일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2021.1.12

합성연료 e-fuel, 탄소중립 엔진의 비장의 카드
도요타∙닛산∙혼다, e-fuel에 주력

스가 수상은 20년 10월 26일에 개회한 임시국회 소신표명연설에서, 일본의 온난화 가스 배출을 2050년까지 ‘실질적 제로’로 하는 방침을 표명했다. 이른바 ‘2050년 카본 뉴트럴 선언’이다. 닛케이 크로스테크에서는 카본 뉴트럴 선언의 추진에 있어서, 2020년을 되돌아보고 2021년에 주목하고 싶은 첨단기술을 조명한다.

도요타자동차나 닛산자동차, 혼다는 각각 이산화탄소(CO₂)와 수소(H₂)의 합성액체연료 ‘e-fuel’의 연구 개발에 적극 나선다. 에너지 생성 단계를 포함하는 하이브리드차(HEV)의 CO₂ 배출량이 전기자동차(EV)를 밑도는 수준을 목표한다. 2030년에 한층 엄격해지는 환경 규제에 대비한다.

e-fuel은 물을 전기 분해한 H₂와 CO₂를 촉매 반응으로 합성한 액체 탄화수소 사슬을 말한다. 재생가능 에너지를 이용해 생성함으로써, CO₂ 배출과 흡수를 동일하게 하는 ‘카본 뉴트럴(탄소중립)’을 실현한다.

가솔린 연료나 디젤 연료에 혼합해서 사용할 수 있다. HEV를 포함하는 엔진탑재 차량의 주행 중 CO₂ 배출량을 줄여 카본 뉴트럴에 근접시킨다. 일본계 3사는 효율적인 합성법이나 사용법, 사업 모델 등의 연구에 각각 대응하고 있다는 사실이 닛케이 크로스테크의 조사를 통해 알려졌다. 3사 모두 HEV를 2030년의 파워트레인의 축으로 삼는다.

카본 뉴트럴을 실현하는 액체 연료에는 옥수수나 조류(藻類) 등으로 만드는 바이오 연료가 있다. 태양에너지를 사용하기는 하지만 생성에 시간이 걸린다는 것이 난점이다. e-fuel은 공업적으로 생성할 수 있기 때문에 제조 시간을 단축해 대량생산이 가능하다고 한다. 식료품을 사용하지 않는 이점도 있다.

e-fuel 연구개발의 선두주자는 독일 아우디다. 17년에 e-fuel 연구시설을 독일에 설립했다고 발표했다. 30년까지 엄격해지는 유럽의 환경 규제에 빠르게 대비한다. 비용이나 항속거리 등에서 과제가 남을 수 있는 EV 하나만으로 규제에 대비하는 것은 위험하다고 생각할 것이다.

유럽이 30년에 도입하는 CO₂ 배출량 규제는 21년 대비 37.5%를 줄이는 매우 엄격한 것이다. 또한 25년 이후에 Well-to-Wheel(유정에서 바퀴까지, WtW)로 CO₂ 배출량을 규제하는 논의가 현재 진행 중이다.

주행 중만을 평가하는 현행 규제에서는 CO₂ 배출량이 제로인 EV에, 발전 시에 배출되는 CO₂가 더해지는 것이다. 지역의 전원 구성에 따라서는 HEV와 크게 차이가 벌어지기 때문에 EV에 의지해 규제를 클리어하는 대책을 찾기 어려워진다. 따라서 HEV 등 엔진탑재 차량의 배출량을 줄이는 e-fuel이 선택된 것이다.

-- 과제는 10배 비용, 수면 아래서 진행되는 합성법의 개량 연구 --
대형 부품업체인 독일 말레(MAHLE)에서 연구부문을 총괄하는 Otmar Scharrer 씨는, “(2030년의 규제 달성에) e-fuel의 도입은 결정적인 한 걸음이 된다”라고 강조한다. 가솔린 연료에 최대 20% 정도 혼합하는 것이 효과적이라고 분석했다. 또한 말레가 제공하는 기존의 엔진 부품으로 문제 없이 동작하는 것을 확인했다고 한다.

일본계 3사가 e-fuel의 연구에 착수하는 이유는 규제 대응과 함께 e-fuel의 보급 정도가 EV와 HEV의 판매 비율에 큰 영향을 미칠 것으로 보기 때문이다. e-fuel이 보급되면 HEV의 비율이 높아질 가능성은 크다. 막대한 투자가 필요한 파워트레인 개발의 방향성을 좌우한다. 3사는 연구에 일찍 착수함으로써 e-fuel의 실력을 확인하고 싶어한다.

현재 e-fuel의 연구개발은 진행 중이며, 대량생산으로 연결시키기 위해서는 10년은 필요하다고 보는 견해도 있다. 2030년 규제에 맞추기 위해서는 지금부터 착수해도 겨우 맞출 수 있는 정도다.

물론 유럽이 e-fuel 관련 특허를 모두 확보하는 것을 방지하려는 목적도 있을 것이다. e-fuel은 생성 과정에서 수소를 이용하기 때문에 수소 사회를 표방하는 일본의 에너지 전략과 궁합이 좋다. 운반이 어려운 기체 수소를 액체인 e-fuel로 바꾸는 것은 수소 에너지의 가반성을 높이는 기술이라고 할 수 있기 때문이다. 유럽이 기술을 전부 확보한다면 일본의 수소 사회 실현에 지장이 있을지도 모른다.

그러나 일본계 3사는 e-fuel의 연구에 착수하지만 제조 판매까지 전개할 생각은 없어 보인다. 예를 들면 혼다는 “(큰 투자가 필요한) e-fuel의 제조는 연료 회사가 담당하는 것이 좋지 않을까 생각한다”(혼다 파워유닛개발총괄부 수석엔지니어 기무라(木村) 씨). 자동차업체는 연료 회사의 후방 지원으로 자리잡고 있었다.

유럽도 같은 방침으로 보인다. 유럽의 석유업계 단체인 ‘Fuels Europe’은 2020년 6월 15일, 카본 뉴트럴 액체연료의 개발에 착수한다고 발표했다. 유럽의 자동차업체가 지원하고 석유회사가 실제 제조를 담당하는 구상이다.

e-fuel의 과제는 높은 비용이다. 1L당 500엔 전후다. 일본에서는 세금을 제외한 가솔린 연료의 가격이 50~60엔인 것을 생각하면 그 10배에 해당한다. 현재의 비용 경쟁력으로는 e-fuel의 보급은 도저히 전망하기 어렵다.

비용이 비싸지는 이유는 탄화수소 사슬을 합성하는 Fischer-Tropsch(FT) 반응에서 고온∙고압으로 해야 하기 때문이다. 대량의 에너지를 소비한다. 또한 투입한 H₂와 CO₂에 대해 FT 반응으로 생성할 수 있는 탄화수소 사슬의 양은 60~70%다. 이처럼 수율이 낮은 것도 높은 비용의 원인이다.

FT법을 개량하는 연구가 전세계적으로 진행되고 있다. 예를 들면 도요타는 철(Fe)이나 코발트(Co) 등이 사용되는 촉매의 개량 등을 통해, 온도나 압력을 억제하면서 수율을 높일 수 있는 합성법을 모색하고 있다고 한다. 과제 해결이 가시화되면 친환경적인 저가의 자동차 파워트레인은 엔진이 될지도 모른다.

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