파리(Paris) 기후변화 협약은 지구 평균온도 상승 폭을 산업혁명 이전에 비해 섭씨 2도 이하로 유지함과 동시에 1.5도 이하로 억제하기 위해 함께 노력해야 한다고 규정하고 있다.
일본 정부는 파리 기후변화 협약에 맞추어 2030년 이산화탄소(CO2) 배출량을 2013년에 비해 26% 감축하는 중기 목표를 추진하고 있고 장기적으로는 2050년까지 80%를 감축할 계획이다.
다만, 에너지 안보상 석탄을 포함한 화석연료 사용이 불가피한 산업 및 지역이 존재한다고 보고 이산화탄소를 자원으로 활용하는 탄소 리사이클을 통해 화석연료 제로에미션을 실현하기 위해 2019년 6월 탄소 리사이클 기술 로드맵을 발표했다.
한국도 2050 탄소중립 선언하는 등 이산화탄소 재활용이 시급한 상태이다.
탄소 리사이클은 화력발전‧제조현장 등에서 발생한 폐가스에서 이산화탄소를 포집하는 프로세스로 시작하며 CCS(이산화탄소 포집‧저장) 및 석유증진회수법(EOR)이 실용화되고 있으나 궁극적으로는 이산화탄소를 자원으로 이용해 화학제품 및 연료로 활용하는 것이어서 고효율 및 저코스트 이산화탄소 포집 기술이 요구되고 있다.
포집한 이산화탄소를 이용해 메탄(Methane) 및 메탄올(Methanol)을 제조하며, 이산화탄소와 메탄으로 일산화탄소(CO) 및 수소를 제조하는 열화학(촉매), 광화학(광촉매), 전기화학(전기화학적 환원), 바이오 프로세스(미생물) 기술이 부상하고 있다.
메탄올과 합성가스로 화학제품 및 액체연료를 제조하는 기술, 이산화탄소로 직접 연료를 제조하거나 탄산염 등 무기화학제품을 제조하는 기술도 개발되고 있다.
대기에서 이산화탄소를 흡수해 고정화하는 네거티브 에미션인 바이오에너지 이산화탄소 포집기술 BECCS, 이산화탄소를 직접 회수하는 DAC 기술은 이미 개발돼 머지않아 상업화될 것으로 예상된다.
P-X, 이산화탄소 베이스 화학제품 개발의 선두주자
이산화탄소를 원료로 사용하는 화학제품 제조 프로세스는 화석연료 베이스 화학제품을 대체함으로써 이산화탄소 배출량을 감축할 뿐만 아니라 원유 및 천연가스에 의존하지 않는 새로운 원료자원을 얻을 수 있다는 관점에서 높이 평가되고 있다.
여기에 고부가가치 화학제품 생산을 유도함으로써 코스트 장벽까지 허물 것으로 기대되고 있다.
일본은 탄소 리사이클 기술 로드맵에서 2030년 P-X(Para-Xylene), PC(Polycarbonate) 등 수소 함량이 낮은 화학제품부터 보급한 후 2050년 이후 올레핀(Olefin), 아로마틱(Aromatics) 등 대형 화학제품으로 확대하겠다는 목표를 추진하고 있다.
일본 도야마(Toyama)대학, 일본제철(Nippon Steel), 일본제철엔지니어링(Nippon Steel Engineering), 하이켐(HighChem), 치요다(Chiyoda), 미츠비시상사(Mitsubishi)는 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁으로 2020년부터 이산화탄소를 원료로 P-X를 제조하는 프로세스 개발 프로젝트를 진행하고 있다.
P-X(C8H10)는 H/C(Hydrogen-to-Carbon) 비율이 1.25로 2.0인 에틸렌(Ethylene) 및 프로필렌(Propylene)에 비해 수소 함유량이 적어 조기 실용화에 유리한 것으로 판단되고 있다.
도야마대학이 개발한 촉매 기술을 활용하며 저온에서 이산화탄소로부터 메탄올을 합성하는 금속촉매, 메탄올로부터 P-X를 합성하는 캡슐촉매를 이용하는 2단계 반응과 2개 촉매를 혼합해 반응시키는 1단계 반응을 모두 검토하고 있다.
촉매는 P-X의 선택성을 보유하고 있으며 이성체인 M-X(Mixed-Xylene), O-X(Ortho-Xylene)가 촉매의 미세한 구멍을 통과하지 못해 P-X로 변환되는 것으로 알려지고 있다.
NEDO는 석탄가스화 복합발전(IGCC), 석탄가스화 연료전지 복합발전(IGFC)과 이산화탄소 포집 실증사업인 오사키쿨젠(Osaki Coolgen) 프로젝트를 탄소 리사이클 기술의 실증 연구기지로 결정했다.
Kawasaki Heavy Industries(KHI)와 오사카대학은 프로젝트에서 얻어지는 고압 이산화탄소를 이용해 화학제품 변환기술 개발 프로젝트를 진행하고 있다. 오사카대학이 개발한 메탄올 및 P-X 합성촉매를 활용해 메탄올과 P-X를 합성하는 통합 프로세스를 개발하고 있다.
기존 기술은 이산화탄소를 함유한 고압 폐가스를 원료로 이용해도 회수한 이산화탄소가 상압으로 전환됨에 따라 메탄올을 합성하기 위해
서는 압축해 승압하는 과정이 필요했으나, KHI는 고압을 유지한 상태로 이산화탄소를 회수함으로써 압축공정이 불필요한 프로세스를 개발해 에너지 및 코스트 절감이 가능할 것으로 기대하고 있다.
2025년 개발 완료를 목표로 하고 있으며 장기적으로는 이산화탄소 포집기술인 KCC 프로세스, 액화수소 등 다양한 기술과 조합해 시스템화할 방침이다.
미츠비시전력(Mitsubishi Power), Mitsubishi Heavy Industries(MHI), Mitsubishi Gas Chemical(MGC)은 NEDO의 위탁으로 홋카이도의 도마코마이(Tomakomai) 소재 이산화탄소 포집‧저장(CCS) 실증기지에서 메탄올 등을 합성하는 탄소 리사이클 기술에 대한 플랜트 기본설계 및 경제성 평가, 주변기술 조사 등을 진행하고 있다.
포집설비에서 회수한 이산화탄소와 정유공장 및 수전해장치에서 발생한 수소를 원료로 메탄올을 합성하는 프로세스를 검토하고 있으며 메탄올 생산능력 일일 20톤 플랜트를 추가 설치하는 방안을 고려하고 있다.
다만, 탄소 리사이클 목적의 이산화탄소 포집설비는 2050년 무렵에도 경제적으로 상용화가 어렵다고 판단해 CCS와 이산화탄소 포집‧활용(CCU) 기술을 조합함으로써 설비 운용을 효율화할 필요성이 제기되고 있다.
에틸렌-폴리올레핀 제조기술은 폐플래스틱 활용
세키스이케미칼(Sekisui Chemical)은 미국 벤처기업이 보유한 미생물을 이용해 폐플래스틱을 포함한 다양한 가연성 쓰레기를 분리하지 않고 가스화해 미생물 먹이인 가스를 정제함으로써 미생물이 에탄올(Ethanol)을 생성하게 하는 기술을 세계 최초로 개발했다.
파일럿 설비에서 검증을 마치고 구지(Kuji)에 상업생산의 10% 수준으로 실증설비를 건설하고 있으며, 장기적으로는 에탄올을 에틸렌으로 변환한 후 플래스틱을 생산하는 기술을 개발함으로써 탄소 순환 시스템을 완성할 방침이다.
일본은 플래스틱 생산에 나프타(Naphtha)를 연평균 3000만톤 소비하고 있으며 나프타 3000만톤은 열량이 약 150조kcal로 분석된다.
세키스이케미칼은 일본에서 매년 발생하는 가연성 쓰레기 600만톤의 열량이 약 200조kcal에 달하는 점에 주목하고 풍부한 에너지를 자원으로 변환하기 위해 독특한 미생물 활용방안 개발을 결정했다.
세키스이케미칼이 도입한 미국 란자테크(LanzaTech)의 미생물은 토끼 배 등에 있는 천연물로 원생생물의 10배 이상에 달하는 반응속도로 에탄올을 생산할 수 있는 것으로 알려졌다.
일본에서는 쓰레기 처리시설이 약 1200개 가동하고 있으며 열분해에 따라 쓰레기를 일산화탄소(CO) 및 수소 등 가스로 개질하는 가스화 용융로 방식이 약 10%를 차지하고 있으나 가스는 400종류에 달하는 다양한 물질이 혼합된 형태여서 미생물이 좋아하는 가스로 정제하는 기술을 확립하고 있다.
쓰레기 처리시설은 조성이 계속 변화하는 특징이 있어 에탄올을 안정적으로 생산할 수 있는 미생물 배양 제어기술, 쓰레기 처리시설 가동이 일시적으로 중단됐을 때 미생물이 굶어 죽지 않도록 가사 상태로 만드는 기술도 개발했다.
2020년 봄 요리이(Yorii)에 도입한 에탄올 생산능력 20킬로리터의 파일럿 설비에서 검증을 완료했으며 구지에 반상업 설비를 건설하고 있다. 2021년 말부터 수백킬로리터 생산을 시작하고 2025년 3월까지 최종실증을 진행할 계획이다.
에탄올은 같은 C2 구조를 가진 에틸렌, 부타디엔(Butadiene)으로 변환할 수 있으며 에탄올로 생성할 수 없는 이소프렌(Isoprene), 이소프로판올(Isopropanol)까지도 동일 설비를 이용해 생산이 가능한 것으로 파악되고 있다.
스미토모케미칼(Sumitomo Chemical)은 세키스이케미칼이 생산한 쓰레기 베이스 에탄올을 에틸렌으로 변환한 후 폴리올레핀(Polyolefin)을 생산할 계획이다. 치바(Chiba) 공장에 에탄올로 에틸렌을 제조하는 설비를 건설할 예정이며 2022년 완공한 후 2025년 상업화를 목표로 하고 있다.
오래전부터 보유한 에탄올을 에틸렌으로 변환하는 탈수반응을 활용할지, 독자적으로 개발하고 있는 고효율 프로세스를 채용할지 검토하고 있다.
스미토모케미칼은 CR(Chemical Recycling)을 사회문제 해결을 위한 궁극적인 대책으로 주목하고 기술 개발에 주력하고 있다.
2020년 4월에는 석유화학제품연구소에 환경부하저감 연구그룹을 새롭게 설치했고 CR 기술 개발 뿐만 아니라 암모니아(Ammonia) 제조공법 전환 등 다양한 프로젝트에 박차를 가하고 있다.
CR은 세키스이케미칼과 협업함과 동시에 무로란(Muroran)공업대학, 시마네(Shimane)대학과 공동개발을 진행하고 있다.
무로란공업대학과는 촉매를 이용해 일정수준 분리된 폐플래스틱에서 에틸렌, 프로필렌, 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene) 등 석유화학 원료를 얻는 기술을, 시마네대학과는 이산화탄소를 이용해 60-90%의 높은 수율로 메탄올을 합성하는 기술을 개발하고 있다.
석유화학 사업에서 축적한 촉매 및 화학 프로세스 설계 기술을 100% 응용해 2020년대 실용화하겠다는 목표를 세우고 있다.
NEDO, 이산화탄소와 물로 에틸렌 합성
리켄(RIKEN), 후루카와전기(Furukawa Electric), 치요다는 2018년부터 NEDO의 선도연구 프로그램으로 이산화탄소와 물로 에틸렌을 합성하는 전해환원 프로세스 개발 프로젝트를 진행해 1000시간 이상 안정적으로 에틸렌 선택률 30% 이상을 달성하는 전극부가형 전극을 개발했다.
2020년에는 새로운 멤버를 추가해 NEDO의 문샷(Moon Shot)형 연구개발(R&D) 사업으로 선정됐으며, 도쿄(Tokyo) 대학이 전체 프로젝트를 관리하고 이산화탄소 포집 프로세스는 시미즈(Shimizu)가 물리적 흡착법을, 오사카(Osaka)대학이 전기화학법을, 이산화탄소 전해환원 프로세스는 우베코산(Ube Kosan)과 후루카와전기가 이산화탄소 환원촉매를, 리켄과 오사카대학이 전해 리액터를 담당하고 있다.
프로세스 통합과 관련해서는 도쿄대학이 시스템 제어, 치요다가 반응 프로세스 개발 및 프로세스 통합을 맡고 있다.
광범위한 농도의 이산화탄소를 회수해 화학제품 원료로 전환하는 기술을 개발할 방침이며, 2030년까지 실증시험을 목표로 생산능력이 10톤 수준인 파일럿플랜트 건설을 계획하고 있다.
전기화학법이어서 규모화의 이익을 얻기는 어려우나 저렴한 재생에너지를 얻을 수 있어 이산화탄소 발생원이 인접한 분산형, 현지생산‧소비형 이산화탄소 자원화 설비를 고려하고 있다.
치요다는 액화천연가스(LNG) 플랜트에서 생성되는 이산화탄소를 이용하는 방안도 검토하고 있다.
인공광합성, 상용화 프로젝트 가동 준비
물로 수소를 제조하는 방법은 수전해 프로세스와 광촉매를 이용하는 인공광합성 공법이 인정받고 있다.
기술적인 과제가 많은 편이나 2가지 공법이 대규모 시스템을 구축해 수소 제조 코스트를 대폭 감축할 수 있는 것으로 평가되고 있다.
NEDO는 수소와 이산화탄소를 이용해 화학제품을 합성하는 인공광합성 프로젝트를 진행하고 있다.
2012년 일본 경제산업성 사업으로 시작한 후 2014년 NEDO로 관할이 옮겨졌으며 민간기업이 참여하는 인공광합성 프로세스 기술 연구조합(ARPChem), 다양한 대학과 연구기관이 공동으로 추진하고 있다.
태양광을 이용해 물을 산소와 수소로 분해하는 광촉매, 발생 수소와 산소를 안전하게 분리하는 분리막, 수소와 이산화탄소로 올레핀을 선택적으로 합성하는 촉매를 개발하는 단계로 진행하고 있다.
광촉매는 도쿄대학의 도멘 가즈나리 교수를 수장으로 도쿄대학, 신슈(Shinshu) 대학과 함께 ARPChem이 참여해 검토하고 있으며 최종연도인 2021년까지 에너지 변환효율 10%를 실현하는 광촉매를 개발하겠다는 목표를 세우고 있다.
효율 10%는 식물 광합성의 약 50배에 해당하는 수준으로 사하라사막 면적의 3%에 인공수소 가스전을 설치하면 세계 전체에서 소비되는 에너지를 조달할 수 있는 것으로 알려졌다.
산소와 수소 제조 촉매를 조합하는 2단계 촉매 가운데 직렬(Tandem)형으로 불리는 타입으로 변환효율 7.0%를 달성하고 있어 10%도 실현 가능할 것으로 기대하고 있다.
다만, 직렬형은 활성이 높으나 대면적화, 저코스트화에 적합하지 않아 2단계 촉매로 병렬(Paralle)형을 채용하거나 분말 광반도체에 따른 1단계 촉매를 이용하는 방안을 검토하고 있다.
1단계 촉매인 산황화물 광촉매(Y2Ti2O5S2)는 가시광으로 물을 분해함에 따라 태양광에너지를 효율적으로 활용할 수 있고 미립자여서 도포법으로 광촉매 시트를 만들 수 있어 대면적화와 저코스트화가 가능한 것으로 평가된다.
변환효율은 현시점에서 1.3%에 불과해 2021년 말까지 2-3%로 끌어올릴 방침이다. 광촉매는 결정성 향상, 도핑에 따라 활성을 몇 배로 높일 수 있어 분말촉매의 변환효율이 3%에 도달하면 공업화를 검토할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
다만, 1단계 방식과 병렬형 2단계 방식은 모두 수소와 산소가 혼합가스로 발생해 폭발 없이 수소를 안전하게 분리할 것이 요구된다.
분리 프로세스는 미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical)의 제올라이트(Zeolite) 막을 이용해 검토하고 있으며 유로/모듈설계를 최적화함으로써 시스템을 실현할 수 있을 것으로 판단하고 실용화를 위해 코스트 절감에 힘을 기울이고 있다.
태양광 수소와 폐가스 등에서 포집한 이산화탄소를 반응시켜 올레핀을 선택적으로 제조하는 프로세스 개발은 도쿄공업대학의 다츠미 다카시 명예교수가 지휘하고 있다.
프로세스는 수소 및 이산화탄소 베이스 메탄올 제조, 메탄올 베이스 올레핀 제조로 구성되며 에틸렌, 프로필렌(Propylene), 부텐(Butene)을 선택적으로 제조하는 시스템 구축을 목표로 하고 있다.
메탄 원료를 이용해 저온, 저압, 고수율로 메탄올을 제조하는 혁신적 C2 화학 프로세스와 호환성을 부여하는 것이 핵심이다.
2021년 종료되는 NEDO 프로젝트의 성과를 이어받아 상용화를 추진할 후속 프로젝트는 탄소중립을 가속화하기 위해 2030년 무렵 각종 실증시험을 완료한 후 대규모 사업화가 가능한 수준으로 신속하게 진행할 것이 요구되고 있다.
2020년대 중반 무렵까지 화석자원을 이용하는 혁신적인 C1 프로세스를 실용화하고 2020년대 후반부터 일부 석유화학 프로세스를 바이오매스 원료 프로세스로 전환한 후 2030년대부터 인공광합성에 따른 태양광 수소를 이용해 화학 프로세스를 실용화하며 2040년대 이후 포집한 이산화탄소를 화학제품의 원료로 활용하는 CCU를 본격화하는 등 단계적으로 이산화탄소 배출량을 감축할 수 있는 시나리오가 부상하고 있다.
석유화학 컴플렉스는 원료를 나프타(Naphtha)에서 대규모 도입이 가능한 바이오매스로 전환함과 동시에 인공광합성를 포함한 MTO(Methanol to Olefin)를 적용함으로써 실질적인 탄소중립이 가능할 것으로 기대되고 있다.
아사히카세이, CO2 활용 PC 프로세스 실용화
아사히카세이(Asahi Kasei)는 이산화탄소를 화학제품으로 전환하는 기술로 글로벌 시장을 선도하고 있다.
2002년 많은 기술이 기초연구 및 개발단계에 머물러 있는 가운데 세계 최초로 이산화탄소 베이스 PC 제조 프로세스를 확립했으며 실용단계에 가까운 기술을 다수 개발하고 있다.
아사히카세이는 이산화탄소 베이스 PC 프로세스를 5개국 6사에게 라이선스함으로써 약 600만톤에 달하는 글로벌 생산능력에서 무려 16% 수준을 차지하고 있다.
이산화탄소를 원료로 사용함으로써 맹독성인 포스겐(Phosgen)을 활용하지 않고 PC를 생산할 수 있어 안전성이 높을 뿐만 아니라 투자비용 및 품질 측면의 이점도 있어 보급이 확대된 것으로 파악된다.
이산화탄소 베이스 프로세스로 제조한 PC는 신규 촉매를 투입해 반응설비 안에서 화학반응과 부산물을 제거하는 증류를 동시에 실시하는 반응증류기술을 적용함으로써 반응효율 향상 및 에너지 소비 절감에 성공했고, 중간원료인 DPC(Diphenyl Carbonate)와 BPA(Bisphenol-A)를 반응시키는 공정에 신규 콘셉트의 용융중합공법을 적용함으로써 품질까지 향상시킨 것으로 알려졌다.
기존 포스겐 공법에 비해 투자비용이 약 절반으로 줄어들어 친환경적인 측면과 경제성을 양립한 기술로 평가되고 있다.
최근에는 기존 플랜트와 거의 동일규모로 생산능력을 약 1.5배로 높이는 설계기술을 확립함으로써 세계 최고 효율의 신규 프로세스라는 점을 내세우며 글로벌 시장을 공략하고 있다.
아사히카세이는 이산화탄소 베이스 PC 기술을 바탕으로 LiB(리튬이온전지) 전해액 원료 제조 프로세스의 라이선스도 시작했다.
이산화탄소 베이스 PC 중간공정에서 전해액의 용매로 사용되는 DMC(Dimethyl Carbonate)와 EC(Ethylene Carbonate)가 생성되기 때문이다.
LiB 소재는 세계적으로 xEV(전동자동차) 보급이 확대됨에 따라 수요가 대폭 증가하고 있고, 지구온난화 대책으로 환경규제가 강화되면서 자동차에 탑재하는 배터리 설계 및 소재에도 탈 이산화탄소 흐름이 나타나고 있다.
아사히카세이는 DMC 및 EC 제조 프로세스를 분리해 라이선스할 방침이다.
이산화탄소를 원료로 PC 중간원료인 DPC를 제조하는 프로세스 실증을 완료함에 따라 EO(Ethylene Oxide)를 사용하지 않고 이산화탄소 베이스 PC 제조 기술도 확립했다.
EO는 수송이 어려워 가까운 곳에서 조달할 필요가 있으나 신규 프로세스는 EO가 필요하지 않아 공장입지에 대한 제약을 불식할 수 있는 이점이 있다.
아사히카세이는 PC에 이어 글로벌 생산량이 1000만톤에 육박하는 우레탄수지(Urethane Resin)의 원료인 이소시아네이트(Isocyanate)를 주목하고 독자적으로 제조 프로세스를 개발하고 있다.
이산화탄소 유도제품인 요소(Urea)와 HMD(Hexamethylene Diamine)를 반응시켜 지방족 이소시아네이트의 일종인 HDI(Hexamethylene Diisocyanate)를 생산하는 기술이며, 요소를 이소시아네이트의 원료로 사용할 때 중간생성물 수율이 낮은 문제점이 있었으나 이산화탄소 베이스 PC 반응증류 기술을 응용해 중간생성물 수율을 대폭 높이는데 성공했다.
아사히카세이는 HDI 사업 라인업에 이산화탄소 베이스를 추가할 방침이다.
2030년 사업화를 목표로 파일럿설비를 통해 실증을 완료하고 이소시아네이트에서 대부분을 차지하는 방향족 이소시아네이트 제조기술도 확립할 계획이다.
재생에너지를 이용해 전기분해에 따라 그린수소를 만드는 알칼리 수전해설비를 실증하고 공장, 화력발전소에서 발생하는 이산화탄소를 분리‧회수하는 제올라이트(Zeolite)계 흡착제 및 시스템도 개발하고 있다.
그린수소와 공기 속 질소로 그린암모니아를 생성하는 기술, 공장에서 발생한 이산화탄소 등을 전기분해해 그린연료 및 유용한 화학제품을 생성하는 기술 등 다양한 기초연구 및 개발에 착수하는 등 실질적으로 이산화탄소 배출량을 제로화함으로써 탄소중립의 핵심인 탄소 및 수소 순환기술에 종합적으로 대응하고 있다.
일본은 이미 실용화 수준에 있는 PC를 중심으로 2030년 무렵부터 이산화탄소 베이스 화학제품 수요가 확대되고, 코스트가 낮은 수소 조달이 가능할 것으로 예측되는 2050년부터는 올레핀, 아로마틱 등 수요가 많은 범용제품도 이산화탄소 베이스 보급이 시작될 것으로 예상하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
