Use of high temperature heat pump for solvent regeneration in post-combustion carbon capture unit with liquefaction facility: Concept and thermodynamic analysis

시멘트는 현대 세계의 보이지 않는 골격이자, 도시를 지탱하는 재료입니다. 하지만 시멘트를 만드는 과정은 지구 온난화의 주요 원인이 됩니다. 시멘트를 만들기 위해 석회석을 가열할 때, 대기 중에 열을 가두는 온실가스인 이산화탄소가 막대한 양으로 방출됩니다. 이를 막기 위해 엔지니어들은 가스가 하늘로 탈출하기 전에 그 가스를 포집하는 방법들을 개발해 왔습니다. 가장 신뢰할 수 있는 방법 중 하나는 특수한 액체를 이용해 배기가스를 씻어내어 이산화탄소를 흡수하게 하는 것입니다. 그러나 이 액체는 결국 가득 차게 되어, 다시 사용할 수 있도록 세척해야 합니다. 이 세척 과정에는 공장이 여유분으로 가질 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 엄청난 양의 열이 필요합니다. 만약 공장이 액체를 세척할 충분한 열을 찾지 못한다면, 탄소 포집 시스템은 효율적으로 작동할 수 없으며, 결국 오염 문제를 해결하지 못한 채 남겨두게 됩니다.

동시에, 이산화탄소가 포집되면 일단 저장하기 위해 운송할 수 있도록 액체로 변환되어야 합니다. 이 변환 과정은 가스를 극도로 낮은 온도로 냉각시키는 것을 필요로 합니다. 이 과정에서 가스를 냉각하는 기계는 막대한 양의 폐열을 발생시키는데, 이 열은 보통 그냥 공기 중으로 버려집니다. 이는 좌절스러운 역설을 만들어냅니다. 즉, 공장은 액체를 세척하기 위해 열을 필요로 하지만, 가스를 운송하기 위해 준비하는 과정은 바로 그 필요한 종류의 열을 내다 버린다는 것입니다. 노르웨이 과학기술대학교(NTNU)와 SINTEF 에너지 연구소의 연구진은 이 수수께끼를 풀 방법을 제안했습니다. 그들은 냉각 시스템을 가열 시스템에 영리한 루프로 연결하여, 폐기물을 유용한 자원으로 바꾸는 방안을 제시합니다.

연구팀은 탄소를 포집한 후 액화하는 시멘트 공장에서 사용되는 특정 설비에 집중했습니다. 이 과정의 표준 버전에서는 흔히 쓰이는 산업용 냉매인 암모니아를 사용하는 냉동 사이클을 통해 가스를 냉각합니다. 암모니아가 이산한 탄소 이산화탄소로부터 열을 흡수함에 따라, 암모니아 자체도 따뜻해집니다. 일반적인 공장에서는 이 따뜻해진 암모니아를 주변 공기로 열을 방출하여 다시 냉각시키는데, 이는 방금 흡수한 에너지를 사실상 버리는 행위입니다. 연구진은 간단한 질문을 던졌습니다: 만약 그 열을 버리는 대신, 탄소 포집 액체를 세척하는 데 사용한다면 어떻게 될까?

이를 실현하기 위해 그들은 '열 엘리베이터'처럼 작동하는 시스템을 설계했습니다. 기존의 암모니아 설정에 펜탄이라는 다른 유체를 사용하는 두 번째 루프를 추가했습니다. 냉각 사이클에서 나온 따뜻한 암모니아는 펜탄으로 열을 전달합니다. 이 열은 펜탄을 끓여 가스로 만들기에 충분합니다. 펜탄 가스가 압축되면 더욱 뜨거워집니다. 이 과열된 펜탄은 공장의 액체를 세척해야 하는 부분으로 보내집니다. 그곳에서 펜탄은 열을 내어주어, 포집된 이산화탄소를 방출함으로써 액체를 재사용할 수 있을 만큼만 액체를 따뜻하게 만듭니다. 그러면 펜탄은 식어서 다시 액체로 변하고, 다시 열을 흡수할 준비를 갖추며 지속적인 순환을 만들어냅니다.

연구진은 이 아이디어가 실제 상황에서 얼마나 잘 작동할지 테스트하기 위해 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했습니다. 그들은 매년 100만 톤의 이산로탄소를 포집하는 공장을 모델링했습니다. 계산 결과, 이 새로운 시스템은 액체를 세척하는 데 필요한 열의 상당 부분을 성공적으로 회수할 수 있었습니다. 구체적으로, 액체의 재생에 표준적인 양의 에너지가 필요하다면 이 시스템은 전체 필요한 열의 약 22%를 제공할 수 있습니다. 만약 더 적은 열을 필요로 하는 더 효율적인 유형의 액체를 사용한다면, 시스템은 필요량의 최대 34%까지 충당할 수 있습니다. 이는 공장이 증기를 생성하기 위해 훨씬 적은 연료를 태우게 하여, 비용을 절감하고 추가적인 배출을 줄일 수 있음을 의미합니다.

또한 연구는 펌프와 압축기를 가동하는 데 이 새로운 시스템이 소비할 에너지를 조사했습니다. 추가적인 루프를 더하는 것이 추가적인 전력을 요구하긴 하지만, 전반적인 균형은 긍정적입니다. 연구진은 이 시스템이 수행하는 작업을 유용한 열로 변환하는 데 매우 효율적이라는 것을 발견했습니다. 시뮬레이션에서 이 설정은 57% 이상의 효율 등급을 달럽받았는데, 이는 가스를 냉각하고 액체를 가열하는 두 가지 일을 동시에 수행하는 시스템으로서 매우 강력한 성능입니다. 이는 가스만을 냉각하고 열을 낭비하는 표준 시스템보다 눈에 띄게 우수한 성과입니다. 연구팀은 이산화탄소를 냉각하기 전 특정 압력으로 압축할 때 이 시스템이 가장 잘 작동한다는 사실을 발견했는데, 이 세부 사항은 적절한 온도에서 열 회수가 일어날 수 있게 해줍니다.

이 접근 방식의 핵심적인 장점 중 하나는 날씨나 공장의 위치에 의존하지 않는다는 점입니다. 세계 여러 지역의 시멘트 공장들은 원료가 젖어 있어 건조하는 데 모든 열에너지를 소모하기 때문에 폐열을 찾는 데 어려움을 겪습니다. 이러한 습한 기후에서 다른 부분으로부터 열을 훔쳐오는 일반적인 방법은 종-종 실패합니다. 그러나 이 새로운 시스템은 냉각 과정 자체에서 발생하는 에너지를 사용하여, 필요한 곳에 직접 자체적인 열원을 생성합니다. 이는 이산화탄소를 얼리는 행위를 세척용 액체를 데우는 방법으로 바꿈으로써, 낭비될 뻔한 에너지를 효과적으로 재활용하는 것입니다.

연구진은 이 시스템을 구축하는 데 표준 공장보다 더 크고 강력한 압축기가 필요할 것이며, 이는 상당한 엔지니어링 과제라고 인정했습니다. 기계는 에너지를 낭비하지 않고 펜탄 유체의 흐름을 효율적으로 처리해야 합니다. 또한 그들의 결과가 컴퓨터 모델에 기반하고 있지만, 설계 뒤에 숨겨진 물리학적 원리는 타당하며 열역학의 확립된 원리에 기초하고 있다고 언급했습니다. 이 연구는 기존 탄소 포집 공장에 이 이중 루프 시스템을 개조하여 적용하는 것이, 특히 다른 폐열원이 부족한 시설에 있어 실행 가능한 경로가 될 수 있음을 시사합니다. 공장의 냉각과 가열 요구를 연결함으로써, 이 기술은 탄소 포집을 덜 에너지 집약적으로 만들고 시멘트 산업에 더 실용적인 방법이 되어, 주요 오염원을 관리 가능한 해결책의 일부로 바꾸는 데 도움을 줍니다.