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CO2를 화학 물질로 바꾸는 탈 탄소화 기술, '인공 광합성'새로운 탈 탄소화 기술, 인공 광합성!
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2018.10.07 18:12
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일본은 지구 온난화 대책과 경제 성장이라는 두 마리 토끼를 잡기 위해 2050년까지 80%의 온실 가스 배출을 줄이겠다는 목표를 세웠다. 이 목표를 실현하기 위해서는 석유나 석탄 등 화석 연료에 대한 의존도를 낮추고, 탈 탄소화를 위한 기술 개발을 적극 추진해야 한다. 그래서 일본이 주목하고 있는 것이 바로 ‘인공 광합성’ 기술이다. 이는 대체 어떤 기술이기에 탈 탄소화를 실현할 수 있다는 것일까?

 

일본이 자랑하는 촉매기술을 활용한 ‘인공 광합성’

여러 산업 분야 중 CO2를 많이 배출하는 분야 중 하나가 바로 화학산업이다. 실제로 일본에서 1년에 배출되는 CO2의 약 6%가 화학산업에서 유래한다. 최근 일본에서 이 문제를 해결하기 위해 떠오르고 있는 기술이 있는데, 그것이 바로 ‘인공 광합성’이다. 이 기술은 화석 연료의 의존도 저감과 탈 탄소화(Decarbonization, 이산화탄소 배출을 저감하기 위해 화석연료에서 벗어나는 에너지 전환)를 실현시키기 위한 핵심 기술로 평가 받고 있다.

인공 광합성을 알아보기 전에 식물에서 이루어지는 광합성에 대해 먼저 짚고 넘어가 보자. 광합성은 식물이 태양 에너지를 이용하여 CO2와 물에서 유기물(녹말)과 산소를 만들어내는 일이다. 인공 광합성은 바로 이러한 식물의 광합성 원리를 본떠 태양 에너지를 활용하여 CO2와 물을 원료로 화학 물질을 합성하는 기술이다.

인공 광합성의 핵심은 일본이 국제적으로 강점을 가지고 있는 ‘촉매 기술’에 있다. 인공 광합성에서는 먼저 '광촉매'라는 빛에 반응하여 특정 화학 반응을 유도하는 물질을 사용한다. 이 광촉매는 태양광에 반응하여 물을 분해함으로써 수소와 산소를 만들어낸다. 그 다음 분리막을 통해 수소만 분리하여 제거한다. 마지막으로 분리한 수소와 CO2를 맞추고 화학 합성을 촉진하는 합성 촉매를 사용하여 올레핀을 만든다.

산학연 제휴로 진행하는 인공 광합성 연구 개발

이 인공 광합성 기술의 실현을 위해 광촉매, 분리막, 합성 촉매 등에 관한 연구 개발이 이루어지고 있다. 2012년부터 일본 경제산업성이 지원하는 연구 프로젝트가 시작되어 2014 년 이후에는 국가 연구 개발 기구인 신 에너지·산업 기술 종합 개발기구(NEDO)에게 이관됐다. 이 외에도 일본을 대표하는 기업, 대학, 국립 연구 기관 등 산학연 연계를 통해 현재도 연구가 진행되고 있다.

이 기술에서 특히 핵심이 되는 것은 태양 에너지로 물에서 수소와 산소를 추출하는 과정을 얼마나 효율화하느냐는 것이다. 이를 판단할 수 있는 지표를 ‘태양 에너지 변환 효율’이라 한다. 인공 광합성을 산업 공정의 일부로 성립시키기 위해서는 저비용으로 효율적인 대량 생산이 가능해야 한다. 이를 위해서는 식물 광합성의 태양 에너지 변환 효율(일반적으로 0.2~0.3%)을 크게 웃도는 태양 에너지 변환 효율을 실현해야 한다 .

따라서 광촉매 기술의 연구 내용은 태양 에너지 변환 효율 향상을 위한 새로운 광촉매를 찾거나 실제로 촉매를 사용하기 위한 형태로 만드는 성형 가공 기술의 연구로 진행되고 있다. 수소와 산소를 별도의 광촉매로 생성하는 '텐덤셀형 광촉매’에서는 2016년에 식물 광합성의 약 10배인 세계 최고 수준의 태양 에너지 변환 효율 3.0%인 광촉매를 개발하기도 했다. 또한 2017 년에는 그 효율이 3.7%로 증가했다. 앞으로도 더욱 고정밀화를 달성하여 궁극적으로 태양 에너지 변환 효율 10% 달성을 목표로 하고 있다.

또한 인공 광합성의 비용 절감을 위한 세계 최초의 기술인 ‘혼합 분말형 광촉매 시트 개발도 동시에 진행되고있다. 이 시트를 물에 가라 앉힌 뒤 태양 에너지에 노출시키면 시트에서 수소와 산소를 생성할 수 있다. 인공 광합성 실용화에 필수적인 대 면적화, 저 비용화에 적합하다. 이 시트의 현재 태양 에너지 변환 효율은 1.1%이지만, 앞으로 효율의 향상이 기대되고 있다.

이 외에도 자외선만 흡수하는 지금까지의 광촉매와 달리, 가시광선까지 흡수하는 새로운 광촉매 재료의 개발도 진행되고 있다. 이 재료가 개발될 경우 더 많은 태양 에너지를 흡수할 수 있기 때문에 높은 효율로 물에서 수소와 산소를 생성할 수 있을 것으로 보인다.

신 재생 에너지인 태양 에너지를 활용하면 심지어 공장에서 나오는 CO2를 원료로 사용할 수도 있다. 이 기술은 화석 연료를 사용하는 경우와 비교하여 화학 제품의 제조 과정에서 상당한 양의 CO2 배출량 절감에 기여할 수 있을 것으로 전망된다. 게다가 CO2를 가져와 탄소 화합물로 함으로써 대기 중 CO2를 줄여 탈 탄소화 실현에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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