온실가스 감축 목표 달성…CCU 기술이 견인한다 “CDR 기반 이산화탄소 고부가가치 창출 목표”

[공학저널 김하늬 기자] 온실가스 중에서도 이산화탄소(CO₂)는 가장 큰 비중을 차지한다고 해도 과언이 아니다. 화석 연료 사용, 산업 활동, 산림 파괴 등이 배출량을 증가시키고 있으며, 이로 인해 발생하는 기후변화는 해수면 상승, 극한 기상 현상 증가, 생태계 변화 등의 심각한 영향을 미치고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 기술 중 하나가 바로 CCU(Carbon Capture and Utilization, 탄소 포집·활용) 기술이다.

CCU는 대기 중 또는 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집해 이를 다른 유용한 자원으로 전환한다. 이러한 CCU 기술에는 여러 기술이 있으며 CDR 기술은 그중 CO₂를 이용한 건식 개질 기술로써 화학산업의 플랫폼 화합물인 CO 또는 합성가스를 생산하는 기술이다.

상업화와 경제적 효율성 면에서 아직 극복해야 할 과제가 있고, CCU 기술만으로는 기후변화 문제를 해결할 수 없기 때문에, 재생 가능 에너지 확산, 에너지 효율성 향상, 지속 가능한 자원 사용 등 다양한 노력이 병행되고 있는 상황이다.

신재생에너지, 폐기물과 같은 미활용 탄소원을 연계해 온실가스 저감을 극대화할 수 있는 기술이지만, 국내에서는 정책과 지원이 개별·분야별로 이루어지면서 각 분야의 연계 기술개발에 어려움을 겪고 있다.

이러한 상황에서도 ㈜부흥산업사는 CCU 기술 중 CDR 분야 기술개발을 지속하고 있다. 이러한 ㈜부흥산업사의 주요기술은 크게 두 가지 분야로 나눌 수 있다.

첫 번째는 온실가스를 활용해 화학산업의 플랫폼 화합물인 일산화탄소(CO)와 합성가스를 제조하는 CCU 관련 기술이다.

이 기술에는 개질용 촉매 제조, 가스 정제 기술(PSA, VPSA, 멤브레인 등), 반응기 설계 기술, 그리고 공정 개념 설계 및 시운전 기술을 포함한 스케일업 기술이 포함된다. 또한, 매체 순환 연소 기술(순산소 연소 기술과 동일 개념)과 액체 유기 수소 운반체(LOHC) 기술을 통해 수소의 저장 및 이송 문제를 해결하고 있다. 이와 더불어, CO와 합성가스를 활용한 유기산(초산, 개미산) 합성 관련 불균일계 촉매 기술을 개발했다. 이와 함께 친환경 매체로 주목받고 있는 이온성 액체(ionic liquid)와 관련된 응용 기술도 보유하고 있다.

두 번째 주요기술 분야는 창립 시기부터 황화합물 제조에 집중해온 것으로, 사진 약품 제조를 통해 축적한 고순도 정밀화학 제품의 생산 및 정제 기술을 보유하고 있다. 이를 바탕으로 CCU 기술과 연계된 제품을 선정해 적용 연구를 진행 중이다.

㈜부흥산업사는 CDR 기술을 중심으로 한 CCU 기술을 주요 사업 분야로 삼고 있으며 특히 창립부터 황화합물을 다루는 Yellow Chemistry와 정밀화학 합성기술을 바탕으로 고부가 화학제품에 CCU 기술을 적용해 고부가 저탄소 황화합물을 자체 생산할 수 있는 기술개발을 수행하고 있다.

지난 1968년 설립 이래, 합성 분야 기술을 근간으로 사업을 수행해온 ㈜부흥산업사는 CCU (carbon capture & utilization) 기술 중 CDR (CO₂ dry reforming) 기술 기반의 고부가가치 창출을 목표로 하고 있다.

CDR 기술은 온실가스를 활용한 합성가스 제조 기술로, 특히 석유화학 등 소재 산업에서 저탄소 제품 생산에 기여할 수 있다. ㈜부흥산업사는 CDR 기술을 활용한 CO와 합성가스를 바탕으로 메탄올(MeOH)과 지속가능한 항공연료(SAF) 등 하위 공정 제품 제조 기술을 개발 중이다.

㈜부흥산업사는 2013년부터 현재까지 한국화학연구원과 CDR과 이를 이용한 down stream 분야와 더불어 LOHC 합성 및 응용 공정 개발, CO₂를 이용한 자연 냉매 등 관련 기술에 대해 협력 연구를 수행해오고 있다.

㈜부흥산업사 김범식 연구소장(사진)은 “부흥산업사는 미래 지향적이고 지속 가능한 사업 아이템을 찾고 있었고 한국화학연구원은 CCU 기술을 함께 할 산업계 파트너를 찾고 있었다”라며 “한국화학연구원은 화학 기술 전문 연구기관으로 온실가스 문제가 대두되던 초창기부터 이를 원료로 활용하는 CCU 기술을 개발했고 이를 상업화시킬 기업으로 부흥산업사가 참여하게 됐다”고 말했다.

현재 CDR 기술은 합성가스를 만드는 기술 중 유일하게 온실가스인 CO₂를 활용하는 기술이지만 산업계 수요가 많은 MeOH 및 SAF 등을 제조하기 위해서는 추가적인 수소 투입이 필요하다는 것이 전문가들의 의견이다.

이때 신재생 자원에서 유래한 수소를 사용하면 생산되는 MeOH, SAF 등 최종 제품의 온실가스 저감효과를 높일 수 있다. 합성가스·수소 등은 액화가 쉽지 않은 가스 원료로 파이프라인 등이 설치돼 있지 않으면 저장·이송에 많은 에너지 및 비용이 발생해 현장에서 이를 구현하는 것이 가장 효과적이지만, 물질수지가 맞지 않을 경우 수소의 저장·이송 기술이 필요한 상황이다. 이에 대한 대안으로 액체 유기 수소 운반체(LOHC) 기술을 적용하면 메탄올(MeOH) 및 지속가능한 항공연료(SAF) 제조에 매우 효과적일 것으로 기대를 모으고 있다.

향후 ㈜부흥산업사는 CDR 기술의 보급 확산을 위해 공정을 통해 얻어진 CO와 합성가스를 이용한 down stream 공정을 기반으로 정제 수준 및 연계 공정을 개발해 보다 효율적이고 경제적인 통합 공정을 개발할 계획이다. 또한, CCU 기술 중 CDR 기술과 Yellow Chemistry 기술을 연계해 고체 전해질 등과 같은 고부가 친환경 제품 시장을 선점할 예정이다.

이에 연간 5,000톤 CO₂를 활용해 8,000톤 CO와 수소를 생산하는 demo plant를 통해 완성한 건식개질 기술(Poohung-KRICT new dry reforming technology, PK-Neo CDRⓇ 기술)의 신뢰성 확보 및 적용처 확대를 위해 장기 연속조업, 산업계 off-gas 등 다양한 발생원 중심의 CO₂ 활용, 나아가 이들 공정과 down stream 촉매 및 공정 개발을 통해 경제적인 통합 공정을 개발한다는 계획이다. 이는 각 site별 발생되는 CO₂별 특이점을 갖고 있으며 또한 down stream에 따라서 연계되는 정제 기술이 달라지기 때문이다.

김 연구소장은 “PK-Neo CDRⓇ 기술을 활용한 down stream 연계 통합 공정 개발에 노력할 예정”이라며 “부흥산업사는 온실가스 처리 기술을 통해 저탄소 산업계 구현에 기여해 산업계의 화석원료 의존성을 낮춰 후손에게 지금보다 나쁜 환경을 물려주지 않도록 노력하겠다”라고 전했다.