7'00" 읽기
- 2035년부터는 디젤이나 휘발유를 연료로 사용하는 신차를 EU에 등록할 수 없다.
- Power-to-X 기술, 보다 정확하게는 Power-to-Liquid 프로세스를 사용해 전기, 물 그리고 이산화탄소로부터 생산되는 합성 생산 연료
- e-연료, BtL 및 바이오연료는 자동차와 트럭에 연료를 공급하기 위한 좋은 대체 옵션

미래의 CO2 중립 연료, e-연료의 지속가능성

“e-연료, BtL 및 바이오연료는 자동차와 트럭에 연료를 공급하기 위한 좋은 대체 옵션이다. 성공적으로 사용하려면 여전히 일부 개발 작업 필요”

2035년부터는 디젤이나 휘발유를 연료로 사용하는 신차를 EU에 등록할 수 없다. 기후 변화에 대응하기 위해 CO2 배출량을 획기적으로 줄이기 위한 조치다. 디젤과 가솔린을 그렇게 쉽게 교체할 수 있을까? 소위 e-연료와 바이오 연료의 장점과 단점에 대한 개요와 미래의 이동성을 전망해본다. 

▲ e-연료는 변환 과정에서 많은 에너지가 손실되기 때문에 효율성이 15%에 불과하다. (출처:https://www.swr.de/)

 

2035년부터는 디젤이나 휘발유를 연료로 사용하는 신차를 EU에 등록할 수 없다. 2023년 3월 28일 공식화됐다. 기후 변화에 대응하기 위해 CO2 배출량을 획기적으로 줄이기 위한 조치다. 화석 에너지를 태우면 많은 양의 온실가스가 방출되기 때문이다. 온실 효과는 자연스러운 과정이지만, 대기 구성이 불균형해지고 온실가스가 많아지면 우주의 장파 열복사가 줄어들어 지구가 점점 더 빨리 가열된다.

 

화석 연료는 석탄, 석유, 이탄 또는 천연가스와 같은 연료에서 얻는다. 모두 제한된 범위에서만 사용할 수 있는 자원이다. 지금 대부분 사람은 지구 온난화가 멈춰야 할 위험한 상황이라는 것을 알고 있다. 전 세계적인 기후위기로 탄소중립에 대한 관심이 커지면서 우리나라는 2050 탄소중립ㆍ녹색성장 기본계획을 수립했다. EU는 온실가스 배출량을 이르면 2030년까지 최소 55% 감소해야 하며, 2050년까지 기후 중립을 달성해야 한다. 진보적인 조치를 취해야만 성공할 수 있는 프로젝트다. 이번 호에서는 차량에 사용되는 대체 연료의 지속가능성을 알아본다. 대체 드라이브 유형은 어떤 기회를 제공할까? 디젤과 가솔린을 그렇게 쉽게 교체할 수 있을까? 소위 e-연료와 바이오 연료의 장점과 단점에 대한 개요와 미래의 이동성을 전망해본다. 

2030년까지 e-연료의 글로벌 시장 전망

미래의 자동차는 기후 중립이 될 것이다. 대체 연료와 드라이브는 CO2 배출을 줄이고 기후 보호를 촉진할 수 있는 기회를 제공한다. 합성 연료는 배출가스 없는 운전을 향한 중요한 구성 요소다. 야심 찬 기후 목표를 달성하려면 특히 운송 부문에서 오염 물질 배출량을 더욱 줄여야 한다. 업계에서는 이를 위해 다양한 기술 솔루션을 개발했다. 소위 e-연료라고 불리는 합성 연료는 가솔린이나 디젤과 같은 연소 엔진에 사용될 수 있기 때문에, 미래의 이동성에 중요한 역할을 한다. 순수 재생 가능 에너지로 생산된 경우 자동차뿐만 아니라 트럭, 선박, 비행기를 이용해 사실상 CO2 중립적인 운송이 가능하다. 순수 전기 구동 운송 수단도 생산 과정에서 많은 CO2 배출을 발생시키기 때문에 이 기술은 점점 더 중요해지고 있다.

e-연료란?

e-연료는 Power-to-X 기술, 보다 정확하게는 Power-to-Liquid 프로세스를 사용해 전기, 물 그리고 이산화탄소로부터 생산되는 합성 생산 연료다. 이 프로세스는 피드백 프로세스를 활용한다. 나중에 소비하는 동안 배출되는 만큼의 이산화탄소가 생산 중에 결합된다. 이는 사용되는 전기가 재생 에너지에서 나오고 CO2가 환경에서 나오는 경우에만 가능하다. 이 용어는 영어에서 유래됐으며 "Electrofuels"의 약어다. 이 기술의 가장 중요한 목표는 운송 부문을 탈탄소화하여 e-연료를 확장 가능한 방식으로 최종 제품에 사용할 수 있도록 하는 것이다. 즉, 많은 수정을 가하지 않고도 가솔린이나 디젤과 같은 연소 엔진에 사용할 수 있다. e-연료 또는 PtX 연료는 액체일 수도 있고 기체일 수도 있다. 액체 PtX 연료는 PtL 연료(Power-to-Liquid)라고도 하며, 기체 연료는 PtG 연료(Power-to-Gas)라고도 한다.

합성 연료는 어떻게 만들어지나?

e-연료 생산의 기반은 그린 수소를 생산하는 Power-To-Liquid 기술이다. 화학공정에서는 먼저 전기분해에 필요한 재생 에너지로부터 전기를 생산한다. 전기분해는 전기가 물을 수소와 산소로 화학적으로 분리하는 과정이다. 간단히 말하면, 하전입자가 전극으로 이동해 분리될 때 기본 수소가 생성된다. 이산화탄소를 추가하면 별도의 반응으로 합성 가스가 생성되며, 이는 후속 단계의 기초가 된다. 사용되는 이산화탄소는 환경에서 추출하거나 연소 배기가스에서 나오는 CO2를 사용하는 탄소 포집 활용 및 저장 기술을 사용하여 저장할 수 있다. 중간 생성물인 합성 가스에는 추가 처리에 필요한 탄소, 산소 및 수소 원소가 포함돼 있다. 이 가스는 특별한 공정을 통해 합성된다. 

▲ 수소는 효율성과 비용 측면에서 개선의 여지가 여전히 많다.

e-연료는 얼마나 효율적인가?

대체 드라이브의 효율성을 살펴보면 효율성, 즉 엔진에 공급된 에너지 중 얼마나 많은 양을 실제로 사용할 수 있는지를 의미한다. e-연료는 변환 과정에서 많은 에너지가 손실되기 때문에 효율성이 15%에 불과하다. 이에 비해 전기 자동차의 효율은 약 80%이고 가솔린 엔진은 약 20%이다. 효율성은 무엇보다도 각 차량 유형과 개인의 운전 스타일에 따라 달라진다. e-연료의 전반적인 효율성이 낮아 기존 차량에만 사용될 것이다. 이 분야에서는 높은 비용이 들고 기후 친화적인 대안이 아직 너무 적다. e-연료 생산은 어디에서나 제한 없이 가능하는 것이 장점이다. 손실 없이 무료로 장거리 운송도 가능하다. 또한 대체 드라이브 유형은 가솔린과 디젤을 완전히 대체할 수 있다. e-연료 사용에 반대하는 이유로는 특히, 전기 자동차에 비해 전기 연료의 효율성이 매우 낮다. e-연료의 생산은 비용이 많이 들고 생산 시설이나 첨단 기술을 구축하기 위해 막대한 투자가 필요하다. 그리고 e-연료의 생산 및 운송으로 인한 환경 영향을 아직 완전히 배제할 수는 없다.

BtL과 바이오연료란?

디젤과 가솔린의 또 다른 대안은 BtL 또는 바이오 연료다. BtL 연료(바이오매스-액체)는 재생 가능한 원료의 다양한 전환 경로에서 얻은 바이오 연료를 가리키는 포괄적인 용어이다. 2세대 바이오 연료에 할당될 수 있다. 바이오매스로부터 합성 연료를 생산할 때 특히 나무나 짚과 같은 셀룰로오스가 풍부한 재료가 사용된다. 이 바이오매스는 가스화돼 소위 합성 가스가 생성되고 후속 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성을 통해 연료가 만들어진다. 이 공정은 헥타르당 연료 생산량이 높아 이것이 바로 BtL 연료가 지속 가능한 것으로 간주되는 이유다. 2세대 바이오 연료(BtL 연료)는 식품으로 사용할 수 없는 식물 재료로만 생산된다. 반면, 1세대 바이오연료는 설탕, 기름, 전분 등의 성분을 극히 일부분만 사용하며, 식물 대부분은 동물 사료로 사용되는데, 이것이 BtL 연료와 다르다. 이 BtL 연료를 생산하는 데 완전히 사용될 수 있다. BtL 연료를 생산하는 공정은 복잡하고 현재 개발 중이다. 이것이 바로 BtL 연료가 아직 시장에 출시되지 않은 이유다. 

1세대 바이오 연료와 관련해 BtL 연료의 장점과 단점을 자세히 살펴보면, BtL 연료의 사용은 화석 자원을 보존하고 CO2 배출을 방지하며 지역 경제를 강화한다. 1세대 바이오연료와 달리 식물 전체를 생산에 사용할 수 있어 다양한 식물 바이오매스가 적합하다. 1세대 바이오 연료(예: 에탄올 또는 바이오 디젤)와 달리 BtL 연료를 사용하기 위해 엔진을 전환할 필요가 없다. BtL 연료 사용에 반대하는 이유는 바이오매스가 제한돼 있기 때문에 농업과 임업 지역을 사용해야 한다. BTL 연료는 생산 공정이 광범위하고 복잡해 현재 생산비용이 높은 것으로 분류된다. 또한 제조 공정이 완전히 기후 친화적이지는 않다.

e-연료, BtL 연료, 바이오연료 – 그리고 또 무엇?

연소 엔진 금지 계획이 공표됐을 뿐만 아니라 앞으로는 화석 연료를 피해야 한다는 것이 분명해졌다. 이에 따라서 휘발유와 디젤을 대체할 수 있는 대안은 이미 많이 있다. 전기 자동차는 기후 친화적인 이동성에 있어서 확실히 선구자다. 그러나 전기 외에도 다른 연료도 많은 잠재력을 제공한다.

○ HVO(Hydrogenated Vegetable Oils 수소화 식물성 기름)
생산 과정에서 식물성 기름은 촉매 반응과 수소 첨가를 통해 탄화수소로 전환된다. 수소화 식물성 오일은 디젤을 대체하기 위한 것이다. HVO를 사용하기 위해 엔진을 변환할 필요는 없지만 HVO를 순수 연료로 사용하는 것은 독일에서는 아직 허용되지 않았다.
○ 수소
수소는 특히 운송 산업에서 전기 모터의 좋은 대안으로 이미 많이 논의되고 있다. 전기분해를 이용해 수소를 생산한다. 이를 위해서는 많은 전기가 필요하며, 이상적으로는 재생 에너지에서 나오는 전기를 소위 녹색 수소라고 한다. 우리나라에서도 수소 추진이 추진되고 있으며 미래의 대안으로 여겨지고 있다. 그러나 특히 효율성과 비용 측면에서 개선의 여지는 여전히 많다.

▲ 1세대 바이오연료는 설탕, 기름, 전분 등의 성분을 극히 일부분만 사용하며, 식물 대부분은 동물 사료로 사용되는데, 이것이 BtL 연료와 다르다. pixabay

○ LPG(Autogas) 및 천연가스
우선, 천연가스는 주로 메탄으로 구성되어 있는 반면, LPG는 원유와 천연가스의 정제소에서 얻는 부산물이기 때문에 천연가스와 LPG를 혼동해서는 안 된다. 두 연료 모두 우리나라에서는 이미 사용할 수 있지만 실제로 미래가 있을까? 둘 다 휘발유의 대안이지만, 천연가스가 더 환경친화적이고 저렴하다. 두 변형 모두 변환이 필요하다.

미래의 연료 – 디젤과 가솔린을 대체할 것은 무엇일까?
좋은 아이디어는 많이 있다. 여러 분야에서 연구, 질문 및 추가 개발이 진행되고 있다. 왜냐하면. 한 가지 확실한 점은 연소 엔진 금지령이 올 것이라는 점이다. 그러나 금지 조치가 단순히 기존 연료에 대한 대안을 찾는 인센티브가 되어서는 안 된다. 궁극적인 목표는 기후변화에 효과적으로 대응하기 위해 CO2 배출량을 획기적으로 줄이는 것이다.

e-연료, BtL 및 바이오연료는 자동차와 트럭에 연료를 공급하기 위한 좋은 대체 옵션이다. 그러나 성공적으로 사용하려면 일부 개발 작업이 여전히 필요하다. 현재 전기 자동차는 기후 친화적인 이동성에 있어서 선두를 달리고 있지만 많은 잠재력을 지닌 다른 대안도 있다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]