아사히카세이, 이산화탄소 전해 기술 개발 … 2030년 실증 목표

아사히카세이(Asahi Kasei)가 이산화탄소(CO2)와 물로부터 기초화학 원료 에틸렌(Ethylene)을 직접 합성하는 기술 개발에 나서 주목된다.
재생에너지 베이스 전력을 사용하는 그린 에틸렌을 고효율로 생산할 수 있는 기술을 확립하기 위해 2030년까지 대형 실증실험을 시작할 계획이다.
온실가스 배출량을 실질적으로 제로화할 수 있는 카본 뉴트럴 기술은 전기화학적 방법으로 화학제품을 만드는 기술을 중심으로 개발 경쟁이 치열해지고 있다.
아사히카세이는 이산화탄소를 전기화학적으로 환원하는 이산화탄소 전해로 에틸렌을 생산할 계획이다.
현재 기술로 그린 에틸렌을 생산할 때는 이산화탄소를 재생에너지 베이스 그린 수소로 환원해 일산화탄소(CO)를 합성하고 일산화탄소와 수소로부터 메탄올(Methanol)을 합성한 다음 최종적으로 메탄올에서 에틸렌을 합성하는 여러 단계가 필요하다.
하지만, 이산화탄소 전해로 1개 공정에서 합성할 수 있게 되면 그린 에틸렌 제조 시 에너지 효율이 대폭 향상될 것으로 기대된다.
그러나 이산화탄소 전해 실용화를 위해서는 전해공정의 에너지 낭비가 크다는 단점 해결이 요구되고 있다.
아사히카세이는 과제 해결을 위해 전해 시스템을 구성하는 음극과 양극, 격막 등 부재의 성능 향상을 도모하고 있으며 전해 셀 구조와 시스템 전체에 대한 운영방법도 최적화하고 있다.
아사히카세이는 기초화학제품 제조에 사용하는 이온교환막이나 식염전해 시스템을 공급하고 있으며, 특히 이온교환막은 글로벌 시장점유율 1위를 확보하고 있다.
그린수소를 생산하는 대규모 알칼리 수전해 시스템도 개발하고 있으며 일본 정부의 그린 이노베이션 기금 사업에 채택돼 실증연구를 진행하고 있다.
이산화탄소 전해 실용화는 기술적 난이도가 높은 편이나 그동안 축적해온 전극 촉매 등 부재와 시스템 개발능력을 조합함으로써 세계 최초로 실증 플랜트 가동 및 사업화 성과를 이끌어낼 계획이다.
양극에 조합하는 전극 촉매는 구리계 촉매 관련 연구 성과가 공개되고 있으나 아사히카세이는 다양한 각도에서 촉매 후보를 탐색하고 있으며 특정 계통의 촉매를 사용해 높은 변환효율로 에틸렌을 제조할 수 있을지 확인할 예정이다.
아사히카세이의 이산화탄소 전해는 이산화탄소로부터 일산화탄소로의 환원을 경유해 에틸렌을 얻는 화학반응이 한번에 진행되고 일산화탄소를 목적 생산물로 취하는 것도 가능해 반응효율이 세계 최고수준에 달할 것으로 예상되고 있다.
전극 촉매나 전해셀 등 기본 기술을 확립해 2030년까지 대규모 실증 플랜트 가동에 나설 계획이다.
플래스틱 등 다양한 화학제품의 기초 원료로 사용되는 에틸렌은 석유화학 플랜트에서 화석원료를 고온 분해해 얻는 것이 일반적이며 에틸렌 1톤을 제조할 때 이산화탄소가 수톤 배출되는 것으로 알려졌다.
이산화탄소 전해로 에틸렌을 생산할 수 있게 되면 환경부하가 큰 석유화학을 대체할 청정 화학 프로세스가 실현 가능해질 것으로 기대된다.
에틸렌은 시장과 다운스트림에 미치는 파급효과가 크고 온실가스인 이산화탄소 흡수원이라는 점에서도 매력적인 소재로 주목받고 있다.
이산화탄소 전해는 소형‧분산화에 적합해 대량생산 및 소비, 폐기를 전제로 했던 기존 방식과는 다른 새로운 사업모델을 창출할 가능성이 있는 것으로 평가된다.
카본 뉴트럴 기술로 부상하고 있는 이산화탄소 전해 기술은 아사히카세이 뿐만 아니라 다양한 글로벌기업과 연구기관이 개발에 도전하고 있다.
이산화탄소 전해를 통한 일산화탄소 제조는 도시바(Toshiba)가 전해 셀 대형화에 성공했으며, 독일 지멘스에너지(Siemens Energy) 등도 기술 개발에 주력하고 있다.
이산화탄소 전해로 에틸렌을 생산하는 기술은 도쿄(Tokyo)대학의 스기야마 마사카즈 교수와 우베(Ube), 후루카와전기(Furukawa Electric) 등이 연구팀을 구성하고 일본 정부의 대형 프로젝트인 문샷형 연구개발 사업에서 기술 개발을 진행하고 있다.
캐나다 토론토대학 벤처기업인 CERT Systems도 개발하고 있는 것으로 알려졌다. (강윤화 선임기자)