[에너지데일리 송병훈 기자] C1 가스 리파이너리 사업단(C1 Gas Refinery R&D Center, 단장 이진원)은 지난 2015년 9월 과학기술정보통신부로부터 세계 최고 C1 가스 원천기술 개발 및 실용화를 위해 출범됐다. 기존 석유화학 산업을 보완·대체하는 미래 에너지 및 화학 산업 창출을 목표하고 있다.
C1 가스란, 탄소수가 1개인 가스를 의미한다. 메탄(CH₄)과 일산화탄소(CO)를 대표적인 예로 들 수 있다. 특히 사업화 측면에서 경제성 확보가 가능한 규모의 자원인 합성가스(Syngas, CO + H₂), 바이오가스, 셰일가스 및 제철소 부생가스 등을 포함하는 에너지원이다.
현재 사업단은 이진원 단장이 소속돼 있는 서강대학교를 중심으로 한국생명공학연구원, 한국과학기술연구원, 한국에너지기술연구원 등 정부출연연구소와 한국과학기술원, 서울대학교 등 국내·외 대학 등 550여 명이 연구개발에 참여하고 있다.
또한 기존 석유화학산업 기업들과 수요기업협의체 및 전략협의체를 구성, 산업체에서 필요한 니즈(Needs)를 파악하고 있으며, 연구주제를 중심으로 ▶C1 바이오촉매 ▶C1 화학촉매 ▶C1 리파이너리 총 3개 분야로 세부연구과제를 구성, 연구개발을 진행하고 있다.

▲ 패러다임의 전환

현재 한국, 중국, 일본 및 유럽 지역은 주로 원유를 증류 및 정제해서 나오는 나프타(Naphtha)를 이용한 나프타 크래킹(Naphtha Crackimg Center, NCC)을 통해 기초 화학원료를 얻고 있다.

그러나 미국 및 중동 지역은 에탄크래킹(Ethane Cracking Center, ECC) 등을 이용해 저렴한 원료를 확보하고 있다. 가스를 이용해 석유 의존도를 줄이는 패러다임으로 이동하고 있는 것이다.

사업단은 이같은 산업환경을 바탕으로 C1 가스를 이용한 핵심원천기술 확보 및 기술경제성이 우수한 C1 가스 전환 기술 달성을 목표로 미래산업 창출을 위한 핵심기술 확보에 박차를 가하고 있다.

▲ C1 가스 바이오전환

C1 가스의 생물학적 전환 방식은 화학적 방식과 달리 상온·상압의 조건에서 전환이 가능하기에 환경적인 이점이 많고, 미생물에 대사공학 기술을 적용해 다양한 유용 산물들을 생산할 수 있다.

특히 메탄의 경우, 기존 바이오매스 전환 기술보다 탄소 전환율이 훨씬 높은 장점을 갖고 있으며, 가스 발효기술은 기존 발효공정 기술과 유사하기에 기존 설비 보완만으로 가능해 경제성 측면에서도 우수하다는 평가를 받고 있다.

사업단은 메탄으로부터 저가 메탄올 생산에 국한되어 활용되는 메탄자화균의 대사공학적 개량의 한계를 넘어, 메탄자화균의 다양한 특성을 분석하고, 메탄 전환 고부가가치 화학소재 및 사료 원료 등을 생산할 수 있는 연구를 진행하고 있다.

또 하나의 C1 가스인 일산화탄소 역시 상온·상압에서 일어나기 때문에 운전비와 시설유지비의 측면에서 유리하다.

사업단은 해당 연구를 통해 일산화탄소를 이용한 고농도의 아세트산 생산을 위한 유전자 재조합 및 아세트산 유래 고부가가치 산물 생산을 위한 개선된 균주를 개발하고, 가스 전환 산업에 기여할 수 있는 기술을 확보했다.

이같은 개발균주를 통해 친환경 화장품 원료로 쓰이는 2,3-부탄다이올(2,3-Butanediol)의 생산과 수소연료 및 생분해성 고분자를 만들 수 있는 개미산(Forminc acid) 생산 등 여러 산물의 생산에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

▲ C1 가스 화학전환

현재 메탄을 화학제품으로 전환하기 위해서는 먼저 합성가스로 전환한 다음 메탄올로 합성한 후 화학물질을 제조하는 간접전환방식을 채택하고 있다. 수증기 개질(Steam Reforming)로 불리는 이 방식은 고온에서 진행되며 열에너지를 흡수하는 흡열반응이기 때문에 에너지 소비가 크다는 단점이 있다.

이같은 메탄 화학전환 기술을 극복하기 위해 ▶메탄 활성화 유·무기 금속 촉매 개발 ▶메탄의 산화 또는 비산화 반응 연구 ▶고효율 및 장수명을 갖는 촉매제조 기술 개발 등의 연구를 수행, 메탄을 간접전환에서 직접전환으로 변경하여, 에너지 소비를 줄이는 동시에 전환율 및 선택도를 높여 성능이 우수한 화학촉매를 개발하고 있다.

한편 제철소를 포함한 대부분의 산업 현장에서는 여러 부생가스가 발생된다. 그리고 이 중에는 일산화탄소가 존재한다.

일산화탄소는 환경 뿐만 아니라 인체에도 유해한 문제를 발생시킨다. 현재는 일산화탄소를 연소시켜 제거하는 방법이 일반적으로 활용되고 있다.

사업단에서는 이 일산화탄소를 이용해 ▶석유화학 중간물질인 에폭사이드 화학종과 반응시켜 락톤, 숙신산과 같은 고분자를 형성하는 물질을 생성하는 기술 ▶메탄올과의 반응을 통해 초산 및 에탄올을  생성하는 기술 ▶철계 촉매를 이용한 고순도 왁스 기술 개발 등의 연구를 진행하고 있다.

사업단은 이같은 연구개발을 통해 창출된 성과들을 세계적으로 영향력 있는 논문에 다수 게재·출판했을 뿐만 아니라, 국내·외 특허출원을 통해 많은 지식재산권(Intellectual Property, IP)을 확보했다. 또한 현재까지 20건 이상의 기술이전도 성공시켰다.

특히 세계 최초로 제철소의 부생가스에 포함돼 있는 일산화탄소에 별도의 에너지원을 추가하지 않고 단순히 물만을 첨가해 개미산을 생산할 수 있는 기술개발에 성공했으며, 지난 2017년 1월 상업화를 위해 국내 기업에 기술을 이전했다.

현재 전략협의체 기업 내 현장에서 실증 진행 중인 해당 기술은, 이 분야의 세계 선도기업인 미국의 란자텍사(Lanzatech)가 개발한 일산화탄소로부터 에탄올을 생산하는 기술에 비해 이론적 생산 수율이 6배 높고, 생산조건도 상업화하기에 더욱 용이해 잠재력이 매우 클 것으로 기대되고 있다.

기술개발 단계상 아직 초기이기 때문에 상업생산을 위해서는 해결해야 할 과제들이 남아있지만, 사업단 연구원들은 후속연구에 매진, 반드시 상용화에 성공하겠다는 자신감을 갖고 있다고 강조했다.

석유화학 기술은 고에너지 소비 및 장치에 대한 의존성이 높아 기존 메이저 회사들이 장악한 시장을 재편하기가 어려운 것이 사실이다.

그러나 미래 자원에는 그에 맞는 기술이 필요하고, 특히 가스의 시대가 도래할 것으로 예상되는 가운데, C2 & C3 가스 성분 대비 풍부한 C1 가스를 본격적으로 활용하기 위해서는 경제성이 있는 C1 전환 기술의 개발이 필요하다는 게 사업단의 설명이다.

사업단 관계자는 "탄소중립, 기후변화 대응을 포함해 환경적 이슈가 대두되는 가운데 사업단은 부생가스를 활용해 상업화를 이끌고, 이는 정치·경제·사회 각 분야로의 영향력이 큰 전략기술이 될 것으로 예상된다"면서 "에너지 및 화학 산업에서 신성장동력 및 신규산업을 창출시키기 위해 더욱 매진해 나갈 방침"이라고 말했다.

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