이산화탄소와 햇빛으로부터 합성 가스, 메탄올, 등유 생산 (영상)

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-11-06 10:55:14
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- ETH Zurich 옥상에서 태양열 정유소를 2년 동안 시험 운영한 결과
- 대기 중 CO2에서 합성가스, 등유를 생산하기 위해 공기, 햇빛 및 촉매만 필요
- 시스템은 시간당 약 2천m3의 공기 걸러내
- 하루에 8kg의 순수한 CO2, 습도에 따라 20~40kg의 물 추출
- 전 세계 등유 수요를 완전히 충족하려면 약 4만5000㎦ 크기 시설 필요

빛과 대기에서 추출한 연료
태양열 정유소는 CO2와 햇빛으로부터 합성 가스, 메탄올 또는 등유를 생산한다.


타당성 확인: 
햇빛과 대기 중에서 CO2의 도움으로 연료를 생산하는 것은 효과가 있으며 대규모 사용에서도 가치가 있을 수 있다. 이것은 최근 ETH Zurich 옥상에서 이러한 태양열 정유소를 2년 동안 시험 운영한 결과로 확인됐다. 대기 중의 CO2와 물, 태양 에너지만으로 합성 가스, 메탄올 또는 등유를 생산한다. 

▲ 이 시스템은 주변 공기와 햇빛에서 CO2를 포집해 합성 가스 또는 메탄올 및 등유와 같은 연료를 생산한다.

© ETH Zürich


지금까지 대부분 연료는 화석 연료 원유에서 만들어졌다.
따라서 등유, 휘발유 등은 인간의 온실가스 배출과 그에 따른 인위적 기후 변화에 큰 기여를 한다. 이제 다른 방법이 있다. 연료가 식물 재료, 플라스틱 폐기물 또는 CO2에서 생산되는 경우, 이는 기후 발자국을 낮추고 심지어 기후 중립적으로 만들 수도 있다. 그러나 후자는 공기 또는 배기가스에서 CO2를 포집하기 위한 효율적인 기술과 기후 친화적인 에너지 공급체가 필요하다.

실험실 옥상의 태양열 정유소

2019년부터 이를 실행해 온 시스템이 ETH Zurich의 기계 실험실 옥상에 있다.
소규모 태양열 정유소는 대기 중 CO2에서 합성 가스, 메탄올 또는 등유를 생산하기 위해 공기, 햇빛 및 촉매만 있으면 된다. ETH의 팀 리더인 알도 쉬타인펠드(Aldo Steinfeld)와 그의 팀은 이 "sun-to-liquid" 시스템이 2년 동안 운영된 후 이것이 얼마나 잘 작동하는지 보고했다.

"우리는 햇빛과 주변 공기를 액체 연료로 변환하기 위한 전체 열화학 공정 체인의 기술적 타당성을 성공적으로 입증할 수 있었다"고 Steinfeld는 설명했다. 생산은 실제 현장 조건과 취리히의 태양 복사가 최적이 아닌 경우에도 안정적이고 신뢰할 수 있는 것으로 입증됐다. 연구원에 따르면 이 기술은 이제 산업으로 이전할 준비가 되었다.

연료를 공급하는 3단계

특히, 태양열 정유소는 직렬로 연결된 3개의 열화학 변환 장치로 구성된 프로세스를 사용한다. 첫 번째 단계에서 CO2와 물은 아민 스크러빙을 통해 주변 공기에서 추출된다. 이를 위해 시스템은 시간당 약 2,000m3의 공기를 걸러내고 이를 사용하여 하루에 8kg의 순수한 CO2를, 습도에 따라 20~40kg의 물을 추출한다. 팀은 원래 CO2 함량의 약 30~60%가 흡입된 공기에서 제거된다고 보고했다.
▲ 태양열 정유소는 직렬로 연결된 3개의 열화학 변환 장치로 구성된 프로세스를 사용한다.

직접 대기 포집에서 얻은 CO2는 최대 12bar로 압축되어 물과 함께 태양열 산화 환원 장치로 공급된다. 여기에서 집중된 햇빛은 산화세륨으로 만들어진 세라믹 촉매의 도움으로 CO2와 H2O를 분리하고 합성 가스(수소와 일산화탄소의 혼합물)로 변환하는 데 사용된다. "대표적인 일상 작업에서 생산되는 합성 가스의 양은 약 100 표준 리터다"고 Steinfeld는 말했다.

합성 가스는 직접 사용하거나 일반적인 화학 공정을 사용하는 세 번째 공정 단계에서 메탄올 또는 등유로 전환할 수 있다. “저희 미니 태양열 정유소는 연구 시설이다. 따라서 소량의 연료만 생산했다”고 Steinfeld는 설명했다. 하루에 약 100Liter의 합성 가스를 사용하면 추가 전환에서 약 0.5dl(데시리터)의 순수한 메탄올이 생성된다.

배출량은 거의 없지만 효율성은 여전히 ​​증가할 수 있다.

지금까지의 결과에 대한 긍정적인 점은 다음과 같다.
“태양광 연료 생산 사슬의 생태학적 균형은 화석 등유에 비해 온실가스 배출을 80%까지 피할 수 있으며 건설에 사용되는 재료가 0이 되면 0이 된다는 것을 보여준다. 유리 및 강철과 같은 생산 시설은 재생 에너지로 만들어진다”고 Steinfeld는 설명했다. 또한, 바람직하지 않은 부산물이 없으며 합성 가스의 조성은 메탄올 또는 등유 합성에 맞게 조정할 수 있다.

그러나 캐치: “에너지 효율이 여전히 너무 낮다. 지금까지 우리가 측정한 태양광 원자로의 최고 효율은 5.6%였다”고 ETH 연구원은 보고했다. "이 값은 태양열 열화학 핵분열에 대한 세계 기록이지만 충분하지 않다." 그러나 ER과 그의 팀은 반응 단계 사이의 열 회수가 이루어지면 태양열 원자로의 효율을 20% 이상으로 높일 수 있다고 추정한다. 열화학 사이클이 개선되고 산화 환원 촉매의 구조가 최적화된다.

▲ 취리히의 기후 조건에서도 미니 정유소는 이 기술이 구현될 수 있음을 증명했다.

© ETH Zürich / Alessandro Della Bella


대규모로 사용하기 위해 기술이 무르 익었다.

그럼에도 불구하고, Steinfeld와 그의 팀은, 태양에서 액체로의 공정 기술은 이제 산업용으로 사용할 준비가 됐다고 말한다. "예를 들어, 상업용 규모의 태양열 정제소는 10개의 헬리오스타트 필드로 구성될 수 있으며, 각 필드는 약 100메가와트의 열 태양 에너지를 수집한다"고 연구자들은 설명한다. 약 10%의 효율성으로 이러한 시스템은 이미 하루에 9만5000리터의 등유를 생산할 수 있다. 이는 Airbus A350을 런던에서 뉴욕으로 왕복할 수 있는 양이다.”


이러한 대형 솔라 시스템은 햇볕이 잘 드는 사막 지역에 이상적으로 건설된다.
“태양열 공정 체인은 출발 물질로 대기 중 물이 필요하며 건조한 사막 공기에서도 충분한 양으로 사용할 수 있다. 사막의 땅은 저렴하며 일반적으로 인구 밀도가 높은 지역보다 다른 사용 요구 사항이 없다”고 Steinfeld는 말했다.

연구원들의 계산에 따르면, 전 세계 등유 수요를 완전히 충족하려면 약 4만5000㎦ 크기의 시설이 필요할 것이다. 이는 사하라 사막 면적의 약 0.5%에 해당합니다.

초기 장애에 대한 할당량 솔루션

태양광 생산으로 인한 연료 비용은 시스템에 대한 높은 투자로 인해 초기에 석유에서 나오는 기존 등유보다 훨씬 더 높을 것이다. 그러나 더 많은 태양열 연료를 생산하고 사용할수록 더 저렴해진다. 공정 사슬의 분석을 기반으로 과학자들은 산업 규모로 생산할 경우 연료가 리터당 1.20~2유로가 될 것으로 추정한다. 공동 저자인 ETH Zurich의 앤서니 패트(Anthony Patt)는 "우리의 계산에 따르면 태양열 비행기 연료는 10~15%의 점유율로 화석 등유와 비용이 비슷할 것"이라고 말했다.

<이것이 태양-액체 시스템이 작동하는 방식이다. © ETH 취리히>


초기 비용 문제를 극복하기 위해 그와 그의 동료들은 일종의 할당제 시스템을 제안했다. 예를 들어 처음에는 이 비율이 1~2%"라고 Patt는 설명했다. 결과적으로 유럽 내 항공편의 항공권 가격 프리미엄은 몇 유로가 될 것이다. "우리가 풍력과 태양 에너지에서 관찰한 바와 같이 할당량의 연속적인 증가는 태양 등유의 가격을 급격히 떨어뜨리게 한다"고 Patt는 말했다.
(Nature, 2021; doi: 10.1038 / s41586-021-04174-y)
출처: ETH Zurich, Institute for Advanced Sustainability Studies e.V.(IASS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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