나프타 생산, 과학으로 풀었다

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 이산화탄소를 휘발유·나프타와 같은 액체 탄화수소로 바꾸는 기술을 개발하고 하루 50kg 규모의 시범 생산에 성공했다.

한국화학연구원 김정랑 박사팀은 GS건설, 한화토탈에너지스와 공동 수행한 과학기술정보통신부의 ‘탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단’ 사업을 통해 수소와 이산화탄소를 중간단계 없이 직접 반응시켜 액체 탄화수소로 만드는 촉매·공정 기술을 개발했다.

김정랑 박사팀은 하루 5kg 생산 규모의 미니 파일럿 플랜트 연구로 2022년 GS건설과 한화토탈에너지스 기술이전을 완료한 바 있다. 공동 연구팀은 2025년 말 국내 최초로 하루 50kg의 액체 탄화수소 생산이 가능한 이산화탄소 직접 수소화 파일럿 플랜트 구축했다. 앞으로 연간 10만톤 이상 생산 가능한 상용공정 설계에 나설 계획이다.

최근 중동 호르무즈 해협 봉쇄로 인해 석유·나프타 수급이 어려워지면서 발전소·공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 자원화하는 기술이 주목받고 있다. 자동차 연료용 휘발유와 플라스틱 생산의 원료인 나프타 등을 만드는 데 쓰이는 석유를 이산화탄소로 대신할 수 있기 때문이다.

기존의 전환방식은 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾼 뒤 탄화수소로 만드는 2단계의 간접전환 기술이었다. 우선 화학적으로 안정한 이산화탄소에서 산소 원자를 하나 분리해 일산화탄소를 만드는 역수성가스 전환반응은 800℃ 이상 고온이 필요하다.

일산화탄소와 수소가 반응해 탄화수소를 합성하는 피셔-트롭쉬 반응은 상대적으로 낮은 온도, 높은 압력이 필요하여 설비가 복잡했다.

연구팀은 단일 공정으로도 반응이 일어나는 촉매로 이를 해결했다. 기존 고온 역수성가스 전환반응 없이 이산화탄소와 수소가 바로 반응해 액체 탄화수소를 만들 수 있는 직접전환 기술이다.

이번 기술은 약 300℃(270~330℃)와 20bar(10~30bar) 수준의 비교적 온화한 조건에서 작동한다. 현재 이산화탄소가 휘발유 등 액체 탄화수소로 바뀌는 합성 수율은 다단 반응과 미반응물을 다시 반복 반응시키는 순환 공정을 적용했다. 50% 수준의 수율을 얻을 수 있다. 하루 생산량은 50kg으로 20리터 용기(제리캔, 말통) 3개 정도 분량이다.

이번 성과는 상용화 기반 기술 확보라는 측면에서 의미가 크다. 촉매 제조와 운전 조건을 개선해 안정성을 높였다. 기존 방식 대비 에너지 사용을 줄일 수 있고 공정이 단순해 생산 비용 절감에 유리하다.

연구팀은 앞으로 파일럿 플랜트 운전과 최적화를 통해 장기간의 실증 데이터를 축적하고 연간 10만 톤 이상 규모의 상용 공정 설계와 경제성 분석, 온실가스 감축 효과 평가를 진행할 계획이다. 상용화 성공 시 대체 원료 체계 구축을 통해 석유 수입 의존도를 낮추고 에너지 안보를 강화하는 효과도 예상된다.

연구팀은 관계자는 “이번 기술이 재생에너지와 연결될 경우, 탄소중립 실현을 위해 중요한 목표 중 하나인 PtL(Power-to-Liquids, 전력을 액체 연료로 전환) 기술의 핵심 요소가 될 것”이라고 말했다.