화학硏 전기원 박사팀, CO2 저감기술 개발

낮은 온도 이산화탄소→메탄올 변환 성공

석유화학산업 온실가스 배출 획기적 저감

▶ 전기원(뒷쪽) 박사가 이산화탄소 반응장치를 운전하고 있다.[한국화학연구원 제공]
▶ 전기원(뒷쪽) 박사가 이산화탄소 반응장치를 운전하고 있다.[한국화학연구원 제공]

우리나라는 에너지 수입의존도 97%로 온실가스 배출량 세계 7위(6억8000t), 1인당 배출량은 세계 4위(이상 2018년 기준)라는 불명예를 안고 있다.

특히 국내 화학산업은 세계 5위, 석유화학산업 비율이 38.6%로 매우 높은 편이다. 이런 가운데 온실가스 배출을 획기적으로 저감할 수 있는 ‘이산화탄소 포집 활용기술(CCU)’이 주목받고 있다. 화력발전소와 같은 대형 배출원에서 나오는 이산화탄소를 포집해 유용한 에너지원으로 재활용하는 것이다.

이 기술이 상용화되면 연간 37억t의 이산화탄소 감축 효과를 거둘 수 있을 것으로 전망된다.

한국화학연구원 차세대탄소자원화연구단 전기원 박사 연구팀은 이산화탄소 배출을 획기적으로 저감하고 새로운 에너지원으로 전환시키는 화학 공정기술을 잇따라 개발했다.

연구팀은 이산화탄소를 청정 대체연료이자 플라스틱, 고무 등의 기초 화학원료인 메탄올로 변환할 수 있는 공정기술을 가장 먼저 확보했다.

이 기술은 철강공장 등에서 배출되는 부생 이산화탄소 가스를 활용해 기존 공정에 비해 30% 이상의 이산화탄소 배출을 줄인다. 연구팀은 실제 이 공정기술을 바탕으로 현대오일뱅크 서산공장에 1일 10t 규모의 실증플랜트 가동을 성공적으로 수행했다.

연구팀은 최근 이산화탄소를 기초 화학원료인 나프타로 직접전환하는 공정에 사용되는 고효율 촉매 제조 기술에도 성공했다. 이 기술을 통해 향후 ‘이산화탄소의 대량 저감’과 ‘기초원료 생산’ 모두 달성하겠다는 전략이다.

나프타는 원유(석유) 정제과정에서 얻어지며 석유화학 기초원료나 휘발유의 원료로 사용된다. 우리나라 석유화학 산업은 세계 4~5위의 규모를 가지고 있으며, 연간 약 5400만t의 나프타 국내 소비를 통해 약 6100만t의 온실가스를 배출하고 있다.

2050년 탄소중립에 도달하더라도 기초원료 물질인 나프타의 사용은 지속적으로 필요하다. 따라서 진정한 탄소중립에 도달하기 위해서 화석 연료 기반이 아닌 이산화탄소 등의 미활용 탄소원을 활용하여 나프타로 대체하는 기술이 필수적이다.

이번에 개발한 이산화탄소를 기초 화학원료로 직접전환하는 기술의 핵심은 이산화탄소를 낮은 온도에서도 쉽게 반응시키면서 부산물을 적게 생성하는 방식이다.

800℃ 이상의 높은 온도를 필요로 하는 이산화탄소 간접전환 방식에 비해 300℃의 낮은 온도에서 진행되는 직접전환 공정은 전력공급이 안정적이지 못한 환경에서도 가동될 수 있다. 반면, 이산화탄소의 전환 효율이 낮고 일산화탄소, 메탄 등의 부산물이 다량 생성돼 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 코발트를 원자단위로 철과 합금시키면 성능을 대폭 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 이를 통해 이산화탄소를 낮은 온도에서도 쉽게 반응시키면서 부산물을 적게 생성하는 고성능 촉매를 개발했다.

그 결과 기존 직접전환 기술(16% 수준) 대비 37% 이상 향상된 22% 이상의 나프타 수율을 확보했다.

2030년 기준 재생에너지 발전 용량인 ‘63.8기가와트(GW)’ 중 잉여전력을 10% 정도 수준으로 추정해 이 공정에 필요한 에너지원으로 활용한다면 연간 이산화탄소는 453만t저감 가능하고 나프타는 254만t 생산 가능할 것으로 예측된다. 이는 석유화학산업 온실배출량의 약 7.4%를 저감시킬 수 있는 양에 해당된다.

전기원 박사는 “재생에너지를 이용한 합성 나프타 생산 기술이 상용화 된다면 석유 자원을 대체하며 온실가스를 대량 감축할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.

구본혁 기자