지구온난화 주범의 전환, C1가스 리파이너리

지구온난화 주범의 전환, C1가스 리파이너리

대학생신재생에너지기자단 19기 유홍주

 

CO(일산화탄소), CO2(이산화탄소), CH4(메탄)은 지구온난화를 일으키는 대표적인 온실가스이다. 이 기체들은 탄소 원자(C) 수가 1개이기 때문에 ‘C1가스’라는 이름을 갖고 있다. 지구의 기후변화의 주범인 C1가스는 우리가 없애야 할 대상이지만, 모든 화학연료의 출발점이 되는 핵심 물질이기도 하다. C1가스에 탄소를 더하면 탄소사슬이 만들어지면서 청정 액체 연료, 기초 화학 원료 등 다양한 자원이 될 수 있기 때문이다.

따라서 전 세계적으로 C1가스 기반 수송용 연료 및 기초 화학소재 생산기술의 개발 및 수요가 증가하는 추세이다. 이렇게 C1가스에 공정을 가해 화학 원료 및 화학제품으로 전환하는 것이 ‘C1 가스 리파이너리’ 이다.

C1가스를 활용한 기존의 기술은 고온, 고압 상태에서 다양한 공정을 필요로 하기 때문에 석유 대비 경제성이 낮은 문제점을 갖고 있었다. 반면 C1가스 리파이너리는 바이오 및 화학촉매를 복합적으로 활용해 저온, 저압 상태에서 C1가스를 직접 전환하기 때문에 경제성이 높다. 따라서 이 기술은 석유산업을 대체할 수 있는 차세대 핵심 기술로 주목받고 있다.

 

C1 가스 리파이너리 기술의 등장

C1가스 리파이너리 기술은 셰일가스 개발의 가속화로부터 시작되었다. 2009년부터 시작된 고유가 시대는 셰일가스 채굴 확장을 촉발하여, 본격적인 셰일가스 시대를 도래하였다. 국내에서는 이러한 해외 환경변화 및 국내 석유화학 업계의 기대를 고려하여, 가스 산업시대를 대비한 다양한 정책 시행 및 기업들의 발빠른 대응이 이어지게 되었다. 셰일가스에는 C1가스인 메탄이 다량 함유되어 있다. 당시 메탄은 단순 열에너지원으로만 사용 중이었으며, 국내 산업 환경에 적합한 경제성 있는 메탄가스 및 C1가스 전환기술이 없는 실정이었다. 메탄 가스는 산화반응을 통해 열량을 얻을 수 있으나, 이 산물로 온실효과를 일으키는 이산화탄소가 나왔기 때문에 이를 활용할 방법이 필요했다. 또한 메탄가스는 이산화탄소와 비등하게 큰 온실 효과를 유발하는 환경오염 물질이다.

이에 정부는 C1가스를 이용한 혁신적인 기술개발을 위하여 2015년에 ‘C1가스 리파이너리 사업단’을 출범시켰다. 이 사업단을 중심으로 C1가스로부터 수송용 연료 및 기초화학물질 원료와 C1 폴리머 등의 제품을 생산하기 위한 핵심 기술을 선도적으로 개발하여 국내 석유화학산업의 돌파구를 마련하고, 온실가스 저감에도 기여하는 중이다.

[자료1. 셰일가스의 채굴 모습]  

출처 :  ecofuturenetwork

C1가스 리파이너리 기술이란?

생물화학적, 화학적 직접 전환을 통해 C1가스를 고부가가치 화학원료, 가솔린 등을 대체할 수 있는 연료로 제조하는 기술이다. C1 리파이너리는 대기오염물질인 C1가스를 산업적으로 재활용하여 기후변화 예방에도 기여할 수 있는 녹색 기술이다.

국내 전문가들은 C1가스 리파이너리의 확립을 위해, C1가스를 저온 및 저압 상황에서 직접적으로 전환하는 공정과 관련된 촉매를 개발하는 것이 우선적이라 보고 있다. 가스를 전환하기 위한 촉매로는 미생물을 이용한 생물학적 촉매가 기본이 되어야 한다. 또한 C1가스를 고부가가치 물질로 전환시킬 수 있도록 돕는 분자 기반 촉매의 합성 기술의 추진이 이뤄져야 한다. 따라서 C1가스 리파이너리 사업단은 C1가스를 효율적으로 물질전환 하기 위한 생물전환(바이오촉매), 화학전환(화학촉매)을 연구하고 있다.

메탄자화균을 이용한 메탄가스 생물 전환

메탄은 고온 고압에서 금속 촉매를 이용하여 전환할 수 있으나, 에너지가 많이 필요하고, 간접 전환의 경우 공정 설비에 필요한 초기 투자비용이 매우 높아 바이오가스 전환에는 경제적으로 적합하지 않다는 특징이 있다. 또한 가스 조성이 일정하지 않고 불순물이 존재하는 경우 화학적 공정을 통하여 일관된 생산물을 생산하기가 어렵다는 이슈도 있다. 이러한 메탄가스를 전환하는 데 메탄자화균이라는 촉매를 이용하면 이러한 단점을 보완할 수 있다. 메탄자화균은 오히려 불순물을 생장에 필요한 영양분으로 사용할 수 있으며, 가스의 조성이 변하더라도 최종 생산물의 조성에 큰 변화가 없다는 장점이 있다. 따라서 이러한 메탄자화균을 촉매로 이용한다면, 메탄가스를 효율적으로 바이오전환 할 수 있게 된다. 하지만 메탄자화균을 이용하여 유용 산물을 생산하는 연구는 메탄자화균의 대사공학적 개량의 어려움으로 인하여 아직은 기본적인 연구 단계에 그치고 있는 실정이다. 그러나 이러한 부분에 대한 연구가 지속적으로 진행중이며, 메탄자화균을 상업적으로 활용할 수 있는 범위를 넓히기 위해 지속적으로 노력 중이다.

[자료2. 메탄자화균의 대사 경로]

출처 : news & information for chemical engineers

CO의 화학 전환

일산화탄소는 올레핀(에틸렌, 프로필렌)과 공중합반응을 통하여 폴리케톤이라는 고분자로 전환이 가능하다. 현재 팔라듐을 기반으로 한 촉매를 사용하고 있는데, 팔라듐 촉매의 기술적 애로 사항을 개선할 수 있는 촉매에 대한 연구가 진행되는 중이다. 일산화탄소는 에틸렌 옥사이드를 포함하는 화학종과 반응을 하면 숙신산, 부탄디올과 같은 화합물을 제조할 수 있게 된다. 이 반응의 주 촉매는 코발트 균질계 촉매이다. 여기서 만들어진 화합물은 카르보닐화 반응을 통해 또 다른 다양한 화합물로 제조가 가능하다. 앞서 말했듯 현재 주로 사용되는 팔라듐과 같은 귀금속 촉매를 대체하면서, 상용공정에 적용 가능한 수준의 반응성과 안정성을 보이는 촉매 개발 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

[자료3. 화학촉매를 통한 CO 전환 경로]

출처 : c1 가스 리파이너리 사업단

기후변화의 수준을 넘어 기후위기라고 표현해야 할 만큼 지구의 환경문제는 민감한 문제가 되었다. 그렇기 때문에 C1가스 연구의 중요성이 날로 높아지고 있다. C1가스 리파이너리의 연구는 촉매 및 리파이너리 기술의 발전을 비롯해 다양한 분야로의 적용 가능성을 보여주고 있다. C1가스 리파이너리는 에너지 뿐 아니라 환경보전과 화학기반 산업 발전에도 큰 영향을 끼칠 것이다.

C1가스의 주요 배출 분야인 철강산업에서는 환경오염 물질을 고부가가치 물질로 전환해 수익성을 확보하는 것을 기대한다. 그리고 그만큼, 현재 한국이 경쟁력을 갖고 있지만 큰 위기를 맞고 있는 플랜트엔지니어링, 조선산업 등에서 C1가스 기반의 산업화 기회를 가질 수 있을 것이라고 보고 있다. 또한 C1가스 리파이너리 산업화는 환경오염 물질이기도 한 C1가스의 저에너지 청정 전환 기술을 개발함으로써 효율적인 온실가스 대응 전략도 제공할 수 있어 신기후 체제하에서의 국제적인 입지 개선에도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. C1 리파이너리 기술의 개발과 선점은 향후 우리나라의 미래를 결정할 주요 산업이 될 것이다.

 

[참고문헌]

강석환, 류재홍, “C1 가스 리파이너리”, 공업화학 전망, 제 19권 제 2호, 2016

박은덕, C1 가스의 화학적 전환기술, News & information for chemical engineers, vol. 35, No. 3, P.290-295, 2017

이진원, “C1 가스리파이너리 기술 개발”, News & information for chemical engineers, vol. 35, No. 3, 2017

조중혁, “탄소에너지 새 방향 밝혀주는 ‘C1가스 리파이너리 기술’ “, 퓨처에코, 2016.05.24

황인엽, 이은열, 메탄자화균을 이용한 메탄가스 바이오 전환 기술, News & information for chemical engineers, vol. 35, No. 3, P.287-289, 2017

C1가스 리파이너리 사업단, “연구개발 내용”