일본산업뉴스요약

심층단면
카본 리사이클 실현에 ‘빛’
CO₂에서 소재∙연료 생산

공장이나 발전소에서 배출되는 CO₂를 원료로 소재 및 연료를 생산하는 ‘카본 리사이클’ 실현을 위한 움직임이 본격화되고 있다. 인공광합성을 시작으로 복수의 기술들을 2010년부터 수십 년에 걸쳐 실용화를 추진하는 장기 프로젝트이다. 정부는 CO₂ 배출량 절감 대책의 일환으로 육성하고 있다. 인공광합성을 중심으로 카본 리사이클의 현장을 취재했다.

-- 수 년 간 추진되어온 장기 프로젝트 --
카본 리사이클 기술에는 다양한 종류가 있다. 6월에 경제산업성이 공표한 ‘카본 리사이클 기술 로드맵’에서는 CO₂의 재이용 분야로 폴리카보네이트와 올레핀계 수지 등 플라스틱, 콘크리트 제품 등의 광물류 등이 제시되어 있다. 식물과 미생물의 CO₂ 흡수를 이용한 바이오연료와 바이오매스 유래의 화학품 생산도 카본 리사이클에 포함된다.

이 중에서도 식물의 화학반응을 재현하는 인공광합성 실현은 기술자들의 큰 꿈이다. 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)의 재료∙나노테크놀로지부 인공광합성프로젝트매니저를 맡고 있는 야마모토(山本) 주사(主査)는 “태양광으로 물을 수소와 산소로 분해하는 ‘광촉매’의 에너지변환 효율이 7% 가까이까지 도달했다”라고 말한다.

인공광합성에서는 광촉매가 가장 중요한 열쇠를 쥐고 있다. 안전하고 효율적으로 산소를 추출할 수 있다면 수소와 CO₂에서 메탄올을 생산할 수 있게 된다. 메탄올에서 에틸렌 등 올레핀류를 생산하는 화학 반응은 기존 기술을 응용할 수 있다고 한다.

1월에 NEDO와 인공광합성화학프로세스기술연구조합은 도쿄대학과 함께 질화 탄탈럼(Tantalum) 광촉매를 이용한 산소생성 광전극 개발에 성공. 물 분해 반응을 통한 수소와 산소의 제조에서 세계 최고 수준의 태양광에너지 변환효율 5.5%를 달성했다.

물의 광분해에 최적의 전자를 방출하는 힘을 가진 촉매 후보들을 이론 계산을 통해 산출해 중간 목표로서 올해에 태양광에너지 변환효율 7%, 2021년에 10%를 목표로 하고 있다. 지금까지의 연구로 촉매가 될 가능성이 높은 조합 패턴이 보이기 시작하고 있지만, “10%까지 남은 3%를 끌어올리는 것은 쉽지 않다”(야마모토 주임).

물을 광분해 한 혼합 가스에서 수소를 분리하는 모듈 개발도 향후 대규모화를 위한 중요한 국면을 맞이하고 있다. 2020년에 광촉매 반응기 크기를 기존의 100배인 100평방미터로 확대해 기술을 검증할 예정이다. 깊이 수 미터의 수영장에 광촉매를 바른 패널을 펼쳐놓고, 실제 가스 발생량 확인과 수소와 산소를 크기에 따라 ‘분자 채망’에 걸러내어 안전하게 분리하는 기술을 검증하는 것을 목표로 한다.

수소와 산소는 모두 폭발적으로 연소하는 반응성이 높은 가스이기 때문에 혼합된 상태에서 취급하는 것은 어렵다. 올해에는 반응기를 10~30평방미터로 단계적으로 확대해 100평방미터 운용 시 필요한 조건을 찾아낸다.

NEDO 재료∙나노테크놀로지부에서 인공광합성을 포함한 화학연구그룹을 담당하고 있는 야마노(山野) 주임연구원은 “이번 프로젝트는 대학과 기업이 연대해 추진하고 있다. 세계적으로도 드문 케이스로, 실용화를 위한 협의체이다”라고 강점을 설명한다.

미쓰비시케미컬의 세토(瀨戶) 이그제큐티브 펠로(Executive Fellow)가 프로젝트리더를 맡았다. 대학에서는 도쿄대학과 교토대학, 도쿄이과대학, 나고야공업대학 등이 참여, 기업에서는 미쓰비(三井)케미컬과 미쓰이화학, 국제석유개발제석(国際石油開発帝石) 등이 참여하고 있다.

화학산업의 발전을 지탱해온 촉매기술은 일본의 오랜 강점 분야로, 특히 광촉매는 일본 발 기술이다. 인공광합성에서 세계 수위의 자리를 양보할 수는 없다.

하지만 기술이 완성되어도 일본에서 인공광합성이 단번에 보급될 수 있는 것은 아니다. “변환효율 10%의 광촉매의 경우, 손익 기준이 되는 연 10만톤의 수소 생산에 필요한 촉매 패널은 수　평방 킬로미터이다”(야마모토 주사)라고 한다. 부가가치가 높은 화학제품까지 일관 생산하는 공장의 경우 소규모 수소 생산으로도 수익을 유지할 수 있지만, 수소의 대량 생산은 선벨트(Sunbelt)지대가 유리할 것이다.

야마노 주임연구원은 “이용을 국내에 한정시키는 소규모 계획은 가지고 있지 않다”라고 말한다. 다양한 카본　리사이클기술을 보유하고 있다면 라이선스 제공뿐만 아니라 더욱 고효율의 광촉매 개발 등도 가능할 것이다. “우선 2030년경에 기존 공장에 병설해 인공광합성 설비를 도입할 수 있었으면 좋겠다”(야마노 주임연구원)라며 30년~50년 이후를 상정한 연구를 추진하고 있다.

환경 문제 해결의 길 개척
실용화에 보다 가까운 기술

-- 데미쓰고산, 우베고산, 닛키; 산업폐기물 활용 위한 연구회 설립 --
인공광합성보다 조기 실용화를 전망할 수 있는 기술들도 있다. 데미쓰코고산(出光興産), 우베고산(宇部興産), 닛키(日揮)는 칼슘 등을 많이 함유하고 있는 산업폐기물을 활용해 CO₂를 이용하는 기술개발을 목적으로 한 ‘CCSU연구회’를 3월에 설립했다. 대학들도 참여해 2~3년 간의 기초연구와 실증실험을 거쳐 2030년경의 실용화를 계획하고 있다.

산업폐기물에서 추출한 금속이온에 CO₂를 반응시켜 탄산염을 생산, 이를 통해 시멘트와 부가가치가 높은 건설자재를 생산할 수 있다. CCSU연구회가 목표로 하는 것은 “CO₂의 대규모 처리와 자원의 효율적 이용”(우베고산)이다. CO₂를 땅 속 깊숙이 매설하는 방법으로는 CO₂를 이용할 수 없다. 탄산염은 비싸지 않아 CO₂ 처리 비용을 낮출 수 있다.

-- 아사히카세이; 폴리카보네이트 제조 프로세스 기술 세계적으로 확산 --
아사히카세이(旭化成)가 개발한 CO₂를 원료로 하는 폴리카보네이트 제조 프로세스 기술은 세계적으로 확산되고 있다. 아사히카세이가 폴리카보네이트에 착안한 것은 기존 기술이 질식성 유독가스인 포스겐(Phosgene)을 원료로 사용해왔기 때문이다. 아사히카세이는 이 포스겐을 산화 에틸렌과 CO₂로 대체. 현재 대만과 한국, 러시아, 사우디아라비아 등의 기업들에 라이선스를 제공하고 있다.

또한 폴리카보네이트 제조 프로세스 기술을 발전시켜 최근에는 알코올과 CO₂, 페놀에서 폴리카보네이트 원료를 제조하는 기술을 확립했다. 아직 산화 에틸렌을 조절하기 어려운 단계이지만 폴리카보네이트를 제조할 수 있는 기술로서 화학 제조사들에게 제안해나갈 계획이다.

기술 혁신을 가속화하기 위해 미쓰비시케미컬과 J파워 등은 ‘일반사단법인 카본리사이클 펀드’를 설립했다. 이 법인의 회장인 고바야시(小林) 미쓰비시케미컬홀딩스 회장은 “쉽지는 않겠지만 할 수 있다는 의지를 가지고 가속화를 추진하고 있다. 앞으로 30년 간 진심을 다해 CO₂ 절감을 추진하지 않는다면 일본 경제는 무너질 것이다”라며 위기감을 내비쳤다.

각국 정부 및 산업계에 환경 문제에 대한 책임이 요구되고 있는 가운데 기술도 새로운 시대로 전환되려 하고 있다.

카본 리사이클 보급
경제산업성, 국제 공동 연구 추진 

배출되는 CO₂를 자원으로써 이용하는 ‘카본 리사이클’에 대한 산∙학∙관의 국제회의가 25일, 도쿄 시내에서 처음 개최되었다. 이번 회의를 주최한 경제산업성은 카본 리사이클 보급을 위한 방안을 공표. 각국과의 공동연구 및 연구개발 거점 정비 등을 추진하는 전략을 제시했다. 스가와라(菅原) 경제산업성 장관은 “일본이 에너지 전환의 선두주자로서 나아가겠다”라는 포부를 밝혔다.

이번 국제회의에는 5개국의 관료 및 산∙학∙관의 전문가들이 참가했다. 경제산업성이 공표한 ‘The Carbon Recycling 3C initiative’에서는 카본 리사이클에 관한 정보 수신과 실증연구거점 정비, 국제 공동연구 추진이란 3가지 행동 계획이 제시되어 있다.

구체적인 활동으로는 CO₂ 분리∙회수형 석탄가스화복합화력발전(IGCC)에 대한 실증이 추진되고 있는 히로시마 현 오사키카미지마(大崎上島) 정(町)에 카본 리사이클 연구개발 거점을 정비하는 방안을 공표. 호주와는 카본 리사이클의 공동연구에 관한 협력각서를 체결했다.

카본 리사이클은 화력발전소 등에서 배출되는 CO₂와 수소 등을 활용해 화학제품 및 연료를 생산하는 것을 가리킨다. 정부는 6월에 2030년과 2050년의 비용 목표를 설정한 기술 로드맵을 정리, 나가노 현 가루이자와(軽井沢) 정에서 개최된 G20 환경∙에너지장관회의에서 공유했다.

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