▲ 이산화탄소와 메탄 기반 메탄올 생산 공정 기술 모식도

국내 연구진과 산업계가 공동연구를 통해 온실가스 저감 메탄올을 생산하는 공정 기술을 개발하고 상용화에 나선다.

한국화학연구원(원장 이영국), HD한국조선해양(대표 김성준), HD현대중공업(대표 이상균), HD현대오일뱅크(대표 주영민), 에코프로HN(대표 김종섭)은 가스엔텍(대표 곽정호)과 지난 14일 화학연에서 기술이전 협약식을 개최했다.

도시가스의 연료로 사용되는 액화천연가스(LNG)는 메탄(CH4)이 주성분이다. 메탄은 단기적인 온실효과가 이산화탄소에 비해 80배 높아, 메탄을 줄이거나 다른 물질로 전환하는 연구가 활발하다. 정부도 탄소중립녹색성장위원회에서 발표한 ‘2050 탄소중립 녹색성장 국가 기본계획’과 탄소중립 100대 핵심기술 등을 통해 메탄 전환 기술 확보에 집중하고 있다.

화학연 전기원 박사 연구팀은 메탄과 이산화탄소에 수증기를 섞은 혼합기체를 촉매에 통과시킴으로써 합성가스(synthesis gas)를 제조하는 리포밍 신공정 기술을 개발했다. 또한 제조된 합성가스로부터 메탄올을 생산하는 통합 공정도 개발해 온실가스 저감 가능 기술을 확보했다.

가스엔텍은 이번에 이전받은 기술을 활용해 LNG 화물 탱크에서 자연적으로 증발 및 기화하는 천연가스(Boil Off Gas, BOG)로부터 메탄올 생산 기술의 상용화를 계획하고 있다. BOG와 이산화탄소를 원료로 메탄올을 생산함으로써 탄소중립 기술의 발판을 마련하였다.

도시가스는 난방뿐만 아니라 온수용, 취사용으로 사용되며 우리의 일상을 편리하게 만들어 준다. 그런데 도시가스의 연료로 주로 사용되는 LNG를 운송 및 운영하는 과정에서 자연적으로 증발·기화하는 BOG가 발생하게 된다. 화물창의 BOG 관리를 제대로 하지 못할 경우 폭발의 위험성과 상업적 손실을 발생할 수 있다. 그러므로 LNG 운영 선박 및 발전소에서는 BOG 관리가 매우 중요하다.

기존 BOG 처리 방법은 크게 3가지로 나뉜다. 첫 번째로 연소 시스템을 활용해 태우는 방법, 두 번째는 다시 액화시켜 LNG 탱크 안으로 돌려보내는 방법, 마지막으로 LNG 선박 연료로 사용하는 방법 등이 있다. 위의 방식들은 에너지를 소모하거나, 에너지로 활용되는 방법으로서, BOG 활용 시 필연적으로 이산화탄소가 발생된다.

이에 반해 BOG를 활용하여 메탄올을 생산하는 기술은 온실가스 저감 기술로 활용될 수 있다. 세계 메탄올 시장은 2022년 321억 달러로 평가되고 2023년부터 2030년 사이에 4.5%의 연평균 성장률로 커져, 2030년에는 436억 8천만 달러에 이를 것으로 예상되어 주목받는 시장이다.

기존 메탄올 상용 공정은 메탄올 1톤 생산시 0.55톤의 이산화탄소를 발생시키고, 열 효율은 58% 내외로 알려져 있다. 연구팀이 확보한 기술은 메탄올 1톤 생산시 0.35톤의 이산화탄소를 발생시키고, 열 효율은 66% 수준이다. 즉 기존 기술에 비해 이산화탄소 발생은 36% 줄이고, 열 효율은 14% 향상시킨 기술이다.

이번 기술에서는 합성가스 제조시 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 활용함으로써 메탄의 25%를 이산화탄소로 대체하여 탄소의 효율성을 증가시켰다. 또한 공정 중 사용되는 수증기량을 기존의 메탄 대비 3배 분량에서 메탄 대비 1.6배로 최소화하여 에너지 효율성을 향상시킨 저탄소·저에너지형 공정 기술이란 특징도 있다.

특히 메탄올 생성 과정에서 투입된 이산화탄소의 95% 이상이 사용되어 없어지는 높은 반응 이용률을 보여, 탄소 저감에 효과적인 공정 기술이다.

화학연을 비롯한 산업계는 2006년부터 2017년까지 약 10년간 공동 연구를 통해 이산화탄소 이용률을 높이는 리포밍 촉매를 자체적으로 개발하고, 공정 최적화 등을 통해 저탄소·저에너지·고효율 메탄올 플랜트 기술을 확보하였다. 이번 메탄올 기술을 개발함으로써, 이산화탄소와 메탄 기반 메탄올 생산 분야에서 국내 기업의 경쟁력 강화를 지원할 수 있게 됐다.

1단계 연구(2006년∼2012년)에서는 화학연과 HD현대그룹이 이산화탄소 활용을 위한 공동 연구를 통해서 이산화탄소와 메탄의 리포밍과 메탄올 합성 연구를 수행하였다. 당시 연구 환경은 온실가스 활용에 대한 관심이 높지 않았지만, 화학연과 HD현대그룹은 선제적으로 연구를 진행하여, 현재의 온실가스 활용 기술 개발을 일찍부터 완료하였다.

2단계(2012년∼2017년)에서는 HD현대오일뱅크㈜, ㈜에코프로HN과 협력하여 하루에 메탄올 10톤 생산 규모의 실증 연구를 진행했다. 대산에 위치한 HD현대오일뱅크㈜ 공장 내에 10톤/일 메탄올 실증 플랜트를 구축하고, 저탄소·저에너지형 공정 플랜트 운전 최적화를 완료하였다. 이후 운전 최적화를 통해서 1년에 100만톤의 메탄올을 생산하는 상용 플랜트 설계 자료를 확보했다.

이번 기술 이전을 계기로 ㈜가스엔텍과 화학연은 적극적인 협업을 통해 BOG 가스를 활용한 메탄올 생산 기술 경쟁력 강화에 노력할 것으로 전망된다. 후속 연구 과제를 통해서 선박 혹은 연안에서 BOG 기반 연간 3~10만톤 규모 메탄올 생산 플랜트 기본설계 패키지를 확보해 상용 공장을 구축하는 것을 목표로 하고 있다.

화학연 이영국 원장은 “이산화탄소와 메탄을 활용한 메탄올 생산 기술은 온실가스를 저감시키고, 탄소 중립에 기여할 수 있는 연구”라며, “국내 기업이 기존 사업 분야를 넘어 온실가스 저감과 관련된 새로운 시장을 선도하는데 이바지하길 기대한다”라고 말했다.

한편 이번 기술 개발은 한국화학연구원 기본사업과 HD 현대그룹의 산업계 수탁과제와 산업통상자원부 에너지기술개발 사업의 지원으로 수행됐다.