석유를 인공적으로 만든다!

새해 벽두 세계적으로 확산되어가는 에너지위기 상황에서 만약  「지금 우리나라 해역에서 어마어마한 양의 석유가 펑펑 쏟아진다면 얼마나 좋을까!」 하는 즐거운 상상을 해본 적이 있습니다.

전 세계가 탄소 감축을 위해 청정에너지 사용을 늘려가고 있지만, 석유 수요는 여전히 높은 편입니다.

그리고 전기차의 보급률이 점증하고 있지만 아직은 내연기관차가 더 많은 실정이며, 글로벌 경제 환경에서 비행기 이용에 대한 수요는 떨어질 줄을 모르고 있습니다.

따라서  세계는 현실적으로 경제생활 영위를 위해 석유에 의존하지 않을 수 없는 실정입니다.

그런데 석유는 전 세계적으로 매장이 편중되어 있습니다. 그래서 세계 각국은 석유를 대체할 연료를 만들 수는 없을까 고민을 하게 되었죠.

사실 석유를 대체할 액체 연료를 만드는 일은 그 역사가 꽤 오래 된 편입니다.

이를 합성 석유(또는 인공 석유)라고 부르는데, 석탄이나 천연가스를 원료로 석유를 인공적으로 만들어내는 것이죠.

합성 석유 개발의 역사는 1910년대로 거슬러 올라갑니다.

당시 화학공학 분야 강국이었던 독일은 전쟁으로 석유를 수입할 수 없을 때를 대비해 석탄에서 석유를 만드는 공법(석탄액화기술)을 개발하기 시작합니다.

석탄액화기술에서 가장 유명한 건 1925년 카이저빌헬름연구소의 화학자 프란츠 피셔와 한스 트롭슈가 개발한  「피셔-트롭슈 공정」이라고 합니다.

간단히 말해 석탄의 탄소와 공기 속 산소를 결합해 일산화탄소를 만든 뒤 여기에 수소를 넣어 반응시켜 액체 탄화수소, 즉 석유를 만드는 것이죠.

이러한 석탄액화기술은 점차 발전을 거듭했습니다.

남아프리카공화국에서는 사솔(Sasol)이라는 화학회사가 독일의 피셔-트롭슈 공정을 개선해 1982년부터 하루 15만 배럴의 합성 석유를 생산하기도 했습니다.

그런데 합성 석유의 관건은 생산량이죠. 매일 15만 배럴의 생산량이라는 것은 지금 우리나라 하루 수요의 약 10%도 되지 못하는 양입니다.

따라서 최근 과학자들은 이러한 전통적인 두 단계를 거치지 않고 촉매를 사용해 천연가스에서 바로 석유를 추출하는 기술을 개발하기도 했습니다.

2030년에는 합성 석유 기술의 발전으로 240만배럴의 공급량을 산출할 수 있을 것으로 전망된다고 합니다.

이렇듯 석탄발전의 경우에는 석탄속의 이산화탄소가 공기 중으로 나오는 것이라 공기 중의 이산화탄소가 늘어나는데,

합성 석유는 공기 중의 이산화탄소로 연료를 만들고 그 이산화탄소가 다시 공기 중으로 배출되는 것이니 지구 전체로 보면 공기 중의 이산화탄소가 늘어나지 않아 탄소중립 연료로 부르기도 한답니다.

한편 합성 석유 외에 또 다른 대안도 있습니다.

생물체를 연소하거나 생물학적 처리공정을 통해 석유를 생산하는 바이오 연료이죠. 가장 대표적인 것이 바로 바이오 디젤과 바이오 에탄올입니다.

폐식용유나 유채꽃, 콩 등에서 식물성 기름을 추출하는 바이오 디젤은 현재 일반 경유와 혼합하여 사용하고 있습니다.

우리나라에서도 바이오 디젤 연구가 활발해 미세 조류로부터 연료를 추출하는 공법을 시험 개발하기도 했습니다.

클로렐라 같은 미세조류를 대량으로 모은 뒤 촉매로 조류의 세포벽을 파괴해 오일을 추출하는 것이죠.

한편 바이오 에탄올은 사탕수수, 옥수수, 밀 등에 함유된 당분을 발효해 제조합니다.

이것 역시 휘발유에 혼합되어 사용해 온실 가스를 줄이는 데 역할을 할 수 있습니다.

바이오 연료 기술도 현재 한창 진행 중인 연구라 획기적인 성과가 계속해서 쏟아지고 있습니다.

최근에는 국내 연구진이 목재 폐기물인 리그닌에서 항공유를 대량생산하는 데 성공했습니다.

리그닌은 목재의 구성성분으로 고분자 화합물인데, 주로 종이를 만들 때 폐기물로 많이 나옵니다.

그 동안 리그닌을 열분해할 때 나오는 리그닌 오일은 점도가 매우 높은 끈적끈적한 상태여서 산업분야에서 활용하기가 어려웠었죠.

그러나 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터에서는 끈적한 리그닌오일을 화학적으로 처리해 점도를 낮추는 기술을 개발하고 이를 이용해 항공유급 바이오연료를 연속공정으로 생산하는데 성공했습니다.

또한 연구팀은 이 오일을 수소를 첨가한 후 고온과 고압을 가해 연료로 쓰기 어렵던 기름을 분해하는 기술을 활용해서 석유 대체 연료로 대량 생산이 가능토록 했다고 합니다.

앞으로 대량생산과 기술개발로 단가를 낮추는 것이 성공의 관건이 되겠죠.

이렇듯 에너지 과학 기술의 발전 속도가 눈부십니다.

이러한 기술이 친환경적으로 온실가스를 줄이고 탄소중립시대를 앞당기면서도 인류의 에너지 문제를 해결해 줄 수 있는 방향으로 발전 되어 나갈 수 있기를 기대해 봅니다.

[참고] 에너지정보문화재단(실험실에서 만드는 석유), 네이버 백과사전(합성 석유), 메르(내연기관의 희망, 인공석유), 한국에너지공단(홈페이지) 등