▲ 메탄 직접 전환을 통한 수소, 에틸렌, 벤젠 병행 생산 기술 개략도

국내 연구진이 온실가스 메탄을 고부가 화학원료인 에틸렌과 청정에너지인 수소로 직접 전환하고 탄소 배출도 낮추는 기술 개발에 성공, 석유화학산업 등 자급화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 김용태·신정호 박사 연구팀이 2개의 연구 논문을 통해 메탄을 열분해해 수소와 고부가 화학원료인 에틸렌, 방향족 화합물 등으로 직접 전환하는 기술을 선보였다고 16일 밝혔다.

해당 ‘비산화 메탄 직접 전환 기술’은 중국이 2014년 사이언스 지에 논문을 발표한 이후 선도하고 있는 분야다. 연구팀은 2019년 1,000℃ 이상에서 작동하는 관련 메커니즘을 중국에 이어 처음으로 밝혀낸 바 있다.

이번에는 인공지능을 활용한 기존 촉매 및 반응기의 개선을 통해, 반응온도를 낮출 수 있는 결과를 얻었다. 연구팀은 인공지능(AI)를 활용해 한국형 탄소중립 100대 핵심기술 중 하나인 '메탄 고부가 전환 기술'의 개선과 동시에 상용화 가능성을 제시했다.

이 기술은 강력한 온실가스이면서 저렴한 메탄을 활용해 청정 에너지인 수소와 고부가 화학 원료인 에틸렌을 병행 생산할 수 있고, 탄화수소 생성물로 벤젠·나프탈렌 같은 방향족 화합물도 유동적으로 생산할 수 있다. 2019년에 비해 30% 낮은 온도와 부피로도 가능해 수소경제와 석유화학 산업의 경제성 개선이 기대되고, 실증 연구 후 양산 가능성이 전망된다.

메탄은 석유화학공정과 셰일가스에서 대량으로 나오는 가스로, 대부분 난방·발전용으로 사용되며 이산화탄소를 배출한다. 그동안 연구자들은 저렴한 메탄을 에틸렌 등 비싼 화학원료로 전환하기 위해 노력해왔다.

메탄 전환 기술은 합성가스를 만드는 중간 단계를 거쳐 고부가 원료를 뽑아내는 간접 전환 기술과 중간 단계 없이 직접 전환하는 기술로 나뉜다. 그 중 간접 전환 기술은 공정이 복잡해 효율이 떨어진다.

직접 전환 기술은 전환 과정에서 나오는 메틸 라디칼(CH3·)로 인해 코크스(탄소 찌꺼기)가 많이 발생한다. 여기에 산소를 반응시켜 찌꺼기를 없애는 산화 직접 전환 기술도 있으나 이 과정에서 이산화탄소가 발생하는 문제도 있고 효율 역시 낮다.

현재 가장 관심 높은 기술은 비산화 메탄 직접 전환 기술이다. 메탄을 직접 전환할 때 메틸 라디칼을 특정한 촉매로 제어해, 찌꺼기를 줄이는 어려운 기술이다. 연구팀은 2019년의 결과를 개선해 기존 세계 최고 기술보다 300℃ 낮은 700℃ 온도에서 작동하는 기술을 개발했다. 또 기존보다 적은 촉매로 반응기의 부피도 30% 이상 줄이며, 에너지 효율화를 이뤄냈다.

그동안 다른 연구기관에서 전체 공정 중 촉매 개선에 집중했던 반면, 이번 연구는 인공지능으로 전체적인 최적화를 예측해, 반응기 구조까지 변경함으로써 상용화 연구에 적합하다.

연구팀은 우선 600건 이상의 실험 결과를 바탕으로 벤치(bench) 규모 실험에 필요한 반응물, 생성물 조성 및 운전 조건 등 인자를 도출했다. 그리고 메타 휴리스틱스(AI 알고리즘) 방식의 머신러닝을 활용해 인자를 계속 변화시키며 최고의 반응 성능을 확보할 수 있는 반응기 설계 방법을 예측했다.

연구팀은 반응 온도를 낮출 수 있는 최적의 반응기 구조 설계와 촉매 개선을 통해, 이산화탄소 부산물이 없는 비 산화 메탄 직접 전환을 하되, 탄소 찌꺼기는 덜 생기고 메탄 분리를 촉진시켜 다양한 고부가 화합물로 변하는 효율을 높였다. 해당 성과는 에틸렌 생산 일 0.15㎏/d규모로 1천 시간 동안 검증했으며 국내 석유화학업체의 부생 메탄으로 검증도 완료했다.

연구팀의 공정 경제성 분석에 따르면 저온에서 에틸렌의 수율을 30% 로 높이고, 생산되는 수소의 순도를 96% 이상으로 높인다면, 기존 에틸렌 가격보다 최대 2배 높은 경제성을 갖을 수 있음을 확인했다.

연구팀은 앞으로도 인공지능을 활용한 촉매·반응기 개선을 추진할 예정이며, 2030년까지 에틸렌 생산량 일 100㎏의 파일롯 규모에서 1,000시간 동안 운전하는 목표로 후속연구를 진행할 예정이다. 상용 반응기 대비 신재생 전기를 사용하는 전기화 반응기는 반응기 크기를 최대 100배 줄일 수 있을 뿐만 아니라 에너지 효율도 67% 향상시킬 수 있어 탄소중립에서 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

김용태 책임 연구원은 “향후 상용화 기술 개발을 통해 석유화학제품에 있어 원유 수입의존도를 낮출 수 있어 국가 활용 자원의 다변화에 따른 국가 경제에 이바지 할 수 있고, CO2-free 수소 생산을 통한 그린 뉴딜 사회에 이바지 할 수 있을 것으로 판단된다”고 전했다.

화학연 이영국 원장은 “기존의 산화제를 이용한 직접 전환 기술에 비해 경제성을 높일 수 있어, 고부가 석유 화학원료 생산 및 수소 생산 분야 핵심 기술의 근간이 될 것이라고 생각한다.”라고 말했다.