변화가 없는 것을 확인하였으며 용액의 점성으로 인한 이산화탄소 포집 성능 영향을 확인하기 위해 아민계 용액과 점성이 유사한 식염수를 대조군으로 설정하였다.
실험 방법은 다음과 같다. 먼저, 배관 입구(아크릴 부스 우측)에 용액을 도포(분무 13회)한 부착한 필터를 설치한다. 이산화탄소 발생 공간에 드라이아이스 1 g를 준비하고 밀폐된 실험 부스 내에서 자연 기화되도록 하였다. 드라이아이스가 기화된 후, 약 2 ~ 5 m3/min 풍량의 탁상형 선풍기를 이용하여 배관 출구(아크릴 부스 좌측) 방향으로 공기 흐름을 유도하였다. 좌측 공간에는 이산화탄소 측정기를 설치하여 2시간 이상의 이산화탄소 ppm 변화량을 측정하였다. 한 가지 용액의 실험이 종료된 후, 부스 내부의 이산화탄소 농도를 측정하여 대기 수준과 동일한 상태가 되었을 때 다른 용액의 실험을 진행하였다. 모든 용액을 동일한 조건에서 반복 실험하고, 최종적으로 이산화탄소 ppm 수치 변화를 그래프로 정리하여 비교 분석하였다.
5. 실험 결과
5.1 실험 결과
본 연구에서는 5가지 용액을 이용하여 이산화탄소 포집 실험을 수행하였으며, 그 결과 MEA 수용액이 가장 높은 이산화탄소 포집량을 기록하였다. 특히, MEA 수용액은 시간이 경과될수록 이산화탄소 포집량이 지속적으로 증가하는 경향을 보였다. 대조군인 식염수도 같은 방법으로 점성도에 따른 이산화탄소 포집 성능을 평가했으며, 점성도가 이산화탄소 포집에 미치는 영향은 미미한 것으로 확인되었다. TEA 수용액의 경우 이산화탄소 포집량이 미미한 수준에 머물렀다.
MEA 수용액의 이산화탄소 포집 성능을 향상시키기 위해 NaOH (수산화나트륨) 및 KOH (수산화칼륨) 수용액을 혼합하여 추가 실험을 진행하였다. NaOH를 혼합한 용액에서는 초기 포집량이 일정 수준 유지되었으나, 시간이 경과될수록 효과가 점차 감소하는 경향을 보였다. 반면, KOH를 혼합한 MEA 용액은 실험 시작 후 5분 이내에 이산화탄소 포집량이 급격히 증가하였다. 이는 KOH가 이산화탄소 포집 반응을 촉진하는 역할을 수행했기 때문으로 해석된다.
Fig. 4는 실험을 통해 확인된 용액별 탄소 포집 효과를 요약한 그래프이다. 실험 시작 후 드라이아이스가 모두 기화되기까지 약 10분 동안 이산화탄소 농도가 점진적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 내부 공기 이동에 따른 변화로 분석된다. MEA 용액의 경우, 시간이 지남에 따라 지속적으로 이산화탄소 포집량이 증가하였다. 반면, MEA를 제외한 다른 용액들은 초기 포집 효과에 차이는 있었으나, 장시간 경과 후 이산화탄소 농도가 다시 증가하는 패턴을 보였다. 식염수를 기준으로 시간별 이산화탄소 감소율을 비교한 결과, 단기간 내 순간적인 포집 성능은 MEA보다 MEA + KOH 혼합 용액이 더 뛰어난 것으로 나타났다.
5.2 결과 분석
Fig. 5는 실험 결과를 종합한 결과이다. 이산화탄소의 체류 시간이 긴 환경에서는 MEA 단독 용액이 가장 효과적인 탄소 포집 성능을 보였다. 그러나 가정용 보일러의 특성을 고려할 때, 장치의 크기와 설치 공간이 제한적이므로 순간적인 포집 성능이 더욱 중요한 요소로 작용한다.
이에 따라, 본 연구의 목적에 부합하는 최적의 CCUS (Carbon Capture, Utilization, and Storage) 수용액으로는 MEA + KOH 혼합 용액이 가장 적합한 것으로 판단된다. Table 3은 실험 시작 후 15분간의 이산화탄소 수치 변화를 정리한 내용이다.
Table 3.
Carbon dioxide capture rate
| Time | MEA | TEA |
MEA 70% NaOH 30% |
MEA 70% KOH 30% |
| 5 minutes | 78.90% | 14.83% | 53.94% | 99.26% |
| 10 minutes | 93.74% | 32.12% | 49.28% | 982.55% |
| 15 minutes | 134% | 9.29% | 27.20% | 76.44% |
본 실험에서 드라이아이스를 활용하여 상온에서 진행되었으며, 이는 보일러 배기가스의 온도보다 현저히 낮은 조건이며, 실제 보일러 조건에서는 포집에 적절한 온도 범위를 갖기에 본 실험보다 더 높은 포집 효율을 기대할 수 있다. 실제 보일러 배기가스의 이산화탄소 농도는 8 ~ 12% 수준으로, 실험에서의 흡수량은 과대평가 될 수 있다. 또한, 한국가스기술공사의 주거용 가스보일러 설치 기준에 따르면 표준 온도에서 배기량 3 m3/h 이상 확보해야 하므로 탁상용 선풍기와 비슷한 풍량이지만 보일러의 배기가스는 높은 온도와 수분을 내포하여 차이를 가진다.
6. 결 론
본 연구는 주거 시설에서 배출되는 이산화탄소 저감을 위한 대책으로 CCUS (Carbon Capture, Utilization, and Storage) 기술을 적용하고, 한국형 가정용 보일러 구조를 모사한 장치의 제안을 통해 탄소 포집 성능을 분석하였다. 포집 성능 검토를 위한 실험 결과, MEA와 KOH의 혼합 수용액이 가정용 보일러 배관에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 데 가장 효과적인 흡수제로 확인되었다. 본 연구에서 제안한 장치를 가정용 보일러 시스템에 도입할 경우, 실제 주거 환경에서의 실용화 가능성이 높은 것으로 판단된다. 특히, 한국형 가정용 보일러의 연통 배관에 CCUS 기반의 탄소 포집 장치를 결합할 경우, 난방 부문에서의 탄소 배출을 효과적으로 저감할 수 있을 것으로 기대된다. 이는 한국의 탄소 배출 구조상 큰 비중을 차지하는 주거 부문의 배출량 감축을 위한 현실적 해결책으로 작용할 수 있다.
포집 장치가 실내에 설치되는 경우 가스 누설 가능성에 대한 체계적인 검증이 요구되며, 단락 구조의 배기 연통이 보일러의 기본 배기 성능에 미치는 영향 평가가 필요하다. 가스 보일러 제작 및 설계 단계에서 CCUS 기술을 사전에 반영할 경우, 안전성 확보와 더불어 이산화탄소 포집 효율의 향상이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 향후 연구에서는 실제 배기가스 온도 조건에서 흡수제의 흡수 용량과 탈거 효율 등 열적 영향 평가가 필요하며, MEA와 KOH 혼합 흡수제의 장기적 안정성과 반응 속도 최적화를 검증하기 위한 추가 실험이 수행되어 실제 주거 환경 적용을 위한 유지보수 용이성 및 내구성 평가가 병행되어야 한다.
