내연기관 자동차의 탄소중립 실현 수단으로 부상한 수송용 e-fuel(Electro Fuel) 생산을 위한 탄소 포집과 신재생에너지 활용방안이 주목받고 있다.
한국화학연구원 김석기 박사는 최근 한국자동차공학회 주최로 열린 탄소중립연료 국제학술대회(ReFuel 2021)에서 “신재생에너지 가격이 낮아지면서 점차 e-fuel의 경제성이 우수해지고, 실제 활용사례가 늘어나고 있다”며 e-fuel의 생산과 적용을 서둘러야 한다고 주장했다.
e-fuel은 전기분해로 얻어진 수소에 이산화탄소(CO2), 질소 등을 합성해 생산하는 친환경 연료로 기존 내연기관 자동차에 사용하면서도 탄소중립을 실현할 수 있는 것으로 평가되고 있으며, 포르쉐(Porshe)가 지멘스와 손잡고 e-fuel 개발을 서두르는 등 선진국들은 e-fuel 관련 기술 개발에 속도를 내고 있다.

e-fuel, 하이브리드 적용하면 전기자동차 능가
e-fuel은 탄소중립 실현에 막대한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
그러나 e-fuel 등 탄소중립형 합성연료는 이산화탄소와 수소를 합성해 생산하며, 공장이나 발전소에서 배출된 이산화탄소를 재이용하나 합성 코스트와 수소 가격을 낮추어야 하는 과제를 안고 있다.
제조방법은 FT(Fischer-Tropsch)로 알려진 수소와 이산화탄소의 합성반응이 대표적이다.
합성과정에서 나오는 탄화수소 혼합물을 정제하면 휘발유(Gasoline), 제트연료, 경유 등에 해당하는 액체연료를 얻을 수 있으며 원유에서 나프타(Naphtha)를 추출할 때처럼 화학제품 원료로 활용하는 것도 가능할 것으로 기대되고 있다.
정제는 기존 정유공장에서, 유통은 기존 주유소 및 탱커를 통해 가능한 것으로 파악되고 있다.
기존 사회 인프라를 그대로 사용하면서 이산화탄소 프리 수소를 이용함으로써 탄소 배출량을 제로(0)화할 수 있어 자동차 연료 등으로 투입한다면 내연기관 자동차도 탄소중립에 기여할 수 있도록 돕는 중요한 수단이 될 것으로 예상된다.
국내에서는 산업통상자원부 주도 아래 SK이노베이션, GS칼텍스, 에쓰오일, 현대오일뱅크 4사가 정유산업의 탄소중립을 위해 e-fuel 생산기술 개발을 준비하고 있다.
일본은 석유연맹 차원에서 e-fuel을 포함한 합성연료 기술 개발에 나서고 있다.
에네오스(Eneos)는 국제민간항공기관(ICAO) 규제에 따라 지속가능한 항공연료(SAF) 수요가 증가할 것으로 예상하고 e-제트연료를 개발하고 있다.
국내기업들이 관심을 나타내고 있는 자동차 연료용 e-fuel은 슈퍼 린번(Lean-burn) 기술을 이용해 연소 시 공기량을 2배로 확대해 열 효율을 높이는 것이 가능한 것으로 알려졌다.
현재는 휘발유 등 내연기관 자동차용으로 개발이 진행되고 있으나 하이브리드자동차(HV)에 적용해도 친환경성 제고에 도움이 될 것으로 기대된다.
에네오스에 따르면, 자동차 제조부터 폐기까지 이르는 라이프사이클 전체에서 슈퍼 린번과 합성연료를 사용한 하이브리드자동차는 이산화탄소 배출량이 전기자동차(EV) 이하에 그칠 것으로 예상되고 있다.
다만, 2030년 전력원 가운데 재생에너지의 비중이 22-24%, 원자력은 20-22%를 나타냈을 때를 전제로 한 계산으로 재생에너지 비중에 따라서는 하이브리드자동차의 우위성이 약화될 가능성이 제기되고 있다.

e-fuel에서 e-chemical 발전 가능성도
연료전지자동차(FCV)와 합성연료를 사용한 내연기관 자동차는 비교하기 어려운 것으로 판단된다.
자동차만을 두고 보면 합성연료보다는 수소를 연료로 그대로 사용한 연료전지자동차의 효율이 높지만 합성연료가 조기에 개발된다면 합성연료로 주행하는 자동차 수가 연료전지자동차를 넘어서기 때문에 단순 비교가 어려운 것으로 파악되고 있다.
전기자동차는 차체 중량이 크기 때문에 트럭이나 버스 등 대형 자동차로 활용하는 것이 상대적으로 쉽지 않은 편이나 초기 투자비용이 적은 합성연료가 대형 자동차의 탄소중립 연료로 일정수준 위상을 발휘할 수 있을 것으로 예상되고 있다.
일부에서는 합성연료를 화학제품 원료로 사용할 수 있다는 전망을 제기하고 있다.
바이오매스 원료는 삼림을 파괴하고 식량과 경쟁하는 문제가 있으며 공급량에도 한계가 있으나 합성연료나 e-케미칼은 효율이 높기 때문이다.
바이오매스의 태양광 이용 효율은 1% 미만이지만 태양광 패널은 저가제품도 20% 이상 효율을 나타내는 등 바이오매스의 낮은 효율 때문에 보완을 위한 원료로 합성연료가 주목받고 있다.

탄소중립 합성연료 개발 프로젝트 잇따라…
일본은 전동화와 수소에너지, 이산화탄소 포집·저장·활용(CCUS) 기술 개발을 통해 미래사회를 건설하겠다는 목표 아래 e-fuel 개발을 추진하고 있다.
일본은 수소와 e-fuel을 탈탄소의 핵심 전략으로 설정하고 2030년 탄소 배출량을 2013년에 비해 46%, 2050년에는 100% 감축할 방침이다.
e-fuel은 2040년 시장 진입을 목표로 연구개발을 진행하고 있으며 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)가 e-fuel 프로젝트에 착수한 상태이다.
핀란드도 산업계와 정부의 주도로 탄소중립 연료 생산·적용 기술 개발에 나서고 있다.
핀란드 기술연구센터(VTT) 주도로 e-fuel의 대용량 생산과 상용화를 위한 연구를 추진하고 있으며 태양광 발전, 수전해, 탄소 포집을 이용한 연료 합성기술 실증 연구 프로젝트도 진행하고 있다.
선박용 메탄올(Methanol) 연소 엔진과 수소·암모니아 연소 엔진 기술은 실증단계에 들어간 상태이다.
e-fuel과 함께 reFuels도 주목받고 있다.
reFuels은 바이오연료와 e-fuel을 포함하는 탄소중립 합성연료로 독일은 2019년부터 프로젝트를 시작해 관련 기술을 개발하고 있다.
독일은 경유와 휘발유의 reFuels 함량을 단계적으로 늘려가면서 연료에서 발생하는 이산화탄소를 2030년 25%, 2045년 90%까지 감축할 수 있을 것으로 가대하고 있다.
독일에서는 바덴뷔르템베르크주와 20개 이상의 산업체가 총 2000만유로를 reFuels 프로젝트에 출자한 것으로 알려졌다.
내연기관 자동차도 합성연료 사용이 가능하다는 점에서 reFuels이 수송 분야 탈탄소화의 가장 효과적인 방법으로 제시되고 있다.

일본, 2030년까지 고효율‧대규모 실증
일본 자원에너지청이 이산화탄소와 수소를 합성해 제조하는 합성연료의 미래 이용가능성에 대한 보고서를 공개했다.
2040년까지 상용화하는 것을 목표로 하고 있으며 탈탄소 연료 등 환경가치 향상을 위해 조기에 자립하겠다는 구상을 소개했다. 
제조량 등 구체적인 수량 목표는 명시하지 않았으나 2030년까지 고효율‧대규모 제조기술 실증을 진행해 2030년대에는 도입량을 확대하고 코스트 저감까지 실현할 방침이다. 
이산화탄소-수소 합성연료는 공장이나 발전소에서 배출된 이산화탄소를 재이용해 제조할 수 있어 탄소중립에 도움이 될 것으로 예상하고 있다.
제조방법은 수소와 이산화탄소를 합성 반응시키는 FT 합성법이 대표적이며 이산화탄소 전해 등 새로운 공법도 연구를 진행하고 있다.
트럭 등 상용차의 제트연료와 선박용 연료, 등유 등 일반연료를 대체하는 광범위한 영역에서 활용이 가능할 것으로 기대하고 있다.

이산화탄소 분리‧회수 코스트가 관건
일본 정부는 FT 합성 프로세스를 이용하는 대규모 실증과 혁신적 제조 프로세스의 기반기술 개발을 동시에 추진하는 등 앞으로 10년 동안 기술 개발을 본격화할 예정이다.
합성연료연구회는 현재 기술을 기준으로 시산할 때 합성연료 코스트가 리터당 최소 약 300엔 정도이고 제조코스트는 33엔에 불과한 것으로 추산하고 있다.
대부분은 원료인 수소(209엔)와 이산화탄소(32엔)가 차지하고 있어 합성연료 코스트 저감을 위해서는 수소 가격과 이산화탄소 분리 및 회수 코스트 저감이 시급한 것으로 분석되고 있다.
일본 경제산업성은 그린성장전략을 통해 합성연료 가격을 2050년까지 휘발유 가격 이하로 낮추겠다는 목표를 공개한 바 있다.
현재의 기술로는 수소 가격이 정부의 2050년 목표인 노말입방미터당 20엔 이하로 낮아지면 합성연료도 리터당 200엔에 공급할 수 있는 것으로 추산하고 있다.
합성연료연구회는 석유정제비축과가 사무국을 맡고 에네오스 등 정유기업과 일본 자동차공업협회, 산업기술종합연구소 등이 참여하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)