[고든 정의 TECH+] 물과 이산화탄소, 태양에너지로 만드는 미래의 합성 연료

[서울신문 나우뉴스]

출처=Alessandro Della Bella/ETH Zurich

지난 6월 스위스 취리히에 있는 로잔 연방 공과대학(ETH Zurich)의 공학 연구소 건물 위에 안테나 비슷한 접시형 장치가 설치됐습니다.(사진) 하지만 이 장치는 통신 연구용이 아니라 새로운 태양에너지 연구용으로 개발된 것입니다. ETH의 알도 스테인펠드와 그 동료들이 개발한 이 장치는 태양에너지를 이용해서 내연기관이 하는 일을 정확히 반대로 합니다.

가솔린 엔진 같은 내연기관은 공기 중 산소와 화석연료를 반응시켜 이산화탄소와 물로 바꾸고 여기서 나오는 열에너지를 운동에너지로 바꿉니다. 연구팀이 개발한 태양 열화학 반응로(solar thermochemical reactor)는 이 반응을 반대로 하기 위해 태양열과 산화세륨(cerium oxide)를 사용합니다. 우선 첫 단계는 대기 중에 있는 이산화탄소와 수증기를 추출하는 것입니다. 추출한 이산화탄소와 수증기가 반응로에 들어가기 전에 할 일은 반응로를 가열하는 것입니다.

접시 모양의 태양열 집열 장치는 작은 반응로를 1500℃까지 가열합니다. 그러면 반응로 내부에 있는 산화세륨 세라믹에서 산소가 분리됩니다. 여기에 물과 이산화탄소 분자가 들어가면 가지고 있는 산소 원자를 빼앗기게 되는 것입니다. 그 결과 일산화탄소와 수소가 섞인 합성가스(syngas)가 생성되는데, 적절한 촉매를 이용하면 이를 항공유의 원료가 되는 케로신(kerosene, 등유)로 만들 수 있습니다. 물론 메탄올을 비롯한 다른 탄화수소 원료도 생산이 가능하지만, 연구팀이 집중하고 있는 분야는 합성 항공유입니다.

현재 전기자동차가 빠른 속도로 보급되고 있고 수소 연료전지를 이용한 자동차 역시 보급 시도가 한창입니다. 따라서 육상 운송 분야에서는 내연기관 자동차가 전기차와 수소차로 대체될 가능성이 크지만, 항공기 분야에서는 대체가 어려울 것이라는 의견이 지배적입니다. 배터리의 경우 비행기에 탑재하기에는 너무 무거워 획기적인 배터리가 개발되지 않는 이상 단거리 중소형 항공기에 사용되거나 하이브리드 방식으로 제한적으로 사용될 것으로 보입니다. 수소는 항공기에 탑재하기에 상당히 위험한 연료입니다.

따라서 미국과 유럽에서는 항공유를 대체할 수 있는 친환경 액체 연료 개발이 활발하게 이뤄지고 있습니다. 유럽 연합은 그 일환으로 태양에서 액체 연료 프로젝트(SUN-to-LIQUID project)를 추진하고 있습니다. 이 연구 역시 그 일부라고 할 수 있습니다. 사실 에너지를 투입해 이산화탄소와 물을 합성 연료로 만드는 일 자체는 어렵지 않습니다. 문제는 경제성입니다. 이렇게 만든 합성연료가 화석연료보다 약간 비싼 정도면 소비자와 항공 업계도 기꺼이 비용을 감수하고 친환경 연료를 사용하겠지만, 현재까지는 가격이 문제가 아니라 대량 생산 자체를 못 하는 상황입니다.

로잔 연방 공과대학은 태양에너지를 이용한 합성 연료 생산 기술의 상용화를 위해 신헬리온(Synhelion)이라는 스핀오프 기업을 설립했습니다. 갈 길은 멀긴 하지만, 갈수록 뜨거워지는 지구를 생각하면 다른 대안이 있지 않을 것입니다. 연구팀의 추산으로는 스위스 면적 혹은 모하비 사막의 1/3 정도의 면적이면 전 세계 항공유 수요를 충족시킬 수 있는 합성 연료를 생산할 수 있습니다. 여러 선진국과 스타트업 기업들이 이 분야에 뛰어들고 있는데, 과연 누가 어떤 기술로 친환경 항공유 시장을 선점하게 될 것인지 궁금합니다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

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