지구온난화가 심각해면서 이상기후 현상이 늘어나고 있다. 안일하게 더 이상 화석연료에 의존할 수 없다는 경고다. 2015년 파리 협정 이후 신기후체제에서 세계 각국은 이산화탄소의 발생량과 감축량이 같아지는 탄소중립 사회를 2050년까지 달성하겠다고 선언했다. 또, 각국의 정세를 반영해 국가 온실가스 감축목표(NDC, Nationally Determined Contribution)를 시기별, 산업별로 구체화했다. 

 

우선 산업, 수송, 건물 등 사회 전반에서 재구조화를 통해 에너지 효율을 향상시킬 계획이다. 하지만, 효율 향상만으로는 탄소중립을 달성할 수 없다. 환경을 위해 노력하면서도 경제 발전을 계속해야 하기 때문이다. 한국은 미래 성장을 가져올 신산업을 발굴하고자 하며, 이를 녹색 성장의 기본 방향으로 제시하고 있다. 

 

이에, 재생에너지 기반의 새로운 에너지 활용 기술을 적극적으로 제안하고 있다. 하지만 기후변화에 관한 정부간협의체(IPCC)의 2023년 보고서에 따르면, 적극적인 탄소 저감 기술을 도입하더라도 지구온난화를 억제하기 위해 협의된 한계 상승 온도인 산업화 이전 대비 1.5oC를 이번 세기에 크게 넘어서고, 이상기후에 따른 재앙 역시 급격히 늘어날 것으로 예측된다. 현재 추세라면 산업화 이전 대비 온도 상승이 3.0oC에 육박할 것으로 보인다. 이런 추세에서 물러서기 위해서는 탈화석연료 기술 개발이 시급하다. 이제는 인류 발전이 아닌 지속가능한 인류의 삶을 위해서 에너지 패러다임을 전환할 때다. 

 

 

인류는 단기간 내에 화석 연료 중심의 에너지 체계에서 벗어나 재생에너지 기반 체계에 적응해야 한다. 재생에너지 기술은 태양광, 풍력, 조력 등 자연에 존재하는 에너지를 활용하기 때문에 생산량에 변동성이 있다. 이 때문에 인류가 필요할 때 사용하기 위해서는 저장 가능한 형태의 에너지원으로 변환하는 기술도 중요하다. 2030년에는 세계 대부분 지역에서 태양광 및 풍력 발전의 비중을 3분의 1 이상으로 높일 것을 목표로 하고 있다. 출력량이 많을 때는 수요를 초과하는 잉여 전력량이 증가하므로, 이를 분배하거나 계절간 에너지 저장을 위해 연료로 변환하는 기술이 관심을 받고 있다. 지속가능한 미래를 위해서 에너지 활용 방식을 혁신할 시점이 온 것이다. 

 

국제에너지기구(IEA)의 에너지 기술 전망에 따르면, 탄소중립을 달성하기 위해서 재생 에너지 기술의 확산과 함께 전기화, 바이오 에너지, 그린 수소, 이산화탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization & Storage) 기술이 요구된다. 이 기술들은 미래에 비중이 더욱 높아질 것으로 예측된다 (그림 1).

CCUS는 유일하게 이미 배출된 이산화탄소를 저장하거나 전환하는 적극적인 방안을 제시하고 있어, 지속가능한 탄소 순환을 위해 반드시 필요한 기술로 꼽힌다. 연료와 산업에서 이산화탄소를 배출하는 경로가 다양한 만큼, 탄소 감축의 목표 기여도를 달성하기 위해서는 다양한 CCUS 경로가 필요하다. CCUS는 다른 감축 항목과 비교해 특별한 점이 있다. 현재는 감축 기여도가 7가지 항목 중에 가장 낮아 눈에 띄지 않지만, 2070년까지 누적 배출 절감에서 전체의 15%로 네 번째로 큰 기여를 할 것으로 기대된다는 점이다. 현재의 화석연료 기반의 산업 및 에너지 구조에서는 주목받지 못했으나, 미래에 재생가능한 사회를 구현하기 위해서는 시급히 개발해야 하는 기술이다. 특히 미래의 에너지 체계가 재생에너지 기반의 전기 에너지 중심이 될 것이기에, 전기에너지와 연계된 CCUS 기술인 전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 유망한 수단으로 관심이 점차 높아지고 있다. 

 

한국도 CCUS를 통해 2030년까지 1120만 톤을 감축할 목표를 세우고 있다. 누적으로는 1680만 톤을 감축해야 한다. CCUS 기술 개발과 사업 추진이 시급한 이유다. 

 

 

이산화탄소 전환 기술은 열화학, 광화학, 광열화학, 생화학 등 전환 시 필요한 에너지를 어떤 형태로 활용하는가에 따라 다양하게 접근할 수 있다. 그 중 전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 재생전력을 사용해, 이산화탄소와 물을 일산화탄소, 메탄, 에틸렌, 합성가스, 유기산, 알코올 등의 고부가가치 화합제품 및 재생 가능한 전기 기반 연료(e-chemical 또는 e-Fuel)로 전환하는 기술이다. 탄소의 자원화와 재생에너지 저장을 동시에 달성할 수 있다 (그림 2). 다양한 탄소 물질이 연소돼 이산화탄소를 발생시키는 만큼, 환원 과정에서 반응을 조절해 다양한 기초 탄소화합물을 합성할 수 있다.

전기화학적 전환 기술은 상온, 상압 조건에서 운전되므로 시스템을 켜고 끄기 용이하다는 점에서 재생전력의 부하변동에 대응하기 유리하다. 연료전지, 수전해 전지 등 인접한 기술 분야에서 개발된 최신의 전해 전지 기술을 활용하면서 기술이 빠르게 성장하고 있다. 

 

이산화탄소는 화석연료를 완전 연소했을 때 발생하는 매우 안정적인 기체 분자다. 유용한 탄화수소 화합물로 전환하기 위해서는 반대로 에너지를 소모하는 환원 과정을 거쳐야 하며 반응물로 수소 공급원이 필요하다. 수소의 공급원으로 수소 기체를 사용할 경우, 현재의 수소 기체는 화석연료로부터 생산되므로 생산 및 운송 과정에서 이산화탄소를 오히려 배출한다는 문제점이 있다. 

 

반면, 전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 물을 수소의 공급원을 직접 활용할 수 있으며, 산소를 부산물로 생산하기 때문에 환경 친화적인 반응으로 각광받고 있다. 전기화학적 전환 반응은 환원전극과 산화전극에서 화학 반응이 각각 동시에 일어난다. 최근에는 산화전극에서 바이오 매스로부터 얻은 친환경 탄소화합물을 산화시켜서 산소 대신에 고부가가치 화합물을 추가적으로 합성하고자 노력하고 있다. 이 경우 산화반응에 필요한 전압이 감소하는 동시에 부가가치 생성물을 추가로 얻을 수 있어 두 반응을 융합한 전기 합성(paired electrosynthesis)이 연구되고 있다.

 

그 동안 e-fuel은 포집한 이산화탄소와 수전해를 통해 생산한 그린 수소를 반응물로 사용해 열화학적, 생화학적 공정을 통해 연료를 생산하고자 했다. 그러나 물을 직접 사용하는 전기화학적 이산화탄소 전환 반응은 별도로 수소를 생산해서 공급하는 과정이 없어 비용을 절감하고 에너지 전환 효율을 향상시킬 수 있다. 

 

 

전기화학적 이산화탄소 전환 반응은 환원전극에서 주로 사용하는 촉매 소재에 따라서 생산하고자 하는 화학물질 및 연료를 조절할 수 있다. 대표적으로, 일산화탄소(CO), 개미산(HCOOH), 메탄올(CH3OH) 등의 단일 탄소 화합물(C1)과 에틸렌, 에탄올, 프로판올 등의 C2+ 화합물을 생성할 수 있다 (그림 3). 

이렇게 생성된 화합물들은 직접 연료로 사용되거나 기존의 화학 산업 공정에서 디젤, 알코올, 플라스틱 등을 합성하는 원료로 쓰인다. 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn) 등은 일산화탄소를 선택적으로 생성할 수 있고, 주석(Sn), 인듐(In), 비스무트(Bi), 납(Pb) 등은 개미산을 주로 생성한다. 구리(Cu)는 일산화탄소, 개미산뿐만 아니라 메탄, 에틸렌 및 에탄올도 생성할 수 있는 게 특징이다. 고부가가치의 다탄소 화합물을 합성하기 위해 다양한 소재의 금속 촉매가 활용됐으나, 여전히 구리 기반의 촉매 소재가 가장 뛰어나 촉매 특성을 보이고 있다. 

 

그러나 이런 촉매를 사용하더라도 이산화탄소 분자가 환원되는 대신에, 경쟁 반응으로 물이 분해돼 수소가 발생되는 반응(hydrogen evolution reaction, HER)이 일어날 수 있다. 수전해 반응에서 널리 활용되는 백금(Pt)과 같은 촉매는 HER 반응을 억제하기 힘들다. 이산화탄소를 선택적으로 환원하고 희망하는 생성물을 얻기 위해서는 촉매 전극을 별도로 개발해야 한다. 이산화탄소 환원 반응에 높은 활성을 보이는 촉매는 *CO, *H 등의 반응 중간체와의 결합이 너무 세거나 약하지 않고 적절한 세기를 가져야 하는데, 다행히 비귀금속 기반의 소재가 높은 효율을 보이는 것으로 나타났다. 

 

금속 촉매의 나노 형상 제어는 촉매 반응성에 영향을 끼쳐서 선택적 이산화탄소 환원 반응을 달성할 수 있음이 밝혀져 있다. 특히 결함 구조에서 HER 반응이 효과적으로 억제된다는 것은 고무적인 결과다. 최근에는 금속 나노 입자 기반의 촉매 소재에서 벗어나, 탄소 기반 또는 금속과 질소가 도입된 탄소 소재가 이산화탄소 전환에 높은 선택성을 보이고 있다. 뿐만 아니라, 수십 개의 금속 원자로 구성된 금속 클러스터 촉매는 금속 나노 입자와는 구별되는 특징적인 촉매 활성을 보이고 있다. 

 

새로운 촉매 소재를 개발하면 이산화탄소 환원 반응에 필요한 전압을 낮추고 생성물의 종류와 선택도도 조절할 수 있어, 전해조 운전 및 후단의 생성물 분리 비용을 절감하는 데 기여할 수 있다. 전기화학적으로 합성하기 어려운 메탄올 또는 C3 이상의 생성물을 합성할 경우엔 이산화탄소 활용 기술 분야에 새로운 기회를 제공할 수도 있다.

 

전기화학적 이산화탄소 전환 시스템과 이산화탄소 환원 반응에는 많은 변수가 관여하고 있다. 새로운 물질을 발굴하려면 최신의 소재 화학 기술과의 접목이 필요하다. 촉매 표면에서는 앞서 언급한 여러 촉매 경쟁 반응이 일어나고, 기상의 이산화탄소와 반응 후 생성되는 수산화이온(OH-) 과 같은 이온종의 물질 전달도 고려해야 하는데, 물질의 범위가 매우 넓어 최적의 조합을 찾기 어렵다. 하지만 최근 촉매에 대한 실험적, 이론적 기반이 크게 발전하고, 촉매 실험 결과와 관련된 머신러닝과 구조적, 조성적 인자에 대한 물질 스크리닝 실험이 상당히 개선됐다. 로봇 공학의 통합을 통해 자율 실험을 도입하기도 했다. 이는 실험을 좀 더 빠르게 수행하는 계기가 됐으며, 새로운 소재 탐구 방법론을 제시했다 (그림 4).

촉매의 전기화학적 이산화탄소 전환 성능은 패러데이 효율(Faradaic efficiency, FE), 부분 전류 밀도, 과전압, 에너지 효율, 전환 효율 등의 지표를 통해 평가한다[3]. 이들은 이산화탄소 전환 시스템의 경제성 평가에 중요한 지표이며, 문헌에 보고된 촉매 및 시스템의 성능 비교에도 효과적으로 활용되고 있다 (BOX 1-4). 

한편, 이러한 전환 시스템의 성능 지표 이외에 이산화탄소 공급을 어떻게 할 것인가 또한 주요 고려 사항이다. 지금까지의 연구는 포집 이후에 고농도로 농축된 이산화탄소를 전환하는 시나리오로 시스템이 개발됐다. 그러나, 이산화탄소 포집과 재생에 에너지와 비용이 많이 들어 CCU 기술이 적용되는 데 장벽이 돼 왔다. 이산화탄소는 대기중에 낮은 농도로 존재하므로, 포집과 연계해 전환하는 시스템 및 저농도 조건에서의 이산화탄소 전환 연구가 제안되고 있다. 이를 위해서, 낮은 농도에서도 높은 활성을 보이는 촉매 소재의 디자인 및 시스템 내의 물질 전달 제어 기술이 제안되고 있다. 

지금까지 대규모 CCUS 프로젝트는 천연가스 및 수소 생산시설, 발전소 등에서 포집한 이산화탄소를 원유 증진 회수(EOR, Enhanced Oil Recovery)에 직접 활용하는 사업으로 미국, 캐나다, 호주에서 주로 진행되고 있다. 그 외의 CCU 프로젝트는 탄소 저감의 의무가 일찍부터 있었던 EU, 미국, 호주, 일본 등 선진국 중심으로 진행돼 왔고, 특히 유럽은 e-fuel 기술 개발의 선두 주자다 (그림 6). 이산화탄소 활용에 있어 건축 재료, 폴리카보네이트 생산 등이 공정 규모로 시행되고 있으며, 이런 기술은 분자 내 결합을 깨는 과정이 없어 상대적으로 적은 에너지로 전환될 수 있다. 그러나, 목표 생성물이 한정적일 수밖에 없고 연료나 화학 원료로의 전환을 위해서는 앞서 언급한 다양한 전환 반응 연구가 필요하다. 

 

전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 포집 기술보다 기술 성숙도가 낮지만, 최근 국내외에서 스케일업 연구가 발표되고 있다. 예를 들면, 독일의 포르쉐는 칠레의 파타고니아 지역에 위치한 하루 오니(Haru Oni) 공장에서 e-Fuel 생산 파일럿을 개발하고 있다. 풍력에너지를 활용해 수전해 그린 수소를 생산하고 대기 중에서 포집한 이산화탄소와 반응해 메탄올과 합성 가솔린을 생산한다. 레티쿠스(Rheticus) 프로젝트에서는 지멘스 에너지가 저온 전해 자동화 시스템을 개발하고 에보닉(Evonik)의 발효 기술과 연계해, 이산화탄소로부터 알코올을 생산하는 파일럿 규모 공정을 개발하고 있다. 노르웨이의 노르스크(Norsk) e-fuel 프로젝트는 고온 고체 산화물 전해조(SOEC)에서 이산화탄소와 물로부터 합성가스를 생산하고, 피셔-트롭쉬(FT) 반응과 연계해 액체 연료를 만드는 공정을 시도하고 있다. 이 공장은 지속가능한 항공연료를 생산해 항공 산업의 탄소 저감에 기여한다는 목표를 세우고 있다. 

 

캐나다의 토론토대는 기체확산층 기반의 전해조 시스템 개발에 선두 그룹으로 데이비드 신톤 교수팀은 800 cm² 단일 셀을 10장 적층한 3.5 kg-CO2/h급 파일럿 규모 스택을 제작하고 향후 상용화 공정 적용 가능성을 제시했다. 캐나다의 만트라 벤처 그룹은 라파지(Lafarge)의 100 kg-CO2/day 포집 설비에서 전기화학적으로 전환해 개미산을 생산하는 파일럿 규모 공정을 개발했다. 미국에서도, HIF 글로벌이 텍사스에 북미 첫 e-fuel 공장을 설립했고, 트웰브(Twelve)는 전기화학적 이산화탄소 전환의 선도적인 기업으로 꼽힌다. 전기화학적 이산화탄소 전환 기술을 통해 합성가스를 생산하고, 이를 원료로 항공유 및 화학 제품 생산을 목표로 하고 있다. 

 

국내 CtoX(Carbon to X) 기술개발연구단은 2020년부터 전기화학적 전환을 통해 하루 10 kg 규모로 일산화탄소를 생산하는 시스템 실증 기술 개발을 진행하고 있다. 탄소 자원화 플랫폼 화합물 연구단은 LG화학과 함께 2022년부터 에틸렌 생산 기술의 스케일업 연구를 진행하고 있다. 또한, 탄소 순환형 정유제품 생산을 위한 CCU 통합공정 기술개발 사업에서는 2022년부터 하루 100 kg 규모로 포집된 이산화탄소를 전기화학적으로 전환해 합성가스를 생산하고, 이를 피셔-트롭쉬 반응을 통해 액체 연료로 변환하는 통합공정 기술을 개발하고 있으며, 최근 들어 기술개발이 전 세계적으로 가속화되고 있다. 이산화탄소와 재생전력을 활용해 지속가능한 연료(e-Fuel) 및 화학제품을 생산하는 기술이 가까운 시일에 실현되기를 기대한다. 

 

전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 지난 10년간 촉매 재료 개발과 시스템 도입으로 전례없이 크게 발전해왔다. 이를 바탕으로 실험실 규모에서 실증 단계까지 기술 성숙을 이룰 수 있었으며, 각 스케일에서의 효율 및 안정성 향상 연구로 범위가 확장됐다. 스케일업을 위한 전기화학적 이산화탄소 활용 기술을 개발할 때, 인접한 전해 기술인 연료전지와 수전해의 핵심 요소를 참고할 수 있다. 그러나, 이산화탄소 전환은 수소생성 반응은 억제하고 경쟁적 이산화탄소 전환 반응을 제어해 특정 생성물을 합성하기 위해서는 정교한 맞춤형 기술 개발이 필요하다. 촉매, 이온교환막, 바인더, MEA, 스택 개발 등 소재 및 시스템의 통합 기술 개발이 장기적으로 필요하다.

 

한편, 재생전력을 기반으로 하는 화합물 합성 기술은 수전해 수소 생산이나 이산화탄소 전환 기술에 국한되지 않고, 반응물과 촉매 소재의 조절을 통해서 질소 환원 반응, 탄소-질소 화합물 생성 반응으로 확장할 수 있다. 비료 또는 다양한 화학반응의 원료를 생산해, 석유화학 기반의 화학 제품 생산 기술에 활용해 탄소 감축의 방향성을 제시하고자 한다. 또한, 최근에는 바이오 매스 또는 플라스틱 재생 과정에서 얻는 화합물의 산화, 환원 반응을 통해서 다탄소 고부가가치 화합물을 합성하는 기술을 모색하고 있다. 

 

각 반응에서 목표로 하는 생성물은 신중히 선택돼야 하며, 소모되는 전력 비용, 생성물의 시장 가격, 시장 규모, 탄소저감 효과 등을 고려한 기술경제성 평가(TEA, Techno-economic Analysis)와 전과정평가(LCA, Life Cycle Assessment) 연구가 중요하다. 전통적인 열화학 중심의 화합물 합성 기술에서 재생전력을 활용하는 화합물 합성 기술은 탄소 저감의 새로운 기회를 제공하는 동시에 녹색 성장의 기회가 될 것으로 기대한다.

글   황윤정 서울대 화학부 교수

그림 이솔 과학일러스트레이터·약사

기획 사단법인 집현네트워크
시리즈 기획 윤제용 서울대 화공생명공학부 교수
편집 윤신영 alookso 에디터