일본, SPE 전해합성기술 상용화 추진 … 에너지 소비량 90% 절감

탄소중립을 위한 그린케미칼 제조 기술에 대한 관심이 커지고 있다.
일본 요코하마(Yokohama)대학이 설립한 스타트업 Electro Fluxion은 연료전지 시스템을 응용해 화학반응을 일으키는 전해합성기술 상용화를 추진하고 있다.
Electro Fluxion은 스타트업 인큐베이터인 첨단기술공창기구(ATAC)가 2024년 고체분자 전해질(SPE) 전해합성기술 상용화를 위해 설립한 스타트업이다.
전해합성은 이산화탄소(CO2) 배출량 감소 등 화학제품 생산 프로세스를 혁신할 기술로 기대되고 있으며, SPE 전해합성은 연료전지의 전해 셀을 응용해 전기를 구동력으로 삼아 주요 화학반응인 산화환원반응을 일으키는 기술로 주목된다.
Electro Fluxion 연구진은 과거 에네오스(Eneos) 등과 함께 수소 캐리어인 MCH(Methylcyclohexane)를 물과 톨루엔(Toluene)으로부터 직접 제조하는 전해합성기술 개발에 관여한 바 있으며 기능성 화학제품 생산에 전해합성을 광범위하게 응용할 수 있는 가능성에 착안해 10여년에 걸쳐 개발을 이어왔다.
전해 셀은 촉매를 담지한 다공질 탄소 전극으로 양성자 교환막(PEM)과 음이온 교환막(AEM) 등 이온 교환막을 감싼 구조를 형성하며 전극과 막을 밀착시키는 제로갭 구성으로 전기저항을 줄이고 에너지 변환효율을 높일 수 있다.
용매 내부의 기질이 전극 바깥쪽으로부터 들어가 막과 접촉하면 계면에서 전기화학반응이 일어나 양극에서 산화반응이, 음극에서 환원반응이 발생하는 구조이다.
SPE 전해합성은 용액의 전기 전도도를 높여주는 지지전해질을 첨가할 필요가 없기 때문에 무극성 용매도 사용할 수 있어 목적 화합물 적용 범위가 확대된다.
플로우 전해합성도 구현할 수 있으며 후공정에서 불순물이 되는 지지전해질이 필요하지 않아 전해합성의 후공정에서 다른 화학반응도 가능하다. 풍력, 태양광 등 재생가능에너지를 활용한 전력 변동에 대한 추종성이 우수한 점도 특징이다.
Electro Fluxion에 따르면, 일반적으로 고온·고압 조건에서 수소를 첨가해 환원반응을 일으켜 생산하는 의약품 골격용 피리딘(Pyridine), 피페리딘(Piperidine)을 전해합성으로 생산하면 기존 프로세스 대비 생산에 필요한 에너지 소비량이 90% 이상 줄어든다.
종합적인 코스트는 열을 이용하는 화학반응 대비 20-70% 정도 우수한 것으로 추정된다.
Electro Fluxion은 화학제품 생산기업에게 전해법 솔루션을 제공하는 사업 모델을 구상하고 있다.
현재 수십여 곳과 상용화를 위한 기술적 논의를 진행하고 있으며 기존에 주요 타깃으로 고려하던 기능성 화학제품 뿐만 아니라 에너지, 금속, 무기소재 등 광범위한 영역에서 문의가 있는 것으로 알려졌다.
산업계의 탈탄소 대응이 시급해짐에 따라 SPE 전해합성기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
특히, 일본은 2026년부터 온실가스(GHG) 배출권 거래제를 본격 도입하면서 일정량 이상의 온실가스 배출기업의 참여를 의무화할 계획이다.
장기간에 걸쳐 개선을 거친 기존 프로세스가 급진적인 에너지 절약 효과를 기대하기 어렵다는 점을 고려할 때 근본적으로 프로세스를 전환할 필요가 있으며 PSE 전해합성은 선택지 가운데 하나로 기대되고 있다.
Electro Fluxion는 SPE 전해합성이 전기에너지 투입을 통해 상온·상압 조건에서 화학반응이 진행되는 환경조화형 생산 프로세스라는 점과 이온 교환막을 통한 생성물 분리와 고순도화의 용이성, 에너지를 축적하는 흡열반응을 일으킬 수 있다는 메리트 등을 살려 수요층을 확대할 계획이다. (윤우성 선임기자)