기술 美 Caltech, 태양열만으로 "넷제로 제트연료" 생산 성공

▶ 전기·화석연료 없이 작동하는 태양열 촉매 반응기 개발▶ CO₂·물·햇빛으로 에틸렌→항공유 전환… 전주기 탄소중립 연료 구현 자료: 캘리포니아공과대학교(Caltech) [넷제로뉴스] 전기를 사용하지 않고, 오직 태양열로 항공유 성분을 생산하는 촉매 반응기 기술이 미국 캘리포니아공과대학교(Caltech)에서 개발돼 '넷제로 항공 시대'를 앞당기고 있습니다. 연구팀은 최근 학술지 'Device'를 통해, 태양열만으로 작동하는 ‘소형 광열촉매 반응기(photothermocatalytic reactor)’를 제작해, 저탄소 항공연료 생성의 핵심 과정인 ‘에틸렌 올리고머화(ethylene oligomerization)’를 성공적으로 구현했다고 밝혔습니다. 이번 반응기는 전기나 화석연료 없이 햇빛의 열만을 활용하며, 실리콘·게르마늄·금으로 구성된 다층 흡열소재를 활용해 249°C까지 온도를 끌어올릴 수 있는 구조입니다. 태양광은 석영창을 통해 흡수되며, 내부의 진공층이 열 손실을 최소화해 반응 효율을 높입니다. 연구 공동저자인 아이술루 아잇베코바(Aisulu Aitbekova, Kavli Nanoscience Institute 박사후 연구원)는 “이 기술은 태양 집중형 고온 장비를 대체하는 것이 아니라, 그런 시스템이 적용되기 어려운 환경에서도 사용할 수 있는 보완 기술”이라고 설명했습니다. ▶ 연료 사슬 완성… 제트연료 범위 탄소수 확보 연구팀은 이 반응기를 통해 2탄소 분자인 에틸렌(ethylene)을 7~26탄소의 알켄(alkenes)으로 전환하는 데 성공했으며, 이는 실제 항공유의 주요 구성 범위와 일치합니다. 이는 기존의 고에너지 공정과 달리, 외부 에너지 투입 없이 태양열로만 촉진된 반응이라는 점에서 탄소중립 항공연료 생산에 획기적인 진전을 보여줍니다. 캘텍 응용물리학 및 재료과학 교수이자 리사(LiSA: Liquid Sunlight Alliance) 연구센터장인 해리 앳워터(Harry Atwater)는 “지금까지 전기나 화석연료로만 가능했던 촉매 반응을 태양의 열로 구동했다는 점이 핵심”이라고 강조했습니다. ▶ CO₂·물·햇빛만으로 완전한 항공연료 생산 특히 이 기술은 단순히 연료 전환에서 멈추지 않습니다. LiSA 연구팀은 이미 CO₂·물·햇빛만으로 에틸렌을 합성하는 기술도 개발해왔으며, 이번 기술과 결합하면 완전한 전 주기 태양에너지 기반 항공연료 시스템 구축이 가능해집니다. 아잇베코바 박사는 “첫 단계에서는 CO₂·물·햇빛으로 에틸렌을 만들고, 두 번째 단계에서는 그것을 항공유로 전환한다”며 “모든 에너지원이 태양이며, 이는 완전한 탄소중립 연료 시스템의 기초가 될 수 있다”고 설명했습니다. 항공부문은 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 2~3%를 차지하며, 높은 에너지 밀도와 연료안전 요건 때문에 전동화나 수소항공기로의 전환이 더디게 진행되고 있습니다. 이번 기술은 이러한 한계를 극복하는 가장 유망한 넷제로 대안 중 하나로 평가받고 있습니다. 자료: Device 저널 ※ A photothermocatalytic reactor and selective solar absorber for sustainable fuel synthesis ※ 지속 가능한 연료 합성을 위한 광열 촉매 반응기 및 선택적 태양 흡수기 ■ 전체적인 개요 인위적인 기후 변화에 대응하기 위해 탄소 중립 에너지 기술이 널리 관심을 받고 있지만, 항공 운송 산업과 같이 에너지 저장이 여전히 탄소 기반 연료로만 제한되는 특정 시나리오가 존재합니다. 광열촉매 반응기는 태양 에너지를 열로 변환하여 연료를 생성하는 데 필요한 화학 반응을 실행하는 데 사용할 수 있습니다. 이 반응기는 높은 태양열-열 에너지 변환 효율과 더불어 확장 가능하고 경제적인 가격이어야 합니다. 이러한 엄격한 요구 사항은 광열 촉매 반응기를 설계하는 데 있어 어려운 과제입니다. 태양광을 이용해 에틸렌을 태양 연료를 생성하는 데 필수적인 단계인 장쇄 탄화수소로 전환하는 광열 반응기를 시연합니다. 또한 이 원자로는 대규모 생산에 적합하여 향후 산업적 규모의 생산 가능성을 제시합니다. 궁극적으로 이 연구는 기후 변화에 대응하기 위해 지속 가능한 항공 연료를 생산하기 위한 태양광의 실용적인 적용을 탐구했습니다. ■ 하이라이트 - 태양열 난방으로 연료 및 화학 물질의 지속 가능한 생산 가능 - 태양 흡수체가 있는 광열 촉매 반응기는 태양열 난방을 가능하게 합니다. - 태양열을 이용한 에틸렌 올리고머 생성으로 액체 탄화수소를 생산합니다. ■ 요약 열화학 공정에 태양열 에너지를 활용하면 연료와 화학 물질을 지속 가능하게 생산할 수 있습니다. 이 논문에서는 태양광을 연료 합성을 위한 열에너지로 변환하는 선택적 태양 흡수체를 갖춘 확장 가능한 광열 촉매 반응기를 소개하고 있습니다. 이 흡수체는 한 번의 태양 조명 아래에서 최대 249°C, 주변 작동 조건(25°C, 1기압)에서 130°C의 온도를 달성합니다. 광열 촉매 반응기의 적용은 산업에서 사용되는 에틸렌 올리고머화 반응을 사용하여 시연되었습니다. 균질 반응은 배치 모드에서 수행되었으며 6-24 개의 탄소 원자를 가진 액체 탄화수소의 분포를 생성했습니다. 불균질 반응은 플로우스루 구성으로 수행하여 부텐과 헥센 생성물을 산출했습니다. 마지막으로, 대규모 반응기에 대한 시뮬레이션 결과는 1 태양 및 3 태양 조명 하에서 최대 120°C 및 210°C까지 공간적으로 균일한 최대 온도를 예측하여 더 큰 규모의 연료를 생성할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.

넷제로뉴스 2025.03.26

정책 EU 최초 'CO₂ 포집·저장' 배출허가, 네덜란드 '포르토스' 프로젝트 승인

▶ 네덜란드 북해 해저에 연간 250만 톤 CO₂ 저장…2026년 가동▶ EU 배출권거래제(EU ETS) 내 CCS 허가 첫 사례…엄격한 보고·모니터링 조건 부과 자료: Porthus [넷제로뉴스] 네덜란드 정부가 유럽연합(EU) 최초로 CO₂ 저장을 위한 배출허가를 발급했습니다. 유럽 탄소 전문 매체 카본헤럴드(Carbon Herald)가 3월 24일 보도했습니다. 이 허가는 네덜란드 배출권관리청(Dutch Emissions Authority·NEa)이 ‘포르토스(Porthos)’ 프로젝트에 발급한 것으로, 2026년부터 북해 해저의 폐가스전(decommissioned natural gas fields)에 연간 약 250만 톤의 이산화탄소(CO₂)를 저장할 계획입니다. Porthos 프로젝트는 네덜란드 최초의 대형 CCS(Carbon Capture and Storage) 인프라로, 항만청(Port of Rotterdam), 국영 가스기업 가스우니(Gasunie), 국영 에너지 인프라 기업 EBN 등 3개 공공기관이 공동 추진하고 있습니다. 산업 단지에서 발생한 CO₂를 파이프라인으로 수송해 북해 해저의 고갈된 가스전으로 주입하는 방식이며, 로테르담 항만 인근의 산업체들이 주요 배출원으로 참여할 예정입니다. 이번 허가 발급은 CCS를 EU 배출권거래제(EU ETS) 체계 안에서 제도화한 첫 사례로, 산업 부문의 탄소감축 전략에 있어 중요한 진전을 의미합니다. 포르토스 자체는 대규모 배출원이 아니지만, 저장 시설로서 EU ETS에 참여하려면 배출허가가 필수이며, 이 허가는 단순한 승인서를 넘어선 상세한 규정과 보고의무를 포함하고 있습니다. 포르토스는 매년 NEa에 CO₂ 수신 및 저장량에 대한 보고서를 제출해야 하며, 이 프로젝트에 CO₂를 공급하는 기업들은 포집된 CO₂에 대해 배출권을 구매하거나 상환할 필요는 없습니다. 이에 따라 철저한 모니터링과 투명한 검증이 핵심 관리 요소로 작용합니다. 이번 허가는 이러한 투명성을 확보하기 위한 절차를 구체적으로 명시하고 있습니다. 이전에 네덜란드 경제기후부(Ministry of Economic Affairs and Climate)는 포르토스에 저장 허가를 부여했으며, 광산감독청(State Supervision of Mines)이 안전성과 저장 규정을 지속적으로 감시하고 있습니다. NEa는 이번 포르토스를 시작으로 향후 유사한 CCS 프로젝트들이 잇따를 것으로 전망했습니다. 대표적으로 ‘아라미스(Aramis)’ 프로젝트는 북해 해저의 소규모 가스전에 CO₂를 저장할 예정이며, 포르토스를 통해 선박과 전용 터미널을 이용해 CO₂를 수송할 계획입니다. 한편, 국제탄소시장협의체(ICAP)가 2023년에 발표한 보고서에 따르면, 현재 CCS 전 과정을 제도적으로 포괄하는 ETS는 EU와 영국이 유일합니다. 하지만 포집비용이 톤당 배출권 가격보다 높은 경우가 많아 실질적인 경제성 확보를 위한 정책 지원이 요구되고 있습니다. 네덜란드의 이번 조치는 CCS 기술을 제도권 안에 정착시키려는 노력의 일환으로, 2030년 국가 온실가스 감축 목표 달성을 위한 기반을 마련하는 한편, 탄소저감 기술의 상업적 확장을 위한 이정표로 평가받고 있습니다.    

넷제로뉴스 2025.03.25

기술 "이산화탄소로 항공유 만든다"

독일 카를스루에 공대, 세계 최초 ‘CO₂→연료’ 연속공정 개발…전환효율 85% 달성▶ 하루 100L 실증 성공…1톤 규모 합성항공유(SAF) 상업생산 눈앞▶ 한국 폐광지역 탄소광물화와 SAF 기술 연계 시너지 기대 자료: KIT [넷제로뉴스] 전기화가 어려운 항공부문 넷제로 전환을 위해, 독일 연구진이 세계 최초로 수증기와 이산화탄소를 동시에 전기분해해 합성항공유(SAF)를 생산하는 통합 기술을 상용화 수준으로 구현했습니다. 독일 카를스루에공과대학교(KIT)의 미세공정공학연구소(IMVT)와 민간 파트너들이 참여하는 ‘Kopernikus P2X 프로젝트’는, 산업용 220kW 규모의 동시 전기분해(co-electrolysis) 기술과 연료합성공정을 직접 연계해 하루 최대 100리터의 합성원유(syncrude) 생산에 성공했다고 밝혔습니다. 이 기술은 향후 프랑크푸르트 인근 Höchst 산업단지에 하루 1톤 수준의 SAF 생산시설로 확장될 예정이며, 생산된 연료는 항공기 엔진 시험용으로 사용됩니다. 이번 성과는 독일 연방교육연구부(BMBF)가 후원하는 민관 프로젝트로, Climeworks, Sunfire, INERATEC 등이 협력하고 있습니다. KIT 프로젝트 책임자인 롤란트 디트마이어(Roland Dittmeyer) 교수는 “항공부문은 당분간 지속가능한 방식으로 생산된 등유(SAF)에 의존할 수밖에 없으며, 이번 통합 기술이 상용화를 앞당길 것”이라고 설명했습니다. ▶동시 전기분해(Co-Electrolysis)로 SAF 전환효율 85% 도달 현재 KIT 에너지연구소에서 SAF를 생산하는 방식은 여러 모듈로 구성된 다단계 공정입니다. 먼저 수증기(H₂O)와 이산화탄소(CO₂)를 전기화학적으로 변환해 수소와 일산화탄소 혼합가스(합성가스, syngas)를 만들어냅니다. 기존에는 수소를 별도로 생성한 뒤 CO₂와 반응시키는 방식이었지만, 산업 파트너 Sunfire가 개발한 동시 전기분해 기술은 이를 단일 공정으로 통합했습니다. 이에 따라 전력 투입의 85%가 화학에너지로 전환되며, 공정 효율이 크게 향상됐습니다. Sunfire의 선임엔지니어 후베르투스 리히터(Hubertus Richter)는 “본 기술은 공정 신뢰성이 높고, 연속운전이 가능하며, 원하는 품질의 합성가스를 안정적으로 생산할 수 있다”고 밝혔습니다. 이 기술은 현재 INERATEC을 통해 상용화 단계에 접어들었습니다. 생성된 합성가스는 이후 마이크로구조 반응기에서 피셔-트롭슈(Fischer-Tropsch) 합성을 거쳐 장쇄 탄화수소, 즉 ‘합성원유’로 전환됩니다. 이 원유는 SAF, 경유 등으로 정제될 수 있으며, 향후 공정 중 발생하는 열을 다시 전기분해 공정에 활용해 전체 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. ▶한국의 폐광지역 ‘탄소광물화’ 기술과 연계 가능성 이 기술은 한국의 기후전략과도 긴밀히 연결될 수 있습니다. 특히 강원, 충청 등 폐광지역에서 추진 중인 ‘탄소광물화’ 기술과 결합하면, 지역 단위에서 이산화탄소를 자원화하는 에너지 자립형 SAF 생산모델을 구현할 수 있습니다. 또한 정부가 추진 중인 ‘SAF 의무혼합제’와 산업부의 SAF 산업 생태계 조성 전략에도 부합합니다. SAF 생산의 주요 공정인 합성가스(Syngas) 생성 효율이 높아짐에 따라, 한국의 친환경 수소 활용 및 재생에너지 통합 전략과의 시너지도 기대됩니다. INERATEC과 같은 기술 기업과의 기술 협력 및 국내 연구소의 공정 모사 연구 확대를 통해, 한국형 SAF 파일럿 플랜트 구축도 중장기적으로 검토될 수 있습니다.

넷제로뉴스 2025.03.24

기술 수소·암모니아 생산성 높일 신개념 기술 개발

재료연, 저온에서도 고감도성·고선택성 발휘하는 촉매 만들어카이스트, 저온·저압서 7배 높은 성능 발휘 촉매 선봬포스텍-서울대, 이산화탄소 활용 촉매 성능 내구성 향상 기술   수소와 암모니아의 생산성을 높일 신개념 기술들이 개발됐다.한국재료연구원은 세계 최초로 저온 용액공정을 통해 제작한 브롬화구리막을 기반으로 한 암모니아 가스 센서를 개발했다. 한국에너지기술연구원은 알칼라인 수전해와 양성자교환막 수전해를 비교해 최적의 그린수소 생산 운영 전략을 도출했다.카이스트는 저온·저압 조건에서도 기존 촉매보다 7배 이상의 성능을 발휘하는 암모니아 합성 촉매를, 포스텍과 서울대는 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 촉매의 성능과 내구성을 높이는 기술을 개발했다.재료연, 세계 최초 저온합성 브롬화구리막 기반 암모니아 센서 개발   재료연이 세계 최초로 개발한 저온합성 브롬화구리막 기반 암모니아 센서.(사진=재료연)   한국재료연구원 에너지·환경재료연구본부 윤종원, 권정대, 김용훈 박사 연구팀은 저온에서 간단한 용액공정을 통해 제작할 수 있는 브롬화구리막을 기반으로 암모니아 가스 센서를 세계 최초로 개발했다. 암모니아 가스 센서는 공기 중 암모니아를 감지해 실내외 환경 모니터링, 산업 현장 유해가스 감지, 질병 진단 등에 활용된다. 센서에 사용되는 브롬화구리막은 암모니아와 만났을 때 전기적 저항값이 크게 변해 낮은 농도의 암모니아도 감지한다. 브롬화구리막을 만들기 위해선 500°C 이상의 고온 진공 공정이 필요하나 고온에 취약한 유연 기판에 적용하기 어렵고 제작 비용이 높다는 단점이 있다.이에 연구팀은 150°C 이하에서 진공 공정 없이 이차원 구리 나노시트를 기판에 형성하고 간단한 용액공정을 통해 브롬화구리막을 합성하는 기술을 개발했다. 이를 기반으로 플라스틱 기판 위에서 암모니아 가스 센서를 만들었다. 이후 1,000번 이상 반복해서 구부리는 실험을 통해 해당 센서가 고성능을 유지한 상태로 안정적으로 작동하는 것을 확인했다. 이와 함께 100만분의 1 이하 암모니아 농도를 감지할 수 있다는 고감도성과 다른 가스들과 비교했을 때 암모니아에 100배 이상 높은 반응을 보여준다는 고선택성도 확인했다.연구팀은 이번에 개발한 저온 용액공정으로 암모니아 센서 제작 비용을 크게 줄일 수 있는 데다 웨어러블 센서, 진단 의료기기 등에 활용할 수 있다고 밝혔다.에너지연, 수전해 기술 비교로 최적 운영 전략 도출 박정호 박사가 수전해기술의 경제성비교에 대해 설명하고 있다.(사진=에너지연) 한국에너지기술연구원 에너지AI·계산과학실 박정호 박사 연구팀은 알칼라인 수전해(이하 AEC)와 양성자교환막 수전해(이하 PEM)의 경제성을 분석하고 이를 토대로 최적의 운영 방안을 제시했다.AEC는 가장 상용화된 기술이나 장치 가동에 필요한 전력의 요구치가 높고 일정한 공급이 필요해 간헐성이 높은 재생에너지와 연계하기가 어렵다. PEM은 적은 전력으로도 수소를 생산할 수 있어 재생에너지와 연결할 수 있으나 초기 설치 비용이 높고 AEC보다 기술 성숙도가 낮다. 이 때문에 한가지 수전해만으로 그린수소 생산 인프라를 구축하기가 어렵다.연구진은 AEC와 PEM의 기술적 차이, 경제성을 비교·분석했다. 먼저 AEC의 경우 재생에너지 전력을 사용하면서 ESS를 보조 전원으로 활용하면 수소생산단가는 1kg당 최대 8.6달러지만 기존 화석 연료 발전 중심의 전력망을 통해 보조 전력을 확보하면 6.6달러로 낮아진다. PEM은 필요 이상으로 전력을 과잉공급해 수소생산량을 늘리는 과부하 운전이 가능하기 때문에 재생에너지 발전량을 늘려 필요 전력의 1.5배를 과잉 공급할 경우 수소생산단가를 1kg당 5.8달러까지 낮출 수 있다.이를 통해 연구진은 재생에너지 발전 비율이 높고 안정적 공급이 가능한 환경에선 PEM을, 이외의 환경에선 AEC와 무탄소 기반 전력망을 조합하는 것이 가장 이상적이라고 분석했다. 여기에 연구진은 제주도 기상 데이터를 기반으로 최적의 수전해 수소 생산 조합을 발견했다. 수전해 설비 용량 100MW를 기준으로 해상풍력 100MW와 태양광 100MW를 조합하면 1kg당 4달러 수준에서 안정적인 수소 공급이 가능할 것으로 내다봤다.KAIST, 성능 7배 향상된 암모니아 합성 촉매 개발 새로운 암모니아 합성 촉매를 개발한 생명화학공학과 최민기 교수(오른쪽)와 백예준 박사과정.(사진=KAIST) KAIST의 최민기 교수 연구팀은 에너지 소비와 이산화탄소 배출량을 크게 줄이면서도 암모니아 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 혁신적인 촉매 시스템을 개발했다.현재 암모니아는 철 기반 촉매 기반 하버-보슈 공정을 통해 생산되고 있다. 그런데 이 방식은 500℃ 이상의 고온과 100기압 이상의 고압이 필요해 엄청난 에너지를 다량의 이산화탄소를 배출한다. 여기에 대규모 공장에서 제조되기 때문에 유통 비용도 높다.이에 수전해를 통해 생산된 그린수소를 이용해 저온·저압(300도, 10기압)에서 암모니아를 합성하는 공정이 개발되고 있다. 문제는 저온·저압에서 높은 생산성을 발휘하는 촉매가 없다.연구팀은 루테늄 촉매와 강한 염기성을 갖는 산화바륨 입자를 전도성이 뛰어난 탄소 표면에 도입해 화학 축전지처럼 작동하는 신개념 촉매를 개발했다. 암모니아 합성 반응 도중 수소 분자(H₂)는 루테늄 촉매 위에서 수소 원자(H)로 분해된다. 수소 원자는 양성자(H+)와 전자(e-)로 한 번 더 분해된다. 산성을 띠는 양성자는 강한 염기성을 띠는 산화바륨에 저장되고 남은 전자는 루테늄과 탄소에 분리·저장된다. 이 같은 화학 축전 현상을 통해 전자가 풍부해진 루테늄 촉매는 암모니아 합성 반응의 핵심인 질소(N₂) 분자 분해 과정을 촉진해 촉매 활성을 비약적으로 증진하는 것으로 밝혀졌다.특히 탄소의 나노구조를 조절함으로써 루테늄의 전자 밀도를 극대화해 촉매 활성을 증진할 수 있음을 발견했다. 이 촉매는 300도, 10기압인 온건한 조건에서 기존 최고 수준의 촉매와 비교하여 7배 이상 높은 암모니아 합성 성능을 나타냈다.   포스텍-서울대, 성능 높인 CO₂ 활용 촉매 개발 고효율 이산화탄소 전환을 위한 질소가 포함된 다공성 그래핀 탄소 지지체 그래픽.(사진=포스텍) 포스텍의 김진곤 화학공학과 교수 연구팀과 서울대의 한정우 교수 연구팀은 이산화탄소를 산업에 유용한 일산화탄소로 바꾸는 촉매의 성능과 내구성을 높이는 기술을 개발했다.이산화탄소를 원하는 화합물로 전환하는데 사용되는 촉매인 단원자 촉매는 금속 원자를 개별적으로 탄소 지지체 표면에 배치해 촉매 효율을 극대화한다. 특히 이산화탄소를 다른 상태로 전환하는 반응에서 금속 활용도와 반응 선택성을 높일 수 있다. 그러나 탄소 지지체의 어떤 특성이 촉매 성능에 영향을 미치는지는 명확히 밝혀지지 않았다.연구팀은 탄소 지지체 핵심 요소인 다공성과 전자전도성이 이산화탄소 전환 반응에 미치는 영향을 정밀 분석하고 다양한 형태의 질소가 도핑된 다공성 지지체를 설계한 다음 니켈 단원자 촉매를 고정해 성능을 비교했다.그 결과 낮은 전압에선 전자전도성이 높은 지지체가 이산화탄소를 일산화탄소로 변환시키는 데 중요한 역할을 했다. 반면 높은 전압에선 다공성 구조가 촉매의 성능을 결정하는 핵심 요소로 작용했다. 넓은 전압 범위에선 90% 이상의 전환 효율을 보였으며 10시간 이상 작동한 후에도 우수한 내구성이 유지됐다. 연구팀이 개발한 촉매는 질소가 포함된 다공성 그래핀(탄소 동소체) 기반 탄소 지지체를 활용해 기존의 2차원 그래핀이나 질소가 없는 다공성 탄소 지지체보다 뛰어난 이산화탄소 전환 성능을 보인 것이다.이를 통해 이산화탄소 저감뿐만 아니라 수소생산을 위한 수전해 반응, 연료전지 산소 환원 반응과 같은 다양한 에너지 전환·저장 기술에 응용될 것으로 기대된다고 연구팀은 밝혔다.  

월간수소경제 2025.03.24