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이퓨얼

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목차

1. 개요

이퓨얼(e-fuel)은 수소와 이산화탄소를 인공적으로 합성하여 생산하는 탄화수소 연료를 의미한다. 바이오매스 활용 또는 직접 공기 포집 방식을 통해 생산되며, 그린 수소를 활용하여 탄소 중립적인 생산이 가능하다. 이퓨얼은 높은 에너지 밀도와 저장, 운송, 연소 특성을 갖춰 기존 화석 연료를 대체할 수 있으며, 주로 항공 연료, 디젤 연료 등의 운송 연료로 사용된다. 이퓨얼의 가격 경쟁력 확보를 위해선 저렴한 전기 비용과 높은 가동 시간이 중요하며, 재생 에너지 잠재력이 높은 지역에서 생산하는 것이 유리하다. 이퓨얼 관련 연구 개발은 미국 에너지부의 지원을 받아 진행되었으며, 군사 이동성 분야에서 탈탄소화 경로로 주목받고 있다. 그러나, 일부 초기 생산 공정은 화석 연료 전력을 사용하고, 메탄과 아산화 질소 배출로 인해 비판을 받기도 한다.

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이퓨얼
개요
종류액체 연료
특징탄소 중립적인 드롭인 대체 연료
상세 정보
정의미생물 전기 합성을 통해 이산화탄소와 물을 다탄소 세포외 유기 화합물로 전환하거나, 전기를 사용하여 물을 분해하는 등의 방법으로 생산된 연료
응용 분야항공 산업의 지속 가능한 연료 공급

2. 특성

전기 연료(Electrofuelseng)는 수소와 이산화탄소로부터 인공적으로 합성된 탄화수소이다. 이산화탄소는 세 가지 다른 경로를 통해 얻을 수 있는데, 주변 공기에서 직접 포집하거나(직접 공기 포집), 발전소와 같은 특정 배출원에서 포집하거나(탄소 포집 및 유틸리티), 또는 바이오매스를 활용하는 방식이다. 기후 변화에 효과적으로 대응하기 위해서는 바이오매스를 활용하거나 직접 공기 포집 방식을 통해 대기 중 이산화탄소를 사용하는 것이 더 선호된다.[3] 바이오매스를 사용할 경우, 바이오가스나 바이오에탄올 생산 과정에서 발생하는 부산물 CO2를 분리하고 정제하여 활용할 수 있다. 직접 공기 포집은 공기를 흡입하여 특수한 흡착제를 통해 이산화탄소를 분리하는 기술이며, 이후 열에너지를 가해 분리된 이산화탄소를 얻는다.[3]

수소 생산 역시 다양한 방법이 있지만, CO2 배출이 없는 진정한 의미의 친환경 전기 연료를 만들기 위해서는 재생 가능 전기를 사용하여 물을 물 전기 분해하여 얻는 그린 수소 생산이 필수적이다.[3]

이렇게 얻어진 수소와 이산화탄소는 합성 가스 형태로 전환된 후, 후속 합성 공정을 통해 최종적인 연료로 만들어진다. 과거부터 탄소와 수소를 이용한 연료 합성 기술은 존재해 왔으며, 전기 연료 생산에도 다음과 같은 공정들이 활용될 수 있다.[4]


  • 피셔-트롭슈 공정
  • 메탄올-가솔린 공정 (모빌 공정)


전기 연료는 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하여 저장하는 2차 에너지원이다. 높은 에너지 밀도를 가지며 저장 및 운송이 용이하고, 연소 특성이 기존 연료와 유사하다는 장점이 있다. 화학적으로 화석 연료와 동일하기 때문에[3] 기존의 내연기관 차량뿐만 아니라 해상 운송, 파이프라인, 유조선, 주유소 등 현재 사용 중인 인프라를 변경 없이 그대로 활용할 수 있다는 점이 큰 강점이다.[3] 또한, 저장 및 운송이 까다로운 수소를 직접 사용하는 것에 비해 취급이 용이하다는 이점도 있다.

이러한 특성으로 인해 전기 연료는 주로 운송 부문에서 기존 연료를 보완하거나 장기적으로 대체할 수 있는 유력한 대안으로 여겨진다. 특히 항공 연료, 디젤 연료, 벙커 C유와 같은 액체 연료의 대체재로서 주목받고 있다.[2]

3. 가격

2018년 아고라 베어케어벤데(Agora Verkehrswende)가 발표한 연구 "전기 기반 합성 연료의 미래 비용"에 따르면, e-연료와 같은 합성 연료가 가격 경쟁력을 갖추기 위해서는 두 가지 조건이 충족되어야 한다. 첫째, 높은 가동 시간이 필요하다. e-연료 생산 시설은 초기 투자 비용이 크고 고정 비용이 높기 때문에, 가동 시간이 길수록 생산 단가가 낮아진다. 연구에서는 연간 최소 3,000~4,000 시간의 가동이 필요하다고 분석했다.[5]

둘째, 저렴한 전기 비용이 중요하다. e-연료 합성은 막대한 양의 전기를 소모하며, 에너지 변환 과정에서 손실이 발생한다. 따라서 생산 비용을 낮추기 위해서는 저렴한 재생 가능 전기 확보가 필수적이다.

이러한 이유로, 연구에서는 북해나 발트해의 해상 풍력 터빈에서 생산된 전기보다는, 일조량이 풍부하고 바람이 강한 지역에서 e-연료를 생산하는 것이 더 유리하다고 제안한다. 연구에서 조사된 세 지역은 e-연료 생산에 좋은 조건을 갖추고 있어 가격을 크게 낮출 잠재력이 있는 것으로 나타났다. 예를 들어, 북아프리카와 중동 지역에서 태양광 발전 시스템을 활용할 경우, 2030년까지 합성 액체 연료의 생산 비용을 킬로와트시(kWh)당 11유로센트(€ct/kWh)까지 낮출 수 있을 것으로 예측되었다. 이는 리터당 0.96EUR 또는 갤런당 3.63EUR에 해당한다 (세금 미포함, 갤런당 3.94USD, 2024년 5월 26일 계산 기준). 또한, 아이슬란드의 풍부한 지열 에너지를 활용하는 방안도 주목할 만하다고 언급되었다.[5]

독일의 프로그노스(Prognos AG), 프라운호퍼 환경·안전·에너지 기술 연구소, 독일 바이오매스 연구 센터(DBF)가 2018년에 공동으로 발표한 보고서에서도 비슷한 결과가 나왔다. 이 보고서에 따르면, 2050년까지 MENA 지역에서 피셔-트롭쉬 공정을 이용해 e-연료를 생산할 경우, 이자율, 전기 분해 효율, 직접 공기 포집 비용, 전기 비용, 투자 및 생산 비용 등 다양한 요인에 따라 제조 비용은 리터당 최소 0.7유로에서 1.3유로까지(세금 미포함, 갤런당 2.88USD ~ 5.34USD, 2024년 5월 26일 계산 기준) 사이가 될 것으로 예상된다.[4]

4. 효율

전기 연료(eFuel)의 효율성은 단순히 차량 자체의 효율만이 아니라, 전체 에너지 시스템 관점에서 평가해야 한다는 주장이 있다. 재생 에너지 잠재력이 매우 높은 지역들은 종종 에너지 수요가 낮은 곳에 위치하는데, 이러한 지역에서 생산된 전기를 액체 연료 형태로 변환하면 전기 자체를 운송하는 것보다 용이하게 에너지를 필요한 곳으로 옮길 수 있다. 옹호 단체인 eFuel Alliance와 같은 출처에 따르면, 평가는 차량의 효율성뿐만 아니라 에너지 시스템에서 생성된 에너지의 얼마나 많은 부분이 운동 에너지로 변환될 수 있는지도 고려해야 한다.

이동성의 전체 효율


이러한 맥락에서, 일부 연구는 재생 에너지 잠재력이 높은 지역의 발전 설비 가동률(전체 부하 시간)을 고려할 때, 전기 연료를 사용하는 내연 기관 차량의 전체 에너지 효율이 상당히 개선될 수 있다고 본다. 카를스루에 공과대학은 내연 기관의 낮은 효율이 유리한 지역에서의 발전량 증가로 상쇄될 수 있다고 분석했다. 실제로 일부 유리한 지역은 동일 설비 용량으로 다른 지역보다 최대 3배 더 많은 전체 부하 시간을 가지며 최대 3배 더 많은 전기를 생산할 수 있다.

프론티어 이코노믹스는 2020년 연구에서, 재생 에너지 잠재력이 매우 높은 유리한 지역에서 생산된 전기 연료를 사용할 경우, 내연 기관 차량이 배터리 전기차와 유사한 수준의 효율을 달성할 수 있다고 밝혔다. 이 연구에 따르면, 이러한 조건에서는 효율 비율이 기존에 알려진 5-7배 차이가 아닌, 1.6배 수준으로 관리 가능해진다 (예: "이동성의 전체 효율" 그림 참고).[19]

eFuel Alliance는 "전기 연료의 효율성 부족에 대한 관점은 오해의 소지가 있다"며, "전 세계 에너지 전환에 중요한 것은 전기의 최종 사용 효율이 아니라 재생 에너지에서 전기를 얼마나 효율적으로 생산하고 사용할 수 있도록 하는가이다"라고 강조한다.[20]

5. 연구 개발

액체 전기연료(electofuels) 연구에 대한 주요 자금 지원은 에릭 툰이 이끄는 미국 에너지부 산하 첨단 연구 프로젝트국(ARPA-E)의 전기연료 프로그램에서 이루어졌다.[6][34] ARPA-E는 2009년 버락 오바마 대통령의 에너지부 장관 스티븐 추에 의해 설립되었으며, 이는 에너지부가 국방부의 DARPA의 성공 사례를 모델로 삼으려는 시도였다.

이 프로그램에서 자금을 지원받은 대표적인 프로젝트로는 마이클 린치[7]가 이끈 OPX 바이오테크놀로지의 바이오 디젤 연구[35]와 매사추세츠 대학교 애머스트의 데릭 러블리가 수행한 미생물 전기합성 연구가 있다.[8][36] 러블리의 연구는 CO2를 원료로 사용하여 최초의 액체 전기연료를 생산한 것으로 알려져 있다.[9][10]

2011년 11월, 미국 화학 공학회가 후원하는 제1회 전기연료 컨퍼런스가 프로비던스에서 개최되었다.[11][37] 이 컨퍼런스에서 에릭 툰 국장은 "프로그램을 시작한 지 18개월 만에, 우리는 이것이 작동한다는 것을 알고 있습니다. 우리는 이것이 중요한 문제가 될 수 있는지 알아야 합니다."라고 언급하며 초기 성과와 가능성을 시사했다. 몇몇 연구 그룹은 개념 증명 단계를 넘어 비용 효율적인 규모 확대를 추진하고 있다. 포르쉐는 현재 갤런당 45USD로 추정되는 e연료 비용으로 이 분야에서 주목받는 기업 중 하나이다.[12]

전기연료는 탄소 중립적인 방식으로 생산될 경우 석유 연료보다 저렴해질 수 있으며, 전기합성으로 생산된 화학 원료가 원유 정제보다 경제성을 갖추게 된다면 파괴적 혁신을 가져올 잠재력이 있다. 또한, 다양한 재생 가능 에너지원을 액체 연료 형태로 편리하게 저장하고 발전 제약 문제를 완화함으로써 재생 에너지 활용 방식을 크게 변화시킬 가능성도 지닌다.[13]

2014년 이후, 프래킹 붐으로 인해 천연가스 가격이 하락하면서 ARPA-E의 연구 초점은 전기 원료에서 천연가스 기반 원료로 일부 이동하게 되었다.[14][38]

그럼에도 불구하고 여러 기업에서 전기연료 연구 개발을 지속하고 있다. 2021년, 아우디는 e-디젤과 e-가솔린 프로젝트를 진행 중이라고 발표했다.[15] 2020년에는 전 F1 엔지니어 패디 로우가 설립한 영국 회사 제로가 '페트로생성(petrosynthesis)'이라는 공정을 통해 지속 가능한 연료를 만드는 기술을 개발했으며, 옥스퍼드 근처 비스터 헤리티지 비즈니스 센터에 개발 공장을 설립했다.[16] 사우디아라비아의 국영 석유 기업 아람코 등과 협력하여 합성 연료인 e-fuel을 F1에 도입하려는 계획도 진행 중이다.[39]

2023년 9월, 스텔란티스(주요 브랜드: 알파 로메오, 푸조, 오펠, 시트로엥, 크라이슬러)는 사우디 아람코와의 장기간 테스트를 거쳐, 유럽 내 2,800만 대의 자사 차량에 전기연료 사용을 승인할 것이라고 발표했다. 이 테스트는 2014년 이후 유럽에 출시된 24개 엔진 제품군을 대상으로 배기가스 배출량, 시동성, 엔진 성능, 내구성, 오일 희석, 연료 계통 영향, 극한 환경에서의 성능 등을 평가했으며, 스텔란티스는 이를 통해 2050년까지 최대 4억 톤의 CO2 배출을 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.[17]

2023년, NATO 에너지 안보 우수 센터에서 발표한 연구는 e-연료가 육상, 해상, 항공 분야에서 군사 이동성의 탈탄소화를 위한 가장 유망한 경로 중 하나라고 평가했다.[18]

6. 비판 및 논란

일부 전기 연료 생산 공정은 재생 불가능한 화석 연료를 사용하여 생산된 전력으로 운영된다는 비판이 있다. 다만, 학계에서는 전기 연료 생산 초기 단계에서는 이러한 방식이 불가피할 수 있다는 점을 인정하기도 한다.[21]

2021년, 옹호 단체인 유럽 운송 및 환경 연맹(T&E, European Federation for Transport and Environmenteng)은 항공 부문과 해운 부문에서 기후 변화 영향을 줄이기 위해 e-케로신 사용을 권고했다.[22][23] 그러나 자동차에서의 전기 연료 사용에 대해서는 비판적인 입장을 보였다. 전기 연료 연소 시, 생산 과정에서 포집했던 이산화 탄소(CO2) 외에도 메탄(CH4)과 아산화 질소(N2O)와 같은 다른 주요 온실 가스가 배출될 수 있다는 점을 지적했다. 또한, 지역 대기 오염 문제도 여전히 발생하며, 에너지 효율성 측면에서도 직접적인 전력화 방식에 비해 5배가량 비효율적이라고 밝혔다.[24]

7. 국제 협력

NATO 에너지 안보 우수 센터는 2023년 연구를 통해 e-연료가 육상, 해상, 항공 분야에서 군사 이동성을 위한 유망한 탈탄소화 경로 중 하나라고 평가했다.[18]

F1에서는 사우디아라비아 국영 석유 기업 아람코 등의 협력을 얻어 합성 연료인 e-fuel 도입을 계획하고 있다.[39]

주요 자동차 제조사들도 e-fuel 개발 및 도입에 적극적으로 나서고 있다. 포르쉐는 e-fuel 개발의 선두 주자 중 하나로, 갤런당 45USD로 추정되는 생산 비용에도 불구하고[12] 2020년 후반 전기만으로는 탄소 중립 목표 달성에 한계가 있다고 판단하여 e-fuel에 주목했다. 포르쉐는 지멘스 에너지, AME, ENAP, ENEL 등과 협력하여 칠레에서 "Haru Oni" 프로젝트를 시작했다. 이 프로젝트는 풍력 발전을 이용해 공기 중 CO2를 포집하고 수소와 결합하여 합성 메탄올을 생산하며, 이를 기반으로 e-Diesel, e-Gasoline, e-Kerosene 등을 제조하는 것을 목표로 한다.[40] 포르쉐는 이 프로젝트를 "세계 최초의 통합된 상업적, 산업적 규모의 기후 중립 합성 연료 제조 플랜트"라고 설명했다. 2022년에는 13만L의 e-Fuel을 생산했으며, 2026년까지 생산량을 5.5억L로 늘릴 계획이다. 생산된 연료는 포르쉐 모터스포츠 차량, 포르쉐 익스피리언스 센터에서 사용되며, 최종적으로는 시판 차량에도 적용될 예정이다.[41]

아우디는 2021년 e-디젤과 e-가솔린 프로젝트를 진행 중이라고 발표했다.[15] 스텔란티스는 아람코와 장기간 테스트를 거친 후, 2023년 9월 유럽 내 2,800만 대의 자사 차량에 e-fuel 사용을 승인할 것이라고 발표했다. 이 테스트는 2014년 이후 유럽에 출시된 24개 엔진 제품군을 대상으로 배기가스 배출량, 시동성, 엔진 성능, 신뢰성, 내구성, 오일 희석, 연료 시스템 호환성, 극한 환경에서의 성능 등을 평가했다. 스텔란티스는 이를 통해 2050년까지 최대 4억 톤의 CO2 배출을 줄일 수 있을 것으로 기대한다.[17]

영국에서는 2020년 전 F1 엔지니어 패디 로우가 설립한 제로가 '페트로신세시스(petrosynthesis)' 공정을 개발하여 지속 가능한 연료를 생산하고 있으며, 옥스퍼드 인근 비스터 헤리티지에 개발 공장을 설립했다.[16]

e-fuel 연구 초기에는 미국 에너지부 산하 ARPA-E의 전기연료 프로그램이 주요 자금원 역할을 했다.[6][34] 이 프로그램은 2009년 버락 오바마 행정부의 스티븐 추 에너지부 장관 주도로 설립되었으며,[6] DARPA를 모델로 삼았다.[34] 매사추세츠 대학교 애머스트의 데릭 러블리 연구팀은 이 프로그램의 지원을 받아 미생물 전기합성 기술을 이용해 CO2를 원료로 최초의 액체 e-fuel을 생산하는 성과를 거두기도 했다.[8][9][10] 2011년 미국 화학 공학회 주최로 첫 전기연료 컨퍼런스가 열리는 등 초기 연구가 활발했으나,[11] 2014년경 셰일 가스 붐으로 인해 ARPA-E의 연구 초점이 천연가스 기반 원료로 이동하면서 e-fuel 연구는 상대적으로 관심이 줄어들었다.[14][38] 하지만 이후 기후 변화 대응과 탄소 중립 목표 달성의 중요성이 부각되면서 다시 주목받고 있다. e-fuel은 탄소 중립적으로 생산될 경우 기존 석유 연료보다 저렴해질 가능성이 있으며, 재생 에너지를 액체 연료 형태로 저장하고 운송할 수 있어 재생 가능 에너지 보급 확대에도 기여할 잠재력을 가진다.[13]

8. 프로젝트 사례

포르쉐는 칠레의 Haru Oni 프로젝트를 통해 이퓨얼에 대한 투자를 진행하고 있다. 이 프로젝트는 풍력 발전을 이용하여 공기 중 CO2를 포집하고 이를 수소와 결합하여 합성 메탄올을 생산하는 것을 목표로 한다.[28][40] 포르쉐는 이 프로젝트가 "세계 최초의 통합된 상업적, 산업적 규모의 기후 중립 합성 연료 제조 플랜트"가 될 것이라고 밝혔다. 2022년 12월, 포르쉐와 칠레 회사 HIF 글로벌은 푼타 아레나스에 파일럿 플랜트를 열었으며, 연간 약 130m3의 eFuel 생산을 시작했다. 이 시설은 파일럿 단계 이후 2020년대 중반까지 연간 55000m3, 그로부터 2년 후에는 연간 550000m3까지 생산량을 늘려 수출할 계획이다.[29] 2023년 기준으로 이 시설은 연간 34340gal을 생산하고 있으며, 상업적 적용은 추후 이루어질 예정이다.[30] 2022년에 생산된 13만L의 e-Fuel은 2026년까지 5.5억L로 증가할 예정이며, 포르쉐 모터스포츠 차량, 포르쉐 익스피리언스 센터, 그리고 최종적으로는 시판 차량에 사용될 계획이다.[41]

핀란드에서도 여러 프로젝트가 진행 중이다. 2022년 9월, 핀란드 회사 Q Power는 P2X 솔루션스에 합성 메탄 생산 설비를 판매했다. 이 설비는 2024년 하르야발타에 건설될 20MW 규모의 녹색 수소 생산 공장 옆에 설치될 예정이다.[26] 또한, 노르딕 렌-가스는 탐페레, 라흐티, 코트카, 미켈리, 포리 등 핀란드 여러 지역에서 합성 메탄 생산 프로젝트를 진행하고 있다.[27]

아우디는 2021년 e-디젤과 e-가솔린 프로젝트를 진행 중이라고 발표했다.[15][42] 영국에서는 전 F1 엔지니어 패디 로우가 2020년에 설립한 회사 제로 페트롤리엄이 '페트로생성(petrosynthesis)'이라는 과정을 통해 지속 가능한 연료를 개발하고 있으며, 옥스퍼드 근처 비스터 헤리티지에 개발 공장을 설립했다.[16]

스텔란티스(주요 브랜드: 알파 로메오, 푸조, 오펠, 시트로엥, 크라이슬러)는 2023년 9월, 사우디 아람코와의 장기간 테스트를 거쳐 유럽 내 2,800만 대의 차량에 대해 전기연료 사용을 승인할 것이라고 발표했다. 이 테스트는 2014년 이후 유럽에 설치된 24개 엔진 제품군을 대상으로 배기가스 배출, 시동성, 엔진 성능, 신뢰성, 내구성 등을 평가했으며, 스텔란티스는 이를 통해 2050년까지 최대 4억ton의 CO2 배출을 줄일 수 있을 것으로 예상한다.[17]

또한, 2023년 NATO 에너지 안보 우수 센터에서 발표한 연구는 e-연료가 육상, 해상, 항공 분야에서 군사 이동성을 위한 유망한 탈탄소화 경로 중 하나라고 평가했다.[18]

참조

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[2] 서적 Sustainable synthetic carbon based fuels for transport https://royalsociety[...] The Royal Society 2023-03-07
[3] 웹사이트 The Role of Direct Air Capture in Mitigation of Anthropogenic Greenhouse Gas Emissions https://www.research[...] 2024-05-26
[4] 웹사이트 Status and Perspectives of Liquid Energy Sources in the Entergy Transition https://en2x.de/wp-c[...] 2024-05-26
[5] 웹사이트 The Future Cost of Electricity-Based Synthetic Fuels https://www.agora-en[...] 2024-05-26
[6] 웹사이트 Electrofuels: Microorganisms for Liquid Transportation Fuel http://arpa-e.energy[...] ARPA-E 2013-07-23
[7] 웹사이트 Novel Biological Conversion of Hydrogen and Carbon Dioxide Directly into Free Fatty Acids http://arpa-e.energy[...] ARPA-E 2013-07-23
[8] 웹사이트 Electrofuels Via Direct Electron Transfer from Electrodes to Microbes http://arpa-e.energy[...] ARPA-E 2013-07-23
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[16] 웹사이트 Zero Petroleum to produce synthetic fuels at Bicester https://flyer.co.uk/[...] 2023-01-13
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