Research Portfolio

 대부분의 탄화수소 연료들은 높은 에너지 밀도를 가집니다 [1]. 하지만 이를 만드는 과정, 즉 원유를 추출하고 운송, 정제하여 수요처에서 화학 반응을 일으키는 전체 과정에서 이산화탄소를 발생시키며, 이는 지구온난화의 주된 원인으로 밝혀졌습니다 [2,3]. 만약 수소나 암모니아와 같이 탄소를 함유하지 않은 연료를 사용할 수 있다면 최소한 수요처에서의 이산화탄소 발생은 효과적으로 저감할 수 있을 것이며, 이들을 생산하는 과정 (upstream) 에만 주목을 하면 될 것입니다. 또한 부생수소나 탄소발자국이 적은 전력으로 생산된 수소 (water electrolysis), 그리고 대기중에서 포집된 (DAC, Direct Air Capture) 이산화탄소를 활용하여 이상적인 재생합성연료 (e-fuel) 를 만들 수 있다면 이 또한 적극적으로 활용될 수 있을 것입니다. 

 하지만 이러한 연료들도 나름의 단점, 그리고 해결해야 할 문제들을 가지고 있습니다. 질소산화물 (NOx, Nitrogen Oxides) 과 같이 인체에 궁극적으로 유해한 영향을 끼치는 배출가스를 많이 발생시킨다는 점 [4], 기술-경제성 분석 (TEA, Techno-Economic Analysis) 측면에서 여전히 높은 단가 (단위 에너지당, $/kWh 또는 $/J) 를 가진다는 점 [5], 그리고 공급 인프라를 갖추는 과정에서의 지정학적 이슈 (i.e. 에너지 안보) [6] 등이 대표적인 문제점입니다. 그래서 이를 해결하기 위해 우리는 

1) 차세대 연료의 연소 과정에서 발생하는 배출가스를 줄이는 기술 - 연소가시화 기반 산화 반응 메커니즘 분석, FT-IR 및 GC 를 활용한 배기가스 정밀 분석

2) 폐열 회수 기반 연료 개질, 이산화탄소 포집 기술 및 e-fuel 생산성 분석

을 수행하고 있습니다.

 분명 이러한 연구 과정에서는 어떠한 시스템이 선정되고, 그 안에서 열역학 및 열전달, 촉매 표면 반응 (e.g. NH3 cracking, steam methane reforming), 산-염기 중화 기반 화학적 흡착 반응 (e.g. 아민 수용액을 활용한 이산화탄소 포집), 그리고 연소 등의 현상이 부분적으로 발생하게 될 것입니다. 또한 이러한 반응 중 일부는 lab-scale 로 실험을 해볼 수 있으나, 그 외에는 모두 실증 단계에 대응하는 scale 로 구현되므로 시뮬레이션을 활용한 접근이 필요합니다. 따라서 아래의 연구가 추가로 분류될 수 있습니다. 

3) 열역학적 시스템에 대한 모델링 및 부분 실험 전개 - Hardware-in-the-loop simulation (HILS)

 하지만 '탄소중립' 이라는 키워드를 정확히 정의할 수 있고, 이를 실현할 수 있는 기술 분야라면 언제든지 새롭게 배우고 익혀서 우리의 연구 분야로 만들고 싶습니다. 그래서 어떠한 틀로 연구 분야를 한정하진 않겠다는 말씀을 마지막으로 드립니다. 감사합니다.

Most hydrocarbon fuels have high energy densities [1]. However, the entire process of producing these fuels—from crude oil extraction, transportation, and refining to combustion at the point of use—emits carbon dioxide, which has been identified as a primary driver of global warming [2,3]. If we could use carbon-free fuels such as hydrogen or ammonia, we could significantly reduce carbon dioxide emissions at the point of use, shifting the focus to the upstream production process. Additionally, utilizing byproduct hydrogen, hydrogen produced with low-carbon electricity (e.g., via water electrolysis), or carbon dioxide captured directly from the atmosphere (DAC, Direct Air Capture) to synthesize ideal renewable fuels (e-fuels) presents another promising avenue.

However, these alternative fuels also come with their own challenges and issues that need to be addressed. Major concerns include the high emission of nitrogen oxides (NOx), which have harmful health effects [4], the still-high cost per unit of energy ($/kWh or $/J) from a techno-economic analysis (TEA) perspective [5], and geopolitical challenges related to establishing a robust supply infrastructure (e.g., energy security) [6]. To overcome these challenges, we are conducting research in the following areas:

1) Technologies to reduce emissions during the combustion process of next-generation fuels oxidation reaction mechanism analysis based on combustion visualization and precise exhaust gas analysis using FT-IR and GC

2) Fuel reforming, CO₂ capture, and e-fuel productivity analysis based on waste heat recovery

In the course of these studies, various phenomena will be involved depending on the selected system, including thermodynamics, heat transfer, catalytic surface reactions (e.g., NH₃ cracking, steam methane reforming), acid-base neutralization-based chemical absorption (e.g., CO₂ capture using amine solutions), and combustion. While some of these reactions can be experimentally tested at a lab scale, others require implementation at a demonstration-scale, necessitating a simulation-based approach. Therefore, additional research areas include:

3) Modeling and partial experimental validation of thermodynamic systems - Hardware-in-the-loop simulation (HILS)

Ultimately, if a technology can be clearly defined within the framework of "carbon neutrality" and contributes to its realization, we are always open to learning and incorporating it into our research scope. We do not wish to confine ourselves within rigid boundaries, and we welcome new opportunities for exploration. Thank you.

Reference

[1] Valera-Medina, Agustin, et al. "Ammonia for power." Progress in Energy and combustion science 69 (2018): 63-102.

[2] Climate Change, https://science.nasa.gov/climate-change/ , NASA (accessed Mar 19, 2025) 

[3] Overview of Greenhouse Gases, https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases, EPA (accessed Mar 19, 2025)

[4] Kobayashi, Hideaki, et al. "Science and technology of ammonia combustion." Proceedings of the Combustion Institute 37.1 (2019): 109-133.

[5] D'Adamo, Idiano, et al. "Environmental implications and levelized cost analysis of E-fuel production under photovoltaic energy, direct air capture, and hydrogen." Environmental Research 246 (2024): 118163.

[6] Pfennig, Maximilian, et al. "Global GIS-based potential analysis and cost assessment of Power-to-X fuels in 2050." Applied Energy 347 (2023): 121289.