합성 연료
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1. 개요
합성 연료는 석탄, 바이오매스, 천연 가스 등 다양한 원료를 화학적으로 변환하여 생산하는 연료를 의미한다. 1913년 베르기우스 공정 개발을 시작으로 제2차 세계 대전 중 독일에서 석유 자원 부족을 해결하기 위해 활용되었다. 합성 연료는 직접 액화 방식과 간접 액화 방식으로 분류되며, 피셔-트롭슈 공정, 메탄올-가솔린 공정 등이 대표적이다. 최근에는 재생 에너지로 생산한 수소를 활용하는 e-fuel 기술이 주목받고 있다. 합성 연료는 에너지 안보 강화, 온실 가스 배출 감소에 기여할 수 있지만, 생산 비용, 환경 문제 등 해결해야 할 과제도 있다.
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| 합성 연료 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 탄소 일산화물과 수소의 혼합물인 합성 가스로부터 얻어지는 액체 연료 |
| 다른 이름 | 인조 석유 액체 연료 합성유 인조 연료 |
| 제조 방법 | |
| 피셔-트롭슈 공정 | 촉매 화학 반응을 이용하여 합성 가스를 액체 탄화수소로 전환 |
| 메탄올-가솔린 전환 (MTG) | 메탄올을 가솔린으로 전환하는 방법 |
| 직접 액화 | 석탄을 직접 액화하여 연료를 생산하는 방법 |
| 합성 가스 공급원 | |
| 화석 연료 | 석탄 가스화 천연 가스 개질 |
| 바이오매스 | 바이오매스 가스화 |
| 재생 에너지 | 전기 분해를 통한 수소 생산 및 탄소 포집을 통한 탄소 일산화물 생산 |
| 응용 분야 | |
| 연료 | 가솔린 디젤 연료 항공 연료 |
| 화학 제품 | 다양한 화학 제품의 원료 |
| 장점 | |
| 자원 다변화 | 다양한 탄소 공급원 활용 가능 |
| 청정 연료 | 특정 공정은 기존 연료보다 깨끗한 연소 가능 |
| 기존 인프라 활용 | 기존 엔진 및 연료 유통 시스템 사용 가능 |
| 단점 | |
| 높은 생산 비용 | 기술적인 복잡성 및 에너지 요구량으로 인해 비용이 높을 수 있음 |
| 탄소 배출 가능성 | 화석 연료 기반 합성 가스 사용 시 탄소 배출 발생 가능 |
2. 역사
합성 연료 기술은 20세기 초 독일에서 처음 개발되었다. 1931년 영국의 과학산업연구부는 그리니치에 수소 가스를 극도로 높은 압력으로 석탄과 결합하여 합성 연료를 만드는 작은 시설을 설립하기도 했다.[18]
제2차 세계 대전 중에는 독일의 주요 연료 공급원으로 활용되었다. 1937년에 뵈렌, 로이나, 마그데부르크/로텐제, 차이츠의 4개 독일 중부 갈탄 석탄 공장과 루르 지역 역청탄 석탄 공장인 숄벤/부어는 의 연료를 생산했다. 그 후 보트로프-벨하임, 겔젠키르헨, 폴리츠에 연간 200,000톤 규모의 새로운 수소화 공장(Hydrierwerkede) 4곳이 세워졌다.[19] 베셀링,[22] 노르트슈테른과 폴리츠/슈테틴은 새로운 블레히함머 공장과 마찬가지로 역청탄을 사용했다.[19] 하이드브레크에서는 식용유를 합성했으며, 이는 강제 수용소 수감자들에게 시험되었다.[23]
연합군의 독일 합성 연료 생산 공장 폭격(특히 1944년 5월에서 6월) 이후, 가이렌베르크 특별 참모는 주로 외국인 35만 명의 강제 노동자를 사용하여 폭격된 합성유 공장을 재건했다.[21] 또한 긴급 분산 프로그램(Mineralölsicherungsplande, 1944-1945)에서 폭격 방지를 위해 7개의 지하 수소화 공장을 건설했지만 완공되지는 않았다.[24] 1944년 7월, 미텔베르크 북쪽 힘멜스부르크에서 "쿠쿠" 프로젝트 지하 합성유 공장(800,000 m2)이 건설 중이었지만, 제2차 세계 대전이 끝날 때까지 미완성 상태였다.[17] 1944년 8월 24일, 소련 붉은 군대가 루마니아의 플로이에슈티 유전을 점령하여 독일이 가장 중요한 천연 오일 공급원에 접근할 수 없게 되자 합성 연료 생산은 더욱 중요해졌다.
2. 1. 초기 개발 (독일)
프리드리히 베르기우스는 1913년에 석탄을 직접 액화하는 베르기우스 공정 특허를 받았다.[14] 1914년 카를 골드슈미트는 베르기우스를 자신의 공장인 Th. Goldschmidt AG(에보닉 산업의 일부)에 산업 공장을 짓도록 초대했고,[15] 1919년에 생산이 시작되었다.[16]1923년 프란츠 피셔와 한스 트롭슈는 석탄을 가스화한 후 합성 연료로 전환하는 피셔-트롭슈 공정을 개발했다.[14]
제2차 세계 대전 (1939-1945) 동안, 독일은 베르기우스 공정과 피셔-트롭슈 공정 등을[17][19] 통해 합성유(Kohleverflüssigungde)를 생산하여 대체(''Ersatz'') 석유 제품을 만들었다. 베르기우스 공장은 나치 독일의 고품질 항공 가솔린, 합성 오일, 합성 고무, 합성 메탄올, 합성 암모니아, 질산의 주요 공급원이었다. 베르기우스 생산량의 거의 3분의 1은 폴리츠(Policepl)와 로이 나의 공장에서 나왔으며, 5개의 다른 공장에서 3분의 1이 더 나왔다.[24],[19]
합성 연료 등급에는 "T.L. [제트] 연료", "최고 품질 항공 가솔린", "항공 베이스 가솔린", "가솔린 - 중간 오일" 등이 있었으며,[19] "생산자 가스" 및 디젤도 합성되었다.[17] 1944년 초, 독일의 합성 연료 생산량은 25개 공장에서 하루 124000oilbbl/d 이상이었다.[20]
2. 2. 전후 발전 (미국, 남아프리카 공화국 등)
제2차 세계 대전 이후, 간접 피셔-트롭슈 (FT) 기술은 미국으로 이전되었다.[14] HRI에서 설계하고 텍사스 브라운스빌에 건설된 7000oilbbl/d 공장은 고온 피셔-트롭슈 전환을 상업적으로 처음 사용한 사례였다. 이 공장은 1950년부터 1955년까지 가동되었으나, 생산 증가와 중동의 대규모 유전 발견으로 석유 가격이 하락하면서 폐쇄되었다.[14]1949년, 미국 광산국은 미주리 루이지애나에 석탄을 휘발유로 전환하는 시범 공장을 건설하고 운영했다.[25] 제2차 세계 대전 이후, 미국에서는 직접 석탄 전환 공장도 개발되었는데, 뉴저지 로렌스빌에 3TPD 공장과 켄터키 캐틀츠버그에 250TPD~600TPD 공장이 건설되었다.[26] 그러나 이러한 공장들은 경제성 문제로 인해 상업화에 이르지 못했다.
한편, 남아프리카 공화국은 국영 석유 회사를 설립하고 대규모 합성 연료 시설을 건설했다. 특히, 남아프리카 공화국의 사솔(Sasol)은 세계 최대 규모의 상업용 피셔-트롭슈 석탄 액화 시설을 운영하고 있다.
3. 분류 및 원리
합성 연료는 생산 방식에 따라 크게 직접 액화 방식과 간접 액화 방식으로 분류된다.
| 공정명 | 개발 주체 | 특징 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 베르기우스 공정 | 독일 | 400°C~500°C, 20~70 MPa 수소 압력에서 반응.[33] | 제1차 세계 대전 이후 개발, 제2차 세계 대전 중 독일 연료 공급에 기여.[34] |
| 코흘로엘 공정 | 루르코흘레, VEBA | 300 bar 압력, 470°C 온도, 관형 반응기 사용.[35] | 1981~1987년, 하루 200톤 갈탄 처리 시범 공장 가동. |
| NEDOL 공정 | JFE 홀딩스, 스미토모 금속 공업, 미쓰비시 중공업 | 150-200 bar 압력, 430°C~465°C 온도, 관형 반응기 사용.[35] | 1970~1980년대 일본 기업 개발. |
| H-Coal 공정 | Hydrocarbon Research, Inc. | 유동층 반응기 사용, 단일 반응기에서 용해 및 오일 개선, 높은 H:C 비율, 빠른 반응 시간. | 높은 가스 수율, 많은 수소 소비, 보일러 오일로만 적합한 낮은 품질.[38] |
| SRC-I 및 SRC-II (용매 정제 석탄) 공정 | 걸프 오일 | 1960~1970년대 미국 파일럿 플랜트 구현.[35] | |
| 셰브론 석탄 액화 공정 (CCLP) | 셰브론 코퍼레이션 | 비촉매 용해기와 촉매 수소 처리 장치 긴밀 연결. | 더 가볍고 이종 원자 불순물이 적은 오일 생산. |
- 간접 액화: 원료를 먼저 가스화하여 합성 가스(일산화탄소와 수소의 혼합물)를 생성한 후, 이 합성 가스를 촉매 반응을 통해 액체 연료로 전환한다.
4. 제조 공정
합성 연료를 생산하는 데 사용될 수 있는 여러 공정은 크게 간접 공정, 직접 공정, 바이오 연료 공정의 세 가지로 나눌 수 있다.
직접 전환 공정은 석탄이나 바이오매스 원료를 가스화를 통한 합성 가스로의 전환을 거치지 않고 중간 또는 최종 제품으로 직접 전환하는 공정이다.[31] 가스화 공정을 거치지 않기 때문에 효율이 높을 수 있지만, 기술적 난이도가 높다는 특징이 있다. 직접 전환 공정은 크게 열분해 및 탄화, 수소화의 두 가지 방법으로 나눌 수 있다.[31]
베르기우스 공정은 수소 첨가 공정을 통해 석탄을 액체로 직접 변환하는 주요 방법 중 하나이다.[32] 이 공정에서는 수소 가스(수소 첨가)가 있는 상태에서 가열하여 석탄을 액화한다. 건조된 석탄은 공정에서 재활용된 중유와 혼합되며, 일반적으로 촉매가 첨가된다. 반응은 400°C에서 500°C 사이의 온도와 20~70 MPa의 수소 압력에서 발생한다.[33] 반응식은 다음과 같다.[33]
:
제1차 세계 대전 이후 독일에서 여러 공장이 건설되었으며, 이 공장들은 제2차 세계 대전 동안 독일에 연료와 윤활유를 공급하는 데 광범위하게 사용되었다.[34]
루르코흘레와 VEBA가 독일에서 개발한 코흘로엘 공정은 독일 보트로프에 건설된 하루 200톤의 갈탄 처리 능력을 가진 시범 공장에서 사용되었다. 이 공장은 1981년부터 1987년까지 가동되었다. 이 공정에서는 석탄을 재활용 용매와 철 촉매와 혼합하고, 예열 및 가압 후 H2를 첨가한다. 300bar의 압력과 470°C의 온도에서 관형 반응기에서 진행된다.[35] 이 공정은 남아프리카 공화국의 SASOL에서도 연구되었다.
1970~1980년대에 일본 기업인 JFE 홀딩스, 스미토모 금속 공업, 미쓰비시 중공업이 NEDOL 공정을 개발했다. 이 공정에서는 석탄과 재활용 용매의 혼합물을 철 기반 촉매와 H2가 있는 상태에서 가열한다. 반응은 150-200bar의 압력에서 430°C과 465°C 사이의 온도에서 관형 반응기에서 발생한다. 생성된 오일은 품질이 낮아 집중적인 개선이 필요하다.[35] 1963년 Hydrocarbon Research, Inc.에서 개발한 H-Coal 공정은 분쇄된 석탄과 재활용 액체, 수소 및 촉매를 유동층 반응기에서 혼합한다. 장점은 용해 및 오일 개선이 단일 반응기에서 일어나고, 생성물의 H:C 비율이 높고 반응 시간이 빠르다는 것이다. 단점은 가스 수율이 높고, 수소 소비가 많으며, 생성된 오일은 불순물 때문에 보일러 오일로만 적합하다는 것이다.[38]
SRC-I 및 SRC-II(용매 정제 석탄) 공정은 걸프 오일에서 개발했으며 1960년대와 1970년대에 미국에서 파일럿 플랜트로 구현되었다.[35]
탄화 공정은 열분해 또는 건류를 통해 이루어지며, 응축 가능한 콜타르, 오일, 수증기, 비응축성 합성 가스, 고체 잔류물인 숯을 생성한다. 응축된 콜타르와 오일은 수소화 반응을 통해 황 및 질소 종을 제거한 후 연료로 가공된다.[38]
탄화의 전형적인 예는 Karrick 공정이다. 이 공정은 1920년대에 루이스 카스 카릭에 의해 발명되었다. Karrick 공정은 저온 탄화 공정으로, 공기가 없는 상태에서 석탄을 약 360.0°C에서 약 748.9°C로 가열한다. 이러한 온도는 일반 콜타르보다 가벼운 탄화수소가 풍부한 콜타르의 생산을 최적화한다. 그러나 생성된 액체는 대부분 부산물이며, 주요 생산물은 반 코크스, 즉 고체 무연 연료이다.[39]
FMC Corporation이 개발한 COED 공정은 유동층을 사용하며, 열분해의 네 단계를 거쳐 온도를 높인다. 열은 생성된 숯의 일부 연소로 생성된 뜨거운 가스에 의해 전달된다. 이 공정의 변형인 COGAS 공정은 숯의 가스화를 추가한다.[38] TOSCO II 오일 셰일 레토르트 공정 및 Lurgi-Ruhrgas 공정과 유사하며, 셰일 오일 추출에도 사용되는 TOSCOAL 공정은 뜨겁게 재활용된 고체를 열 전달에 사용한다.[38]
열분해 및 Karrick 공정의 액체 수율은 합성 액체 연료 생산에 실용적으로 사용하기에는 일반적으로 낮다.[39] 또한, 생성된 액체는 품질이 낮아 자동차 연료로 사용하기 전에 추가 처리가 필요하다. 요약하면, 이 공정이 경제적으로 실행 가능한 양의 액체 연료를 생산할 가능성은 거의 없다.[39]
바이오 연료 기반 합성 연료 공정은 바이오매스를 원료로 사용하며, 일반적으로 가스화 또는 수증기 개질을 통해 바이오매스를 수소와 일산화 탄소의 혼합물인 합성 가스로 변환한다.[27] 이 합성 가스는 피셔-트롭쉬 공정이나 모빌 공정 (메탄올-가솔린, MTG)을 통해 액체 연료로 가공된다.[28] 피셔-트롭쉬 공정에서는 촉매를 사용하여 합성 가스를 반응시켜 디젤 연료 및 항공유 등의 액체 생성물과 왁스를 생산한다.[28]
바이오매스 액화 (BTL)는 간접 변환을 통해 합성 연료를 생산하는 공정 중 하나이다.[29] 석탄과 바이오매스 원료를 결합하여 석탄 및 바이오매스 액화 (CBTL)로 알려진 하이브리드 원료 합성 연료를 생성하는 프로젝트도 있다.[29]
바이오 연료 기반 합성 연료 공정의 한 예로는 수소화 재생 제트(HRJ) 연료가 있다.[40][41] UOP에서는 고체 바이오매스 원료와 바이오 오일 및 지방을 사용하는 두 가지 공정을 개발했다.[42] 고체 2세대 바이오매스 원료를 사용하는 공정은 열분해를 통해 바이오 오일을 생성한 후, 촉매로 안정화 및 탈산소화하여 제트 연료를 생산한다.[42] 천연 오일과 지방을 사용하는 공정은 탈산소화, 수소 분해 및 이성질화 과정을 거쳐 재생 가능한 합성 파라핀계 등유 제트 연료를 생산한다.[42]
4. 1. 간접 전환
간접 전환은 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 합성 연료 생산 기술이다. 전 세계 생산량은 하루 약 260,000 배럴에 달하며, 많은 추가 프로젝트가 활발히 개발 중이다.일반적으로 간접 전환은 바이오매스, 석탄 또는 천연 가스를 가스화 또는 수증기 개질을 통해 수소와 일산화 탄소의 혼합물인 합성 가스로 변환하는 공정을 말한다. 이 합성 가스는 원하는 최종 제품에 따라 피셔-트롭슈 공정, 모빌 공정 등 여러 가지 다른 변환 기술 중 하나를 사용하여 액체 운송 연료로 가공된다.[27]
초기 원료에 따라 석탄 액화 (CTL), 가스 액화 (GTL) 또는 바이오매스 액화 (BTL) 등으로 불린다. 오하이오강 청정 연료, 일리노이 청정 연료, Rentech Natchez와 같은 최소 세 개의 프로젝트는 석탄과 바이오매스 원료를 결합하여 석탄 및 바이오매스 액화 (CBTL)로 알려진 하이브리드 원료 합성 연료를 생성하고 있다.[29]
간접 변환 공정 기술은 연료 전지 차량에 사용하기 위한 수소를 생산하는 데에도 사용될 수 있다.[30]
4. 1. 1. 피셔-트롭슈 (FT) 공정
피셔-트롭쉬 공정은 합성 가스를 촉매 반응시켜 액체 탄화수소(주로 디젤 연료 및 항공유)를 생산하는 기술이다.[28] 이 공정에서는 촉매 존재 하에 합성 가스가 반응하여 액체 생성물 (주로 디젤 연료 및 항공유)과 왁스 (사용되는 FT 공정에 따라 다름)로 변환된다.[28] 메탄으로부터 일산화 탄소(CO)와 수소(H)로 이루어진 합성 가스를 생성한 후, 재합성하여 디젤 연료(경유)나 가솔린을 직접 생성한다.[65] 합성 가스 다음으로 메탄올을 경유하는 MTG라고 불리는 방법도 있지만, 비용 측면에서 FT법이 유리하다.[65] 남아프리카공화국의 사솔과 카타르의 오릭스(Oryx) GTL 등이 대표적인 상업 플랜트이다.4. 1. 2. 메탄올-가솔린 (MTG) 공정
모빌 공정은 합성 가스로부터 메탄올을 먼저 생성한 후, 이를 다시 가솔린으로 전환하는 방식(MTG, Methanol-To-Gasoline)이다.[65] 피셔-트롭쉬 공정에 비해 비용 측면에서 불리한 것으로 알려져 있다.[65] 뉴질랜드의 모빌 공장이 대표적인 사례로 언급된다.4. 1. 3. 메탄화 반응 (이산화탄소 활용)
이산화 탄소(CO2)와 수소(H2)를 합성하여 메탄(CH4)을 제조하는 메탄화 반응은 e-fuel을 생산하는 유용한 방법이다.[65] 이 방법은 공장이나 발전소 등에서 배출되는 이산화 탄소와 대기 중의 이산화 탄소를 활용할 수 있다. 이러한 이산화 탄소 조달에는 이산화 탄소 포집·저장·활용(CCUS) 기술과 공기 중의 CO2 분리 회수(DAC) 기술이 필요하며, 두 기술 모두 실용화를 위해서는 비용 절감이 과제이다.[66]수소는 수소 화합물에 에너지를 가하여 추출하는데, 제조되는 수소는 CO2 배출 형태에 따라 3가지로 나뉜다.[67]
| 종류 | 제조 방법 | 특징 |
|---|---|---|
| 그레이 수소 | 화석 연료 개질 | 기존의 주요 수소 제조 방법, CO2 배출 |
| 블루 수소 | 화석 연료 개질 + CCUS 기술 | 탄소 중립(CN)이지만 비효율적 |
| 그린 수소 | 재생 가능 에너지로 물을 전기 분해 | 완전 탄소 중립(CN)이며 효율적, 미래의 기본이 될 것으로 예상[63] |
4. 2. 직접 전환
직접 전환은 석탄이나 바이오매스 원료를 가스화를 통한 합성 가스로의 전환을 거치지 않고 중간 또는 최종 제품으로 직접 전환하는 공정이다.[31] 직접 전환 공정은 크게 열분해 및 탄화, 수소화의 두 가지 방법으로 나눌 수 있다.[31]직접 전환은 가스화 공정을 거치지 않기 때문에 효율이 높을 수 있지만, 기술적 난이도가 높다는 특징이 있다. 대표적인 직접 전환 공정에는 베르기우스 공정 외에 다양한 수소화 공정과 열분해 및 탄화 공정이 있다.
4. 2. 1. 베르기우스 공정
베르기우스 공정은 석탄을 액체 연료로 직접 전환하는 주요 방법 중 하나이다.[32] 이 공정에서는 수소(수소 첨가)가 있는 상태에서 석탄을 가열하여 액화한다. 건조된 석탄은 공정에서 재활용된 중유와 혼합되며, 일반적으로 촉매가 첨가된다. 반응은 400°C에서 500°C 사이의 온도와 20~70 MPa의 수소 압력에서 발생한다.[33] 반응식은 다음과 같다.[33]:
제1차 세계 대전 이후 독일에서 여러 공장이 건설되었으며, 이 공장들은 제2차 세계 대전 동안 독일에 연료와 윤활유를 공급하는 데 광범위하게 사용되었다.[34]
4. 2. 2. 기타 수소화 공정
루르코흘레와 VEBA가 독일에서 개발한 코흘로엘 공정은 독일 보트로프에 건설된 하루 200톤의 갈탄 처리 능력을 가진 시범 공장에서 사용되었다. 이 공장은 1981년부터 1987년까지 가동되었다. 이 공정에서는 석탄을 재활용 용매와 철 촉매와 혼합하고 예열 및 가압 후 H2를 첨가한다. 300bar의 압력과 470°C의 온도에서 관형 반응기에서 진행된다.[35] 이 공정은 남아프리카 공화국의 SASOL에서도 연구되었다.1970~1980년대에 JFE 홀딩스, 스미토모 금속 공업, 미쓰비시 중공업이 NEDOL 공정을 개발했다. 이 공정에서는 석탄과 재활용 용매의 혼합물을 철 기반 촉매와 H2가 있는 상태에서 가열한다. 반응은 150-200bar의 압력에서 430°C과 465°C 사이의 온도에서 관형 반응기에서 발생한다. 생성된 오일은 품질이 낮아 집중적인 개선이 필요하다.[35] 1963년 Hydrocarbon Research, Inc.에서 개발한 H-Coal 공정은 분쇄된 석탄과 재활용 액체, 수소 및 촉매를 유동층 반응기에서 혼합한다. 장점은 용해 및 오일 개선이 단일 반응기에서 일어나고, 생성물의 H:C 비율이 높고 반응 시간이 빠르다는 것이다. 단점은 가스 수율이 높고, 수소 소비가 많으며, 생성된 오일은 불순물 때문에 보일러 오일로만 적합하다는 것이다.[38]
SRC-I 및 SRC-II(용매 정제 석탄) 공정은 걸프 오일에서 개발했으며 1960년대와 1970년대에 미국에서 파일럿 플랜트로 구현되었다.[35]
4. 2. 3. 열분해 및 탄화 공정
열분해 및 탄화 공정은 석탄 또는 바이오매스 원료를 가스화를 통한 합성 가스로의 전환을 거치지 않고 중간 또는 최종 제품으로 직접 전환하는 공정이다.[31] 이 공정은 산소가 없는 환경에서 물질을 가열하여 액체, 가스, 고체 생성물을 얻는 방식이다.4. 3. 바이오 연료 공정
바이오매스를 원료로 사용하여 합성 연료를 생산하는 공정이다. 일반적으로 가스화 또는 수증기 개질을 통해 바이오매스를 수소와 일산화 탄소의 혼합물인 합성 가스로 변환한다.[27] 이 합성 가스는 피셔-트롭쉬 공정이나 모빌 공정 (메탄올-가솔린, MTG)을 통해 액체 연료로 가공된다.[28] 피셔-트롭쉬 공정에서는 촉매를 사용하여 합성 가스를 반응시켜 디젤 연료 및 항공유 등의 액체 생성물과 왁스를 생산한다.[28]
바이오매스 액화 (BTL)는 간접 변환을 통해 합성 연료를 생산하는 공정 중 하나이다.[29] 석탄과 바이오매스 원료를 결합하여 석탄 및 바이오매스 액화 (CBTL)로 알려진 하이브리드 원료 합성 연료를 생성하는 프로젝트도 있다.[29]
바이오 연료 기반 합성 연료 공정의 한 예로는 수소화 재생 제트(HRJ) 연료가 있다.[40][41] UOP에서는 고체 바이오매스 원료와 바이오 오일 및 지방을 사용하는 두 가지 공정을 개발했다.[42] 고체 2세대 바이오매스 원료를 사용하는 공정은 열분해를 통해 바이오 오일을 생성한 후, 촉매로 안정화 및 탈산소화하여 제트 연료를 생산한다.[42] 천연 오일과 지방을 사용하는 공정은 탈산소화, 수소 분해 및 이성질화 과정을 거쳐 재생 가능한 합성 파라핀계 등유 제트 연료를 생산한다.[42]
4. 4. 오일 샌드 및 오일 셰일 공정
죄송합니다. 주어진 원본 소스에는 "오일 샌드 및 오일 셰일 공정"에 대한 내용이 없습니다. 따라서 해당 섹션에 대한 내용을 작성할 수 없습니다.5. 상업화 현황
전 세계 상업용 합성 연료 공장 생산 능력은 남아프리카 공화국(모스개스, 세쿤다 CTL), 카타르(오릭스 GTL), 말레이시아(셸 빈툴루)의 간접 변환 피셔-트롭쉬 공장과 뉴질랜드의 모빌 공정(메탄올 투 가솔린) 공장을 포함하여 하루 24만 배럴 이상이다.[6][44] 합성 연료 공장 생산 능력은 전 세계 일일 원유 정제 능력 1억 배럴의 약 0.24%를 차지한다.[45]
남아프리카 공화국에 본사를 둔 사솔(Sasol)은 세쿤다에서 150000oilbbl/d의 생산 능력을 갖춘 세계 유일의 상업용 피셔-트롭쉬 석탄 액화 시설을 운영하고 있다.[46] 전 F1 기술 이사 패디 로우(Paddy Lowe)가 공동 설립한 영국 회사 제로 페트롤리엄(Zero Petroleum)은 합성 연료를 개발하기 위해 '페트로신테시스'라는 솔루션을 개발했으며, 2022년에 옥스퍼드 근처 비스터 헤리티지에서 시범 생산 공장 건설을 시작했다.[47]
6. 환경적 측면
합성 연료의 환경적 측면은 사용되는 공정과 원료, 오염 제어 장치의 유무, 원료 조달 및 최종 제품 유통 과정에서의 운송 거리와 방법에 따라 크게 달라진다.[29]
많은 지역에서 공정 설계가 청정 공기, 물, 그리고 수명 주기 탄소 배출에 대한 지역 요구 사항을 충족하지 못하면, 허가 제한으로 인해 프로젝트 개발이 불가능할 수 있다.[49][50]
석탄이나 바이오매스 원료 조달 유형 및 방법에 대한 신중한 고려가 필요하다. 무분별한 개발은 산 정상 절단 채광, 토지 이용 변화, 비료 유출, 식량 대 연료 문제 등 환경 문제를 악화시킬 수 있기 때문이다. 다만, 이는 공장별, 프로젝트별 요인에 따라 달라질 수 있다.
미국 에너지부 국립 에너지 기술 연구소의 연구는 CBTL 수명 주기 배출량에 대한 더 심층적인 정보를 제공한다.[29]
최근에는 청정 전력으로 재활용된 CO, H2 및 포집된 CO2를 바이오매스와 결합하여 바이오매스 필요량을 줄이는 수소-탄소 하이브리드 공정이 폐쇄 탄소 사이클 대안으로 제안되었다.[52]
6. 1. 온실 가스 배출량
석탄 액체화(CTL)는 탄소 포집 및 격리(CCS) 기술이 없을 경우, 기존 석유 기반 연료보다 탄소 발자국이 훨씬 크다(+147%).[29] 반면 CCS를 사용하는 바이오매스 액체화(BTL)는 수명 주기 온실 가스 배출량을 358% 줄일 수 있다.[29]CCS가 없는 CTL은 온실 가스 발자국이 더 크다. CCS가 있는 CTL은 석유 기반 디젤에 비해 수명 주기 온실 가스 배출량을 9-15% 줄인다.[29][51]
석탄과 바이오매스를 혼합하고 탄소 격리를 하는 CBTL+CCS 공장은 바이오매스를 더 많이 추가할수록 좋다. 바이오매스 유형, 뿌리 저장에 대한 가정, 운송 물류에 따라, 보수적으로 40%의 바이오매스를 석탄과 함께 사용하면 CBTL+CCS 공장은 중립적인 수명 주기 온실 가스 발자국을 달성한다. 40% 이상 바이오매스에서는 수명 주기가 마이너스(-)로 시작하여 생산하는 모든 갤런의 연료에 대해 효과적으로 탄소를 땅에 저장한다.[29]
CCS를 사용하는 BTL 공장은 지속 가능한 방식으로 생산된 바이오매스 원료에서 수송 연료를 생산하면서 막대한 양의 탄소를 저장할 수 있지만, 이러한 시설 개발을 가능하게 하기 위해 극복해야 할 상당한 경제적 장벽과 몇 가지 기술적 장벽이 있다.[29]
6. 2. 연료 연소 시 배출
피셔-트롭슈(Fischer-Tropsch, FT) 디젤 및 제트 연료는 기존 연료에 비해 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 미세 입자 물질(PM), 탄화수소 배출과 같은 주요 기준 오염 물질을 현저히 감소시킨다.[53] 이러한 연료는 순도가 높고 오염 물질이 거의 없어, 첨단 배출 제어 장비 사용을 가능하게 한다.[54] 캘리포니아 대기 자원 위원회 디젤 연료를 사용하는 트럭과 비교했을 때, 입자 필터와 촉매 변환기를 장착한 셸 가스 대 액체 연료를 사용한 디젤 트럭은 HC, CO, PM 배출을 사실상 제거하면서도 연료 소비는 10% 증가했다.[54]Rentech의 수석 과학자는 F-T 연료가 항공 사용자에게 미립자 배출 감소라는 즉각적인 이점을 제공한다고 밝혔다. F-T 제트 연료는 실험실 연소기 및 엔진에서 아이들 상태에서 PM 배출을 96%, 순항 운전에서 78% 감소시키는 것으로 나타났다.[55] 또한 F-T 연료는 탄소 함량당 에너지 함량이 높고 밀도가 낮아 항공기가 동일한 연료 적재량으로 더 멀리 비행할 수 있게 하여 이산화 탄소(CO2) 배출을 줄인다.[55]
이러한 FT 합성 연료는 생분해성으로 간주될 정도로 무독성이며 환경적으로 무해하다. 이는 연료에 황이 거의 없고 방향족 물질이 극도로 낮기 때문이다.[56]
7. 안보 및 경제성
합성 연료는 에너지 안보 강화에 기여할 수 있다. 특히 석유 수입 의존도가 높은 국가에서는 합성 연료를 통해 에너지 자립도를 높일 수 있다.[48]
7. 1. 경제성
합성 연료 생산의 경제성은 사용되는 원료, 사용되는 정확한 공정, 원료 및 운송 비용과 같은 부지 특성, 배출량 제어에 필요한 추가 장비 비용에 따라 크게 달라진다. 대규모 가스 액체화의 경우 20BBL에서 소규모 바이오매스 액체화 및 탄소 포집 및 격리의 경우 최대 240BBL에 이르는 광범위한 생산 비용을 나타낸다.[29]경제적으로 생존 가능하려면, 프로젝트는 석유와 직접 경쟁하는 것보다 훨씬 더 잘해야 한다. 또한 프로젝트에 대한 자본 투자를 정당화할 수 있는 충분한 투자 수익을 창출해야 한다.[29]
8. e-fuel (전기 연료)
'''전기 연료'''(e-fuel)는 합성 연료의 일종으로, 드롭인(drop-in) 방식으로 기존 연료를 대체할 수 있다. 재생 에너지 전기로 물을 전기 분해하여 얻은 수소와 포집된 이산화탄소(또는 일산화탄소)를 결합해 만든다.[63]
이 공정은 제조 시 이산화탄소를 사용하고, 연소 시 거의 같은 양을 배출해 전체 탄소 발자국을 낮춘다. 따라서 장거리 화물, 해상 및 항공 운송 부문의 온실 가스 배출 감소에 기여할 수 있다.[63]
미국 에너지 정보국은 합성 연료를 석탄, 천연 가스, 바이오매스 원료를 화학 변환하여 만든 합성 원유 또는 합성 액체 연료로 정의한다.[60] 이 정의에는 바이오매스, 산업/도시 폐기물로 만든 연료, 오일 샌드, 오일 셰일도 포함된다. 합성 기체 연료, 메탄올, 에탄올, 수소도 합성 연료로 간주될 수 있다.[61][62]
재생 가능 에너지 기반 수소를 사용한 합성 연료는 "'''e-fuel'''"로 불리며, 탄소 순환에 기여하는 탈탄소 연료로 주목받고 있다.[63]
8. 1. 특징
합성 연료(e-fuel)는 전기 연료라고도 불리며, 기존 연료를 대체할 수 있는 드롭인(drop-in) 연료의 일종이다. 이 연료는 포집된 이산화탄소 또는 일산화탄소와 수소를 사용하여 제조된다. 이때 사용되는 수소는 풍력, 태양열, 원자력 발전과 같은 지속 가능한 전력원에서 얻어진다.[63]이 공정은 제조 과정에서 이산화탄소를 사용하고, 연료가 연소될 때 거의 같은 양의 이산화탄소를 배출하므로 전체적인 탄소 발자국을 낮춘다. 따라서 합성 연료는 특히 장거리 화물, 해상 및 항공 운송 부문의 온실 가스 배출을 줄이는 데 기여할 수 있다.[63]
주요 목표는 부탄올과 바이오디젤이지만, 메탄 및 부탄과 같은 다른 알코올 및 탄소 함유 가스도 포함된다. 간접 변환이 세계적으로 주류를 이루고 있으며, 피셔-트롭쉬 공정(FT법)을 사용하는 것이 대표적인 합성 방법이다. 이 방법에서는 메탄으로부터 일산화 탄소(CO)와 수소(H)로 이루어진 합성 가스를 생성한 후, 재합성하여 디젤 연료(경유)나 가솔린을 직접 생성한다.[65] 합성 가스 다음으로 메탄올을 경유하는 MTG라고 불리는 방법도 있지만, 비용 측면에서 FT법이 유리하다.[65]
메탄은 천연 가스로부터의 개질로도 생성 가능하지만, CO2와 H2를 합성하여 제조(메탄화 반응)하는 것이 유용하다.[65]
이산화 탄소는 공장이나 발전소 등에서 배출되는 것과 대기 중의 이산화탄소를 조달할 수 있다. 이를 통해 이산화 탄소에 의한 지구 온난화를 직접적으로 억제하는 효과도 기대된다. 조달에는 연구 개발 중인 이산화 탄소 포집·저장·활용(CCUS) 기술과 공기 중의 CO2 분리 회수(DAC) 기술이 요구되며, 두 기술 모두 실용화를 위해서는 비용 절감이 과제이다.[66]
수소는 수소 단독 형태로는 존재하지 않으므로, 수소 화합물에 에너지를 가하여 수소를 추출해야 한다. 제조되는 수소는 CO2 배출 형태에 따라 다음과 같이 3가지로 크게 나뉜다.[67]
| 종류 | 제조 방법 | 특징 |
|---|---|---|
| 그레이 수소 | 화석 연료 개질 | 기존의 주요 수소 제조 방법, CO2 배출 문제 |
| 블루 수소 | 화석 연료 개질 + CCUS 기술 | 탄소 중립, 비효율적 |
| 그린 수소 | 재생 가능 에너지로 물을 전기 분해 | 완전 탄소 중립, 효율적, 미래의 기본[63] |
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