KR20110033110A - 인간 활동의 탄소 발자국을 경감시키거나 제거하는 방법 - Google Patents

인간 활동의 탄소 발자국을 경감시키거나 제거하는 방법 Download PDF

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조지 에이. 올라
지.케이. 수리야 프라카쉬
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유니버시티 오브 써던 캘리포니아
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Abstract

본 발명은, 탄소 함유 연료의 연소 또는 사용과 관련된 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출로부터의 탄소 발자국을 중화 또는 감소시키는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 이산화탄소를 포획하고, 이를 화학적으로 재활용하여 대기의 이산화탄소 함량을 증가시키지 않으면서 후속적으로 연소 또는 사용될 수 있는 탄소 함유 연료 또는 생성물의 영구적인 무한 공급원을 형성 또는 제공한 초기 단계를 포함한다. 그래서, 통상적인 탄소 함유 연료 및 생성물에 크게 의존하는 현재의 생활방식은 미래 세대의 유익함을 위해 지구 대기를 보존하고 심지어 개선하기 위해 환경에 해를 주지 않으면서 무기한 계속될 수 있다.

Description

인간 활동의 탄소 발자국을 경감시키거나 제거하는 방법{MITIGATING OR ELIMINATING THE CARBON FOOTPRINT OF HUMAN ACTIVITIES}
본 발명은, 탄소 함유 연료의 연소 또는 사용과 관련된 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법에 관한 것이다.
21세기 사회에서, 자주 표현되는 주된 관심사 중 하나는 우리 세상에서 인간 활동의 "탄소 발자국(carbon footprint)"의 환경적으로 유해한 증가이다. 탄소 발자국 탄소 함유 연료 등의 사용으로 인해 독립체에 의해 생성되는 이산화탄소의 양이다. 탄소계 연료의 연소 또는 분해, 재료 또는 이의의 활동 자체로부터 생성되는 이산화탄소는 이것이 유해 지구 온난화를 유발하여 기후의 변화에 상당히 기여하므로 주된 관심 대상이다. 탄소 함유 연료 및 재료의 사용을 급격히 감소시키고 화석 연료를 비-탄소 함유 에너지원으로 대체하기 위한 널리 확산된 노력이 제시되고 있다. 비-탄소 함유 에너지원, 특히 전기, 지열 태양, 바람 등 및 원자 에너지와 같은 대체 공급원이 점점 더 사용되어야 함이 강조된다. 그러나, 예측 가능한 미래에서, 화석 에너지원은 대체물과 비교하여 준비된 이용성 및 비교적 저비용으로 인해 계속 주된 역할을 할 것이다.
임의의 탄소 함유 화합물의 환경적으로 유해한 원인은 이의 연소 또는 분해 시에 온실 가스인 이산화탄소가 생성된다는 점이다. 문제점을 맥락에 더하기 위해, 석탄 또는 다른 화석 연료, 이러한 연료를 연소시키는 발전 장치의 사용은 매년 300억 톤을 초과하는 이산화탄소를 생성시키며, 이는 다양한 산업 활동, 석유 및 천연 가스 사용, 농업, 활동 및 다양한 천연 공급원의 배출로 인해, 다량으로 추가로 증가된다. 특성상 대양 및 광합성 공정이 인간 활동과 관련된 CO2의 절반만큼의 양을 흡수하고 재순환시킬 수 있더라도, 나머지 양은 여전히 지구 CO2 균형에 크게 부담을 주고 균형을 깨뜨린다.
따라서, 교토의정서 및 이와 다른 노력에 의해 반영되는 바와 같이, 인간 활동 발생 CO2를 급격히 감소시켜야 함이 강조된다. 비-탄소 함유 및 재생 에너지원의 사용 및 해저 또는 지하에서의 이산화탄소 배출의 포획 및 격리는 실현 가능한 곳 어디에서나 사용되어야 함이 인지된다. 그러나, 이들 시도의 명백한 제한이 있다. 비용이 드는 공저 이외의 격리는 단지 임시 해결책이다. 격리된 이산화탄소는 대기 밖에서 장기간 유지되지 않을 수 있다. 임의의 지층 교란(지진, 산사태, 화산 분화 등)이 다량의 치명적 이산화탄소의 순간적 배출을 유발시킬 수 있으며, 이는 공기보다 무거워서 대규모로 임의의 생명체를 질식사시킬 수 있다.
독립체의 탄소 발자국을 감소시키는 것이 다른 공지된 방식이다. 탄소 발자국은 하기의 단계를 수행함으로써 효율적 및 효과적으로 감소될 수 있다:
첫 번째, 독립체의 현재의 탄소 발자국을 정확하게 결정하는 단계;
감소가 가능할 수 있는 경우에 에너지 소비 및 관련 CO2 배출에 대해 핫스팟(hot-spot)을 확인하는 단계;
CO2-배출을 감소시키기 위한 에너지 효율 및 생산 공정으로부터 기인하는 다른 GHG 배출의 감소를 최적화하는 단계; 및
에너지 절약 방법에 의해 해결될 수 없는 CO2 배출을 중화시키기 위한 해결책을 확인하는 단계.
최종 단계는 탄소 상쇄, 즉 감소 CO2 배출에 도움을 주는 프로젝트, 예를 들어, 바이오 연료 또는 나무 심기의 투자를 포함한다.
이들은 모두 민감성 대안 및 시도이고, 대체 에너지원 및 연료의 사용이 일부 경감을 제공할 수 있지만, 이들은 그 자체로 문제점에 대한 충분한 해결책을 제공하기에는 불충분하고, 새로운 기술적 시도가 필요하다. 일부 새로운 시도가 본 발명에 의해 제공된다.
발명의 요약
본 발명은, 통상적인 탄소 함유 연료의 연소 또는 사용과 관련된 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출로부터의 탄소 발자국을 중화 또는 감소시키는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 이산화탄소를 포획한 후, 이를 화학적으로 재활용하여 연료, 합성 탄화수소 또는 다른 생성물의 형태로 탄소 함유 화합물의 새롭고 영구적인 무한 공급을 형성 및 제공하는 초기 단계를 포함하고, 이러한 연료 및 생성물은 후속적으로 대기의 전체 이산화탄소 함량을 증가시키지 않으면서 연소 또는 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 이러한 새로운 탄소 함유 화합물 또는 생성물을 생성시켜서 세상의 전체 탄소 발자국을 결과하는 이산화탄소 배출을 조절하고 감소시키기 위해 포획되거나 재순환된 이산화탄소의 사용에 관한 것이다. 이와 같이, 통상적인 탄소 함유 연료 및 생성물에 점차적으로 의존하는 현재의 생활방식은 환경에 해를 주지 않으면서 이산화탄소의 재순환에 의해 얻어지는 새로운 탄소 함유 화합물 또는 생성물을 대체시켜서, 미래 세대의 유익을 위해 지구 대기를 보존하거나 바람직하게는 개선하여 무기한으로 계속될 수 있다.
본 발명은, 탄소 함유 연료의 연소 또는 사용과 관련된 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법을 제공하는 효과를 갖는다.
바람직한 실시예의 상세한 설명
다음 정의가 본 발명에 적용된다.
탄소 발자국(carbon footprint)은, "이산화탄소의 단위로 측정되는, 생성되는 온실 가스의 양에 대해 환경에 미치는 인간 활동의 영향의 척도"이다. 이는 개인, 독립체(entity) 및 기구가 지구 온난화에 기여하는 데에 있어서의 개인(또는 기구)의 영향을 개념화시키는 데에 유용함을 의미한다. 탄소 발자국에 반응하는 개념적 도구는 탄소 상쇄, 또는 태양 또는 풍력 에너지와 같은 대체 탄소 공급원 프로젝트의 발달을 통한 탄소 배출의 경감 또는 재식림과 같은 생물학적 과정에 의한 탄소 재순환이다. 탄소 발자국은 생태학적 발자국의 개념의 초기 사용의 하위 부류로서 관찰될 수 있다.
"독립체(entity)"는, 개인, 가족 또는 다른 군의 사람, 상사, 회사 또는 다른 기구일 수 있다. 특히, 독립체는 화석 연료의 연소, 산업 활동, 이산화탄소의 다른 발생의 미세 공정으로 인해 탄소 발자국을 발생시키거나 발생시킬 수 있는 독립체이다.
따라서, 탄소 발자국은 독립체에 의해 배출되거나 제품 또는 서비스의 전체 라이프사이클을 초과하여 축적되는 과도한 다량의 이산화탄소(CO2) 및 다른 탄소 함유 온실 가스의 측정값이다.
일반적으로, 탄소 발자국은 상이한 온실 가스의 동일한 지구 온난화 효과에 대한 양인 CO2 당량(일반적으로 킬로그램 또는 톤)으로서 표현된다. 탄소 발자국은 모든 이산화탄소 공급원으로부터 계산되거나, 화석 연료의 사용, 산업용 및 다양한 공정으로부터 생성되는 이산화탄소의 주용 공급원으로 제한될 수 있다. 탄소 발자국은 단지 직접 배출{일반적으로, 가정, 작업장, 운송(자동차, 항공기, 철도 및 다른 대중교통에 의한 운송 포함)}을 고려할 수 있거나, 간접 배출(소비되는 제품 및 서비스의 결과로서의 CO2 배출 포함)을 포함할 수 있다.
본 발명은 에너지 발생을 위한 탄소 함유 연료의 사용, 운송 연료 및 다양한 유도된 재료 및 생성물의 생성을 제한하거나 억제하지 않지만, 대신에, 이를 발생시키는 플랜트부터 포획되는 이산화탄소로부터 이러한 연료 및 관련된 탄소 함유 생성물을 제조하거나 대기로부터 이산화탄소를 제거함으로써 인간 활동에 의해 유발되는 탄소 발자국을 경감시기기 위한 실현 가능한 방식을 제공한다. CO2 배출을 포획하고 화학적으로 재순환하여, 중성 또는 일부 경우에는 음성 탄소 발자국이 달성된다. 이는 우선적으로 더 높은 농도의 산업용 및 천연 CO2 공급원 및 배출물을 재순환시키지만, 또한 대기 또는 공기 자체로부터 직접 1당량 또는 경우에 따라 더 많은 양의 CO2를 포획하고 재순환하여 실현 가능하다.
물론, 자연 자체는 농작 식물 및 나무를 통해 이산화탄소를 재순환시키지만, 오일 및 다른 화석 연료의 연소 및 사용은 단순히 시스템에 부담을 부어서, 발생한 이산화탄소의 양이 유지될 수 없게 된다. 본 발명은 상기 단점을 인지하고, 현재 이러한 훌륭한 재순환 프로젝트의 본질을 보조하는 것을 추구한다. 첫 번째로 환경으로부터 이산화탄소를 포획함으로써, 또는 최소한 추가량이 배출되는 것을 방지한 후, 포획 이산화탄소를 탄소계 연료 또는 원료로 변환하여, 미래 세대는 환경에 대해 추가의 유해를 유발시키지 않으면서 이러한 연료 및 원료 및 이러한 화학물질로부터 제조되는 생성물을 계속 이용할 수 있다. 이와 같이, 이산화탄소의 배출 또는 이의 결과된 탄소 발자국을 증가시키지 않으면서 이들 연료 및 생성물의 미래 공급원이 제공된다. 생성물은 환경적으로 중성인 방식으로 사용될 수 있다.
특히, 포획되고 재생되는 CO2는 본원에 참고문헌으로 인용된 미국 특허 제 5,928,806호 및 미국 특허 출원 번호 2006/0235091, 2006/0235088 및 2007/054969에 기술된 바와 같은 메탄올 또는 디메틸 에테르 및 이들의 유도 생성물 및 재료와 같은 적합하고 재생성인 연료를 생성시키기 위해 사용될 수 있다.
이들 특허 문헌에 기술된 방법에서, 이산화탄소는 석탄 또는 다른 화석 연료 연소 플랜트, 지열 전력 설비, 시멘트, 알루미늄 또는 다른 산업용 플랜트 또는 공장, 산업용 또는 농업 폐기물 또는 천연 가스 생성의 부생성물의 연도 또는 배출 가스로부터 포획될 수 있다. 이산화탄소는 또한 이를 적절한 흡착제에 흡착시킨 후에 흡착제를 가열하거나 다른 식으로 처리하여 이로부터 흡착된 이산화탄소를 배출하여 공기 또는 대기로부터 포획되고 제거될 수 있다.
바람직하게는, 포획된 이산화탄소는 다양한 수소화 환원 공정에 의해 메탄올로 화학적으로 재순환된다. 디메틸 탄산염과 같은 다른 생성물이 메탄올과 포스겐의 반응에 의해 또는 메탄올의 산화성 카르보닐화에 의해 생성될 수 있다. 유리하게는, 메탄올은 탈수화되어 디메틸 에테르로 변환된 후, 부가적 생성물을 생성시키기 위한 출발물질로 사용될 수 있다. 디메틸 에테르는 가정용 또는 산업용의 가열을 위해 천연 가스 및 LPG에 대한 대체물로 사용될 수 있다. 디메틸 에테르는 산성-염기성 또는 제올라이트 촉매의 존재 하에 가열되어 에틸렌 또는 프로필렌을 생성시킬 수 있다. 에틸렌 또는 프로필렌은 화학물질 또는 운송 연료용 원료로 사용하기 위해 고급 올레핀, 합성 탄화수소 또는 방향족 화합물 및 이들의 생성물로 변환될 수 있다. 에틸렌 또는 프로필렌은 수화되어 에탄올 또는 프로판올 및 특히 이소프로판올을 생성시킬 수 있다. 이들 탄소계 연료 및 생성물은 임의의 개인 또는 독립체의 탄소 발자국을 증가시키지 않으면서 그리고 임의의 추가의 이산화탄소를 배출시킴에 의한 대기에 대한 임의의 추가의 해로움을 유발시키지 않으면서 통상적으로 연소되거나 이용될 수 있다. 이들 공정은 모두 일반적으로 본원에 언급된 종래의 특허 문헌으로부터 공지되어 있지만, 단지 이산화탄소의 수집 또는 포획 후에 연료 및 생성물의 발생이 개체군이 익숙해지게 되는 생활방식을 변화시키지 않으면서 추가의 환경 피해를 방지할 새로운 개념이다. 이는 또한 탄소계 재료의 사용의 보존 또는 감소에 의존하지 않는다.
본 발명은 현재 생성되는 당량 또는 과량의 이산화탄소의 초기 포획을 통해, 그리고 이를 바람직하게는 메탄올 또는 디메틸 에테르로의 적절한 형태의 변환을 사용하여 화학적으로 재활용하여 중성 또는 심지어 음성인 인간 탄소 발자국을 만들어서 인간 활동의 탄소 발자국에 첨가되는 CO2의 유해 발생의 경감을 달성한다. 이들 재료는 편리한 에너지 저장 및 운반 재료, 연료(내부 연소 또는 연료 전지 포함), 가정용 및 산업용 가스(가열, 요리 등을 위해), 및 합성 탄화수소 및 이들의 생성물을 생성시키기 위한 재생성 원료로 사용될 수 있다. 인간 활동의 유해한 과도한 탄소 발자국을 경감하여, 과도한 이산화탄소가 대기로 배출되지 않아서, 지구 온난화를 유발시키는 대기로의 과도한 CO2 배출의 유해한 환경 효과를 또한 감소시키거나 중화시키면서 탄소 함유 연료 및 재료의 계속된 환경 친화적 재생성 사용을 허용한다. 이와 동시에, 모든 사람에 의해 크게 의존되는 연료 및 생성물을 제조하기 위한 출발점인 무한한 재생성이고 환경적으로 유익한 탄소 공급원, 즉 이산화탄소가 인류친화적임이 확실하다.

Claims (12)

  1. 탄소 함유 연료의 연소 또는 사용과 관련된 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법에 있어서,
    이산화탄소를 포획하는 단계와,
    상기 이산화탄소를 화학적으로 재활용하여 대기의 이산화탄소 함량을 증가시키지 않으면서 연소 또는 사용될 수 있는 탄소 함유 화합물 또는 생성물을 형성하는 단계를
    포함하는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소는, 석탄 또는 다른 화석 연료 연소 플랜트, 지열 전력 설비, 시멘트, 알루미늄 또는 다른 산업용 플랜트 또는 공장, 산업용 또는 농업용 폐기물 또는 천연 가스 생성의 부생성물의 연도(flue) 또는 배출 가스(off-gas)로부터 포획되는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이산화탄소는 공기 또는 대기로부터 포획되고 제거되는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 이용 가능한 이산화탄소 공급원은 대기이고, 상기 이산화탄소는 대기 이산화탄소를 적절한 흡착제에 흡착시킨 후, 상기 흡착제를 처리 또는 가열하여 이로부터 흡착된 이산화탄소를 배출하여 얻어지는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 함유 화합물은 탄소 함유 연료 또는 합성 탄화수소인, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포획된 이산화탄소는 수소화 환원 공정에 의해 메탄올로 화학적으로 변환되는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 디메틸 에테르를 제조하는데 충분한 조건 하에 생성되는 메탄올을 탈수하는 단계를 더 포함하는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 에틸렌 또는 프로필렌을 형성하기 위해 산성-염기성 또는 제올라이트 촉매 존재 하에 상기 메탄올 또는 디메틸 에테르를 변환시키는 단계를 더 포함하는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 에틸렌 또는 프로필렌을 고급 올레핀; 합성 탄화수소 또는 방향족 화합물; 또는 화학물질용 원료 또는 운송 연료로 사용하기 위한 이들의 생성물로 변환시키는 단계를 더 포함하는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 에탄올, 프로판올 또는 이소프로판올을 형성하기 위해 상기 에틸렌 또는 프로필렌을 수화시키는 단계를 더 포함하는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 디메틸 에테르는 가정용 또는 산업용 가열 목적의 디이젤 연료, 천연 가스 또는 LPG에 대한 대체물로 사용되는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
  12. 제 6항에 있어서, 메탄올을 포스겐과 반응시키거나 상기 메탄올의 산화성 카르보닐화에 의해 디메틸 탄산염을 형성하는 단계를 더 포함하는, 인간 활동에 의한 이산화탄소 배출을 중화 또는 감소시키는 방법.
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