화학연, 이산화탄소로 휘발유·나프타 하루 50㎏ 생산 실증

한국화학연구원 김정랑 박사팀이 기념촬영을 하고 있다.ⓒ한국화학연구원

국내 연구진이 이산화탄소를 휘발유·나프타와 같은 액체 탄화수소로 바꾸는 기술을 개발했다. 기술을 통해 하루 50㎏ 규모의 시범 생산도 성공했다.

한국화학연구원은 김정랑 박사팀이 GS건설·한화토탈에너지스와 공동 수행한 과학기술정보통신부의 탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단 사업을 통해 수소와 이산화탄소를 중간단계 없이 직접 반응시켜 액체 탄화수소로 만드는 촉매·공정 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

김 박사팀은 하루 5㎏ 생산 규모의 미니 파일럿 플랜트 연구로 지난 2022년 GS건설과 한화토탈에너지스에 기술이전을 완료한 바 있다.

공동 연구팀은 2025년 말 국내 최초로 하루 50㎏의 액체 탄화수소 생산이 가능한 이산화탄소 직접 수소화 파일럿 플랜트 구축에 이어 앞으로 연간 10만t 이상 생산 가능한 상용공정 설계에 나설 계획이다.

최근 중동 호르무즈 해협 봉쇄로 인해 석유·나프타 수급이 어려워지면서 발전소·공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 자원화하는 기술이 주목받고 있다.

자동차 연료용 휘발유 및 플라스틱 생산의 원료인 나프타 등을 만드는 데 쓰이는 석유를 이산화탄소로 대신할 수 있기 때문이다.

기존의 전환방식은 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾼 뒤 이를 액체 탄화수소로 만드는 2단계의 간접전환 기술이었다.

우선 화학적으로 안정한 이산화탄소에서 산소 원자를 하나 분리해 일산화탄소를 만드는 역수성가스 전환반응은 800℃ 이상 고온이 필요하다.

반면 일산화탄소와 수소가 반응해 탄화수소를 합성하는 피셔-트롭쉬 반응은 상대적으로 낮은 온도, 높은 압력이 필요하여 설비가 복잡했다.

연구팀은 단일 공정으로도 반응이 일어나는 촉매로 이를 해결했다.

기존 고온 역수성가스 전환반응 없이 이산화탄소와 수소가 바로 반응해 액체 탄화수소를 만들 수 있는 직접전환 기술이다.

이번 기술은 약 300℃와 20bar 수준의 비교적 온화한 조건에서 작동한다. 현재 이산화탄소가 휘발유 등 액체 탄화수소로 바뀌는 합성 수율은 다단 반응 및 미반응물을 다시 반복 반응시키는 순환 공정을 적용, 50% 수준의 수율을 얻을 수 있으며 하루 생산량은 50㎏으로 20리터 용기 3개 정도 분량이다.

성과는 상용화 기반 기술 확보라는 측면에서 의미가 크다. 촉매 제조와 운전 조건을 개선해 안정성을 높였으며 기존 방식 대비 에너지 사용을 줄일 수 있고 공정이 단순해 생산 비용 절감에 유리하다.

연구팀은 앞으로 파일럿 플랜트 운전과 최적화를 통해 장기간의 실증 데이터를 축적하고 이를 토대로 연간 10만t 이상 규모의 상용 공정 설계와 경제성 분석, 온실가스 감축 효과 평가를 진행할 계획이다.

상용화 성공 시 대체 원료 체계 구축을 통해 석유 수입 의존도를 낮추고 에너지 안보를 강화하는 효과도 예상된다.

연구팀은 “기술이 재생에너지와 연결될 경우 탄소중립 실현을 위해 중요한 목표 중 하나인 PtL 기술의 핵심 요소가 될 것”이라고 기대하고 있다. PtL 기술은 태양광, 풍력 등 재생에너지로 생산한 수소와 배기가스 등에서 포집한 이산화탄소를 반응시켜 액체 탄화수소를 만드는 기술이다.

이산화탄소-액체 탄화수소 전환 촉매 성과는 지속 가능한 화학기술 분야 국제학술지 ‘ACS Sustainable Chemistry & Engineering’(IF: 7.3) 3월호 표지논문으로 게재됐다.

한편, 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조 기술개발사업의 지원을 받았다.