이산화탄소를 메탄올로 변환시켜? '일석이조'
1. 해당산업 기술 개요
온실가스 감축을 의무화한 교토의정서가 발효된 후, 각국의 정부와 기업들은 이산화탄소 감축이라는 과제가 '발등의 불'이 되었다. 이산화탄소를 감소시키기 위한 녹색기술들은 여러 가지 존재한다. 현재 CCS 기술이 많이 논의되고 있지만, 이산화탄소를 고체화 시켜, 공기 중으로 방출되는 양을 줄여 주는 기술이기 때문에, 보관시의 여러 위험 요소로 인해 사고의 위험이 발생하기 마련이다.
그렇다면 이산화탄소를 변환하는 기술은 없는 것일까? 이산화탄소가 온실효과의 원인 중 하나로 주목 받기 시작하면서 이산화탄소를 다른 물질로 변환시키는 기술들을 연구하기 시작하였다. 인공적으로 광합성을 만드는 기술이 많이 시도 되었지만, 비용문제와 변환시키는 양이 적어 큰 이슈는 받지 못했다. 하지만 2010년 현대중공업과 한국화학연구소의 공동연구로 작년 말 이산화탄소를 이용해 하루 50kg의 메탄올을 만들어 내는 소형 플랜트를 개발했다. 올해는 하루 10t의 메탄올을 생산할 수 있는 새 연구에 도전한다고 한다.
2. 기술분석
화학제품의 원료 등으로 많이 쓰이는 메탄올은 청정연료로 주목을 받고 있는 바이오디젤의 주성분이기도 하다. 그렇다면 이산화탄소을 원료로 어떻게 메탄올을 만들어 낼 수 있는가. 이 연금술을 가능하게 하는 것은 한 작은 알갱이이다. 연구진들 사이에는 '마법의 알갱이'로 불리는 이 알갱이는 이산화탄소를 메탈올로 변환시켜 주는데 아주 큰 역할을 하는 촉매이다.
이산화탄소를 메탄올로 변환하는 과정은 이산화탄소( CO2)에 물(H2O)과 메탄(CH4:천연가스의 주성분)을 섞어 촉매에 통과시키면 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 나온다. 이 일산화탄소와 수소를 다시 새로운 촉매에 넣어 합치면 메탄올(CH3OH)이 된다.
CO2 + 2H2O +3CH4 --(촉매)--> 4CO + 6H2
CO + 2H2 --(새로운 촉매)--> CH3OH
위의 반응식을 보면, 언뜻 쉬워 보일 수 있다.
하지만 기술적으로 문제가 되긴 하는데, 변환 과정에서 위의 식에서는 보이지 않지만, 탄소가루가 발생할 가능성이 존재 한다. 탄소 가루는 기계장치의 배관을 막으며, 촉매를 부숴버리기도 한다. 이산화탄소를 다른 물질로 변환시키는 기술은 수많은 연구가 진행되었지만, 이 탄소가루 문제를 해결하지 못한 탓에 현재까지 큰 진전이 없었다.
현대중공업과 화학연구소의 공동연구를 통해 알아낸 탄소가루 문제의 해결방법은 나노기술이었다. 연구를 통해 세라믹 위에 니켈과 마그네슘 등으로 만든 촉매 물질을 더하고, 이것을 10나노미터 크기로 잘게 부수어 균일화시킨 후, 코팅해서 만들어 낸 촉매를 탄생기켰다. 이 촉매는 탄소가루를 발생시키지 않았다. 구리와 아연 등을 사용해 일산화탄소와 수소를 메탄올로 바꿔주는 촉매도 개발했다.
나노 기술을 통해 촉매를 나노 사이즈로 균일화 시킨 것은 촉매가 반응에 작용하는 접촉면을 넓혀 주는 효과를 주는 것이다. 촉매가 효과를 발휘하기 위해서는 모든 반응물들과 만나야 하는데 나노 사이즈로 균일화된 촉매는 이것을 가능하게 하는 것이다.
3. 기술동향
현대중공업과 한국화학연구소, 일간지의 한 기자는 '플랜트 설계와 제작의 달인' 과 '촉매의 달인' 이 만났다고 한다. 기술의 융합이 실현된 것이다. 현대중공업에서는 한창 새로운 공정 설계가 한창이다. 현재 10t 급 플랜트의 설계에 착수했다고 한다.
플랜트 설계에서의 핵심은 이산화탄소가 일산화탄소와 수소로 바뀌는 반응기 안의 온도와 압력유지이다. 연구진은 반응기 내부에 열 공급장치와 센서를 부착에 반응기 전체를 균일한 온도와 압력으로 유지할 계획이라 한다. 효율을 가장 높일 수 있는 열 공급장치와 센서의 부착 위치를 찾는 것이 관건일 것으로 보인다.
현대 중공업에서는 향후 1500t 급 설비까지 개발할 예정이라고 한다. 우리 나라의 연간 메탄올 수요가 170만t에 달하는데, 철강회사나 화학회사에서 발생하는 이산화탄소를 모두 메탄올로 바꾸는 경우 이를 충분히 충당할 수 있으며, 실현 가능성 또한 충분하다.
4. 코멘트
신재생에너지로 각광 받고 있는 바이오 에너지, 그것의 주원료인 메탄올, 이산화탄소를 통해 만들어 낸다는 아이디어는 온실효과의 원인을 줄이는 동시에 친환경에너지를 생산해내는 '일석이조'의 효과를 보일 수 있다. 현재 태양전지나 풍력, 조력 에너지 등은 개발이나 설비 가격에 비해 큰 효율을 얻지 못하는 것이 대체 에너지 산업의 문제이자 해결해야 할 과제이다. 하지만 이 기술을 통해 비용을 절감하고, 에너지 생산효율을 크게 성장시킬 수 있을 것으로 보인다.
이산화탄소 메탄올 변환 기술이 현재 존재하는 CO2 가 발생하는 발전소에 적용됨으로써 전기만 생산해내는 발전플랜트를 넘어서 생산의 부산물까지 이용해 바이오 에너지를 생산함으로써 커다란 에너지발전소로가 만들어 지길 기대해 본다.
- 조선일보 비스 : http://biz.chosun.com/ "온난화주범' CO₂서 청정연료 메탄올 뽑아낸다"
- 파퓰러사이언스 : http://popsci.hankooki.com/ "신 에너지원으로 거듭나는 이산화탄소"
- 기후변화대응기술정보센터 : http://www.cctech.or.kr/ "이산화탄소, 메탄올전환 촉매개발"
- 동아사시언스 : http://news.dongascience.com/ "태양에너지 + 물 + 이산화탄소 = 메탄올?"
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포스트코펜하겐기훕변화협상시나리오.pdf
현대중공업 민계식 회장님께서 메탄올 변환 기술 개발을 적극적으로 밀어붙였다던데. 역시 거대 조직의 수장은 남다른 혜안을 가지고 있군요.
물아꺼쓰기