태양 에너지를 이용해 메탄올이나 케로신을 만든다

(The solar fuel reactor harnessing heat from concentrated sunlight to convert carbon dioxide and water into syngas. Credit: ETH Zurich)

취리히 스위스 연방 공과 대학 (ETH Zurich)의 과학자들이 좀 더 상용화에 가까운 태양 에너지 합성 연료 기술을 개발했습니다. 오래 전에도 소개한 적이 있는데, 이 대학의 연구팀은 태양열과 촉매를 이용해 물과 이산화탄소를 케로신 같은 합성 연료와 산소로 만드는 연구를 진행하고 있습니다. 과거 연구가 실험실 수준의 연구였다면 이번에 공개한 것은 지붕에 설치할 수 있는 작은 프로토타입 합성 연료 생산 장치로 실제 소규모 생산도 가능하다는 점에서 한 걸음 실용화에 더 다가선 결과입니다.

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연구팀이 개발한 프로토타입 장치는 크게 세 부분으로 되어 있습니다. 대기 중에서 이산화탄소와 물을 추출하는 직접 공기 중 포획 유닛 (direct air capture unit), 태양열로 산소를 환원시키는 태양 환원 유닛 (solar redox unit), 가스를 액체로 바꾸는 액화 유닛 (gas-to-liquid unit)이 그것입니다.

가장 중요한 환원 유닛 반응 용기는 산화 세륨 (cerium oxide) 세라믹으로 코팅되어 있습니다. 태양 에너지로 섭씨 1500도까지 온도를 올리면 산소가 세륨과 분리되는데, 여기에 물과 이산화탄소를 넣으면 세륨이 산소와 결합하면서 일산화탄소와 수소의 합성가스 (syngas)가 생기는 원리입니다. 따라서 환원/산화 사이클마다 번갈아가면서 반응이 일어날 수 있게 반응 용기가 두 개입니다. (아래 영상 참조) 얻어진 합성가스는 적절한 촉매를 더해 케로신이나 메탄올로 바뀌게 됩니다.

(동영상)

연구팀이 개발한 5kW 프로토타입 장치는 하루 32ml에 메탄올을 생산할 수 있습니다. 거창한 이론에 비해서 매우 적은 생산량이지만, 규모를 키울 경우 생산량을 크게 늘릴 수 있다는 것이 연구팀의 주장입니다. 100MW급 태양 에너지 플랜트 10개는 하루 95000리터의 케로신을 생산할 수 있습니다. A350 여객기가 런던 - 뉴욕 노선을 왕복할 수 있는 수준입니다. 전 세계 항공기에 필요한 연료를 대기 위해서는 45000㎢ 면적의 플랜트가 필요할 것으로 예상됩니다.

당연히 경제성이 있느냐는 의구심이 들 수밖에 없는데, 결국은 에너지 변환 효율을 크게 높이고 변환 과정을 더 단순하게 만들 수 있는 기술이 필요할 것으로 생각됩니다.

참고

https://newatlas.com/energy/synthetic-fuel-solar-kerosene/

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04174-y

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