일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2021.1.12

다루기 쉬운 수소 캐리어 ‘MCH(메틸사이클로헥산)’
기체수소가 필요 없는 생성법도 등장

액화수소 사업을 추진하는 HySTRA(이산화탄소 프리 수소 서플라이체인 추진기구)와 같이 수소(H₂) 이외의 수소 캐리어를 추진하는 기업들도 각각의 조직을 설립해 연대 구축과 프로모션을 전개하고 있다. 그 중에서 경쟁사보다 한 발 앞서 사업화를 진행해 온 곳이 ‘MCH(Methylcyclohexane)’이라는 화학물질을 취급하는 ‘차세대 수소에너지체인기술개발조합(AHEAD)’으로, 이를 주도하는 업체는 지요다(千代田)화공건설이다.

MCH는 잉크의 수정액 용제로 일반적으로 MCH가 사용되고 있다. 상온 상압에서는 액체로 강한 독성이나 냄새가 없고 부식성도 없어 장기 저장에도 문제가 없는 등, 수소캐리어 가운데에서도 가장 다루기 쉬운 재료라고 말할 수 있다.

이 MCH가 수소 캐리어가 되는 것은 MCH를 350~400℃로 가열해 H₂를 뿜어내면(탈 수소) 톨루엔이라는 물질로 돌아가기 때문이다. 반대로 수소화도 용이하다. 톨루엔도 과거에는 매니큐어 용제로 사용될 정도로 급성 독성이 약해 취급하기 쉽다.

또한 소방법 상, 가솔린과 동일하게 취급되고 있기 때문에 기존의 석유류의 유통시스템을 이용할 수 있다는 점도 강점이다.

-- 해상 수송도 실증 --
지요다화공건설은 2002년, 이 기술을 위한 촉매 개발을 시작했다. MCH에서 수소를 추출하는 반응을 촉진해 온도를 내릴 수 있게 되면 그 만큼 사업화가 용이하고 에너지 손실도 줄어들기 때문이다.

지요다화공건설은 2014년, 톨루엔과 MCH 간 수소를 출납하는 플랜트를 단독으로 건설해 50N㎥/시(時)의 수소 생산 규모로 가동. 2019년부터는 AHEAD가 주체가 되어 가나가와(神奈川) 현 가와시키(川崎) 시의 동아(東亞)석유의 부지 안에 300N㎥/시의 탈수소 플랜트를 가동시켰으며, 2020년 6월에는 브루나이 다루살람에서 수소화 한 MCH를 컨테이너선으로 운송해 AHEAD의 플랜트에서 탈 수소하는 서플라이체인을 실증했다.

-- 수 만 N㎥/시의 규모로 상용화도 시야에 --
AHEAD는 다음 스탭으로 2025~2026년에 수 만 N㎥/시, 즉 50N㎥/시의 약 100배 규모로 수소화와 탈수소화를 추진하는 플랜트를 건설해 케미컬 탱커로 MCH와 톨루엔의 해상 운송을 실증할 계획이다. 이와 동시에 수소의 수요자 개척도 진행해 본격적인 상용화를 추진해나간다고 한다. 이미 싱가포르에서 복수의 수요자와 실증실험을 진행하고 있다.

상정하고 있는 수소의 공급처로는 연료전지차(FCV) 등도 시야에 넣고 있다. 단, FCV 등 연료전지용 수소에는 99.97%의 순도가 요구된다. 반면 MCH를 탈수소화 해 얻을 수 있는 수소의 순도는 99.9%에 그치고 있다. 이것은 탈수소화 할 때 MCH와 톨루엔이 CH₄와 벤젠환(Benzene ring)으로 분해된 것이 불순물이 된다. “수소를 정제해 FCV용으로 제공하는 것도 상정하고 있지만 초기에는 연료로써 사용되는 것이 좋을 것으로 보인다”(AHEAD).

-- 신기술 제안도 늘어 --
수소 캐리어로서 MCH를 주목하고 있는 곳은 지요다화공건설과 AHEAD 외에도 있다. 예를 들어 히타치제작소는 2011년, 남극의 쇼와(昭和)기지에서 풍력발전 전력으로 제조한 그린수소를 사용해 톨루엔을 수소화. 또한 MCH에서 수소를 추출해 디젤발전기로 혼소(混燒)하는 등의 활동을 추진했다. 여기서 중요한 포인트는 MCH를 그린수소의 저장 용도로 채택한 것이다. 히타치제작소는 이후에도 산업기술종합연구소 및 덴요흥산과 공동으로 MCH의 연구개발과 실증 산업을 계속 추진하고 있다.

MCH의 탈 수소를 보다 효율적으로 추진하기 위한 기술도 등장하고 있다. 일본정선(日本精線)과 알루미늄표면기술연구소가 개발한 기술로, 전열선 표면을 탈수소화의 촉매로 피복해 통전을 통해 촉매 및 MCH를 가열하는 기술이다. 여기에는 보일러가 필요 없으며 보다 정밀한 열 제어도 가능하다는 점 등의 이점이 있다고 한다. 하지만 탈 수소만을 위해 전력을 사용할 경우, 에너지 손실로 이어진다는 문제는 남아있다.

-- 연료전지와 일체화 --
아직 기초 연구 단계이지만 지요다화공건설은 MCH를 고체산화물형 연료전지(SOFC)의 연료로써 사용하는 기술 개발을 교토대학과 추진하고 있다. 연료극에서 MCH를 탈수소화 해 톨루엔과 수소로 분해하고 이 수소를 연료배터리가 사용하는 기술이다. SOFC의 열이 탈수소의 열이 되기도 하기 때문에 에너지 손실이 적어진다는 이점이 있다고 한다.

-- 물이 아닌 톨루엔을 전기 분해 --
톨루엔에 수소를 부가하는 수소화의 프로세스에서도 신기술이 탄생했다. ENEOS가 지요다화공건설 및 호주와 공동으로 개발하는 ‘톨루엔 전해 환원’ 기술이다.

이 기술은 수전해 장치의 환원극에 물이 아닌 톨루엔을 사용한다. 그러면 산화극 측에서 이동해온 프로톤(H+)과 전자를 통해 톨루엔이 환원되어 MCH가 된다. MCH를 가열할 때와는 달리 벤젠환 등의 부생성 물질이 나오지 않는 효과도 있다. 최대 장점은 톨루엔을 수소화하는데 있어 수소의 생산과 조달, 저장 장치가 불필요하다는 점이다.

톨루엔 전해 환원에 재생가능 에너지 전력을 사용할 경우, MCH에서 얻은 수소는 그린수소가 된다. 톨루엔 전해환원 시 전자 단위에서의 반응 효율(Faraday efficiency)은 거의 100%로 높다. 수전해 기술의 효율도 최근에는 90% 전후로 향상되고 있지만, 톨루엔 전해 환원은 더 높다. 수소의 운반 및 저장에 소요되는 에너지도 불필요하다.

ENEOS는 이 기술의 보고 논문에서 ‘MCH 관련 건설 투자를 반감할 수 있을 가능성이 있다’고 밝혔다.

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