히타치조센, 2020년 실증시험 시작 … MCC, 분리막 이용기술 개발

이산화탄소(CO2)와 수소(H)를 활용해 메탄(Methane)을 합성하는 메탄화(Methanation) 기술은 이미 개발해 수소 및 이산화탄소 코스트만 감축하면 실용화가 가능한 것으로 예상된다.
일본 히타치조센(Hitachi Zosen)은 메탄을 운반체로 사용하는 수소에너지 시스템을 개발해 메탄화 실용화를 위한 대책을 강화하고 있다.
히타치조센은 EX Research Institute(EXRI)와 공동으로 공장에서 회수한 이산화탄소를 활용해 메탄을 생산하는 실증시험을 2020년 10월 세계 최초로 시작했다.
일본 환경성 위탁사업으로, 메탄 생산량은 상업용 천연가스 새틀라이트 공급설비 수준인 시간당 125노멀입방미터를 계획하고 있다. 셸과 튜브형 메탄화 장치를 사용하고 있으며 2022년 이후 상용화를 검토하고 있다.
열 회수효율이 뛰어나 대형화에 적합한 차세대 플레이트형 메탄화 설비도 인펙스(INPEX)와 공동으로 니가타(Niigata)에서 실증시험을 진행하고 있다.
기존 프로세스는 반응조건이 기압 10-20, 온도 400도에 달하나 히타치조센이 개발한 촉매는 상압 및 200도에서 반응해 에너지를 대폭 절감할 수 있는 것으로 파악되고 있다.
히타치조센은 세계적으로 메탄화 기술을 선도하고 있으나 기술적인 장벽이 높지 않아 앞으로 경쟁이 치열해질 것으로 판단하고 용도 개척에 힘을 기울이고 있다.
히타치조센이 참여하고 있는 CCR(Carbon Capture & Reuse) 연구회는 2016년 탄소 리사이클 연료의 기술을 검토할 목적으로 활동을 시작했고, 2020년 7월에는 선박 탄소 리사이클 워킹그룹이 선박의 제로에미션을 실현하기 위한 로드맵 작성에 착수했다.
일본제철(Nippon Steel) 공장에서 배출되는 이산화탄소 포집 및 액화, 선박을 이용해 수소 공급기지에 액화 이산화탄소 수송, 메탄 합성, 액화 메탄의 선박연료 적용 4단계를 검토하고 있다.
국제해사기구(IMO)는 2050년까지 이산화탄소 배출량을 절반으로 감축하겠다는 목표를 세우고 있어 탄소 리사이클 메탄이 유력한 선택지로 부상하고 있다.
시즈오카(Sizuoka)대학의 후쿠하라 초지 교수는 실온에서 반응하는 메탄화 프로세스를 개발했다.
2019년 반응가스에 산소를 혼합함으로써 저온화를 실현했고, 최근 질산루테늄에 셀륨을 담지한 촉매를 이용해 실온에서 안정적인 반응에 성공했으며, 코스트가 더욱 낮은 촉매를 투입해 섭씨 50-80도에서 반응함으로써 폐열을 활용할 수 있는 환경에서 낮은 코스트로 메탄 제조가 가능할 것으로 기대하고 있다.
미츠비시케미칼(MCC: Mitsubishi Chemical), 코스모엔지니어링(Cosmo Engineering), 액트(Act)는 분리막을 이용한 이산화탄소 포집 및 메탄화 기술 개발을 추진하고 있다.
미츠비시케미칼이 개발한 중공사막은 비다공질 박막 중간층을 폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 다공질 지지층 사이에 넣은 3층 복합구조를 형성해 박막층이 이산화탄소를 선택적으로 투과시키는 방식으로 연구실 시험에서 이산화탄소 회수율 80%를 달성했다. 유기막 분리 기술이어서 코스트를 억제할 수 있으며 지지층에 따라 내구성도 향상된 것으로 파악된다.
미츠비시케미칼은 분리막 모듈 개발까지 담당하고, 이산화탄소 회수장치는 액트가 개발할 방침이다. 코스모엔지니어링은 이미 실용화된 메탄화 기술을 적용해 고농도 이산화탄소 가스와 재생에너지 베이스 수소로 메탄을 합성하는 장치를 개발하고 있다.
프로세스 과정에서 얻어지는 발열을 이용해 열효율이 높은 프로세스를 구축할 방침이다.
개발하고 있는 시스템은 설계 자유도가 높고 임의의 이산화탄소 농도 및 포집률에 대응할 수 있어 공장 및 소각설비 폐가스, 하수오니 등 바이오가스로부터 이산화탄소를 포집하는 방안을 검토하고 있으며 2021년 이후 실증시험을 시작할 계획이다. (J)