가와사키, 이동층 시스템 개발 … 크래서스, MOF 상용화 주력
 

저농도 이산화탄소(CO2) 활용을 위한 새로운 시도가 주목받고 있다.
세계적으로 탈탄소화 움직임이 정체되고 있으나 이산화탄소 포집‧이용(CCU)은 탄소중립 사회로 이행하기 위한 핵심 기술로 중요성이 확대되고 있다.
일본 가와사키중공업(Kawasaki Heavy)은 최근 독자적인 CCU 기술인 KCC(Kawasaki CO2 Capture)의 상용화 실증 설비를 고베(Kobe) 공장에 완성했다. 저농도 이산화탄소를 흡수하는 신규 고체 흡수제와 이동층 시스템을 통해 대기 및 연소 배기가스에서 저농도 이산화탄소를 포집하고 공장의 미활용 열로 이산화탄소를 탈리하는 에너지 절감형 설비를 실증할 계획이다.

실증 설비는 대기 중 이산화탄소를 포집하는 DAC(Direct Air Capture) 설비와 고베공장의 자가발전 설비에서 발생한 배기가스에서 이산화탄소를 포집하는 PCC(Post-Combustion Capture) 설비로 구성된다.
포집능력은 PCC가 360톤, DAC 설비가 모듈당 100-200톤이며 이산화탄소를 탈리하기 위해 필요한 증기 생성에는 가스엔진 배기가스를 포함 공장의 미활용 열을 이용할 예정이다.
KCC 기술은 다공질 소재의 미세구멍 안쪽에 아민(Amine)을 코팅한 흡착제를 이용해 이산화탄소를 회수한 다음 섭씨 60도 저온 증기로 이산화탄소를 탈리하는 것이 특징이다. 일반적인 액체 흡수법 대비 100도 이하 미활용 열과 태양열 등을 이용할 수 있어 에너지 소비를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.
가와사키중공업은 더 많은 양의 이산화탄소를 포집하기 위해 이동층 시스템에 의한 연속 처리 시스템을 확립했다. 배기가스에서 이산화탄소를 포집하는 흡착탑을 최상부에 두고 증기로 이산화탄소를 탈리하는 재생탑과  흡착제를 건조하는 건조탑을 직렬로 연결해 흡착제를 순환 이동시킴으로써 연속적으로 이산화탄소 흡‧탈착을 수행하며, 흡착제는 파손을 줄이면서 순환시키기 위해 여러 공정을 도입했고 흡착 능력도 개선한 것으로 알려졌다.
흡착제가 이동하지 않는 고정층 방식에 비해 열손실을 30% 이상 줄일 수 있고 흡착탑에 비흡수 반응 영역이 없어 소형화가 가능하며 흡착제 사용량도 줄일 수 있다. 포집율은 90% 이상으로 알려졌다.
가와사키중공업은 KCC 기술을 일본 뿐만 아니라 전세계 석탄 화력발전소, 시멘트 공장, 쓰레기 소각시설, 가스 화력발전소, 해상 석유‧가스 설비(FPSO), 대기 등 다양한 분야에 적용하는데 주력하고 있다. 특히, 페트로나스(Petronas)와의 연계를 시작으로 말레이지아 도입을 검토하고 있다.
크래서스케미칼(Crasus Chemical)은 2025년 노벨 화학상을 수상한 금속-유기 골격체(MOF) 상용화를 목표로 저농도 CCU 기술을 개발하고 있다. MOF는 금속과 유기분자를 조합해 설계할 수 있으며 표면적이 거대해 분자를 효율적으로 흡착‧분리할 수 있다.
크래서스케미컬은 과거 쇼와덴코(Showa Denko) 시절인 2003년부터 MOF 응용을 검토했으며 일본제철(Nippon Steel)과 협업해 오이타(Oita) 산업단지에 벤치스케일 설비를 건설하고 2025년 가동을 본격화했다. 현재 분리재 선정과 가동조건 최적화를 진행하면서 사업모델을 검토하고 있다.
일본제철과는 교토(Kyoto)대학과 함께 압력스윙흡착(PSA)을 이용한 분리‧포집 기술을 개발하는 저농도 CCU 관련 공동연구를 진행하고 있으며 일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)의 그린이노베이션(GI) 펀드 사업에 선정됐다.
분리제는 크래서스케미컬과 일본제철이 서로 다른 타입을 개발하고 있다. 오이타 벤치 설비에서 양사의 분리제를 평가하며 압력‧온도‧흡착‧탈착 시간 등 여러 파라미터를 조정해 최적 가동 조건을 탐색하고 있으며 2026년 말까지 어느 분리제를 채택할지 결정할 예정이다.
파일럿 설비는 2027년 설계, 2028년 착공을 거쳐 2029년 가동을 계획하고 있다. 크래서스케미칼과 일본제철 공장에 각각 건설하며 석유화학과 제철의 가스 성분 차이를 고려할 때 전처리 공정이 서로 다를 가능성은 있으나 기본 공정은 공통화할 방침이다.
양사는 MOF가 기술적으로 경쟁력이 있다고 판단하고 있다. 다른 분리제는 저농도 이산화탄소 탈착에 큰 에너지가 필요하나 MOF는 압력 변화에 따라 구조가 신축돼 이산화탄소 흡‧방출을 보조하기 때문에 낮은 에너지로도 분리‧포집이 가능하다.
다만, 코스트가 과제로 양사는 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 기술 개발과 동시에 공급망 구축을 포함 사업모델 검토에 착수했다. 크래서스케미칼은 포집한 이산화탄소를 원료로 화학품 생산까지 포함해 개발을 추진할 계획이다.