이산화탄소 이용해 화학원료·친환경연료 생산
이산화탄소 이용해 화학원료·친환경연료 생산
  • 채덕종 기자
  • 승인 2021.05.28 14:03
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에기硏, 전기화학적 이산화탄소 전환기술 개발…생산성 2배
전해액대신 수증기 사용, 경제성과 온실가스 감축효과 달성
▲박기태 에기연 책임연구원(앞쪽)과 고유나 선임기술원이 이산화탄소 전환 반응기의 성능 평가를 수행하고 있다.
▲박기태 에기연 책임연구원(앞쪽)과 고유나 선임기술원이 이산화탄소 전환 반응기의 성능 평가를 수행하고 있다.

[이투뉴스] 이산화탄소를 전기화학적으로 전환, 에틸렌과 같은 유용한 화학원료는 물론 친환경연료를 생산하는 기술이 개발됐다. 특히 전해액 대신 수증기를 사용해 경제성 개선과 온실가스 감축효과까지 달성하는 등 탄소포집·저장·활용(CCUS) 기술의 새로운 전기를 마련했다는 평가다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 탄소전환연구실 박기태 박사 연구진은 이산화탄소를 플라스틱, 섬유 및 화학제품의 원료로 사용되는 에틸렌, 합성가스, 개미산과 같은 유용한 화합물로 전환하는 신개념 이산화탄소 전환기술을 개발했다고 밝혔다.

전기화학적 이산화탄소 전환기술은 물과 전기에너지를 이용해 온실가스인 이산화탄소를 화학원료 및 연료로 바꾸는 친환경 기술이다. 온실가스도 줄이고 유용한 제품도 생산할 수 있어 탄소중립 사회를 만들기 위한 핵심기술로 최근 큰 관심을 받고 있다.

그동안 이산화탄소 전환기술 연구에서는 이산화탄소 전환 반응에 필요한 에너지를 줄이기 위해 전해액을 사용해왔다. 이산화탄소가 전해액에 녹아있으면 기체상태일 때보다 훨씬 적은 에너지로도 유용한 물질을 생산할 수 있기 때문이다.

매우 안정된 분자구조를 가진 이산화탄소는 기체상태에서 반응을 유도해 유용한 물질로 만들려면 많은 에너지가 필요하다. 그래서 많은 연구에서 이산화탄소를 액체에 녹여 반응을 시키지만 전해액에 녹일 수 있는 이산화탄소의 양(용해도)이 적어 생산성이 매우 낮다는 문제점이 발생했다.

용해도 문제를 해결하기 위해 최근에는 기체상태의 이산화탄소를 촉매 층으로 직접 공급하는 기체확산전극(GDE) 기술이 도입됐으나 여전히 전해액을 사용해야 한다. 전해액은 이산화탄소가 쉽게 반응을 일으킬 수 있는 조건을 만들어주는 중요한 역할을 하지만 전기저항으로 작용, 전기에너지를 공급해야 하는 것은 물론 추가적인 반응기 부품 및 장치가 필요하다.

▲에너지기술연구원의 전기화학적 이산화탄소 전환 반응시스템.
▲에너지기술연구원의 전기화학적 이산화탄소 전환 반응시스템.

에너지기술연구원은 이러한 문제를 해결하기 위해 수증기를 불어넣는 간단한 방법을 고안해 전해액 사용을 대체했다. 수증기가 촉매 표면에 맺혀 얇은 액체 막을 만들고 여기에 기체상태의 이산화탄소가 연속적으로 녹아들어 빠르고 효율적으로 반응을 일으킬 수 있게 된 것이다.

이 기술은 낮은 이산화탄소 용해도 문제를 해결함과 동시에 전기저항으로 작용하는 전해액 층을 제거해 제로-갭(zero-gap) 전극 구조를 구현한다. 따라서 같은 전압조건에서 기존 전해액 사용기술 대비 2배 이상의 높은 생산성을 달성했다.

최근에는 이 기술을 일산화탄소 생산에도 적용해 기존기술 대비 2배 이상의 생산성과 93%의 높은 패러데이효율을 얻었으며, 한국과학기술원과의 공동연구로 경제성과 이산화탄소 감축효과를 동시에 달성할 수 있음을 확인했다. 해당 연구결과는 화학분야 세계적 권위지인 ‘그린 케미스트리(Green Chemistry)’ 2021년 3월호에 게재됐다.

에기연은 이번 기술이 이산화탄소를 원료로 다양한 화학제품을 생산하는데 적용될 수 있어 파급효과가 클 것으로 기대하고 있다. 특히 자연에너지(태양광, 풍력 등)로부터 생산되는 잉여전력을 활용해 탄소중립적인 화학제품 및 연료(e-fuel)를 생산할 수 있어 다양한 산업분야로 적용처가 점차 확대 될 것으로 전망했다.

연구진은 에틸렌, 합성가스, 일산화탄소, 유기산 등 다양한 화합물 생산에 적용하기 위한 전극촉매 개발도 병행하고 있으며, 대전 본원에서 이산화탄소 포집플랜트와 연계해 소형 파일럿 실증연구를 진행하고 있다. 연구진은 2025년까지 하루 1톤의 이산화탄소를 처리할 수 있는 규모로 확대해 나갈 계획이다.

연구원은 전기화학적 전환기술의 실증 및 상용화를 위해 올해 2월 에너지환경기술기반의 플랜트엔지니어링 전문기업인 성광이엔텍과 업무협약을 체결한 데 이어 지난 5월 ‘전기화학적 이산화탄소 전환기술’로 기술이전 계약을 체결하는 등 협업에 나섰다.

연구책임자인 박기태 박사는 “전기화학적 이산화탄소 전환기술의 경제성과 생산성을 확보함으로써 상용화 단계로 진입할 수 있는 계기가 마련됐다”며 “개발된 기술이 철강, 시멘트, 석유화학, 정유 등 탄소 다배출 업종의 산업현장에 하루빨리 적용되기 위해서는 민간 주도의 노력이 시급하다”고 강조했다.

채덕종 기자 yesman@e2news.com 


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