전기화학적 탄소 전환, 환경과 경제 모두 잡는 석유화학의 구원자

전기화학적 탄소 전환, 환경과 경제 모두 잡는 석유화학의 구원자

대학생신재생에너지기자단 27기 권준혁

 

탄소 감축 압박과 대중국 수출 감소, 한국 석유화학의 위기

석유화학 산업은 역사적으로 한국의 경제 성장에 크게 기여해 온 산업 중 하나이지만, 최근 격변의 시대를 겪고 있다. 석유화학 산업의 온실가스 배출량은 약 5200만톤으로, 2022년 기준으로 우리나라의 전체 온실가스 배출량의 약 10%를 차지한다. 비록 2023년 4월 ‘2030 국가온실가스감축목표 (2030 NDC)’를 수정하며 석유화학 산업의 목표 탄소 배출량이 3740만톤에서 5480만톤으로 47%가량 완화되었지만, 전문가들은 해당 목표치를 2035 NDC에서 3620만톤 수준으로 상향 조정할 것을 촉구하고 있다. 그 이유는 국내 석유화학 산업의 쇠퇴로 인한 기초유분 생산량 감소로 인해 추가 온실가스 감축의 달성이 가능할 것으로 전망되기 때문이다.

애당초 정부가 석유화학 부문의 탄소 배출 목표를 완화한 것은 자동차와 같은 석유화학 전방 산업의 성장과 중국과 인도로의 수출 확대로 인해 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔을 비롯한 석유화학 기초유분 생산량이 증가할 것을 감안하였기 때문이다. 하지만 실제로는 최대 고객이었던 중국의 석유화학 자급률이 높아지며 수출이 감소하였고, 이는 국내 석유화학 기업들의 수익성 악화와 생산 감축으로 이어졌다. 따라서 석유화학 산업의 확장을 염두에 둔 온실가스 목표는 산업의 쇠퇴라는 현실을 감안하여 재조정돼야 한다는 것이다.

그렇지만 여전히 석유화학 산업은 한국 경제에서 중요한 산업임을 감안할 때, 우리는 산업의 쇠퇴로부터 비롯된 탄소 감축이 아닌, 산업의 전환으로부터 비롯된 탄소 감축을 통해 경제와 환경을 둘 다 사수하기 위해 노력해야 한다. 수익성 악화와 생산량 감축이 아닌, 생산량을 증대하여 더 많은 수익을 벌어들이면서도 탄소 배출량을 줄일 수 있는 방법을 모색해야 한다.

 

전기화학적 탄소 전환을 통한 석유화학 산업 전환

석유화학 산업의 탈탄소 산업 전환 방식에는 두 가지 큰 축이 있다. 바로 전기화와 탄소 저장 및 활용 (CCUS) 기술이다. 전기화는 기존 석유화학 공정의 열화학 공정을 전기 기반 공정으로 대체하는 것을 말한다. 전기화의 대표적인 예로는, 1000도 이상의 고온이 필요한 나프타 분해 공정에서 화석 연료 기반 스팀 크래커 대신 전기에너지를 이용한 전기가열 분해기(E-cracker)를 사용하는 사례를 들 수 있다.

CCUS는 산업 현장이나 발전소 등에서 배출되는 이산화탄소를 포집해 저장하는 CCS 기술과 화학 원료 등 유용한 물질로 전환하는 CCU 기술을 함께 이르는 말이다. 현재는 CCS 기술이 CCU 기술보다 기술 성숙도가 높지만, 지하에 CO2를 저장하는 CCS의 경우 설치 및 운영에 막대한 비용이 소모된다는 점과 압력 변화나 저장 가스의 유출 등 장기적 안정성에 대한 우려가 남아 있다는 점 등의 한계가 있다. 반면 CCU의 경우, 이산화탄소를 그대로 저장하는 것이 아닌 다른 물질로 바꾸어 저장한다는 점과, CCS와는 달리 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환함으로써 경제적 부가가치를 창출할 수 있다는 점 등을 고려할 때, 장기적으로는 CCS 이상으로 경쟁력 있는 탄소 감축 대안으로 성장할 수 있다.

전기화학적 탄소 전환은 기존 석유화학 공정에서는 화석 연료로부터 생산되던 일산화탄소, 폼산 등 유용한 화학 물질을 전기로 활용하여 이산화탄소로부터 생산하는 기술로, 석유화학 산업의 탈탄소화에 크게 기여할 수 있다. 전기화학적 탄소 전환 기술은 석유화학 산업의 전기화와 CCU 모두에 해당한다는 점에서 탄소를 감축하면서 경제성도 확보하여 석유화학 산업의 산업전환에 핵심적인 역할을 할 수 있다. 전기화학적 탄소 환원은 탄소 중립을 달성할 수 있다는 점, 상압에서 작동할 수 있다는 점, 촉매 조정을 통한 선택적 물질 생산이 가능하다는 점 등이 장점으로 꼽힌다. 전기화학적 탄소 전환으로 생산할 수 있는 주요 물질은 아래와 같다.

[자료 1. 전기화학적 탄소 전환을 통해 생성될 수 있는 화학물질]

출처: sciencedirect

 

전기화학적 탄소 전환의 원리

전기화학적 탄소 환원은 전기화학의 원리를 이용한다. 외부 전원을 공급하면, 산화극에서는 물이 산소 기체로 산화되고 환원극에서는 이산화탄소가 일산화탄소, 폼산 등의 화합물로 환원된다. 전기화학적 탄소 전환 설비의 핵심은 바로 탄소 환원 반응이 활발하게 일어날 수 있도록 전극에 이산화탄소를 공급하는 것이다. 여기에는 이산화탄소 기체를 바로 공급하는 방식과, 이산화탄소를 전해질에 녹여 수용액 상태로 공급하는 방식이 있으나 후자의 방식은 CO2의 낮은 용해도와 확산 속도로 인해 상업화가 어려워 기체 형태로 공급하는 방식이 더 주목받고 있다.

기체 상태의 이산화탄소를 전극에 공급하기 위해 사용되는 것이 바로 기체 확산 전극(Gas Diffusion Electrode, GDE)이다. GDE는는 촉매층, 기체 흐름 통로, 그 사이의 다공성 구조인 가스 확산층으로 구성돼 있다. 가스 확산층은 더 짧은 기체 확산 경로를 제공해 같은 시간에 촉매에 더 많은 CO2를 공급한다. 또한 전기 저항이 낮기 때문에 전자, 양성자, 그리고 생성물을 촉매층에서 전해질로 잘 수송한다. 가스 확산층은 전해질의 역류를 방지하기 위해 소수성 부분을 포함하는데, 전해질 역류 방지를 위한 탄소 가루 미세공극 층과 기체 확산을 위한 탄소 섬유로 된 거대공극(macroporous) 층의 이중층 구조로 만든다.

[자료 2. 기체 확산 전극의 구조]

출처: sciencedirect

위 그림은 GDE의 구조를 나타낸 것으로, 탄소 섬유층은 공극의 크기가 크기 때문에 이산화탄소 기체가 빠르게 확산할 수 있고, 탄소 가루 층은 공극의 크기가 작기 때문에 표면적을 넓혀 이산화탄소가 효과적으로 반응할 수 있게 하고 전해질이 역류하는 것을 방지한다.

GDE를 기존에 물로부터 수소를 생산하기 위해 고안된 PEM(Proton Exchange Membrane) 수전해 장치에 적용하면 전기화학적 이산화탄소 전환 장치로 활용할 수 있다. 아래 그림은 PEM 전기화학적 탄소 환원 장치의 구조를 나타낸 것으로, PEM 수전해 장치와 마찬가지로 액체 전해질 없이 양이온 교환막으로만 산화극과 환원극이 분리되어 있는 구조이다. 산화극에 물이 들어가서 산소 기체가 발생하는 구조도 똑같다. 다만 차이점은 전기화학적 탄소 환원 설비에는 이산화탄소를 환원극에 공급하기 위한 GDE가 추가로 필요하다는 점이다.

[자료 3. PEM 전기화학적 탄소 전환 장치]

출처: sciencedirect

이처럼 전기화학적 탄소 환원에 수전해와 유사한 설비 구조를 적용할 수 있는 까닭은 두 반응의 원리가 상당히 유사하기 때문이다. PEM 방식으로 이산화탄소를 환원하면 액체 전해질이 필요 없기 때문에 전해질 불순물로 인한 오염으로부터 자유롭다는 점과, 이미 상대적으로 상용화된 기술인 PEM 수전해 기술을 활용하여 기술 성숙도를 끌어올릴 수 있다는 장점이 있다.

 

전기화학적 탄소 전환의 한계점

전기화학적 탄소 전환은 이미 상용화 단계에 이른 기술로 평가받는 수전해 설비에 적용되는 기술을 상당 부분 활용할 수 있다는 장점이 있지만, 수전해 설비와의 유사성이 도리어 문제가 되기도 하는데, 그 이유는 전기화학적 탄소 환원 반응이 아닌 수소 생산 반응이 같이 일어나기 때문이다. 수전해에서는 수소를 만드는 것이 목적이기 때문에 수소 생산 반응이 전혀 문제가 되지 않지만, 전기화학적 탄소 환원의 목표는 이산화탄소를 다른 화합물로 전환하는 것이기 때문에, 수소 기체가 발생하면 그만큼 이산화탄소를 환원하는 데 들어가는 전자의 수가 줄어든다. 따라서 전기화학적 탄소 환원에서는 수소 기체 발생 반응을 억제할 필요가 있다.

수소가 발생하는 원인은 단순히 설명하자면 환원극의 전자와 수소 이온이 이산화탄소를 만나지 못해 자기들끼리 반응하기 때문이다. 즉 수소 기체의 발생을 억제하는 가장 주된 방법은 바로 전극에 공급되는 이산화탄소의 농도를 높이거나 이산화탄소와 만나야 할 수소이온의 수를 줄이는 것이다. 따라서 이산화탄소 확산 속도를 높이기 위한 효과적인 GDE 설계와 환원극 근처의 pH 농도를 조절하는 연구가 필요하다.

현재 전기화학적 탄소 전환이 직면한 가장 큰 도전 과제는 바로 선택성과 효율성의 트레이드 오프 관계이다. 전기화학적 탄소 전환은 의도한 물질을 정확히 생산해 내는 선택성이 중요하다. 하지만 선택성과 에너지 효율성을 동시에 달성하기는 매우 어렵다. 먼저, 전기화학적 탄소 전환에서 선택성과 밀접한 관련이 있다고 알려진 지표 중 하나가 바로 전류밀도이다. 전류밀도는 전극의 단위 면적당 전기화학적 반응 속도를 나타내며 수치가 높을수록 더 많은 전류가 흐르는 것으로 이해할 수 있다. 하지만 선택성을 높이기 위해 전류밀도를 증가시킬수록 저항이 증가해 전압 강하와 열 발생으로 인해 더 많은 전기 에너지가 손실돼 에너지 효율이 감소한다.

다음으로, 앞서 언급했듯 수소 생산 반응을 억제해 이산화탄소가 의도한 대로 전환되도록 하기 위해서는 전극 근처의 이산화탄소 농도를 높여야 한다. 기체 상태의 이산화탄소 농도를 높이기 위해서는 고압 환경을 조성해야 하는데, 압력을 높이는 데에는 상당한 에너지가 소요된다. 마찬가지로 반응 온도를 높이는 것 또한 반응 속도를 증가시켜 이산화탄소 전환을 통한 화합물의 생산량을 높이지만 온도를 높이는 데에 더 많은 에너지가 소모된다.

또한 전기화학 반응 결과 생성된 다양한 화합물 중 원하는 화합물만을 분리하기 위해 분리막을 비롯한 분리 장치를 추가할 경우 설비의 복잡도가 증가하고 가격이 상승한다. 따라서 전기화학적 탄소 전환의 상업화를 위해서는 이와 같은 트레이드 오프 관계를 고려해 최적의 타협점을 찾아내야 할 것이다.

 

경제성 확보의 핵심은 바로 전기 가격

전기화학적 탄소 전환은 현재 석유화학 산업에서 활용되는 다양한 화학물질을 생성할 수 있는 잠재력이 있지만, 현재 경제성을 확보할 수 있을 것으로 전망되는 물질은 일산화탄소와 폼산뿐이다. 아래 표는 전기의 출처(태양광, 풍력, 지열, 석탄 화력 등)에 따른 전기화학적 탄소 전환으로 생성한 화합물의 가격과 현재 시장 가격을 나타낸 것이다.

[자료 4. 재생에너지 종류에 따른 전기화학적 탄소 전환 비용과 생성물의 시장 가격]

출처: sciencedirect

비록 전기의 출처에 따라 가격이 달라지긴 하지만, 전체적으로 일산화탄소와 폼산 외에는 현재 시장 가격보다 전기화학적 탄소 전환을 통한 생산 비용이 더 많이 들기 때문에 경제성이 없음을 확인할 수 있다. 이 기술의 경제성을 높이기 위해서는 앞서 이야기한 전기화학적 탄소 전환 장치의 기술적 한계점을 극복하고 효율을 높이는 것도 필요하겠지만, 가장 중요한 요소는 바로 전기 가격이다. 아래 표는 전기화학적 탄소 전환으로 생성한 화합물의 가격에서 전기 가격, CO2 가격, 패러데이 효율, 전해조 가격 등이 유의미한지 여부를 나타낸 것이며, 수치가 클수록 가격에 미치는 영향이 크며 0.05 이상일 경우 유의미한 것으로 간주한다.

[자료 5. 화학 물질별 가격에 영향을 미치는 요소]

출처: sciencedirect

위 표에서 볼 수 있듯, 전기 가격이 다른 요소에 비해 압도적인 수치로 화합물 생산 가격에 관여함을 확인할 수 있다. 따라서 전기화학적 탄소 전환 기술이 석유화학 업계에서 성공하려면 재생에너지를 낮은 가격으로 공급할 수 있는 국가적 역량이 매우 중요함을 알 수 있다. 아직은 한국의 재생에너지 가격이 유럽 등 선진국에 비해 비싸고, 발전량 자체도 충분하지 않다. 그러나 만약 한국이 제대로 된 재생에너지 육성 정책을 통해 재생에너지 선도국으로 자리매김한다면, 전기화학적 탄소 전환은 이미 가격 경쟁력을 갖출 것으로 평가받는 일산화탄소와 폼산을 넘어 더 다양한 화합물의 생산에서 기존의 석유화학 공정을 대체할 수 있을 것이다. 실제로 2050년까지의 재생에너지 가격 하락을 전제로 한 시나리오에서는 태양광 에너지를 통한 에탄올과 에틸렌의 kg당 생산 비용이 현재 각각 3달러, 2달러 수준에서 각각 1.12달러, 0.85달러로 떨어질 것으로 전망된다. 이는 2050년 에틸렌과 에탄올 가격이 각각 0.89~2.32달러, 0.88~3.73달러 범위로 예측된다는 것을 고려하면 충분히 경제성을 확보할 수 있는 수치이다.

 

석유화학에서 석유를 빼기 위한 여정

앞서 살펴보았듯 전기화학적 탄소 환원 기술은 탄소 고배출 산업인 석유화학 산업을 전기화하고, 이산화탄소로부터 화합물을 합성하기 때문에 더 이상 화석 연료를 재료로 사용하지 않아 석유화학 부문의 탄소 중립에 크게 기여할 수 있다. 또한 이산화탄소를 포집하고 저장해두는 CCS와 달리, 이산화탄소를 전환하여 새로운 부가가치를 만들기 때문에 경제적 가치도 창출할 수 있어 석유화학 산업의 새로운 성장 동력이 될 수 있다.

석유 화학 기업들도 이미 해당 기술을 예의주시하고 있다. 지난 2023년, SK이노베이션은 전기화학적 촉매 반응을 통해 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하기 위한 이원자 촉매 기술을 자체 개발하며, 석유화학 부문에서의 전기화학적 탄소 전환 상용화를 위한 여정에 발을 내디뎠다.

전기화학적 탄소 전환은 탄소 저감과 경제성을 동시에 잡을 수 있는 차세대 석유화학 공정이며, 우리나라 또한 셀 효율 향상과 저렴한 재생에너지 공급을 통해 전기화학적 탄소 전환이 상용화될 수 있는 환경을 조성하기 위해 최선을 다해야 한다. 만약 우리나라가 전기화학적 탄소 전환에 대한 기술적 우위를 점한다면, 중국을 비롯해 최근 석유화학 시장에 도전장을 내밀고 있는 국가들에 대한 시장 장벽을 확보해 무너져가는 국내 석유화학 산업의 경쟁력 제고를 위한 새로운 돌파구가 될 것이다. 이처럼 한국 석유화학 산업의 미래를 위해 환경과 경제를 모두 챙길 수 있는 전기화학적 탄소 전환 기술에 대한 지속적인 관심이 필요하다.

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CCU에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "전기 에너지로 이산화탄소 업사이클링!", 21기 김수현, https://renewableenergyfollowers.org/3859

전기에너지로 이산화탄소 업사이클링!

2. "사람들의 광합성 따라하기, 인공 광합성이란?", 20기 서범석, https://renewableenergyfollowers.org/3581

사람들의 광합성 따라하기, 인공 광합성이란?

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참고문헌 

[ 탄소 감축 압박과 대중국 수출 감소, 한국 석유화학의 위기]

1) 김정수, “정부, 석유화학 생산 전망치 과다 산정…온실가스 배출한도 늘려줘”, 한겨례, 2024.07.07., https://www.hani.co.kr/arti/society/environment/1148008.html

2) 조대인, “정유‧석유화학社, 온실가스 감축계획 국제기준 못미쳐”, 에너지신문, 2024.12.16, https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=208831

[전기화학적 탄소 전환을 통한 석유화학 산업 전환]

1) 김수강, “한국 석유화학산업의 넷제로 로드맵”, Next Group, p9~10, 2024.11

2) 윤세종, “탄소포집, 이용 및 저장 기술(CCUS) 현황 및 문제점”, SFOC, p2~4, 2021.10

[전기화학적 탄소 전환의 원리]

1) Grazia Leonzio, “CO2 electrochemical reduction: A state-of-the-art review with economic and environmental analyses”, Chemical Engineering Research and Design, vol 208, 2024

[전기화학적 탄소 전환의 한계점]

1) Grazia Leonzio, “CO2 electrochemical reduction: A state-of-the-art review with economic and environmental analyses”, Chemical Engineering Research and Design, vol 208, 2024

2) Rong Xia, “Emerging Electrochemical Processes to Decarbonize the Chemical Industry”, American Chemical Society, vol 11, 2022

[경제성 확보의 핵심은 바로 전기 가격]

1) Grazia Leonzio, “CO2 electrochemical reduction: A state-of-the-art review with economic and environmental analyses”, Chemical Engineering Research and Design, vol 208, 2024

[석유화학에서 석유를 빼기 위한 여정]

1) 임기창, “SK이노, 이산화탄소→일산화탄소 전환 촉매기술 실증 성공”, 연합뉴스, 2023.12.03., https://www.yna.co.kr/view/AKR20231203015800003?section=search