일본산업뉴스요약

세계를 리드하는 일본; 탈(脫) 탄소 기술 (상)
인공광합성
CO₂의 자원화, 2030년 상용화 실현을 목표

독일에서 18일까지 열린 기후변화협약 제 23회 당사국 총회(COP23)에서는 2020년 ‘파리협정’ 이행을 위한 국제 교섭이 펼쳐졌다. 파리협정은 CO₂를 배출하지 않는 탈(脫)탄소 사회를 목표로 한 국제 조약이다. 일본이 국가 프로젝트로써 연구를 추진하고 있는 인공광합성, 재생가능에너지를 통한 수소 제조 ‘Power to Gas’가 앞으로 세계의 탈(脫)탄소화를 이끌어나가게 될 것이다.

2012년 경제산업성의 직할 사업으로 시작된 인공광합성프로젝트가 올해로 6년째에 접어들었다. 2014년에 경제산업성으로부터 프로젝트를 이어받아 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)가 2021년까지 연구. 인공광합성 화학프로세스기술연구조합(미쓰비시케미컬 등)과 도쿄대학 등이 참가한다.

태양광을 받아 CO₂와 물에서 전분과 산소를 만드는 식물의 광합성을 모방해, 태양광 에너지를 통해 CO₂를 자원화하는 것이 인공광합성이다. NEDO의 인공광합성은 두 단계로 나뉘어진다. 첫 번째 단계는 물 안의 광촉매에 태양광을 조사. 광촉매의 산화력으로 물을 수소와 산소로 분해해 수소를 추출한다. 그 다음 수소와 CO₂를 원료로 기간(基幹) 화학품인 올레핀(Olefin)을 제조한다.

2030년경에 상용화가 실현된다면 공장이나 화력발전소의 배기에서 회수한 CO₂와 태양광과 물에서 생성된 수소를 합성해 올레핀을 만들어낼 수 있다. 지구온난화의 원인인 CO₂가 대기 중으로 방출되는 것을 막고, 화석 자원에 의존하지 않고 플라스틱을 제조할 수 있는 것이다.

최근 5년 간 광촉매 재료 연구가 발전하게 되면서, 태양광 에너지로부터 수소를 만들어내는 변환 효율을 3%까지 높였다. 식물의 광합성보다 10배 높은 수준이다. 그러나 목표인 10%까지는 아직도 갈 길이 멀다.

보다 넓은 파장을 흡수해 물을 효율적으로 분해하는 광촉매 재료를 모색해 온 결과, “원하던 조건에 가까운 재료를 찾게 되었다”라고 프로젝트 매니저를 맡고 있는 NEDO 환경부의 하토리(服部) 주임은 말한다.

프로젝트에서는 수소의 회수 기술 연구에도 주력하고 있다. 물에서 올라오는 기포를 수소와 산소로 나누는 막(필터)를 개발 중이다. 분자 레벨의 미세한 구멍을 가진 막 표면 위를 물이 흐르면 선별이 가능한 수소의 양이 증가된다는 것을 시험을 통해 알게 되었다.

최종 공정으로는 수소와 CO₂에서 메탄올을 합성한 후, 올레핀으로 만드는 프로세스가 유력해지고 있다. 또한 촉매 후보 중 하나로 특수한 미세 구멍 구조를 가진 제올라이트를 발견했다. 고온에서도 활성이 저하되지 않는 것이 특징이다. 제올라이트는 고온의 환경에서 메탄올 전환 반응이 가능, 올레핀을 많이 추출할 수 있다. 에틸렌, 프로필렌, 뷰텐을 선택적으로 만들어낼 수 있는 올레핀 합성 방법도 연구 테마이다.

최근 국내 기업과 및 해외 기관에서도 인공광합성에 대한 연구가 활발해지고 있다. NEDO는 상업 플랜트를 염두에 두고 제조 비용을 낮출 수 있는 “실현 가능한 연구”(하토리 주임)를 추진. 과제를 하나씩 차근차근 해결해나가고 있는 가운데, 상업화의 윤곽이 보이기 시작하고 있다.

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