신반응성물질에 의한 CO2의 열분해에 성공, 고효율 플랜트의 개념설계를 완성
열분해 프로세스의 개요(왼쪽)와 반응성 폼 디바이스(오른쪽)
신에너지 · 산업기술종합개발기구(NEDO)가 조성하는 “탄산가스(CO2) 분해용 솔라 집열반응기의 국제공동연구개발”의 일환으로 新潟(니이가타)대학(新潟市西区), 東京(도쿄)대학 생산기술연구소(東京都目黒区), 信州(신슈)대학(長野県松本市), 콜로라도대학 볼더교(미국 콜로라도주)는, 태양집열에 의한 CO2분해에 신반응성 물질을 사용하는 기술을 개발했다고 발표했다. 신반응성물질에 의한 CO2의 열분해는 세계 최초라고 한다.
솔라 연료 제조의 저비용화에의 응용에 기대
니이가타대학과 콜로라도대학 볼더교는, 크세논램프에 의한 집광을 이용한 실내실험과, 미국 국립재생가능에너지연구소(NREL)가 보유하는 태양로를 이용한 실험에 의해, 반응성물질로서 세리아나 헬시나이트의 폼 디바이스를 이용하여, CO2를 산소와 일산화탄소로 분리하는 것에 성공했다.
실험에서는, 우선 고온으로 한 반응기 내에 아르곤(Ar)을 흘려 넣고, 반응성 물질로부터 산소를 제거한다. 그 후, 반응기 내의 온도를 낮추어 CO2를 흘려 넣고, 산소를 잃은 반응성물질에 의해 CO2를 환원하여 일산화탄소를 발생시킨다.
이러한 단계를 반복함으로써 CO2를 산소와 일산화탄소로 분리하는 것에 성공했다. 이러한 집열반응실험과, 마이크로 열유동해석(도쿄대학), 매크로 집열반응기해석(니이가타대학), 시스템 해석(신슈대학)을 실시하고, 결과를 서로 비교함으로써 실제 플랜트 시스템의 성능을 고정밀도로 예측하는 것이 가능해졌다.
이 시뮬레이션 기술을 이용하여 플랜트의 해석을 실시함으로써, 태양광에서 합성연료까지의 종합변환효율을 세리아에 대해서는 10%이상(과거 실적치의 2배이상)으로 향상시킬 수 있는 전망이다. 또한, 헬시나이트에 대해서는 세리아의 2배이상의 반응활성을 나타내는 것을 실험에서 밝히고, 새로운 반응물질로서 장래성이 높은 것을 확인하였다.
또한, 1600℃이상의 고온역을 포함한 광범위한 조건하에서의 세리아에 의한 열분해나, 폼 디바이스에 의한 헬시나이트 열분해에 성공한 것은, 모두 세계에서 처음이다. 이러한 기술에 의해, 고온영역에서 세리아가 매우 양호한 반응성을 나타내고, 세리아에 의한 고효율 플랜트의 개념설계를 완성할 수 있었다.
한편, 헬시나이트는 보다 저온에서 높은 반응성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 세리아의 원료인 세륨이 레어 어스이기 때문에 고비용이 되는 것에 대해, 헬시나이트는 저렴한 철과 알루미늄에서 제조할 수 있기 때문에 제조비용을 극적으로 낮출 수 있다고 생각된다. 고효율 CO2분해를 할 수 있게 되었기 때문에 솔라 연료 제조의 저비용화에의 응용이 기대된다.
이번 사업 종료후, 니이가타대학, 도쿄대학, 신슈대학은 실증 플랜트의 건설이나 반응물질, 폼 디바이스 단독으로의 실용화, 집광계 및 집열계의 실용화 등, 다방향으로 전개하고, 카본 뉴트럴의 실현에 공헌해 간다. 동 사업의 기간은 2020~2023년도로 하고 있다.
이번 사업의 배경
일본이나 다양한 국가가 목표로 내걸고 있는 2050년의 카본 뉴트럴 실현을 향해, 최근 국내외에서 공장 등으로부터 배출되는 CO2의 분리/저장(CCS)이 널리 행해지는 등, CO2의 이용방법에 대해서도 연구가 활발해지고 있다.
현재 상황에서는, 태양광을 이용한 CO2의 이용은 태양광발전에 근거한 수전해로 수소를 제조하고, 이 수소를 CO2와 반응시켜 메탄합성을 하는 메타네이션이 유망으로 여겨지고 있지만, 아직 실용화에는 이르지 않았다.
전기를 사용하지 않고, 태양열에 의해 저렴하게 CO2를 분해하여 연료를 제조하는 방법이 요구되는 가운데, 니이가타대학, 도쿄대학, 신슈대학, 콜로라도대학 볼더교는, 이번 사업에서 실험과 시뮬레이션에 의한 요소연구와 사회 실장을 위한 과제나 로드맵의 정리에 임해 왔다.