일본이 실온 메타네이션(Methanation) 기술 개발에 성공해 주목된다.
시즈오카(Shizuoka)대학의 후쿠하라 초지 교수는 실온에서 이산화탄소(CO2)를 원료로 메탄(Methane)을 합성하는 프로세스를 개발한 것으로 알려졌다.
산소를 포함한 가스를 사용함으로써 저온화를 실현했으며 메탄 개질 프로세스에 고체탄소 포집 프로세스를 조합해 합성가스와 고체탄소를 연속적으로 생성하는 시스템도 개발했다.
화학원료 제조와 이산화탄소 감축을 동시에 실현할 기술로 주목받고 있으며 실온 메탄 합성 프로세스와 조합해 배기가스로 화학원료, 고체탄소를 제조하는 시스템 구축이 가능할 것으로 기대되고 있다.

산소로 저온화 성공 … 촉매가 핵심
메타네이션은 이산화탄소와 수소를 섭씨 300-400도에서 반응시키는 기술로 환경친화적 방법으로 화학제품을 생산하는 방안으로 대두되고 있다.
재생가능에너지 베이스 수소를 사용하면 화력발전이나 산업에서 배출된 이산화탄소를 자원화할 수 있으며, CCU(Carbon Capture & Utilization) 실현에서도 가장 중요한 기술로 평가되고 있다.
후쿠하라 초지 교수는 2019년 반응 가스에 산소를 혼합해 350도에서 실온까지 넓은 온도영역에서 실험을 진행했고 저온에서도 높은 활성을 얻을 수 있다는 것을 확인한 후 오토 메타네이션 프로세스로 명명했다.
최근에는 활성이 더욱 높은 촉매를 개발하고 산소를 혼합해 저온화할 수 있는 메커니즘을 규명한 것으로 알려졌다.
산소는 촉매를 산화시키고 메탄을 연소시키기 때문에 제거해야 할 대상으로 취급됐으나 후쿠하라 초지 교수는 산소가 포함돼 있으면 수소와 반응해 연소되기 때문에 이후 일어나는 메탄화 반응에 영향을 미치지 않는다는 것을 밝혀냈다.
또 연소 중 발생하는 열을 메탄화 반응에 사용할 수 있어 외부 가열을 필요로 하지 않고 배기가스는 일반적으로 산소를 포함하고 있기 때문에 따로 제거하지 않고 그대로 사용할 수 있다고 판단했다.
실험에는 니켈 베이스 촉매 대신 질산루테늄 베이스 촉매를 사용했다. 산화세륨을 운반체로 부착한 촉매가 25도 실온에서 반응하기 시작했고 전체 반응이 안정적으로 진행된 것으로 알려졌다.
산화지르코니아, 알루미나(Alumina)를 부착한 촉매는 50도 환경에서, 실리카(Silica)를 부착한 촉매는 80도 이상에서 반응을 시작했다.
공장 폐열 등을 이용할 수 있는 환경이라면 알루미나 등 저가의 촉매를 사용해도 메타네이션을 진행할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

고체탄소 포집과 조합해 연속 프로세스화
메탄 개질 및 고체탄소 포집 프로세스는 전반에 메탄 드라이 리포밍(DRM) 프로세스, 후반에는 고체탄소 포집 프로세스를 조합했다.
DRM 프로세스는 메탄과 이산화탄소 혼합가스를 700도로 가열해 니켈 및 알루미나 촉매에 반응시키고 수소와 일산화탄소(CO)를 생성한다. 구조체 촉매를 사용함으로써 탄소 분출을 억제한 것으로 알려졌다.
고체탄소 포집 프로세스는 앞서 생성된 수소와 일산화탄소를, 산화철로 내부를 코팅한 스테인리스 관에 흘려넣어 400-650도로 가열하는 공정이며 일산화탄소 일부는 고체탄소와 이산화탄소로 변환된다. 
DRM 후 합성가스는 일산화탄소 비중이 높으나 고체탄소 포집 프로세스 후 얻을 수 있는 수소와 일산화탄소는 2대1 비중이어서 FT 합성을 비롯한 화학원료에 이상적인 상태로 파악되고 있다.  
또 출발원료인 메탄과 이산화탄소를 구성하는 탄소 가운데 최대 20.3%를 고체탄소로 포집할 수 있다.
일반적으로 메탄 열분해로 수소 및 고체탄소를 생성할 때는 반응온도 800-1000도 수준을 필요로 하고 많은 에너지가 소요되나 후쿠하라 초지 교수가 개발한 프로세스는 에너지를 대폭 절감한 것으로 평가되고 있다.
고체탄소로 고정화함으로써 이산화탄소 배출을 감축할 수 있으며 반응온도를 제어해 고기능 소재로 활용하는 것도 가능할 것으로 판단된다. 
후쿠하라 초지 교수는 오토 메타네이션과 DRM, 고체탄소 포집 프로세스를 조합한 연속 프로세스를 개발하는 방안을 검토하고 있다.
현재까지 실험실 수준에서 성과를 낸 상태이며 화학기업 등과 협업하면서 실용화를 위한 개발을 추진할 계획이다.

히타치조선, 메타네이션 실용화 박차
일본은 재생에너지로 이산화탄소 프리 연료를 제조하는 P2G(Power to Gas) 사업도 추진하고 있다.
히타치조선(Hitachi Zosen)은 이산화탄소 분리기, 수소 발생장치, 메탄화 반응장치를 개발함으로써 배기가스에서 회수한 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄을 제조하는 시스템을 구축할 계획이다.
현재 시스템 대형화 및 이산화탄소 감축 효과 검증을 목표로 실증사업을 추진하고 있으며 조기 사업화가 가능할 것으로 기대하고 있다.
유럽에서는 자회사 Hitachi Zosen Inova(HZI)와 협력해 시장을 개척하고 있다.
히타치조선은 2018년부터 EX Research Institute와 공동으로 청소공장에서 회수한 이산화탄소 베이스 메타네이션 기술을 사용해 에너지 자원화를 추진하고 있다.
메타네이션은 일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO) 프로젝트에서 개발한 기술로 실제 설비는 메탄 생산량을 시간당 125노말입방미터로 10배 확대할 예정이다.
일본 환경성 위탁사업으로 추진하고 있으며 최근 오다와라(Odawara) 환경사업센터에 메탄화 설비와 이산화탄소 회수설비 등을 건설하기 시작했다. 셸 & 튜브형으로 알려진 설비로, 대형화할수록 열회수 효율이 향상될 것으로 기대하고 있다.
Inpex와는 NEDO 프로젝트로 나가오카(Nagaoka)에서 차세대 메타네이션 설비 실증을 추진하고 있다. 
히타치조선은 2개의 기술을 통해 이산화탄소 감축과 메탄 제조에 최적화된 시스템을 구축할 방침이고, 셸 & 튜브형 장치는 실증을 마치는 2022년 이후 조기에 실용화하는 것을 목표로 하고 있다.
수소 발생장치는 야마나시현(Yamanashi)에서 실시하고 있는 NEDO의 P2G 프로젝트에서 1.5MW 고체 고분자형(PEM) 수전해 장치 실증을 추진하고 있다. 앞으로 GW급으로 시스템 스케일을 확대하고 코스트다운 방법도 모색할 예정이다.
유럽에서는 HZI 그룹사인 Etogas가 아우디(Audi)의 실증사업에 세계 최대인 325노말입방미터 메타네이션 장치를 납품했다.
메타네이션 실용화를 위해서는 저가의 재생에너지로 제조한 수소를 도입해야 하기 때문에 북해 해상풍력발전에서 잉여전력을 얻을 수 있는 유럽이 많은 관심을 나타내고 있다.
히타치조선이 참여하고 있는 CCR(Carbon Capture & Reuse) 연구에서는 메타네이션 연료를 선박에 사용하는 서플라이 체인 검토에도 착수했다.
제철공장에서 배출된 이산화탄소를 선박 수소 공급지로 수송한 후 메탄을 합성‧액화하는 서플라이 체인을 통해 이산화탄소 배출량을 감축하고 기술적 과제를 도출하며 국제적 서플라이 체인으로 확대하는 방안까지 검토하고 있다. (K)