NOx와 N2O 동시저감 촉매 및 공정 기술 국내ㆍ외 특허 출원

- 한국에너지기술연구원

산업화와 개발의 여파로 발전소, 화학공정, 자동차 등에서 각종 배출된 질소산화물이 지구 환경을 위협하는 골치덩이가 된지 오래다.
산성가스인 일산화질소ㆍ이산화질소(NOx)는 산성비와 스모그의 주원인으로 천식 등 기관지계통에 악영향을 주고 동식물의 성장을 방해하며 건물 등을 부식시킨다.
또 6대 온실가스 중 하나인 아산화질소는 이산화탄소의 310배에 달하는 온실효과를 지니고 있으며, 환경 파괴의 최대 주범으로 내몰리고 있다.
질소산화물인 일산화질소ㆍ이산화질소(NOx)와 아산화질소(N2O)를 저감하기 위해 국내ㆍ외 기술 경쟁이 치열한 가운데 현재까지는 NOx와 N2O를 별개의 공정으로 각각 분리 적용해 운영되고 있으며, 대부분이 해외기술에 의존하고 있는 상황이다.

최근 한국에너지기술연구원은 산성가스와 온실가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 ‘NOx와 N2O 동시저감 촉매 및 공정’ 기술을 세계 최초로 개발, 산성가스인 일산화질소·이산화질소(NOx)를 95% 이상, 온실가스인 아산화질소(N2O)를 약 90% 저감하는데 성공했다.

하나의 반응기에서 ‘NOx와 N2O를 동시에 처리하는 촉매 및 공정기술’은 반응온도를 350℃로 낮춰 에너지 사용을 최소화 했으며, 기존에 촉매로 사용한 귀금속에 비해 4분의1에서 5분의1 가격인 구리, 철, 아연과 같은 금속성분과 함께 다른 금속산화물 또는 제올라이트와 같은 다공성 무기물을 촉매로 사용했다.
또 쉽게 분해할 수 있도록 반응을 도와주는 환원제는 공급이 용이하고 저렴한 암모니아 한 종류만 사용해 기존 공정대비 초기투자비는 50%, 운전비용은 60~70% 수준으로 떨어져 세계 시장을 선도할 수 있는 높은 경제성을 확보했다.

연구책임자인 문승현 한국에너지기술연구원 폐기물에너지연구센터 박사는 “아산화질소(N2O)와 일산화질소·이산화질소(NOx)를 저감하는 기술은 현재까지는 암모니아를 환원제로 사용하여 NOx를 먼저 저감한 다음, 500℃ 이상의 높은 온도 또는 탄화수소 환원제 사용 조건에서 N2O 저감하는 방식을 사용했다”며 “하지만 기존 방법으로 N2O 저감 시 일산화탄소 생성돼 이를 제거하는 공정이 추가적으로 필요한 상황이었다”고 말했다.
두 가지 물질을 동일한 조건(온도)에서 하나의 환원제와 하나의 촉매로 저감해야하는 문제는 NOx와 N2O 동시 저감 기술개발의 난제로 여겨졌다. 다양한 방법으로 국내외에서 개발을 시도했으나 이를 극복하지 못했다. 개발이 이뤄진 기술조차 성능과 경제성 측면에서 시장의 요구를 충족시키지 못했다.

동시저감 촉매 개발이 어려운 이유에 대해 문 박사는 “하나의 촉매가 두 가지 반응을 동시에 이루기는 쉽지 않다”며 “먼저 촉매는 제거하고자 하는 각각의 반응물질을 동일한 반응조건에서 활성화 시킬 수 있어야 한다”고 설명했다.
그러나 “대부분의 경우 반응물질을 활성화시키기 위해서는 비교적 높은 온도가 필요하며 반응온도를 낮추고자 할 경우에는 두 가지 반응물질을 동시에 활성화시키기 어려우며, 반응물질에는 제거하는 물질만 포함된 것이 아니라 수분, 산소, 이산화황 등 다른 물질들을 포함하므로 이에 대한 영향을 두 가지 반응 모두가 받지 않아야 한다”고 덧붙였다.

이런 이유로 기존에 설치된 NOx 저감 장치에 N2O 저감 장치를 추가하는 경우가 일반적이며 해외기술 의존도 역시 높아, 국내에 적용된 NOx 저감기술의 경우 약 80%, N2O의 경우 100% 해외 기술에 의존해 왔다.
그러나 이번에 새로 개발된 동시저감 촉매는 NOx를 단독으로 저감하는 기존의 상용화된 촉매와 비교해도 동등한 성능(저감률 95% 이상)을 나타내며, N2O를 단독으로 저감하기 위한 상용 촉매와 비교하여도 대등한 성능(저감률 90% 이상)을 나타내어, 가격 경쟁력도 높은 것으로 평가받고 있다.

국내 최초 5kW급 레독스 흐름 전지 개발

전 세계적으로 녹색 바람이 거세게 불면서 ‘에너지 저장’ 기술인 2차 전지가 주목받고 있다. 특히 신재생 에너지 이용 효율과 안정성을 높일 수 있으며 스마트그리드 등에도 적용 가능한 대용량 2차 전지 기술에 관심이 높아지고 있는 가운데 국내 기술진이 ‘레독스 흐름 전지 기술’을 개발, 실증에 성공했다.

한국에너지기술연구원은 대용량 2차 전지 중 매우 유력한 시스템으로 떠오르고 있는 ‘5kW급 스택’과 ‘레독스 흐름 전지 시스템’을 자체 개발해 제작했으며 실증에 성공했다고 밝혔다.
연구원에 따르면 5kW급 스택을 레독스 흐름 전지 시스템에 적용해 충·방전 시험기로 성능 시험을 한 결과 현재 세계 최고 수준의 생산 제품과 동등한 출력 성능을 보였으며 효율은 5~10%로 더 우수한 것으로 나타났다.
레독스 흐름 전지(RFB/Redox Flow Battery)는 전해질의 전기화학적인 가역반응에 의한 충전과 방전을 반복하여 에너지를 장기간 저장해 사용할 수 있는 2차 전지이다. 이론상 수명의 제약이 거의 없으며 기존 리튬 이온전지의 수명보다 10배 이상 길다. 또한 사용 시간은 저장용량에 따라 원하는 만큼 증가시킬 수 있는 전지이다.
또한 전지의 용량과 출력 특성을 각각 좌우하는 스택과 전해질 탱크가 서로 독립적으로 구성돼 있어 전지 설계가 자유로우며 설치 공간 제약도 적다.

이번에 개발된 레독스 흐름 전지 시스템은 크게 스택과 전해질 탱크로 구성한다.

전기화학반응이 일어나는 스택의 경우 상온에서 작동이 가능해 20년 이상 사용이 가능하고 활성물질로는 바나듐을 사용해 반영구적으로 사용할 수 있어 안전성과 장수명, 폐기 처리 등 전력저장용 2차 전지의 조건을 갖췄다.
연구책임자인 진창수 에너지기술연구원 변환저장소재연구센터 박사는 “이번 개발로 국내 대용량 2차 전지 연구가 본격적인 기술 개발 단계로 진입하는데 기폭제 역할을 할 것”으로 기대하며 “그 동안 입지환경이나 자연조건에 영향을 받아 출력 변동의 폭이 커서 연속 공급이 불가능했던 신재생 에너지 발전시스템의 문제를 해결하고, 전력의 안정적 공급(출력 평준화)이 가능하게 됐다”고 설명했다.

진 박사는 “이 외에도 발전소나 전력계통, 건물에 설치해 급격한 전력수요 증가에 대응할 수 있는 부하 평준화 기능, 정전이나 순간저전압을 보상하거나 억제하는 기능 등을 갖췄으며 필요에 따라 자유롭게 조합할 수 있어 대규모 에너지저장에 적합한 시스템”이라고 덧붙였다.
레독스 흐름 전지는 스택 성능에 큰 영향을 주는 ‘매니폴드ㆍ유로설계’ 기술은 스택 제조 공정의 핵심 기술 중 하나로 활성 물질이 전극에서 반응이 잘 일어나도록 만드는 기술이다. 스택 출력 및 효율 특성이 결정되며 스택 제조의 핵심 기술 확보라는 측면에서 큰 의의를 지닌다.

또한 스택을 제조할 때 각각 단위 셀의 적층 및 밀봉되는 정도가 전지 성능에 영향을 미치는데 자체 개발한 설계ㆍ제작 기술과 저가의 고분자 필름을 이용해 제조 단가를 개선, 경제성 있는 스택 제조를 위한 발판을 마련했다.
진 박사는 “연구원의 국내기술을 통해 제작된 스택을 전지 시스템에 적용한 결과, 세계 최고 수준의 연구 그룹 및 회사와 동일하거나 상회하는 결과를 이뤘으며 레독스 흐름 전지 제조 기술이 대용량 전지 상용화 개발 촉진과 더불어 차세대 그린 에너지기술 보급과 산업 확산에 새로운 이정표가 될 것”으로 기대했다.