이산화탄소 넣으니 노란색 '나프타'가 쏙~화학연 시험설비 가보니

[이데일리 강민구 기자] 한국화학연구원 연구진이 튜브 모양의 반응기 아래 용기를 대자 호스처럼 생긴 통로를 통해 노란색 액체가 ‘콸콸’ 나온다. 배관을 타고 들어온 이산화탄소에 수소가 더해지고, 철 계열의 촉매가 채워진 반응기를 통과하면서 만들어진 나프타이다. 이 설비를 이용하면 하루에 5kg의 나프타를 만들 수 있다.

김석기 박사는 “800도 이상이 아니라 300도의 온도에서도 물질이 반응하고, 비교적 저렴한 철 계열 촉매를 이용해 나프타를 직접 만들 수 있다”고 설명했다.

한국화학연구원 연구팀이 이산화탄소를 넣은 반응기에서 나프타를 만들고 있다.(사진=한국화학연구원)

‘2050 탄소중립’ 선언에 따라 대규모 온실가스 감축수단의 중요성이 커지는 가운데 한국화학연구원 차세대탄소자원화연구단에서 이산화탄소를 기초 화학 원료인 나프타로 직접 바꾸는 공정에 사용하는 고효율 촉매 제조 기술을 개발했다. 연구팀은 이산화탄소를 줄이면서 물질을 바꿔 기초원료로 활용할 수 있도록 장치를 만들었다.

일반적으로 나프타는 원유(석유)를 정제하는 과정에서 얻을 수 있다. 석유화학 기초원료나 휘발유의 원료로 사용된다. 한국 석유화학 산업은 세계 4~5위 규모이며, 연간 약 5400만톤의 나프타를 이용하는 과정에서 약 6100만톤의 온실가스가 나온다.

연구팀에 의하면 2050년까지 탄소중립을 이뤄내더라도 기초원료 물질인 나프타는 계속 사용해야 하다. 진정한 탄소중립에 도달하려면 이산화탄소를 활용해 나프타로 대체하는 기술이 필요하기 때문이다.

노란색 나프타가 나오고 있다.(사진=강민구 기자)

화학연 연구진은 이산화탄소를 직접 낮은 온도에서 쉽게 반응시키면서 부산물을 적게 나오도록 했다. 기존에는 800도 이상의 높은 온도가 필요했고, 간접적으로 전환시켜야 했다. 이와 달리 연구팀은 직접전환 공정을 이용해 300도의 낮은 온도에서도 이산화탄소를 나프타로 바꿀 수 있게 했다. 코발트를 원자단위로 철과 합금시켜 이산화탄소 전환 효율은 높이고, 공정 과정에서 나오던 일산화탄소나 메탄 같은 부산물도 줄였다.

실제 이산화탄소가 부산물이 아닌 나프타로 얼마나 잘 전환되는지 알려주는 비율인 나프타 수율은 기존 기술(16% 수준) 보다 높은 22%를 기록했다. 김 박사는 “나프타는 기존 화학공정과 달리 이산화탄소와 수소의 반응, 철계 촉매, 이산화탄소 포집 등이 필요하기 때문에 경제성이 부족하다”면서도 “하지만 이산화탄소를 유용한 나프타로 만들어 탄소중립에 활용할 수 있다는 점에서 석유화학 회사에서 관심을 보이고 있다”고 설명했다.

만약 2030년 기준 재생에너지 발전 용량인 63.8기가와트(GW) 중에서 남는 전력을 10% 정도 수준으로 추정해 이 공정에 필요한 에너지원으로 활용하면 연간 이산화탄소를 453만톤 줄이고, 나프타는 254만톤 생산할 수 있다. 석유화학산업 온실배출량의 약 7.4%를 줄일 수 있는 양이다.

전기원 차세대 “이번에 개발된 원천기술을 바탕으로 전환 효율을 높이고, 경제성을 확보하기 위해 추가 연구를 할 계획”이라며 “기업들과 협업해 시험설비(파일럿 플랜트) 규모를 키우는 등 연구에 힘을 기울이겠다”고 말했다.