“튜닝 효과 활용 기술 확보…수소 시대 경쟁력 기대”
[광주타임즈]박주영 기자=광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 지구·환경공학부 박영준 교수 연구팀이 천연가스 및 수소와 같은 에너지 가스의 저장량을 극대화할 수 있는 가스 하이드레이트 원천기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
친환경 소재인 물과 가스로 만들어지는 가스 하이드레이트는 저온 및 고압 조건에서 물 분자들이 수소결합을 통해 만드는 3차원 결정성 격자 내부에 기체분자가 물리적으로 포집된 결정성 고체 화합물을 의미한다.
가스 저장, 분리 등 산업적으로 활용 범위가 넓으며, 천연가스 저장 매체로 사용될 경우 액화 및 압축 천연가스 기술보다 상온·저압 조건에서 천연가스를 저장할 수 있어 지구 온난화에 대비하는 차세대 에너지 저장 매체로 주목받고 있다.
저온·고압 조건의 가스 하이드레이트 형성 조건을 완화하기 위해서 열역학적 형성 촉진제를 화학 양론적 농도로 사용할 수 있으나, 이때 에너지 가스가 저장될 수 있는 나노 격자 공간의 일부를 차지해 하이드레이트 내 가스 저장량이 감소하는 문제가 발생한다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 열역학적 형성 촉진제의 농도를 선택적으로 조절해 하이드레이트의 나노 격자 공간 중 일부를 비우고 이를 가스 분자로 채우되, 열역학적 형성조건을 완화하며 가스 저장량을 향상시킬 수 있는 ‘튜닝 효과'가 유용하게 활용될 수 있음을 제안했다.
튜닝 효과는 천연가스 및 차세대 대체에너지원인 수소 에너지를 저장하는 데 있어 매우 효과적인 접근법으로 열역학적 형성 촉진제에 의해 점유되는 하이드레이트 격자 내의 큰 동공들 중 일부가 가스 분자에 의해 점유되면서 유도될 수 있다.
가스 하이드레이트 기술의 문제점인 극한의 형성 조건을 완화시킴과 동시에 제한된 저장량의 한계점을 극복하여 가스의 저장량을 대폭 향상시킬 수 있다.
연구팀은 이러한 튜닝 효과를 산업에 적용하기 위해 열역학적 형성 촉진제를 활용해 기존 얼음 기반의 가스 하이드레이트에서 연구된 튜닝 효과의 개념을 대량생산에 유리한 물 기반의 하이드레이트로 확장했으며, 튜닝 효과를 유도하기 위한 공융점 및 하이드레이트 전환율과 같은 주요 인자들의 상관관계를 규명했다.
그 결과 얼음 기반으로 형성된 하이드레이트의 경우 열역학적 형성 촉진제를 화학 양론적 농도 이하에서 사용한 모든 경우에서 튜닝 효과가 유도된 반면, 물 기반으로 형성된 하이드레이트는 열역학적 형성 촉진제의 농도가 공융점 이하에서 사용된 경우에만 튜닝 효과가 유도되는 특이점을 확인했다.
박영준 교수는 “에너지 가스 저장 매체로 활용될 때 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있는 가스 하이드레이트의 에너지 저장량을 극대화하기 위해 튜닝 효과를 활용해 원천 기술을 확보했다”면서 “이번 연구 성과는 다가오는 수소 에너지 시대에 높은 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
박 교수가 지도하고 이윤석 박사, 서동주 박사과정생, 이승인 박사과정생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 중견 개인기초연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 저명 학술지에 온라인 게재됐다.
