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이재우 교수, 수소-천연가스 기반 하이드레이트 개발
우리 대학 생명화학공학과 이재우 교수 연구팀이 고온, 저압 조건에서도 수소를 안정적으로 하이드레이트에 저장할 수 있는 기술을 개발했다.
연구팀의 기술은 천연가스를 열역학적 촉진제로 사용하는 방식으로 수소-천연가스 하이드레이트는 에너지 가스 저장에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
안윤호 박사가 1 저자로 참여하고 생명화학공학과 이 흔 교수, 고동연 교수, GIST 지구환경공학부 박영준 교수팀과 공동으로 연구한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’ 6월 6일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : One-step formation of hydrogen clusters in clathrate hydrates stabilized via natural gas blending)
유럽 등에서는 대기 중 이산화탄소의 농도를 줄이기 위해 천연가스에 수소를 일부 혼합해 사용하는 대체 연료 시스템을 개발하고 있다. 불타는 얼음이라고 알려진 가스 하이드레이트는 물로 이루어진 친환경적인 물질임과 동시에 폭발 위험이 없어 현재의 탄소 경제 시대와 도래할 수소 경제 시대의 전환점에서 중요한 에너지 가스 저장 매체로 활용될 수 있다.
수소를 하이드레이트에 저장하기 위해 기존에 사용되던 테트라하이드로퓨란과 같은 유기 화합물 기반 열역학적 안정제는 휘발성이 강해 하이드레이트 해리 후에 가스상에 남아 있어 별도의 분리 공정이 필요하고, 수소가 저장될 수 있는 하이드레이트 동공을 차지해 하이드레이트 내의 에너지 저장 밀도를 낮추는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해 하이드레이트를 튜닝해 하이드레이트의 동공 중 일부를 비우고 하나의 동공에 여러 개의 수소분자를 저장하려는 노력 등이 있었지만 여전히 유기 화합물 기반의 열역학적 안정제가 필요하다는 문제가 있었다.
연구팀은 천연가스의 주성분인 메탄과 에탄의 하이드레이트 상의 평형 조건이 수소에 비해 낮은 점에 주목해 메탄과 에탄을 열역학적 촉진제로 사용했다. 그 결과 수소-천연가스 혼합물을 하이드레이트에 안정적으로 저장하는 데 성공했다.
메탄과 에탄의 구성 비율에 따라 구조 I 또는 구조 II 하이드레이트가 형성될 수 있는데 두 구조 모두 저압 조건에서도 수소-천연가스가 안정적으로 저장됨을 확인했다.
연구팀은 얼음으로부터 직접 하이드레이트를 만드는 방법과 객체 치환법(용어설명)을 이용해 수소-천연가스 하이드레이트를 제작했고, 수소가 처음부터 하이드레이트 형성에 참여할 때만 두 구조의 하이드레이트에서 모두 튜닝 현상이 일어나는 것을 관찰하는 데 성공했다.
연구팀은 튜닝된 구조 I 하이드레이트에서는 작은 동공에만 2개의 수소가 저장되는 반면 튜닝된 구조 II 하이드레이트에서는 작은 동공뿐 아니라 큰 동공에서도 최대 3개의 수소분자가 저장될 수 있음을 확인했다.
하이드레이트는 부피의 약 170배에 달하는 가스를 저장할 수 있는 특성을 가지며, 연구에서 사용한 열역학적 촉진제인 천연가스는 그 자체로 에너지원으로 활용될 수 있어 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
1 저자인 안윤호 박사는 “기존의 열역학적 촉진제들과는 달리 하이드레이트에 저장된 모든 물질을 에너지원으로 사용할 수 있다는 의의가 있다”라고 말했다.
이재우 교수는 “수소-천연가스 혼합 연료는 기존의 천연가스 운송 인프라를 그대로 활용해 보급 및 이용될 수 있다는 점에서 연구팀의 수소-천연가스 하이드레이트 시스템은 상용화 가능성이 크다”라며 “에너지 가스가 열역학적 안정제로 사용될 가능성을 처음 확인한 만큼, 하이드레이트 내의 가스 저장량을 늘리기 위해 추가적인 연구를 진행 중이다”라고 말했다.
이번 연구는 연구재단의 중견 연구자 지원사업과 BK21 plus 프로그램을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 객체 치환법을 이용하여 천연가스 하이드레이트에 수소를 저장하는 방법과 얼음으로부터 직접 수소-천연가스 하이드레이트를 저장하는 방법
2019.06.17 조회수 11305 -
박태형 박사과정, 권태혁 교수, 해저 점토질에서 불타는 얼음 생성원리 규명
우리 대학 건설및환경공학과 권태혁 교수 연구팀이 일명 불타는 얼음으로 불리는 천연가스 하이드레이트가 바다 속 점토질 퇴적토에서 다량으로 생성되는 원리를 규명했다.
이번 연구는 점토 광물이 하이드레이트 생성을 촉진한다는 것을 실험적으로 규명하고 점토질 퇴적층에서 하이드레이트의 존재에 대한 새로운 원리를 제시했다는 의의를 갖는다.
박태형 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 환경 분야 국제 학술지 ‘인바이러멘탈 사이언스&테크놀로지(Environmental Science & Technology)’ 2월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
해저의 퇴적토나 영구동토층(2년 이상의 기간 동안 토양이 얼어있는 지대)에서 주로 발견되는 천연가스 하이드레이트는 메탄 등의 천연가스가 물 분자로 이뤄진 얼음과 비슷한 결정구조에 갇혀있는 고체물질이다. 흔히 불타는 얼음으로 불리는 이 물질은 막대한 매장량으로 인해 차세대 대체 에너지로 주목받고 있다.
점토질 퇴적토에서는 가스 하이드레이트 생성이 어렵다는 것이 일반적인 이론이다. 그러나 최근에는 전 세계적으로 해저 점토질 퇴적층에서 다량의 가스 하이드레이트가 발견되고 있어 기존 이론과 상반된 현상에 대한 원인을 규명하는 것이 과제로 남아 있다.
특히 점토광물 표면은 음전하를 띄고 있는데 이 전하들이 점토표면에 흡착된 물 분자에 상당한 전기적 힘을 가해 분극화시킨다. 또한 점토 표면의 음전하를 상쇄하기 위해 주변에 많은 양이온들이 존재한다.
따라서 보통 조건의 물 분자와 분극화된 조건의 물 분자들의 하이드레이트 결정 생성 양상을 비교하는 것이 연구의 핵심이다. 그러나 점토 주변에 자연적으로 존재하는 양이온들로 인해 실험 연구를 수행할 수 없었다.
연구팀은 기존 연구의 한계 극복을 위해 물에 전기장을 가해 점토 표면과 같이 물 분자들의 분극화를 구현한 뒤 물 분자들의 가스 하이드레이트 결정 생성 속도를 측정했다.
그 결과 점토 표면과 비슷한 크기의 전기장(10kV/m)을 물에 적용했을 때 가스 하이드레이트 결정핵 생성 속도가 약 6배 이상 빨라지는 것을 관찰했다. 이는 물 분자가 전기장에 의해 분극화되면 분자 간 수소 결합이 부분적으로 약해지고 내부에너지가 감소되기 때문인 것으로 밝혀졌다.
연구팀은 전기장이 하이드레이트 생성을 촉진함을 실험적으로 규명하는데 성공함으로써 점토광물의 존재가 하이드레이트 생성을 방해하는 것이 아니라 특정 조건에서는 오히려 하이드레이트 생성을 촉진함을 밝혔다.
권 교수는 “이번 연구를 통해 점토질 퇴적토에서 가스 하이드레이트가 많이 발견되는 이유에 대해 좀 더 이해할 수 있게 됐다”며 “멀지 않은 미래에 인류는 가스 하이드레이트를 에너지 자원으로 생산하고 소비할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 물 분자의 가스 하이드레이트 결정 생성 실험과 촉진 모식도
그림2. 가스 하이드레이트 생성 촉진(좌)과 억제(우) 반응
2018.03.05 조회수 9818 -
메탄올 하이드레이트의 새로운 발견
- 가스 하이드레이트 생성 억제 물질인 메탄올의 새로운 역할 규명 -- 원유, 천연가스 수송에서 타이탄 등 태양계 천체 연구까지 다양한 분야에 파급효과 기대 -
원유, 천연가스 등을 심해에서 끌어올릴 때 고압, 저온 조건에서 발생하는 가스 하이드레이트 때문에 송유관이 막힐 수 있다. 이를 방지하기 위해 주입하는 메탄올을 주입하는데 오히려 메탄올 때문에 가스 하이드레이트가 더욱 잘 발생한다는 기존의 가설을 뒤집는 연구결과가 나왔다.
우리 학교 해양시스템공학전공 서유택 교수와 신규철 박사가 공동으로 대표적인 가스 하이드레이트 생성 억제제인 메탄올이 조건에 따라 하이드레이트 형성의 촉매 역할을 하는 메커니즘을 규명했다.
연구 결과는 세계적 학술지 ‘미국 국립과학원 회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)’ 5월 21일자에 발표됐다.
가스 하이드레이트는 고압, 저온 조건에서 가스 분자가 물 분자와 결합해 얼음 형태로 존재하는 고체화합물로 원유와 천연가스의 이송 파이프라인 안에서 막히는 현상을 유발해 심각한 사고를 일으킬 수 있다.
이를 방지하기 위해 메탄올은 수송관 내 원유에 약 20~30% 만큼 주입해 가스 하이드레이트 생성을 억제하기 위해 사용된다.
연구팀은 원유를 생산할 때 메탄올에 사용되는 비용을 줄이기 위해 원유대비 메탄올의 주입 비율을 바꿔가며 가스 하이드레이트의 억제 효과를 알아보기 위해 저온 기상증착법 등 다양한 실험을 수행했다.
이번 연구는 메탄올이 가스 하이드레이트 형성을 억제한다는 기존의 연구결과를 기반으로 수행한 것이다. 그러나 메탄올이 메탄 등 다른 가스들과 함께 물과 결합해 가스 하이드레이트가 형성되는 것을 세계 최초로 밝혀냈다.
게다가 메탄올이 오히려 원유대비 5~20% 만큼 주입되면 가스 하이드레이트 형성 속도를 급격히 증가시켜 파이프 이송라인이 더욱 쉽게 막힐 수 있다는 사실도 함께 밝혀냈다.
실제로 2006년 멕시코 만에서 운영 중이던 유전에서는 메탄올 주입량이 20% 미만으로 떨어져 파이프라인이 막혔다. 수 일 동안 생산이 중단되어 회사는 수백만 달러 이상의 손실을 입었지만 과학적으로 원인을 밝혀내지는 못했다. 이렇게 원인이 밝혀지지 않았던 가스 하이드레이트 사고 사례에 대해서도 과학적으로 입증한 것으로 향후 산업계에 미치는 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다.
서유택 교수는 “이번 결과는 원유, 천연가스 등의 이송 과정에서 기존의 가설을 뒤집는 결과로 얼음, 메탄, 메탄올, 암모니아 등이 공존하는 태양계 천체들의 표면 성분을 밝히는 데도 응용될 수 있다”며 “다양한 분야에 미치는 파급효과가 클 것으로 예상돼 이에 대한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 해양시스템공학전공 서유택 교수와 신규철 연구원이 캐나다 정부출연연구기관(National Research Council)과 공동으로 수행했다.
그림1. 단결정 X-선 회절 분석을 통해 밝힌 하이드레이트 얼음 격자 안의 메탄올 분자 (右)
그림2. 심해 파이프라인에서 발생한 하이드레이트 막힘 현상
2013.05.23 조회수 14998 -
이흔교수, 온난화가스와 에너지가스 맞교환 원리 규명
“지구온난화 주범 이산화탄소를 천연 가스와 맞바꾼다”
- 천연가스 하이드레이트층에서 이산화탄소 저장과 천연가스 생산 동시에 일어나는 자연 현상적 메카니즘 이용
- 에너지 생산와 환경문제 해결 일거양득 효과 구현
- KAIST 이흔 교수팀, 미국 과학원 회보 최신호에 발표
해저에서 온난화 가스와 에너지 가스를 맞교환하여 에너지 생산과 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 획기적인 원리가 국내 연구진에 의해 실험적으로 입증됐다.
KAIST(총장 서남표) 생명화학공학과 이흔(李琿, 55) 교수팀과 한국지질자원연구원이 공동으로, 해저 천연가스 하이드레이트층에 이산화탄소나 배기가스를 직접 저장하고 동시에 천연가스를 생산할 수 있는 자연 현상적 맞교환 메커니즘을 규명, 그 연구결과가 저명 과학저널 미국 과학원 회보(PNAS) 8월 15일자 온라인판에 발표됐다.
지난 2003년 李교수는‘연료와 이산화탄소의 맞교환’이란 제목의 논문으로 이 기술을 처음 발표하였으며 또한 사이언스지 11월호에 리서치 하이라이트로 소개되어 세계적 주목을 받았다. 이후 3년여 연구 끝에 막연한 개념으로만 존재하던 지구 온난화가스의 대규모 해양 직접 저장 가능성을 실험적으로 입증했다. 즉, 모든 구조의 천연가스 하이드레이트층에 이 원리를 적용, 얼음 형태의 퇴적층으로부터 천연가스가 거의 대부분 회수될 수 있음을 이번 연구결과 밝혀낸 것이다.
이산화탄소 배출로 인한 지구온난화 문제는 최근 심각한 환경 문제를 야기하며 사회적 이슈로 대두되고 있다. 이러한 지구 온난화 문제를 해결하기 위해서는 발전소, 자동차 등 여러 배출원으로부터 나오는 이산화탄소를 줄이거나 없애는 방법 밖에 없다.
그동안 전 세계적으로 꾸준히 추진해온 산업구조 에너지 효율 향상이나 이산화탄소를 분리 처리하는 기술로는 지구온난화 문제를 적극적으로 대처하는데 극히 제한적일 수밖에 없었다. 따라서 대기권에 절대량으로 엄청나게 존재하는 이산화탄소를 지하나 바다 밑에 대규모로 저장하는 방법이 가장 현실성 있고 효과적인 대안으로 떠오르고 있다.
현재 바다 밑에는 천연가스 하이드레이트라고 하는 대규모 농축 메탄가스 퇴적층이 존재하는 것으로 확인되었다. 천연가스 하이드레이트의 매장량은 현 지구상 모든 화석 연료를 합친 것보다도 더 많은 것으로 알려져 있다. 이미 미국, 일본 캐나다, 러시아 등 세계 여러나라에서 이 미래 에너지원을 활용하기 위한 기술 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다.
천연가스 하이드레이트는 불안정하기 때문에 깊은 바다 밑에 매장된 천연가스 하이드레이트를 채취할 때는 압력과 온도를 그대로 유지해야 한다. 李 교수팀은 이 천연가스 하이드레이트 상태를 유지하기 위해 이산화탄소가 포함된 혼합 배기가스를 주입, 천연가스와 배기가스를 맞교환시키는 방법을 개발했다. 이 맞교환 원리에 따라 해저 천연가스는 지상으로 끌어 올려져 에너지로 사용되고, 지상의 배기가스는 해저에 거의 반영구적으로 저장된다.
이번에 개발된 맞교환 원리 기술을 적용하면 ▲여러 종류의 성분들이 혼합된 배기가스를 바로 해저로 직접 투입 가능하기 때문에 지상에서 순수한 이산화탄소를 만들 필요가 없고 ▲광범위한 천연가스 하이드레이트층 개발은 심각한 해저 생태계 파괴를 가져올 수 있으나, 해저에서 맞교환을 일으키면 천연가스가 이산화탄소와 질소로 대체되기 때문에 본래 층의 골격은 파괴되지 않고 유지되어 환경 피해가 거의 없으며 ▲온난화 가스를 이용하여 해저의 천연가스를 90% 이상 대부분 회수할 수 있기 때문에 개발의 경제성을 높일 수 있다.
이는 2003년 당시의 순수 이산화탄소만 사용, 천연가스 회수율 64% 등의 제약 조건을 획기적으로 개선, 실용화로 직접 접근할 수 있는 연구결과로 평가받고 있다.
李 교수는 “이번 주요 연구 결과들을 우리나라, 미국, 일본 등에 이미 특허 출원했다”며 “확보된 원천 핵심 자료를 바탕으로 실제 공정이 구현될 경우, 지구온난화 문제와 새로운 에너지원 활용에 있어서 획기적인 성과를 거둘 것이다”라고 말했다.
<사진 1 : 맞교환 원리>
지상의 온난화 배기가스를 모아서 깊은 바다 밑에 있는 천연가스 하이드레이트층에 저장하고 동시에 맞교환을 일으켜 천연가스 하이드레이트층으로부터 천연가스를 회수한다.
<사진 2 : 천연가스 하이드레이트>
미국 오레곤 앞바다에서 끌어올린 천연가스 하이드레이트
<사진 3 : 해저 맞교환 현상>
깊은 바다 밑 천연가스 하이드레이트층에 존재하는 축구공과 같이 속이 빈 수많은 얼음 나노 공간 내에서 일어나는 천연가스와 배기가스가 맞교환되는 현상
2006.08.17 조회수 17923