독일 포츠담 소재의 IASS(Institute for Advanced Sustainability Studies) 소속의 연구진과 KIT(Karlsruhe Institute of Technology) 소속의 연구진은 부산물로 이산화탄소를 발생시키지 않고 메탄(methane, CH4)에서 수소(hydrogen)를 추출하는 혁신적인 기술에 대한 개념 원리를 증명하는 데 성공했다.

메탄 분해(methane cracking)가 아직까지 완전하게 성숙된 기술이 아니기 때문에, 이 단계에서, 비용 추정은 불확실하다. 그러나 예비 산출은 공정의 고체 블랙 카본 부산물의 시장 가격을 고려하지 않고, 독일 천연 가스 가격에서 수소 1킬로그램 당 1.9~3.3유로의 비용이 소요될 수 있다는 것을 보여주었다.

전 세계 수소 생산의 대부분은 현재 원료로 천연가스를 이용하지만 공정에서 상당한 양의 이산화탄소를 배출하는 증기 메탄 개질(SMR; steam methane forming)과 같은 상용 기술을 기반으로 하고 있다. 암모니아 산업으로부터 배출되는 이산화탄소는 연간 대략 2천만 톤으로 이러한 수치는 독일이 연간 8천 만 톤의 이산화탄소를 생성하는 것과 비교되는 것이다. 반대로 메탄으로부터 수소와 탄소 분자를 분해하는 메탄 분해는 750°C 이상의 높은 온도에서 일어나지만, 어떤 유해한 배출도 발생하지 않는다.

메탄 분해의 주요 부산물인 고체 블랙 탄소(solid black carbon)는 산업 원자재로 그 중요성이 증가하고 있다. 고체 블랙 탄소는 강철, 탄소 섬유 및 많은 탄소 기반의 구조적 재료 등의 생산에 이미 폭넓게 배치됐다. 새로운 분해 공정으로부터 유래한 블랙 탄소는 매우 질이 우수하고 특히 순수한 분말이다. 따라서 시장성이 높은 제품으로서 고체 블랙 탄소의 가치는 메탄 분해의 경제적인 실행 가능성을 강화시킨다. 그렇지 않으면, 블랙 탄소는 이산화탄소를 저장하는 것보다 훨씬 더 단순하고, 안전하며 저렴한 공정을 이용하여 저장될 수 있다.

메탄 분해 자체는 완전히 새로운 아이디어는 아니다. 지난 20년 동안 다양한 기관에서 많은 실험이 수행되어 자체적인 기술적 실행 가능성이 입증됐다. 그러나 과거의 시도는 탄소 막힘(carbon clogging)과 낮은 전환 속도와 같은 문제에 의해 방해를 받았다.

IASS와 KIT 연구팀은 메탄 분해의 가능성을 입증할 수 있는 실험용 반응로를 구축하여, 이전에 알려져 있던 장애를 극복할 수 있다는 것이 입증됐다. 출발점은 Nobel Laureate와 전 IASS 과학 책임자인 Carlo Rubbia 교수가 제안했던 액체 금속 기술을 기반으로 하는 새로운 반응로 디자인(reactor design)이다.

미세한 메탄 거품이 용융 주석(molten tin)으로 채워진 관의 바닥에 주입됐다. 분해 반응은 이러한 거품이 액체 금속의 표면으로 올라올 때 일어난다. 탄소는 거품의 표면 위에서 분리되어, 거품이 해체될 때 반응로의 상층 끝에서 분말로 증착된다.

이러한 아이디어는 2012년 말부터 2015년 봄까지 KIT의 KALLA(KArlsruhe Liquid Metal LAboratory)에서 운영된 일련의 실험 캠페인 동안 테스트됐다. 연구진은 온도, 건축 재료 및 체류 시간 등과 같은 다양한 변수와 선택 사항을 평가할 수 있었다. 최종 디자인은 석영 조각으로 구성된 채워진 층상 구조(packed bed structure)와 순수한 주석을 이용하는 석영과 스테인리스강의 결합으로 만들어진 1.2미터 높이의 장치이다.

2015년 4월에 수행된 최근의 실험에서, 연구진의 반응로는 2주 동안 중단 없이 운영되어 1200°C 온도에서 78%의 전환 속도로 수소를 생산했다. 특히 연속적인 운영은 산업 규모의 반응로를 위하여 필요한 신뢰성의 결정적인 요소라고 KALLA 실험실 책임자인 Thomas Wetzel 교수는 밝혔다.

혁신적인 반응로는 부식에 내성이 있으며, 생성된 미세 과립 탄소 분말이 쉽게 분리될 수 있기 때문에, 막힘을 피할 수 있다. 따라서 반응로는 산업 규모의 반응로의 연속 운영에 필요한 기술적 전제 조건을 만족한다.

이것은 실험실 규모의 실험으로 남아 있는 한편, 연구진은 메탄 분해가 에너지 시스템에 통합될 수 있으며 보다 더 특별한 것은 지속 가능성에 메탄 분해가 기여할 수 있는 방안이 어떤 것인가에 대한 견해를 얻기 위하여 실험으로부터 추론될 수 있다. 이것을 위하여, IASS는 시제품의 규모를 확대하는 것을 기반으로 하는 가상의 상용 메탄 분해 장치의 전 과정 평가(LCA; life cycle assessment)를 수행하기 위하여 RWTH 아헨 대학과 협력 연구를 수행할 계획이다.

LCA는 생성된 수소의 일부가 공정을 가열하는데 필요한 열을 생성하는 데 사용된다고 가정했다. 비교된 수소 생산 기술은 SMR과 재생 가능한 전기와 결합한 물 전기분해(water electrolysis)가 있다. 수소 단위 당 이산화탄소 동량의 배출과 비교했을 때, LCA는 메탄 분해가 물 전기분해와 비슷한 수준이고 SMR 보다 50% 이상 더 청정하다는 것을 보여 주었다.

청정한 후보 자원으로 메탄 분해에 대한 모든 측면에 대한 환경 및 경제 평가뿐 아니라 연구진의 실험 결과는 에너지 시스템을 전환하는 조치로서 가치가 있다는 것을 보여 주었다. 이러한 격차 가교 기술은 천연 가원의 에너지 가능성을 이용할 수 있게 해주는 한편, 기후를 보호하고, 수소와 같은 청정에너지 매개체의 통합을 촉진한다고 Carlo Rubbia 교수는 밝혔다.

공정의 다음 단계에서, 연구팀은 탄소 제거 공정과 같은 반응로 디자인의 일부 측면을 최적화하는데 초점을 맞추고, 보다 더 높은 흐름 속도를 채용하기 위하여 적극적인 규모 확대를 모색할 계획이다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 11월 23일]

 

Researchers of the Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam and the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) have achieved the proof-of-principle for a innovative technique to extract hydrogen (H2) from methane (CH4) without the formation of CO2 as a byproduct.

At this stage, cost estimates are uncertain, since methane cracking is not yet a fully mature technology. However, preliminary calculations show that it could achieve costs of €1.9 to €3.3 per kilogram of hydrogen at German natural gas prices—without taking the market value of the solid black carbon byproduct of the process into consideration.

Most of the world’s hydrogen production is currently based on conventional technologies such as steam methane forming (SMR), which also uses natural gas as feedstock but releases significant amounts of carbon dioxide in the process. CO2 emissions from the ammonia industry alone amount to approximately 200 million tons per year—by comparison, Germany generates around 800 million tons of carbon dioxide per year. By contrast, methane cracking—the separation of methane’s hydrogen and carbon molecular components—occurs at high temperatures (750°C and above) but does not release any harmful emissions.

The main by-product of methane cracking—solid black carbon—is also an increasingly important industrial commodity. It is already widely employed in the production of steel, carbon fibres and many carbon-based structural materials. The black carbon derived from the novel cracking process is of high quality and is a particularly pure powder. Its value as a marketable product therefore enhances the economic viability of methane cracking. Alternatively, black carbon can be stored away, using procedures that are much simpler, safer and cheaper than the storing of carbon dioxide.

Methane cracking itself is not an entirely new idea: in the last two decades, many experiments in different institutions have been carried out that have proven its technical feasibility. But these past attempts were limited by issues such as carbon clogging and low conversion rates.

The IASS and KIT team built an experimental reactor that could demonstrate the potential of methane cracking and overcome previous obstacles. The starting point is a novel reactor design, as proposed by Nobel Laureate and former IASS Scientific Director Professor Carlo Rubbia and that is based on liquid metal technology.

Fine methane bubbles are injected at the bottom of a column filled with molten tin. The cracking reaction happens when these bubbles rise to the surface of the liquid metal. Carbon separates on the surface of the bubbles and is deposited as a powder at the top end of the reactor when they disintegrate.

This idea was put to the test during a series of experimental campaigns that ran from late 2012 to the spring of 2015 in KIT’s KALLA (KArlsruhe Liquid Metal LAboratory). Researchers were able to evaluate different parameters and options, such as temperature, construction materials and residence time. The final design is a 1.2-meter-high device made of a combination of quartz and stainless steel, which uses both pure tin and a packed bed structure consisting of pieces of quartz.

—Professor Thomas Wetzel, head of the KALLA laboratory at KIT

The innovative reactor is resistant to corrosion, and clogging is avoided because the microgranular carbon powder produced can be easily separated. The reactor thus satisfies the technical preconditions that would be needed for the continuous operation of an industrial-scale reactor.

While these remain laboratory-scale experiments, researchers can extrapolate from them to gain insights into how methane cracking could be integrated into the energy system and, more specifically, what its contribution to sustainability could be. To this end, the IASS is collaborating with RWTH Aachen University to conduct a life cycle assessment (LCA) of a hypothetical commercial methane cracking device based on a scaling-up of our prototype.

The LCA assumes that some of the produced hydrogen is used to generate the required process heat. The compared hydrogen production technologies were steam methane reforming (SMR) and water electrolysis coupled with renewable electricity. With respect to emissions of carbon dioxide equivalent per unit of hydrogen, the LCA showed that methane cracking is comparable to water electrolysis and more than 50% cleaner than SMR.

—Professor Carlo Rubbia

In the next phase of the process, the IASS and KIT will focus on optimising some aspects of the reactor design, such as the carbon removal process, and progressively scaling it up to accommodate higher flow rates.

[원문출처 : http://www.greencarcongress.com/2015/11/20151119-iass.html]