화학연, CO₂ 포집·활용 연구로 '탄소중립 실현' 기여

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전기원 단장 연구팀, 메탄올 원료 대체
합성석유 공정 구현...수율 40%로 높여
장태선 연구원팀, 합성가스 공정 개발
나프타 활용 줄여...세계시장 선점 가능

이산화탄소를 이용한 액체연료 생산 파일럿 플랜트(하루 5kg 규모)를 작동하는 모습.
<이산화탄소를 이용한 액체연료 생산 파일럿 플랜트(하루 5kg 규모)를 작동하는 모습.>

한국화학연구원(원장 이미혜)이 이산화탄소(CO₂)를 포집·활용(CCU)하는 연구에 역량을 집중, 성과를 도출하고 있다. 상당부분 기술이 무르익어 탄소중립 실현에 핵심 역할을 할 전망이다.

화학연은 전기원 차세대탄소자원화연구단장 연구팀과 장태선 화학공정연구본부 환경자원연구센터 책임연구원팀이 각종 공정에 CO₂를 원료로 활용하는 연구에서 많은 성과를 거두고 있다고 26일 밝혔다.

전기원 차세대탄소자원화연구단장
<전기원 차세대탄소자원화연구단장>

전 단장 연구팀은 CO₂를 활용, 메탄올을 생산하는 연구는 상용화 직전까지 갔다. 기존 메탄올은 천연가스를 원료로 만드는데, 30% 정도를 CO₂로 대체했다. 이미 2017년 현대오일뱅크 서산 플랜트에서 실증을 완료하고 상용 플랜트 기본설계까지 마쳤다. 이 기술은 온실가스인 메탄과 CO₂를 동시에 전환할 수 있어 바이오가스를 원료로 할 경우 온실가스 감축 효과가 크다.

전 단장 연구팀은 물을 분해(수전해)하거나, 산업 부생가스를 통해 얻은 수소에 CO₂를 더해 합성석유를 만드는 공정도 구현하고 있다. 이 기술은 노르웨이에서 독일 기술 기반으로 상용화를 진행 중인데, 900도 1차 반응과 250도 2차 반응을 적용한다.

전 단장 연구팀 개발 기술은 300도 온도에서 한 번 반응으로 합성석유를 만들 수 있어 효율이 높다. 1단계 반응은 수율 한계가 30% 정도인데, 이를 40%까지 높이는 성과도 냈다. 이 기술로 석유화학 기초물질인 나프타를 생산할 수 있고, 부산물로 휘발유도 얻을 수 있다. 하루 5㎏ 규모 파일럿 플랜트를 곧 가동할 수 있을 전망이다.

전 단장은 “메탄올 생산 기술 생산 연구는 상용화를 위해 기업과 접촉하는 단계에 있고, 합성석유 생산 기술도 내년부터 실증을 추진할 계획”이라며 “2030년 경에는 이들 기술을 완전히 상용화하는 것이 목표”라고 전했다.

장태선 책임연구원팀은 CO₂를 이용해 '합성가스'를 제조하는 공정개발에 힘을 기울이고 있다.

합성가스는 일산화탄소(CO)와 수소가 섞인 가스다. '플랫폼 화합물'로도 불린다. 수소저장체, 플라스틱 등 여러 가지 화합물 제조가 가능한 중요 원료기 때문이다.

장태선 화학공정연구본부 환경자원연구센터 책임연구원
<장태선 화학공정연구본부 환경자원연구센터 책임연구원>

장 연구원팀은 탄화수소 대신 CO₂를 원료로 썼다. 이 기술은 아직 뚜렷한 성과가 없어 세계 시장 선점도 가능하다. 많은 CO₂로 합성가스를 제조한다면 탄소중립에 기여하면서 석유에서 비롯된 나프타 활용도 줄일 수 있다.

통상 합성가스는 저급 탄화수소(나프타, 메탄)를 고온에서 수증기나 산소로 반응하는 '스팀 개질' 방식, 산소를 활용하는 '부분산화반응'으로 생산하는데, CO₂ 배출이 불가피하다. 연구팀은 역으로 CO₂를 활용하는 '건식개질' 방식을 고안했다. 하루 20㎏ 규모 파일럿 플랜트 연구를 성공적으로 마쳤고, 내년 초 목표로 플랜트 실증 연구까지 수행 중이다.

이밖에도 장 연구원팀은 이차전지 전해질, 폴리카보네이트(PC), 폴리우레탄(PU) 등 CO₂ 활용 제품개발에도 박차를 가하고 있다.

장 연구원은 “우리 기술로 생산되는 합성가스는 다양한 탄소 기반 원료물질로 활용 가능하고 기존 산업 공정을 그대로 사용할 수 있어 국내 여건에 맞다”며 “석유 대신에 CO₂를 활용한다는 점에서 탄소순환을 통한 탄소중립 실현에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com