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[고든 정의 TECH+] 햇빛, 물, 이산화탄소로 디젤유와 제트 연료 합성하는 솔라 타워

작성 2022.08.05 17:56 ㅣ 수정 2022.08.05 17:56
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▲ (합성 연료를 생산하는 솔라 타워. Credit: ETH Zurich)
우리가 사용하는 화석 연료는 사실 오래전 생물들의 유기물이 변해 생성된 것입니다. 그리고 이 생물들이 에너지를 얻는 방법은 현재와 마찬가지로 궁극적으로 광합성에 의존하고 있습니다. 우리는 오래전 생명체에 의해 전환된 태양 에너지를 사용하고 있는 셈입니다. 문제는 에너지를 저장하는 수단이 탄화수소라서 에너지를 얻기 위해 연소시키면 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 만든다는 것입니다.

이 문제만 극복할 수 있는 가장 좋은 방법은 신재생에너지처럼 화석 연료에 의존하지 않는 방법으로 에너지를 얻고 이 에너지로 전기차나 수소차 친환경 운송 수단을 사용하는 것입니다. 하지만 현재 우리가 사용하는 모든 운송 수단을 친환경 에너지로 바꾸는 것은 만만치 않은 과제입니다. 예를 들어 항공기의 경우 배터리의 무게가 너무 무거워 전기 비행기는 경제성을 확보하기 쉽지 않고 수소 연료전지 비행기는 비용과 더불어 안전성 문제가 대두될 수밖에 없습니다. 바다 위를 항해하는 대형 선박 역시 비슷한 딜레마가 있습니다.

배터리나 수소 연료 전지로 에너지원을 대체하기 어려운 운송 수단에 적합한 친환경 에너지로 주목받는 것이 바로 화석 연료와 비슷한 대체 연료입니다. 예를 들어 농작물로 만든 바이오 연료가 대표적입니다. 하지만 사람 먹을 식량도 부족한데, 연료로 전환하기 위해 옥수수나 사탕수수 같은 작물을 재배하는 데 대한 반대 의견도 적지 않습니다.


스위스 취리히 연방공과대학 (ETH Zurich)의 과학자들은 다른 기업 및 연구소와 협업해서 몇 년 전부터 새로운 대안을 연구하고 있습니다. 연구팀의 접근은 오래전 화석 연료가 생성되는 것과 같은 방향으로 햇빛, 물, 이산화탄소를 이용해 케로신이나 디젤 같은 합성 연료로 바꾸는 것입니다. 이렇게 만든 합성 연료는 항공기용 제트 연료나 대형 트럭, 중장비차, 선박 등에 사용할 수 있는 디젤로 쉽게 전환할 수 있습니다.

몇 년간의 연구 과정과 프로토타입 시스템을 테스트한 연구팀은 스페인 마드리드의 IMDEA 에너지 연구소와 함께 합성 연료 솔라 타워 플랜트를 건설했습니다. 이 솔라 타워는 햇빛을 반사해서 한 곳에 집중시키는 3㎡ 크기 거울 169개를 이용한 50kW의 소형 태양열 집중 시설입니다. 이 플랜트의 핵심 시설은 바로 열화학 환원 반응로 (thermochemical redox reactor) 입니다.

길이 405㎜의 드럼처럼 생긴 원통형 반응로 내부에는 이산화세륨 (CeO2) 혹은 세리아(Ceria) 촉매가 코팅되어 있어 태양열로 섭씨 1500도까지 가열하면 물과 이산화탄소를 수소, 일산화탄소의 합성 가스 (Syngas)로 만듭니다. (H2O + CO2 -> H2 + 2CO) 이 합성 가스는 솔라 타워 아래의 액화 반응 시스템에서 케로신과 디젤로 바뀌게 됩니다. 사실 합성 가스를 만드는 과정에서 대부분의 에너지가 투입되고 합성 가스를 다른 탄화수소 연료로 바꾸는 과정은 쉽기 때문에 반응로의 생산성이 핵심이라고 할 수 있습니다.

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▲ (50kW급 파일럿 플랜트의 구조. Credit: ETH Zurich)
열화학 환원 반응은 공기 중 산소와 환원 반응을 거치기 때문에 계속 진행될 수 없으며 한 번 휴식기를 갖게 됩니다. 따라서 두 개의 반응로를 번갈아 가면서 가열하는 구조입니다. 따라서 에너지 변환 효율이 4% 정도로 낮다는 것이 약점입니다. 연구팀은 저널 줄 (Joule)에 발표한 초기 가동 결과에 대해서 55시간 동안 플랜트를 가동해 5191리터의 합성 가스를 얻었다고 발표했습니다. 건설 및 유지 비용을 생각하면 경제적인 생산과는 거리가 있는 결과입니다.

연구팀은 에너지 효율을 태양광과 경쟁할 수 있는 20% 정도로 끌어올리고 플랜트의 규모를 크게 확장해 규모의 경제를 이루면 가능성이 있다고 보고 있습니다. 태양열 합성 연료는 몇 가지 장점이 있습니다. 우선 농작물을 연료로 전환하는 바이오 에너지와 달리 농작물을 키울 수 없는 사막에서 적합한 방식으로 식량난 이슈에서 자유롭습니다. 태양광처럼 밤에는 전기를 생산할 수 없다는 문제도 연료 생산이 목적이면 상관 없습니다.

무엇보다 항공기나 대형 선박 등은 현재의 제트 엔진이나 디젤 엔진이 가장 적합할 수밖에 없어 비싼 가격에도 친환경 대체 연료를 사용하는 것이 더 저렴한 대안일 수 있습니다. 다만 태양열 합성 연료는 이제 초기 개발 단계이고 상업적 생산이 가능한 대형 플랜트 건설까지는 많은 연구와 설비 투자가 필요할 수밖에 없습니다. 햇빛, 물, 이산화탄소로 제트 연료와 디젤유를 만들 수 있다는 점은 놀랍지만, 그렇게 만든 연료로 움직이는 여객기와 컨테이너선을 볼 수 있을지는 좀 더 두고 봐야 알 수 있습니다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

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