이산화탄소(CO2)를 활용해 화학제품을 생산하는 프로젝트가 활성화되고 있다.
에보닉(Evonik Industries)과 지멘스에너지(Siemens Energy)는 최근 이산화탄소·물을 베이스로 화학제품을 생산하는 테스트 플랜트 건설을 마치고 운영에 돌입했다.
이산화탄소와 물을 전기분해하고 박테리아를 이용해 화학제품을 생성하는 프로세스이며, 가동에 필요한 전력도 재생가능 자원으로 발전함으로써 지속가능한 생산체제 구축을 추구하고 있다.
테스트 플랜트는 독일 노르트라인베스트팔렌(Land Nordrhein-Westfalen)의 말(Marl)에 건설했으며 프로젝트명은 Rheticus 2이다.
독일 연방 교육연구부로부터 총 630만유로(약 78억600만원)에 달하는 보조금을 지원받아 진행한 전신 프로젝트 Rheticus 1에서는 바이오 리액터와 전해조를 사용하는 기술을 실현할 수 있도록 기반을 구축한 바 있다.
Rheticus 2는 지멘스에너지가 개발한 이산화탄소-물을 일산화탄소(CO)-수소로 전환하는 전기분해장치와 에보닉의 노하우를 활용한 바이오리액터로 구성돼 있으며 연구 목적용으로 플래스틱과 영양보조식품용 부탄올(Butanol), 헥사놀(Hexanol) 등을 생산할 계획이다.

일본, 이산화탄소 자원화 기술개발 선도
이산화탄소의 자원화 프로젝트는 일본이 선도하고 있다.
도쿄(Tokyo)대학, 우베코산(Ube Kosan), 치요다(Chiyoda) 등은 대기 중의 저농도 이산화탄소를 회수해 화학제품의 원료로 자원화하는 기술을 공동 개발하고 있다. 오사카(Osaka)대학, 이화학연구소, 시미즈(Shimizu)건설, 후루카와전기(Furukawa Electric)도 참여하고 있다.
일본 정부의 대규모 연구개발(R&D) 프로젝트인 문샷(Moon Shot)형 연구개발 사업으로 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)가 지원하고 있으며, 2029년까지 최대 10년 동안 실용화를 위한 기반연구는 물론 기술 실증을 추진하고 공장, 빌딩, 상업시설 등에서 배출되는 이산화탄소를 회수한 후 자원화하는 통합 시스템을 실용화할 계획이다.
대기 혹은 실내, 배기가스에서 배출되는 이산화탄소를 물리흡착법이나 전기화학법으로 회수한 후 고농도화하고 전해환원 기술을 활용해 이산화탄소와 물에서 탄화수소를 직접 변환할 계획이다.
이산화탄소로 에틸렌(Ethylene)을 직접 생산하는 전해환원 기술은 치요다가 주도하고 있다.
치요다는 최근 이산화탄소를 원료로 에틸렌을 비롯해 화학제품을 생산하는 이산화탄소 전해환원 기술을 실용화하기 위한 연구개발에 착수했다. 
수소를 거치지 않는 1단 반응으로 올레핀을 생산하며 에너지효율이나 반응속도 모두 경쟁기술에 비해 우수한 것으로 평가하고 있다. 
치요다는 플랜트 EPC(설계‧조달‧건설), 라이선스, 소재 등 사업모델을 구상하고 있으며 다른 프로세스에 응용하는 방안도 검토하고 있다.
이산화탄소 전해는 이산화탄소와 물을 직접적으로 전해 환원시키는 기술이며 프로세스에서 사용하는 전력을 재생에너지로 대체하면 이산화탄소를 고정화하거나 배출량 감축으로 인정돼 세계적으로 다양한 연구가 진행되고 있다.
그러나 실증단계까지 도달한 것은 일산화탄소, 수소, 포름산(Formic Acid) 등 C1 수준에 머무르고 있다.

치요다, 에틸렌 선택률 30% 달성 
치요다는 후루카와전기, 이화학연구소와 공동으로 NEDO의 선도연구 프로그램에 참여해 이산화탄소와 물을 원료로 사용하는 상온상압 에틸렌 프로세스를 개발했고 연구소(Lab) 스케일 시험장치로 1000시간 이상 가동해 에틸렌 선택률 30% 달성 성과를 올린 바 있다.
에너지효율이 최대 35%에 달하고 반응속도는 자연광 합성에 비해 500배 빠르며 광촉매나 수전해로 제조한 수소를 원료로 사용하는 화학 프로세스보다 우수한 것으로 평가되고 있다.
연구개발은 도쿄(Tokyo)대학이 중심이며 이산화탄소 회수 및 당화를 시미즈건설과 오사카대학이, 이산화탄소 환원 촉매 개발은 우베코산과 후루카와전기가, 전해 리액터는 이화학연구소와 오사카대학이 맡고 있다. 
치요다는 반응 프로세스 개발, 당화공정과 환원공정의 프로세스 통합화 등 중심적 역할로 프로젝트를 리드하고 있다.
2025년까지 연구실 단계에서 실증 가동, 2025년 이후에는 스케일업해 상업화 가능성을 모색하고 2027년경 에틸렌 10톤 수준으로 파일럿 실증을 진행할 계획이다.
선택률, 반응속도, 전류밀도 향상이 중요한 것으로 판단하고 있으며 치요다는 파일럿 실증을 시작하면서 동시에 사업화할 방침이다. 
다만, 이산화탄소 전해 프로세스로는 스케일 메리트를 얻기 힘들고 저가의 재생에너지를 투입해야 한다는 판단 아래 유럽에 자가소비형 플랜트를 건설하는 방안을 검토하고 있다. 
이산화탄소가 대량으로 부생되는 LNG(액화천연가스) 플랜트를 건설할 가능성이 높고 라이선스나 핵심소재 공급, 카본 크레딧과 연결된 새로운 사업 추진 등 다양한 방안을 검토하고 있다.
C3 이상 화학제품 프로세스 등 신규 프로세스도 개발할 계획이다.

가와사키, 분리‧회수 후 KCC 활용해 P-X 유도
가와사키중공업(Kawasaki Heavy Industries)은 카본 리사이클 기술 실용화를 추진하고 있다.
가와사키중공업은 이산화탄소 분리‧회수 기술 실용화를 위해 2020년 4월부터 파일럿 실증실험을 진행하고 있으며, 대기 중 이산화탄소 회수기술은 2019년부터 개발하고 있다.
2020년부터 5년 동안에는 고압 이산화탄소로 P-X(Para-Xylene)를 제조하는 기술을 개발하며 액화수소 분야의 글로벌 서플라이체인 실증에도 참여하고 있다.
이산화탄소 회수‧이용(CCU: Carbon Capture & Utilization) 기술을 조기에 실용화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이산화탄소 분리‧회수 기술 KCC는 지구환경산업기술연구기구(RITE)가 개발한 고체 흡수소재를 사용해 시스템화함으로써 완성했다.
고체 흡수소재를 사용한 이산화탄소 분리 시스템은 이미 실용화된 기존 아민 용액 흡수법과 비교했을 때 에너지 절감 효과가 큰 것으로 평가되고 있다.
NEDO 프로젝트로 벤치 스케일에서 시험을 진행했고 2020년 7월 고효율 이동층 시스템을 사용한 파일럿 실증실험을 채택했다.
파일럿 사업에서는 하루 40톤의 이산화탄소를 분리‧회수할 수 있는 시스템을 간사이(Kansai)전력의 마이즈루(Maizuru)발전소에 건설하고 시간당 7000입방미터의 석탄 연소 배기가스를 처리할 계획이다.
상업 플랜트는 이산화탄소 회수능력을 수백톤 수준 갖추도록 할 예정이며 현재의 실증 시스템을 모듈화하면 2025년 이후 조기 사업화가 가능할 것으로 판단하고 있다.
KCC 시스템은 JCOAL이 환경성 위탁사업으로 미국 와이오밍 석탄화력발전소에서 실시하고 있는 실증시험에도 채용됐으며 환경특성과 경제성을 검토하는 작업을 추진하고 있다.
저농도 이산화탄소 분리‧회수는 DAC(Direct Air Capture) 기술로 확립할 예정이며, 실현되면 대기 중 이산화탄소 농도를 낮추는 네가티브 에미션까지 이끌어낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.
가와사키중공업이 시스템 개발, 와세다(Waseda)대학이 신규 아민 개발, 미즈호(Mizuho)정보종합연구소가 라이프사이클 검토를 담당하며 현재까지 이산화탄소 흡수능력을 확인했으나 전체적으로 이산화탄소 감축에 효과가 있는지 검증할 계획이다.
고압 이산화탄소를 화학제품으로 전환하는 기술은 NEDO가 히로시마(Hiroshima)에 정비한 실증연구소에서 실시하고 있는 개발 주제로 2020년 7월 채택됐다.
석탄가스화 복합발전(IGCC)에서 나온 고압 배출가스에서 고압상태를 유지하면서 이산화탄소를 분리‧회수해 압축공정을 생략할 수 있도록 하고 재생에너지 베이스 수소와 반응시켜 메탄올(Methanol)을 합성한 후 최종적으로 P-X로 유도할 방침이다.
CCU 실현을 위해서는 저가의 이산화탄소 뿐만 아니라 이산화탄소 프리 수소도 반드시 필요해 가와사키중공업은 오스트레일리아의 미이용 갈탄으로 수소를 제조하고 액화해 일본으로 수송하는 NEDO의 국제 서플라이체인 실증에도 참여하고 있다.
CCS와 조합함으로써 이산화탄소 프리 수소를 실현할 수 있을 것으로 기대하고 있으며 이산화탄소 회수 및 수소 수송기술과 이용기술을 개발해 밸류체인을 구축함으로써 탄소순환사회 실현을 앞당길 방침이다.

합성가스 원료화 프로세스 개발도 박차
치요다는 이산화탄소를 원료로 합성가스를 제조하는 프로세스 기술도 개발했다.
치요다가 개발한 이산화탄소 개질기술인 시티코어(CT-CO2AR)는 천연가스, 이산화탄소, 물을 반응시켜 수소와 일산화탄소를 제조하는 프로세스로 물과 이산화탄소 투입량을 바꾸면 수소와 일산화탄소 비율 제어가 가능한 것으로 알려졌다.
세계적으로 CCU 기술을 상업적으로 실현한 몇가지 기술 중 하나로 주목받고 있으며 중동, 아시아 등 자원국의 도입량이 늘어나고 있을 뿐만 아니라 기존 플랜트의 촉매를 교환하는 것만으로 적용할 수 있다는 점에서 수요가 증가하고 있다. 
천연가스와 이산화탄소를 반응시켜 화학원료인 합성가스(수소 및 CO)를 제조하는 이산화탄소 개질은 CCU를 실현하는 기반기술 가운데 하나로, 시티코어는 메탄(Methane)과 물을 반응시키는 스팀 개질과 메탄-이산화탄소를 반응시키는 이산화탄소 개질을 조합한 프로세스이다. 
이산화탄소 개질은 스팀 개질에 비해 수소가 3분의 2, 일산화탄소는 2배 수율을 나타내고 있다. 
물, 이산화탄소 투입량을 조정하면 매우 광범위한 수소 및 일산화탄소 비율을 나타내는 합성가스를 제조하는 것도 가능한 것으로 파악되고 있다.
목적 생성물인 DME(Dimethyl Ether), GTL(Gas to Liquid), 메탄올 등 액체연료 생산에는 수소 및 일산화탄소 비율을 2 이상, 옥소알코올(Oxo Alcohol)은 1, 초산(Acetic Acid)이나 MMA(Methyl Methacrylate)는 0.5 등으로 조건을 설정할 수 있다.
기존 촉매와 비교했을 때 모든 조건에서 경쟁력을 갖추었으며 일산화탄소가 충분해 더 높은 우위성을 확보했고 이산화탄소 개질기술의 과제인 촉매의 탄소 석출이 거의 없는 것도 강점이다.
시티코어 기술은 저가의 이산화탄소를 얻을 수 있을 때 높은 경제성을 나타내는 것으로 평가되고 있다.
동남아, 오세아니아 지역에서 이산화탄소 함량이 높아 개발하지 못했던 저품위 가스전에 시티코어 기술을 이용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
LNG, 암모니아(Ammonia), EO(Ethylene Oxide) 플랜트에서 배출된 이산화탄소 활용에 유효한 것으로 평가되고 있다.
치요다는 2014년 일본 화학기업의 기존 플랜트에 촉매를 납품했고 2020년 촉매 교체를 실시했다.
이산화탄소를 원료로 사용하면 메탄 사용량을 10% 줄일 수 있고 이산화탄소 배출량도 감축할 수 있는 것으로 파악되고 있다.
나프타(Naphtha) 개질장치도 메탄으로 개질하는 프리리포머를 설치하면 시티코어 기술을 적용할 수 있어 앞으로 광범위한 화학 플랜트 활용을 기대하고 있다.
치요다는 플랜트 EPC, 촉매 공급, 라이선스, 배출권 거래 등 다양한 사업모델을 갖추고 일본 및 해외기업을 대상으로 채용 확대에 박차를 가하고 있다.

스미토모케미칼, 고효율 메탄올 합성기술 개발
스미토모케미칼(Sumitomo Chemical)은 이산화탄소 베이스 메탄올 제조기술을 개발하고 있다.
스미토모케미칼은 시마네(Shimane)대학과 이산화탄소를 원료로 메탄올을 고효율 합성하는 기술을 개발하기 위한 공동연구에 착수했다.
현재도 이산화탄소와 수소로 메탄올을 합성할 수 있으나 평충반응이어서 메탄올 수율이 낮고 부생되는 물이 용매를 열화시키는 문제가 있어 새로운 제조기술 확립이 요구되고 있다.
시마네대학의 오마타 코지 교수가 반응 수율을 향상시킬 수 있는 프로세스 기술을 개발하고 있으며, 스미토모케미칼이 개발 기술을 바탕으로 촉매와 프로세스 개량을 진행한다.
메탄올 수율 60-90% 달성을 폭표로 하고 있다.
온실가스를 저감해 탄소순환에 기여할 수 있는 기술로 2020년대에 실용화할 계획이다.
메탄올은 에틸렌(Ethylene), 프로필렌(Propylene) 등 올레핀 원료로 사용하고 플래스틱, 접착제, 의약품, 페인트 등 광범위한 영역에 투입할 수 있으며 글로벌 수요가 8000만톤에 달하고 있다.
최근 세계 각국에서 기후변화 대응이 요구되고 있는 가운데 폐기물 소각처리 과정에서 발생하는 이산화탄소와 재생가능에너지로 제조한 수소를 조합하면 온실가스를 저감할 수 있고 메탄올도 가능하다는 점에서 관련 프로세스 개발 및 상용화가 진전되고 있다.
쓰레기와 폐플래스틱을 가스화할 때 나오는 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 등이 혼합된 합성가스를 원료로 메탄올을 생산하면 탄소순환이 가능한 것으로 평가되고 있으나 이산화탄소와 수소에서 메탄올을 합성하는 기술은 평충반응이어서 수율이 낮은 것으로 평가되고 있다.
오마타 코지 교수와 스미토모케미칼은 평충반응을 억제하고 평충제약을 제거하면 메탄올 수율을 대폭 향상시킬 수 있다고 판단하고 있다. 기존 기술은 촉매 활성점이 부생되는 물 때문에 변질돼 열화되는 문제가 있으나 쉽게 열화되지 않는 촉매를 개발해 대응할 방침이다.
스미토모케미칼은 2020년 들어 환경부하를 저감할 수 있는 기술개발을 가속화하고 있다.
세키스이케미칼(Sekisui Chemical)과는 가연 폐기물을 원료로 에탄올(Ethanol), 폴리올레핀(Polyolefin)을 제조하는 CR(Chemical Recycle) 기술 확립을 위해 협업하고 있고, 폐플래스틱에서 임의의 모노머를 높은 선택률로 회수하는 기술을 개발한 무로란(Muroran)공업대학과도 공동연구를 시작했다.
치바현(Chiba) 소재 석유화학연구소에 환경부하 저감 연구팀을 4월 신설했고 오픈 이노베이션을 확장해 탄소순환과 GHG 저감 등 사회과제를 해결할 수 있는 솔루션 개발에 박차를 가하고 있다.

P-X, 이산화탄소 원료로 제조한다!
일본은 이산화탄소 베이스 P-X(Para-Xylene) 제조기술도 개발하고 있다.
도야마(Toyama)대학, 치요다, 일본제철엔지니어링(Nippon Steel Engineering), 미츠비시(Mitsubishi)상사 등은 2020년 7월14일 이산화탄소를 원료로 P-X를 제조하는 기술을 공동 개발하기로 합의했다.
NEDO의 △카본 리사이클 및 차세대 화력발전 기술 개발 △이산화탄소 배출량 감축 및 유효 이용 실용화 기술 개발 △화학제품에 대한 이산화탄소 이용 기술 개발 사업의 일환이며 2023년까지 예산 19억9000만엔을 배정받았다.
이산화탄소로 P-X를 제조하기 위한 획기적인 촉매 개량, 양산기술 개발, 프로세스 개발과 함께 전체적인 경제성 및 이산화탄소 배출량 감축 효과를 포함한 사업타당성 검토를 실시해 실증단계로 이어나가는 것을 목표로 하고 있다.
도야마대학과 일본제철(Nippon Steel), 하이켐(HighChem)이 촉매를 개발해 성능을 향상시키고 장수명화를 추진하며, 하이켐 단독으로는 촉매 구성성분의 대량 합성이나 공업 촉매용 성형을 비롯한 스케일업 개발을 추진할 방침이다.
프로세스는 치요다, 일본제철, 일본제철엔지니어링이 최적화된 프로세스 플로우, 운전조건 최적화 등을 중심으로 개발하고, 미츠비시상사는 반응경로에 따른 경제성과 이산화탄소 감축효과 평가, 시장조사 등 사업타당성 검토를 담당한다.
P-X는 조성 상 화학제품을 제조하는 카본 리사이클 기술 가운데 수소 원료 사용량을 낮추면서 이산화탄소를 고정화할 수 있는 특징이 있어 경제적‧환경적으로 가능성이 큰 연구주제로 평가되고 있다.
글로벌 P-X 수요는 4900만톤으로 추정되며 모두 이산화탄소를 베이스로 제조하면 이산화탄소 고정량이 1억6000만톤에 달할 것으로 예상되고 있다.

바이오화학, 이산화탄소 원료 이용 본격화
일본 벤처기업은 이산화탄소 베이스 바이오 화학제품 개발을 추진하고 있다.
도호쿠(Tohoku)대학 벤처기업인 CO2자원화연구소는 이산화탄소를 영양원으로 증식하는 UCDI 수소균을 이용해 PLA(Polylactic Acid) 원료 젖산, PE(Polyethylene) 원료 에탄올 생산을 위한 허가를 취득했으며 샘플 생산을 위한 데모 플랜트 건설 계획을 구체화하고 있다.
데모 플랜트는 2021년 완공할 예정이며 양산화를 위해 기존 석유화학 컴플렉스를 활용하는 방안을 검토하고 있다.
UCDI 수소균은 이산화탄소를 영양원으로, 수소를 에너지원으로 증식하며 g당 24시간 동안 16톤(1600만배) 늘어나는 등 수소균 중에서도 속도가 빠르고 압도적인 증식력을 보유하고 있다.
CO2자원화연구소는 UCDI 수소균을 이용해 양식 사료인 어분(Fish Meal)을 대체할 수 있는 바이오피즈, 동물성 단백질을 대체할 수 있는 프로테인, 탈석유에 기여하는 화학제품, 바이오 제트연료(이소부탄올) 등을 사업화하는 것을 목표로 하고 있다.
특히, 화학 분야에서 사업기회를 대거 창출할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
2019년에는 UCDI 수소균을 사용해 젖산, 에탄올을 생산하는 기술을 발명해 잇따라 특허를 취득했다.
화학제품 제조 분야에 응용하기 위해 자체 개발한 증식에 의존하지 않는 바이오 프로세스를 사용했으며 균의 생육을 억제하면서 목적한 화학제품 생산에 성공했다. 화학제품 제조와 관련된 독자적인 유전자 조작 도구도 구축한 것으로 알려졌다.
현재 도호쿠대학 혼고(Hongo) 리서치센터의 파일럿 플랜트에서 균체 생산과 화학제품 샘플생산을 실시하고 있으며, 특히 PLA는 식품포장용으로 조기 사업화할 방침이다.
데모 플랜트는 젖산, 에탄올, 이소부탄올 외에도 이산화탄소 베이스 화학제품 연구를 위한 사업장으로 활용할 예정이다.
투자자금은 사업화에 관심을 나타내는 화학기업 등을 대상으로 모집하고 기존 석유화학 컴플렉스를 활용해 코스트를 저감하는 방안도 검토하고 있다.
CO2자원화연구소는 화학제품 생산을 위한 바이오 프로세스가 1세대 옥수수, 2세대 셀룰로스(Cellulose)에서 이제는 이산화탄소와 일산화탄소, 메탄 등 가스를 원료로 사용하는 3세대로 변하고 있다고 판단하고 있다.
세키스이케미칼과 협업하고 있는 미국 LanzaTech 등 세계적으로 30개 이상의 벤처기업이 3세대 연구개발을 추진하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)