■기술의 개념 및 원리

지구온난화의 주범으로 인식되고 있는 이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 범국가적 노력은 1992년 기후변화협약(UNFCCC)의 마련, 이후 교토 의정서를 통한 기후변화협약의 이행방안을 통해 구체화되고 있다. 한국은 2009년 기후변화협약 당사국 총회에서 2020년까지 온실가스배출을 배출전망(BAU) 대비 30% 감축할 것을 선언, 자발적인 온실가스 감축 정책을 시행하고 있다. 이산화탄소 감축을 위해 연구되고 있는 기술은 이산화탄소를 포집해 폐기하는 CCS(이산화탄소 포집 및 저장, Carbon Capture and Storage), 이산화탄소를 고부가가치 물질로 전환하는 CCU(이산화탄소 포집 및 재활용, Carbon Capture and Utilization)기술이 있다. 스위스 다보스에서 열린 2013년 세계 경제 포럼(World Economic Forum)의 Global Agenda Councils(GAC)에서 이산화탄소를 연료로 전환하는 기술을 인류에게 중요한 영향을 미칠 것으로 기대하는 10대 기술 중의 하나로 선정한 바 있다. 본 고에서는 CCU기술 중 이산화탄소의 화학적 전환 기술에 대해 다룬다.

▲ 이산화탄소 처리 기술.

이산화탄소의 화학적 전환은 이산화탄소를 폐기해야 할 물질이 아닌 지속가능한 탄소자원(5억톤/년 정도 이산화탄소가 천연가스 공정에서 부생성물로 톤당 20달러 이하로 생산)으로 인지한다. 이 기술은 고효율의 화학적 전환 방법을 통해 고부가가치 화학원료 및 제품으로 전환하여 수익을 창출하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 이산화탄소의 배출량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 석유대신 이산화탄소를 탄소원으로 사용하여 이후 석유자원이 고갈되었을 때(2009년 소비량 기준으로 석유는 46년 사용량 남음) 화학제품 생산을 위한 대체원료로 이산화탄소를 이용할 수 있다.

현재 상용화되어 있는 이산화탄소의 화학적 전환 공정은 암모니아와 이산화탄소를 이용하여 요소를 생산(비료 이용)하는 공정과 페놀과 이산화탄소로부터 살리실산을 생산하여 아스피린 제조에 사용하는 공정 등이 있다.

이산화탄소 전환 공정은 현재로서는 기존 공정 대비 비용 면에서 불리하다고 인식되고 있다. 하지만 추후 이산화탄소 배출량의 규제와 같은 환경 부담을 고려하면 비용 면에서 경쟁력을 가질 것으로 예상되며, 이 기술은 단기적이 아닌 장기적인 안목으로 개발이 추진되어야 한다.

이산화탄소 화학적 전환 기술이 산업적으로 활용될 수 있는 유망한 분야는 다음과 같다.
1) 기존의 유독성 물질 대신 이산화탄소 이용 : 포스젠, 일산화탄소 대신 이산화탄소 이용(예, 디메틸카보네이트 제조)
2) 저순도 이산화탄소(공장플랜트 및 전력발전소 플랜트의 배기가스) 이용 기술 개발 : 이산화탄소를 이용한 메탄의 개질화(합성 가스 생산, 메탄올 생산), 무기탄산제조(폐자원 및 해수를 이용)
3) 고순도 이산화탄소 전환 화학제품 생산 : 생산제품의 가격 경쟁력 향상 및 배기가스의 이산화탄소 정제공정 개선(예, 생분해성 고기능성 폴리카보네이트, 고부가가치 알파올레핀 생산)

이산화탄소를 화학적으로 전환하여 생산할 수 있는 물질들과 이들의 생산에 관련된 기술을 다음의 표에 정리하였다.

▲ 이산화탄소 화학적 전환 생성물과 관련 기술.

한 가지 기술로 생산할 수 있는 물질이 여러 가지가 있을 수는 있으나, 그 원리가 비슷하므로 기술별 이산화탄소 전환 원리에 대해서 살펴본다.

1) 유기카보네이트 제조 :
유기카보네이트는 폴리카보네이트 제조의 중간물질 및 이차 전지의 전해질, 연료 첨가제 등 다양한 산업분야에 이용되고 있다. 기존의 유기카보네이트 제조공정은 유독한 포스겐을 사용하지만 최근의 제조공정은 포스겐 대신 이산화탄소를 사용함으로써 공정을 청정화하는 장점을 가진다.

유기카보네이트는 고리형 카보네이트(에틸렌카보네이트)와 선형 카보네이트(디메틸 카보네이트) 두 종류로 나눌 수 있다. 다음 그림은 이들 카보네이트를 이산화탄소로부터 얻는 방법을 나타낸다. 카보네이트의 구조는 이산화탄소의 구조와 유사하여, 이산화탄소의 구조를 크게 변환시키는 환원반응과 비교하였을 때 반응에 소모되는 에너지가 크지 않다는 장점이 있다.

선형 카보네이트는 알코올과 이산화탄소를 결합하여 직접 합성할 수 있으며, 반응의 부산물로 생성되는 물의 제거는 전체 공정의 수율에 영향을 끼친다. 고리형 카보네이트는 에폭시와 이산화탄소를 반응시켜 얻는데, 이를 과량의 알코올과 반응시키면 선형 카보네이트를 얻을 수도 있다.

▲ 이산화탄소로부터 유기카보네이트 제조.

2) 폴리카보네이트 제조 :

이산화탄소와 에폭사이드를 단량체로 사용하고 촉매에 의한 중합반응을 통해 지방족 폴리카보네이트를 생산한다. 상업화 가능한 공정을 위해서는 촉매 개발이 관건이다. 균일계 촉매는 살렌, 베타-다이케토이미네이토와 같은 유기리간드가 배위된 알루미늄․크롬․코발트․아연 화합물들이 사용된다. 비균일계 촉매는 zinc glutarate와 같은 화합물이 이용되고 있다. 생산된 고분자의 사슬 구조를 변형하여 고분자의 다양한 물성 변화를 유도하고 많은 응용을 가능하게 한다. 아주대 이분열 교수 연구팀은 2008년도에 이산화탄소 공중합 촉매 기술을 SK이노베이션에 기술이전 하였다. 이 기술은 폴리카보네이트 생산에 적용되고 있는데, 이 고분자는 생분해성과 청정연소 면에서 기존의 지방족 폴리카보네이트보다 향상된 물성을 보인다.

▲ 이산화탄소로부터 폴리카보네이트 제조.

3) 메탄 이산화탄소 개질 :

유기카보네이트의 경우 이산화탄소의 구조가 카보네이트 내에서 많이 변형되지 않고 존재한다. 반면 이산화탄소의 환원반응은 중심 탄소의 산화상태를 크게 변형하는 많은 에너지를 요구한다. 이에 이산화탄소의 환원을 동반하는 반응은 보통 고온에서 진행하게 되는데, 환원 반응에서 해결해야 하는 중요한 이슈는 추가 에너지의 투입이다. 추가 에너지 투입으로 유발되는 이산화탄소의 배출을 최소화하기 위한 방법으로 기존 공정의 폐열 활용, 신재생에너지 활용, 메탄의 이산화탄소 자열 개질반응 등이 사용된다. 고온의 공정과 같은 단점에도 불구하고 메탄을 이용한 이산화탄소 개질반응은 다양한 유기화합물을 합성할 수 있는 합성가스․메탄올 등을 생산할 수 있고, 환원제로 사용하는 메탄의 매장량이 풍부하다는 장점을 가져서 활발한 연구가 진행되고 있다.

반응의 원리는 다음 그림에 도시된 것과 같이 메탄을 이용하여 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소와 수소를 생성하는데, 이들 생성물의 혼합물을 합성가스라고 부른다. 메탄의 수소원자의 비중이 높아서 많은 양의 수소 생산이 가능하다. 그러나 반응 조건이 매우 격렬하여 상업화 가능한 공정 개발을 위해서는 오랜 시간 동안 높은 활성을 보이는 촉매 개발, 고온의 조건을 만들기 위한 추가 에너지 공급방안에 대한 경제성 검토가 필요하다.

▲ 메탄의 이산화탄소 개질.

4) 이산화탄소의 수소화 :

이산화탄소의 환원 반응중의 하나로 앞서 설명한 메탄 개질반응이 메탄을 환원제로 사용하였다면, 이산화탄소의 수소화 반응은 수소를 이용하여 이산화탄소를 환원하는 공정이다. 다음 그림에 도시된 것과 같이 반응에 참여하는 수소의 양과 반응 조건, 촉매 등에 따라서 다양한 생성물을 얻을 수 있다. 구리계열의 촉매를 사용하여 역 water-gas shift 반응으로 일산화탄소를 생성할 수 있고, 니켈 계열의 촉매를 이용하여 이산화탄소로부터 메탄 생성이 가능하다. 이 방법은 메탄올, 포름산과 같은 유용한 화학원료 제조에도 이용된다. 이산화탄소 수소화 생성물을 이용하는 공정을 연계하여 직접 이산화탄소로부터 알파올레핀 제조까지 가능하다. 알파올레핀은 에틸렌․프로필렌․1-부텐․1-펜텐․1-헥센․1-옥텐 등을 의미한다. 현재는 나프타를 열분해 하여 생산하고 있는 석유화학 공업의 기초 원료이다.

▲ 이산화탄소의 수소화.

5) 이산화탄소의 광환원 :

이산화탄소의 광환원 방법으로 Ru․Re 계열의 금속화합물이 균일계 촉매로 이용되는 광환원과 금속산화물 (TiO2, MgO, Ga2O3)를 이용하는 비균일계 촉매 광환원 반응이 보고되어 있다. 균일계 촉매 반응에서는 주로 일산화탄소와 포름산을 생성하고 메탄과 메탄올과 같은 고부가가치 부산물 생성이 어렵다. 비균일계 촉매 반응에서는 이산화탄소로부터 포름산․포름알데히드․메탄올․메탄 등이 생산된다. 하지만 낮은 광효율과 TiO2의 높은 밴드갭 에너지 문제로 최근에 연구동향은 이들 문제점을 해결할 수 있는 혼성 촉매를 개발하는 쪽으로 많은 연구가 진행되고 있다.

6) 무기탄산화 공정:

소규모의 탄소처리에 적합한 공정으로 이산화탄소를 칼슘․마그네슘․철 등의 금속을 포함하는 광물과 반응하여 탄산염을 형성한다. 무기탄산염 전환에 사용되는 무기물의 원료에 따라서 광물이용 무기탄산화, 폐자원이용 무기탄산화, 해수기반 무기탄산화 등이 있다. 광물이용 무기탄산화 공정은 주로 폐광을 활용하여 무기물을 얻는다. 폐자원 이용 무기탄산화 공정은 폐콘크리트 및 시멘트에서 무기물을 얻는데, 이 공정의 경우 소비에너지가 0.4 Mwh/t-CO₂, 처리비용 약 $21/t-CO₂로 평가되어 CCS의 목표인 $20/t-CO₂에 근접한 이산화탄소 전환 공정이라고 할 수 있다. 바다 속에서 산호초의 무기탄산화 과정을 모사한 해수기반 무기탄산화는 현재의 기술로 약 0.546mol/l의 이산화탄소가 전환 가능하다. 탄산화 공정은 프로세스에 따라서 직접 탄산화 공정(알칼리 토금속 산화물과 이산화탄소를 직접 반응, 매우 느린 반응)과 간접 탄산화 공정(광물로부터 알칼리산화물이나 수산화물 형태로 용출시킨 후 탄산화반응, 빠르지만 용출과정에 추가 에너지 혹은 화학물질이 투입)으로 나누어진다. 탄산칼슘은 건설용 응집제, 시멘트, 제지산업의 코팅 및 충진제, 식품 첨가물, 의약품 등에 활용되고, 전 세계적으로 연간 수십억톤 시장(우리나라 1억톤)이 형성되어 있어 상업성 및 대량의 이산화탄소 전환 효과를 기대할 수 있다.

■ 기술적 난제

이산화탄소의 열화학적 안정성으로 인해 이를 변환시키기 위해서는 높은 온도와 압력과 같은 높은 에너지가 요구된다. 반면 낮은 에너지를 이용하여 이산화탄소의 화학적 전환을 수행하기 위해서 높은 활성의 촉매가 요구된다. 앞에서 논의한 화학적 전환 기술은 현재 실현 불가능한 기술은 아니고, 많은 부분에 있어서 상용화에 근접한 기술도 있고 아직 요원한 기술도 있다. 예를 들어, 미국의 Novomer사는 DSM사와 Kodak사와 함께 공동으로 투자하여 이산화탄소 중합 고분자를 이용한 필름 및 소재를 생산하고 있고, 국내 SK이노베이션은 이산화탄소 중합 고분자를 ‘그린폴’이란 이름으로 생산하고 있다. 고분자 및 유기카보네이트 생산 산업의 경우 일부 기술이 상용화에 도달하였으나, 이산화탄소 광촉매 전환의 경우는 아직 상용화에 도달하지 못하였다.

이산화탄소의 화학적 전환 기술의 상용화에서의 관건은 기존 공정 대비 이산화탄소 전환 공정으로 대체했을 때, 기술의 경제성 확보 여부이다. 무기탄산화 제조 공정을 제외한 나머지 공정은 모두 이산화탄소에서 유기물(예, 카보네이트, 메탄올, 일산화탄소, 포름산, 알파올레핀)을 제조하는 공정으로 촉매의 활성이 전체 반응의 수율 및 반응 최적 온도에 영향을 미친다. 경제성 있는 기술개발 측면에서 촉매의 개발이 현재의 기술적 난제를 해결할 수 있는 열쇠가 될 것이다. 무기탄산염 제조 기술의 경우 원료물질의 파쇄 등에 들어가는 에너지, 전체적으로 느린 반응 속도, 수용액 반응을 동반할 때 이산화탄소의 낮은 용해도로 인한 반응에 참여하는 이산화탄소의 양을 제한하는 기술 등이 기술적인 난제라고 할 수 있다.

■ 기술적 실현시기

이산화탄소의 화학적 전환에 대한 활발한 연구로 새롭게 개선된 기술이 속속 보고되고 있다. 이산화탄소 포집 및 재활용(CCU) 기술은 세부 기술별로 경제성 및 전체공정에서 총 이산화탄소 발생량 등에서 차이가 있고, 기술적 실현 시기는 학계뿐만 아니라 산업체, 국가 및 사회 전반의 이산화탄소 이용 기술에 대한 인식변화와 같이 진행 될 것 이다.



■산업화 난제

이산화탄소의 2003년 기준 시장규모는 32억달러이다. 이산화탄소를 전환하여 제조한 화학제품의 시장성이 확대되었을 때 기술의 상업화에 대한 화학 기업들의 관심이 증가할 것으로 생각된다. 현재 이산화탄소 포집․분리․수송 등에 들어가는 비용 및 에너지(CCS 설비가 구축된 발전소의 경우 추가적으로 25-80%의 연료가 더 소모)에 이산화탄소의 전환에 필요한 추가 에너지와 수소 및 다른 반응물의 비용을 고려하면, 제한된 시장과 이산화탄소 기반 화합물을 이용할 산업의 인식 부재, 사회적인 이산화탄소 저감에 대한 인식 부재가 존재하는 현 상황에서는 산업화가 쉽지 않다.

■ 산업적 실현시기

이산화탄소 전환 기술의 상업화가 가능하려면 위에서 언급한 사회적 산업적 인식의 전환과 더불어 친환경 이산화탄소 전환 프로세스 개발, 기존 공정과 연계성 확보, 산업적으로 유용한 화합물 제조(수요 확보), 에너지 회수/이산화탄소 저감 방안 모색, 재생 가능한 에너지(태양광, 바이오에너지)를 이용한 이산화탄소 재활용과 같은 다양한 부분에서의 노력이 함께 진행되어야 할 것이다.

■ 응용 분야

1) 화학제품 생산

이산화탄소를 직접 유기카보네이트 혹은 폴리카보네이트로 전환하는 공정은 고분자 생산에 이용될 수 있다. 이산화탄소 전환 폴리카보네이트 생산은 SK이노베이션에서 ‘그린폴’이란 제품명으로 생산되고 있으며, 또 다른 이산화탄소의 전환 생성물인 ‘알파올레핀’은 석유화학산업에서 매우 중요한 고부가가치 산업 원료로 사용되며, 이미 국내의 LG환경연구원과 화학연구원, 경희대학교 연구팀은 이 기술의 상용화에 성공하였다. 앞으로 석유의 고갈에 따른 화학원료 가격의 급등과 계속 성장하고 있는 전 세계의 화학 산업을 고려하면 이산화탄소 전환 화학제품의 시장은 계속 커질 것으로 전망된다.

2) 연료 전환

앞으로 화석 연료의 고갈과 가격급등에 대비하여 이산화탄소를 전환하여 합성 가스를 생산하고 이를 이용하여 메탄과 같은 연료원으로 전환하는 기술은 필수적으로 개발하여야 하는 기술이다. 일산화탄소와 수소의 혼합물인 합성가스를 이용하는 Fischer-Tropsch 프로세스를 적용하여 다양한 탄소 연료 및 탄소 화학원료 등의 생산이 가능하다.

3) 건축 자재 생산

대표적인 건축 자재인 시멘트의 생산 공정은 발전소만큼 많은 이산화탄소를 배출한다. 그러므로 이런 시멘트 생산 공정에서 배출되는 이산화탄소를 직접 반응시켜 광물탄산화를 수행한다면 대량의 이산화탄소를 저감하는 동시에 대량의 건축 자재인 무기탄산을 생산할 수 있다. 영국의 Novacem은 이산화탄소를 이용하여 시멘트를 생산하는 공정을 개발하여 기존 공정 대비 오히려 이산화탄소 감축효과를 거두고 있다.

▲ 이산화탄소 화학적 전환 공정의 응용 분야.

■ 파급 효과

이산화탄소는 현재 화학적 전환으로 1억미터톤(110 million metric ton)정도 소모되는데 이는 이산화탄소 방출량의 1%도 안된다. 그러나 이산화탄소를 전환하여 제조할 수 있는 화학제품의 종류는 매우 다양하고, 이산화탄소를 이용하여 유독한 탄소원료(CO) 및 석유원료를 대체할 수 있기 때문에 화학적 전환 기술의 파급 효과는 매우 크다.

이산화탄소를 이용한 화학원료 및 연료 생산은 이산화탄소 저감 기술일 뿐만 아니라 기존의 화학․에너지 산업의 문제점을 해결할 수 있다. 이 기술은 높은 석유자원 의존도와 환경문제, 이산화탄소 방출에 따른 기후변화 등을 해결할 수 있는 미래기술로 각광받고 있다.

1) 기술적 효과

이산화탄소 전환 기술은 포집․저장 기술의 발전 없이 이산화탄소의 저감이라는 범국가적 목표를 달성하기 어렵다. 현재 활발히 연구되고 있는 CCS(이산화탄소 포집 및 저장) 기술과 함께 태양광․수소에너지․풍력과 같은 신재생 에너지를 이산화탄소의 화학적 전환 공정(CCU기술)에 들어가는 추가 에너지로 활용하여 전환 공정의 경제성과 효율성을 개선하는 것이 가능하다. 한편 이 기술은 다른 신재생에너지 기술의 활용도를 높이는 데에도 기여할 것으로 기대된다.

또한 이산화탄소를 전환하여 제조할 수 있는 화학제품의 종류는 매우 다양하고, 이산화탄소를 이용하여 유독한 탄소원료(CO) 및 석유원료를 대체할 수 있기 때문에 화학적 전환 기술의 기술적 파급 효과는 무궁무진하다.

2) 사회경제적 효과

이산화탄소 포집․분리․화학적 전환 공정의 플랫폼을 구축하여 이산화탄소의 배출억제 및 자원 재순환의 구현을 통해 지속가능한 자원으로서의 이산화탄소에 대한 사회의 인식 변환을 기대할 수 있다. 이산화탄소의 배출에 대한 규제가 강화되고 이산화탄소의 전환 기술의 비용을 기술개발을 통해 낮추어 이산화탄소 자원화 기술의 경제성을 재평가 받을 수 있을 것이다. 이로 인해 화학 산업에서도 수입에 의존해서 제조하였던 석유화학기반 화학원료들을 이산화탄소 전환 기술을 통해 제조하여 화학제품 생산의 자국화 및 국제 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

3) 시장창출 효과

저탄소 사회로의 진입을 앞두고 이산화탄소 전환 기술을 통한 시장창출 효과는 개별 기술의 경제성 획득을 통해 기존의 시장을 대체하면서 발생되는 효과와 기술 자체의 파일론 건설과 같은 R&D투자 발생에 따른 관련 일자리 창출 및 대기업의 투자에 따른 시장 확대 효과가 있다. 한 예로 이산화탄소-고분자 시장의 경우 범용 고분자 시장의 약 10%를 침투할 수 있을 것으로 기대했을 때, 약 30조원의 잠재시장을 형성할 것으로 예측된다. 기존 공정의 이산화탄소 배출 시설을 이산화탄소 전환 공정으로 전환 혹은 건설을 통해 새로운 산업을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.


■ 연구개발 현황

1) 미국

미국의 에너지부(DOE)는 이산화탄소의 전환 기술을 미래 기술로 선정하며 많은 R&D 투자를 지원하고 있다. 특히 미국 내의 관련 기업들은 이산화탄소의 연료 물질로의 전환, 고분자 전환 및 탄산화 기술에 많은 연구를 진행하고 있다.

① 이산화탄소의 연료 전환

Sandia National Laboratory에서는 이산화탄소의 환원에 태양열 화학공정과 물분해 공정을 결부시켜 다양한 연료 물질들을 생산하는 “Sunshine-to-Petrol” 공정을 개발하고 있다. 미국 Pennsylvania State University의 Craig A. Grimes 연구팀은 Cu와 Pt 나노입자를 포함한 광촉매 조건에서 CO2와 H2O 반응 생성물로 메탄을 합성하였다. 코네티컷 대학의 연구진은 Catelectric Advanced Electrocatalysis사와 DOE에서 지원받아 망간과 아연산화물을 이용하여 이산화탄소로부터 연료를 전환하는 기술을 개발하고 파일럿 규모로 확충할 예정임을 보고하였다.

② 이산화탄소의 고분자 전환

코츠 교수 연구팀은 합성된 디이미네이토-Zn 계열의 촉매와 살렌(salen)을 리간드로 하는 금속 촉매를 개발하여 개선된 TON․TOF 값을 가지는 이산화탄소 공중합 촉매를 보고하였다.

Novomer사는 Coates 교수의 촉매 기술을 활용하여 이산화탄소 고분자 기술을 개발해 왔다. 2007년 DSM사는 Novomer사에 투자하여 이산화탄소/프로필렌 옥사이드 공중합체를 이용한 코팅소재 개발에 착수하였으며, Kodak사와 함께 필름 소재용 이산화탄소/프로필렌 옥사이드 공중합체의 pilot-scale 생산을 연구하고 있다.

Empower Materials사는 이산화탄소/프로필렌 옥사이드 및 이산화탄소/에틸렌 옥사이드 중합 고분자를 판매하고 있다. 하지만 낮은 촉매의 활성도로 인하여 고분자의 가격이 높아서 소규모 물량에 제한되고 있다.

③ 이산화탄소의 무기탄산 전환

이 기술은 Seifritz에 의해 시도된 이후 Los Alamos National Lab(LANL), NETL(National Energy Technology Lab), Albany, 콜롬비아 대학 등에서 활발히 연구가 진행되고 있다.

1990년대 말부터 Mineral Carboantion Study Program으로 ARC․LANL․ASU․ SAIC․NETL 등에서 천연광물을 대상으로 광물탄산화 연구를 수행하였다.

Los Alamos National Lab, Albany Research Center, 미국 철강협회에서 이산화탄소 광물탄산화를 주요 연구내용으로 하는 CO2 저감 프로그램을 수행하고 있다(2004~2008년).

텍사스의 Skyonic사는 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 이를 베이킹소다로 전환하는 실증플랜트를 가동하고 있다. 배기가스로부터 이산화탄소를 포집하여 무기화 한 제품 판매로 3년 이내에 수익창출을 기대하고 있다.

미국 DOE의 sky-mine project는 NaHCO3를 전기화학적으로 제조하는 기술을 개발 하는 등 해수탄산화 관련 연구를 활발히 진행하고 있다.

④ 기타

미국의 DOE는 일리노이주의 Archer Daniels Midland와 이산화탄소 포집․ 활용․저장(CCUS) 프로젝트를 통해 ADM의 에탄올 공장에서 이산화탄소를 포집 저장하는 통합시스템을 개발하고 있다. 이 프로젝트를 통해 이산화탄소 전환에 대한 연구가 활성화되고 미국 내 CCUS 테크놀로지의 사용이 확대될 것으로 기대한다.

대서양위원회의 에너지 및 환경 프로그램에서는 “CO2-EOR에 의한 이산화탄소 포집․활용․저장으로의 미국 정책변동“ 리포트를 발간(2012년) 하였다. 이 보고서는 미국 기후정책이 기존의 CCS로부터 CCUS로 이동하였음을 보여주고 있다.

Linde 그룹의 북미지사는 2012년 제 11차 CO2포집 및 상용화 및 격리(CCUS) 연례회의에서 CCUS 관련 기술을 보고하였다. Linde사는 석유․가스․화학용품 공장 등의 협력업체와의 공동 연구를 통해 CCUS의 적용․개발 사업에 집중해 왔다.

2) 일본

① 이산화탄소의 연료 전환

미쯔이케미컬은 석유화학 플랜트로부터 방출되는 이산화탄소를 포집하여 수소와 반응시켜 메탄올을 생산하는 기술을 개발하였다. Tiax사와 요코하마대학은 공동 연구로 SOFC 내부 개질반응을 통해 합성가스 생산 연구를 진행하고 있다. NKK사는 이산화탄소로부터 메탄 개질반응을 통해 DME(dimethyl ether)를 합성하는 공정을 개발하고, 2002년 파일럿 운전을 시작하였다. Yokohama대학의 Kato 교수팀은 DME에 의한 이산화탄소의 내부 개질반응 결과를 발표하였다.

② 이산화탄소의 화학제품 전환

이노우에 교수에 의해 처음으로 이산화탄소와 프로필렌옥사이드를 공중합하는 촉매를 보고하였다. 아사이케미컬은 GSC프로젝트의 일환으로 이산화탄소를 이용하여 유독한 포스겐을 대체하는 기술을 개발하고 있다. 이산화탄소를 방향족 폴리카보네이트의 원료물질인 디페닐카보네이트로 제조하여, 2002년부터 Xumei Chemical사를 통해 연간 17만톤 규모로 생산되고 있다.

일본 산업기술 종합연구소(AIST)는 최저에너지 화학연구개발/초임계 유체이용 환경 부하 저감기술 프로그램을 통해 이산화탄소를 고리형 카보네이트로 전환하는 촉매개발 연구를 수행하고 있다. 일본 도호쿠 대학과 신일본 제철 주금 주식회사와의 공동 연구 결과 이산화탄소와 메탄올을 반응하여 디메틸카보네이트를 제조하는 고효율 촉매 반응 장치 개발을 2013년 보고하였다.

③ 무기탄산화

Research Institute of Innovative Technology for the Earth(RITE)에서는 염화암모늄을 이용하여 폐콘크리트나 제철 슬래그를 이용하여 이산화탄소로부터 무기탄산을 제조하는 광물탄산화 연구를 진행한바 있다. Nippon Concrete Industries사는 콘크리트 슬러지의 탄산화 기술의 파일럿 연구를 진행하고 있다.

3) 유럽

① 이산화탄소의 연료 전환

BASF사는 광촉매를 이용하여 이산화탄소로부터 메탄올을 생산하는 Solar2Fuel프로젝트 추진하여 석유화학 플랜트로부터 방출되는 이산화탄소를 활용하여 연료 물질 및 메탄올을 생산하는 공정을 연구하고 있다. BASF와 the Linde 연구팀, ThyssenKrupp은 독일 정부의 “지속가능 기술개발과 기후보호-화학공정과 이산화탄소 사용(Technologies for Sustainability and Climate Protection – Chemical Processes and Use of CO2)” 프로젝트의 세부 과제로 이산화탄소로부터 합성가스를 제조하여 연료 물질을 생산하는 연구를 진행 중이다.

유럽의 ELCAT(Electrocatalytic Gas-phase Conversion of CO2 in Confined Catalysts) 프로젝트 하에 독일의 막스플랑크연구소, 프랑스의 루이파스퇴르대학 및 그리스의 파트라스대학 등이 연합하여 공동 벤처단체를 설립하고 이산화탄소를 액체 연료와 메탄올로 전환시키는 촉매 공정을 공동 개발 중이다. 태양에너지를 이용하여 탄화수소를 생산하는 Joule Fuel사는 이산화탄소로부터 재생휘발유를 생산하는 공정을 개발하였다고 2013년 보고하였다. 이를 통해 2015년 초까지 재생 에탄올 공정을 상업화할 계획임을 밝혔다. 네덜란드의 SIEP에서는 Fuel/CO2/H2O를 연료로 내부 개질반응을 수행하고 있다.

② 이산화탄소의 화학제품 전환

독일의 Bayer Material Science사는 이산화탄소 전환 기술 Dream production 프로젝트의 수행(2010~2012)을 통해 RWE power, 아헨공대 CAT 촉매연구센터 등이 공동 연구기관으로 참여하여 화력발전소에서 포집된 이산화탄소를 이용하여 폴리우레탄생산 및 이산화탄소와 polyol 촉매반응으로 폴리우레탄 중간물질 합성을 연구하고 있다.

③ 무기탄산화

핀란드의 헬싱키 공대 및 아보 아카데미 대학에서 제철 슬래그 및 채광 부산물을 이용하여 이산화탄소의 무기탄산화 연구를 수행하고 있다. 네덜란드의 Energy Research center of the Netherlands에서는 2000년대 산업폐기물 이용 광물탄산화 관련 연구를 수행하였다. 현재는 제철 슬래그의 환경 물성 개선 연구를 진행하고 있다. 독일의 Darmstadt 공대의 연구진은 2013년 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 CaO와 반응시켜 CaCO₃를 생성하고, 이후 반응기 재생과정을 통해 순수 이산화탄소를 생성하는 카보네이트 순환 공정을 개발하였다고 발표하였다. 초기 투자비용 및 운전비용을 50%정도 줄이면서 이산화탄소 배출량을 90% 저감할 수 있을 것으로 보고하였다. 영국의 Cambridge Carbon Capture사는 이산화탄소의 탄산염광물화 기술의 상업화 연구 추진계획을 발표하였다. 또한 이산화탄소가, 에너지 소모율이 높은 산업체에 효과적으로 사용될 것으로 전망하고 있다.

4) 중국

① 이산화탄소의 고분자 전환

Henan Tianguan사는 아연계 불균일 촉매를 사용하여 이산화탄소 전환 고분자를 생산하고 있다. China Blue Chemical사는 중국과학원 창춘연구소에서 개발한 아연계 불균일계 촉매에 희토류 금속을 첨가한 촉매를 사용하여 이산화탄소 전환 고분자를 생산하고 있다. Jinlong-Cas Chemical사는 폴리우레탄 제조에 사용되는 저분자량의 이산화탄소/프로펠렌 옥사이드 공중합체를 생산하고 있다. 이들 고분자는 낮은 촉매 활성으로 고분자의 열적 안정성이 떨어지는 것으로 보고되고 있다.

② 기타

중국은 국가발전개혁위원회(National Development and Reform Commission)를 통해 중국의 CCUS 파일럿 및 실증 프로그램 추진 전략을 공개하며 이산화탄소 관련 기술에 대한 국가 R&D 계획을 발표하였다.

4) 기타

호주 뉴캐슬대학은 포집된 이산화탄소를 탄산염 광물화 하여 건축 토목 분야에 사용할 수 있는 연구용 파일럿을 건설할 계획이다. 카타르의 연료첨가제 제조업체인 Qafac사는 2012년 CO2를 포집하여 메탄올 합성에 이용하는 사업을 착수하였다. Qafac사는 미쯔비시 중공업의 포집기술을 채택하여 기술을 개발하였다. 사우디아라비아의 Saudi Basic Industries Corp(SABIC)는 독일의 Linde group과 함께 CCU 플랜트를 건설할 계획으로 에틸렌 공장에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 석유화학공장에 투입할 계획이다.

■ 선도 기관

이산화탄소의 전환을 연구하는 많은 대학․연구소․기업이 있지만 본 고에서는 산업화에 근접한 플랜트 건설 혹은 상업화를 이룬 기업위주로 해외 선도 기관을 열거하였다.

▲ 이산화탄소 화학적 전환 기술 - 해외 선도 기관.

■ 국내 연구개발 현황

교육과학기술부에서는 21세기 프론티어 사업으로 “이산화탄소 저감 및 처리 기술개발 사업”(2003~2012년)을 통해 CCS 에 중점을 둔 이산화탄소 포집․저장 기술을 개발하였다. Korea CCS 2020사업을 통해(2011~2020) 저감, 처리 기술뿐만 아니라 전환에 대한 연구도 같이 진행되고 있다.

최근 탄소세 도입과 지구온난화 등의 문제로 국내의 이산화탄소 전환에 관심을 갖고 연구를 진행하는 연구소․학교 등은 많으나, 미국의 인공광합성 기술, 일본의 이산화탄소의 메탄 전환 기술, 독일의 이산화탄소 플라스틱 기술개발에 대한 대규모 정부지원에 비해 국내의 지원은 미미하다.

다음에는 현재까지 국내에 보고된 이산화탄소 화학적 전환 기술개발 성과 및 관련 연구자를 열거하였다.

1) 이산화탄소의 연료 전환

한국과학기술연구원(KIST)은 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)를 이용하여 이산화탄소와 메탄의 내부 개질반응을 통해 합성가스를 생산하였다. 한국가스공사는 이산화탄소의 개질반응을 통해 DME(Dimethyl ether)를 합성하는 파일럿 공정을 보고하였다. 한국화학연구원은 LG 환경연구원, 경희대학교와의 협력 개발을 통해 이산화탄소의 수소화 반응을 통해 알파올레핀 성분을 함유한 경질유 합성 파일럿 공정을 운영하였다.

2) 이산화탄소의 화학원료 전환

한국과학기술연구원과 영남대는 고체촉매 상에서 이산화탄소와 메탄올의 반응을 통해 DMC(Dimethyl Carbonate) 합성연구를 수행하였다. 또한 호남석유화학과의 협력연구를 통해 이산화탄소로부터 DEC(Diethyl Carbonate)를 합성하는 파일럿을 설치하였다.

그린소프트켐사와 호남석유화학은 이산화탄소를 이용한 에틸렌 카보네이트 합성, 에틸렌 카보네이트로부터 DMC(Dimethyl Carbonate) 제조 공정을 개발하고 각각 사업화에 성공하였다. 한국과학기술연구원은 CAMERE 공정을 통해 이산화탄소를 수소화하여 메탄올을 생산하는 파일럿을 설치하였다. SK이노베이션은 아주대에서 기초원천 연구를 통해 개발된 고활성의 CO2 유래 고분자 합성 촉매 원천 기술을 이전 받아 연속공정 파일럿을 설치 운영하고 있다. LG화학은 폴리카보네이트 생산 공정에서 기존의 포스젠(phosgen) 공정에 비해 효율이 향상된 이산화탄소 이용 공정을 개발하였다. 현대 중공업과 한국화학연구원은 공동연구로 이산화탄소를 메탄올로 전환하는 소형 플랜트를 개발하였다.

3) 이산화탄소의 무기탄산화

대우건설은 극동환경화학과 공동으로 광물탄산화기술을 이용하여 건축 자재를 생산하는 “알카리 현탁액 미세버블 반응기를 이용한 배출가스 중 이산화탄소 포집 및 원료화 방법"을 소각장에 적용하고 있다.

4) 이산화탄소의 화학적 전환

● 정광덕(KIST) : CO2저감을 위한 DME 제조공정 개발, 해수기반 전기화학적 이산화탄소 전환에 의한 무기탄산의 제조
● 이분열(아주대) : 이산화탄소의 폴리카보네이트/폴리에스터로의 혁신적 전환 촉매기술 연구, 이산화탄소 친환경 플라스틱 제조 핵심 기술을 SK에 기술이전
● 최명재(한국화학연구원) : 이산화탄소 전환 알파올레핀 제조 연구
● 전희동(RIST) : 제철공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집, 일산화탄소와 수소로 전환하는 공정 개발
● 박상언(인하대) : 이산화탄소를 산화제 및 반응 촉진제로 사용하여 다양한 유기물질을 합성

■ 선도 기관

▲ 이산화탄소의 화학적 전환 기술 - 국내 선도 기관.

■ 미래의 연구방향

미래의 이산화탄소의 화학적 전환 기술의 연구방향은 크게 탄소자원화와 탄소의 순환으로 구분할 수 있다. 탄소자원화 기술은 높은 석유의존도를 보이는 화학 산업과 에너지연료를 이산화탄소로부터 얻어 석유 고갈시대를 앞두고 연료와 화학제품의 공급안정성을 이룰 수 있을 것이다.

이산화탄소의 전환 기술은 대량의 이산화탄소 처리, 저감이라는 측면에서 현재는 한계를 보이는 기술이므로, 대량의 이산화탄소 포집이 가능한 CCS기술과 접목하여 고부가가치, 친환경 이산화탄소 전환 생성물을 제조하여 지구상의 탄소순환을 가능하게 하는 것이 미래의 연구방향이 될 것이다. 한 예로 발전소에서 방출된 이산화탄소를 효과적으로 포집하여 풍력 혹은 태양광에서 전환한 에너지를 이용하여 생분해성 화학물질을 제조한다고 했을 때, 이산화탄소의 전환에 따른 이산화탄소 저감효과, 경제적 부가가치 창출을 얻을 수 있다. 또한 생분해성 물질의 자연 분해를 통해 다시 탄소로 돌아가는 친환경 탄소 재순환 공정을 확보할 수 있다. 이를 실현하기 위해서는 각 기술별 발전도 필요하지만 기술을 접목하고 연결할 수 있는 기술의 개발이 필수적이다.

▲ 미래의 이산화탄소 화학적 전환 공정의 연구방향.

1) 이산화탄소의 연료 전환 기술

이산화탄소의 연료 전환 기술은 이산화탄소로부터 합성가스를 제조하는 메탄 개질, 수소화 반응, 광반응 등을 포함한다. 이들 반응은 이산화탄소 대량 회수 공정과 접목하여 직접 연료 전환이 가능할 수 도 있는 기술이다. 한 예로 쓰레기장에서 발생하는 LFG는 이산화탄소와 메탄의 혼합물로 메탄 개질화 반응에 바로 사용할 수 있는 장점이 있다. 단점은 이들 합성가스 제조 시 필요한 추가적 에너지 와 수소화 반응의 경우 높은 수소의 가격이 기술의 개발을 막고 있다. 경쟁력 있는 미래 기술로 개발하기 위해서는 신재생 에너지 기술과의 상호 보완이 필요하다. 추가적 에너지를 신재생 에너지원에서 얻고, 수소의 경우 태양광을 이용한 물분해 기술 개발을 통해 가격 경쟁력을 얻을 수 있을 것으로 생각된다.

2) 이산화탄소의 화학원료, 제품 전환 기술

화석연료로부터 에너지를 얻기 위해서는 석유․석탄․천연가스 등 여러 가지 화석연료원을 사용할 수 있다. 특히 최근의 셰일가스, 메탄 하이드레이트의 대두로 인해 석유 고갈에 따른 대체 에너지원으로 이들 물질이 많은 관심을 받고 있다. 그러나 대부분의 화학 원료 및 화학제품(고분자 포함)은 높은 석유의존도를 보이고 있어, 화석원료를 대체할 수 있는 이산화탄소의 화학적 전환 기술을 개발할 수 있다면 국내의 화학 산업에서 석유의존도를 낮추어 미래의 자원 전쟁에서 우위를 차지할 수 있을 것으로 기대된다.

이산화탄소를 전환하여 제조하는 화학제품의 경우 제조 공정의 다양화를 통해 다양한 물성과 경제성을 지닌 화학제품을 생산할 수 있다. 또한 친환경 생분해성 전환 제품의 생산을 통해 이산화탄소의 자원화뿐만 아니라 탄소에너지원의 재순환이 가능해진다.

3) 이산화탄소의 무기탄산화 기술

무기탄산화 기술은 이산화탄소의 화학적 전환 기술 중 이산화탄소 저감 면에서 가장 효율적이라고 인식되는 기술이다. 대량의 이산화탄소 처리가 가능하며, 무기탄산화에 사용하는 규산염광물 혹은 산업 폐기물들은 풍부한 매장량과 접근성의 장점을 가진다. 무기탄산화 기술의 경제성을 확보하려면, 무기탄산화 공정의 효율성을 향상시키는 기술개발뿐만 아니라 저가의 광물 원료물질 이용, 고부가가치의 무기탄산화물 제조 등의 원료수급과 제품 판매에 대한 종합적 플랜이 같이 계획되어야 한다. 예를 들어 광물의 확보에서 광물의 전처리 비용, 광물수송 비용, 채굴에 따른 환경문제 등을 고려하여야 한다.

■ 정책적 제언

이제 이산화탄소는 폐기해야할 폐기물이 아닌 새로운 탄소자원으로 인식되고 있다. 우리나라의 미래창조과학부도 이산화탄소 포집 및 처리기술 개발을 위해 CCS 2020사업을 통해 2012년 150억원 투자, 2013년 230억원을 투자하여 이산화탄소의 포집 및 전환에 대한 기술 개발의 가속화를 위해 노력하고 있다.

이런 흐름으로 볼 때 폐기물이 아닌 새로운 탄소자원으로의 이산화탄소에 대한 정치적인 인식은 변화하고 있으나 이에 비해 기업의 연구지원 및 사회의 인식 전환은 부족한 것으로 생각된다. 1900년대 초반 인류의 식량문제 해결에 지대한 공헌을 한 하버 프로세스(질소로부터 암모니아를 생산)는 하버의 기술 개발 뿐만 아니라 BASF와 같은 화학기업의 참여와 적극적인 연구를 통한 노력을 통해 상업화가 가능하였다.

현 시점에서 이산화탄소의 화학적 전환과 같은 탈석유, 탄소자원화 기술개발에 대한민국 기업의 관심과 노력이 필수적이다. 본문에서도 언급하였지만, 미국․독일․일본의 많은 기업들이 이산화탄소의 화학적 전환 기술의 상용화를 위해 많은 투자와 연구를 진행하고 있다. 하지만 그에 비해 국내 기업의 관심은 미진한 편이다. 탄소세의 부과 및 이산화탄소의 저감계획에 따른 규제 등을 고려할 때, 이에 대한 활발한 연구가 필요하다. 또한 정부의 이산화탄소 전환 연구에 대한 대학과 기업에로의 활발한 지원과 이산화탄소를 전환하여 생산하는 화학제품․연료 등에 대한 사회적 인식전환을 위해 다각적인 제도적 지원이 요망된다.