일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
CO₂와 수소로 메탄 합성
‘탈 탄소’ 소재의 선두로

태양광발전 등 재생가능에너지의 잉여 전력에서 도시가스와 같은 성분의 메탄을 만드는 메타네이션(Methanation) 기술 연구가 가속화되고 있다. IHI는 메타네이션 기술의 시험 장치를 개발해 실증 운전을 개시한다. 심각해지는 기후 변동 문제에 대응하기 위해 지구온난화의 원인이 되는 CO₂를 효율적으로 이용해 ‘탈 탄소’사회에 기여하기 위해서이다. 2030년 이후의 탈 탄소사회를 위한 기술 개발 경쟁이 격화될 것으로 보인다.

메타네이션은 CO₂와 수소를 촉매를 통해 반응시켜 천연가스의 주성분인 메탄을 제조하는 기술이다. 프랑스의 노벨 화학상 수상자 폴 사바티에 씨가 1911년에 최초로 발견했다. 현재 실용화를 위해 각국이 개발을 추진하고 있지만 사바티에 씨가 발견한 ‘사바티에 반응’이라고 불리는 기술이 대부분이다. 재생에너지 등의 잉여 전력으로 수전해(水電解) 장치를 가동시켜 수소를 만들어내고 전용 메타네이션 장치에 CO₂를 넣어 발열시켜 메탄을 만들어내는 방식이다.

일본에서도 도호쿠(東北)대학의 하시모토(橋本) 명예교수가 1990년대에 사막지대에서 메가솔라를 이용해 사바티에 반응을 활용한 메탄합성에 최초로 성공했다. 최근 기후변동대책이 활기를 띄고 있는 가운데 메타네이션 기술은 제조 시 발생되는 CO₂를 이용할 수 있는 에너지원으로서 주목 받기 시작하고 있다.

이미 국립연구개발법인 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)의 프로젝트로서 히타치조선이 플랜트를 만들어 실증 실험을 시작, 국제석유개발제석(INPEX)과 JFE스틸 등이 CO₂ 조달 기술 검증 시험을 하고 있다. 해외에서도 독일의 아우디가 가스자동차용 주유소에 공출(供出), 프랑스에서는 공업지대에서 발생되는 CO₂를 이용하는 등 메타네이션 기술의 실용화를 위한 움직임이 활발해지고 있다.

IHI는 싱가포르과학기술청 산하의 화학공학연구소(ICES)와 공동으로 메탄을 제조하는 메타네이션 기술의 시험 장치를 개발했다. 메타네이션 기술에는 수소와 CO₂를 메탄으로 바꾸는 촉매가 필요해 IHI는 ICES와 공동으로 촉매를 개발했다. 시험 장치는 사바티에 반응으로 메탄을 만들어낸다.

시험 장치는 약 1노멀입방미터 Nm3) 의 CO₂와 수소 4노멀입방미터를 반응시켜 하루에 1노멀입방미터의 메탄을 만들어낼 수 있다고 한다. IHI는 “아직 제조량은 적지만 상업화될 때까지는 증량할 수 있도록 하겠다. 동시에 시장 조사도 실시해 수요에 맞는 양을 생산할 수 있도록 할 계획이다”라고 말한다.

한편, 새로운 메타네이션 기술도 모색하고 있다. ‘SOEC공전해(共電解) 메탄합성’이라는 방법으로, 연료전지의 일종인 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체산화물연료전지)와 역 반응시키는 장치를 이용해 메탄을 만들어낸다고 한다. 메탄의 제조 효율이 60% 정도로 효율 면에서 과제가 남아있지만, SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell, 고체산화물수전해전지)의 경우는 장치가 한 개만 있으면 되기 때문에 이론 상으로는 제조 효율이 80%까지 향상될 수 있을 것이라고 한다.

산업기술종합연구소 등에서도 연구를 개시할 움직임도 보이는 등 앞으로 메타네이션의 보급과 함께 연구 개발도 가속화될 것으로 보인다.

-- 원료 가격 절감이 과제 --
20세기 초반에 발견된 낡은 기술이지만 기후변동 문제가 심각해지면서 다시 각광 받고 있는 메타네이션. 정부는 지구온난화의 원인이 되는 CO₂를 재이용하는 ‘카본 리사이클’을 추진하고 있다. 그 중에서도 메타네이션은 유망 기술로서 자리잡고 있다. 6월에 발표된 정부의 온난화 대책의 장기전략에도 ‘메타네이션으로 이어지는 요소 기술 등에 인센티브를 주는 것이 요구된다’라는 내용이 포함되어 있다.

메타네이션의 최대 이점은 기존의 가스파이프 라인을 이용해 공급할 수 있다는 점이다. 신규 투자가 필요한 것은 재생에너지의 전원, 전해 장치, 메타네이션 설비 정도이다. 국내 도시가스 지역에서 기술이 확립된다면 당장이라도 공급이 가능하다고 한다.

하지만 원료 비용이 비싸다는 점이 문제다. 무엇보다 수소 제조 비용이 너무 비싸다. 지금은 1노멀입방미터 당 수백 엔이 들지만 이것을 최저 10엔대 전반으로 낮추는 것이 바람직하다. 또 하나의 과제는 CO₂의 조달 방법. 많이 발생되는 곳에서 저렴하게 조달하는 시스템이 필요하다. CO₂의 회수∙저장(CCS)기술 확립이 시급하다.

정부도 로드맵을 6월에 작성해 2030년에는 비용 절감을 목표로 내걸고 가스관으로의 삽입 실증과 판로 확대 등을 계획하고 있어 실현을 위한 정책 면에서의 지원도 가속화될 전망이다.

▶ 메타네이션 기술의 연구 발자취
1911년: 프랑스의 폴 사바티에가 발견
1993년: 도호쿠(東北)대학의 하시모토(橋本) 명예교수가 사막에서 메가솔라를 이용한 메탄 합성에 성공
2011년: IHI가 ICES와 메탄화 촉매를 개발
2013년: 독일의 아우디가 자동차 주유소용 공급 프로젝트를 개시
2018년: 히타치(日立)조선이 실증 플랜트를 통해 메탄을 생성
2019년: IHI가 싱가포르에서 시험 장치를 개발
2030년: 기존의 도시가스 파이프 라인에 주입하는 실증실험 개시

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