음식물쓰레기 가스→항공유 공정 대구 달성서 실증..."4년 뒤 상용화"

음식물 쓰레기나 가축 분뇨 등에서 발생하는 유기성 가스를 항공유로 전환하는 공정을 개발하고, 실증하는데 성공했다. 흩어져 있는 매립지에 중소·분산형으로 시설 설치가 가능한데다, 상용화 시기도 오는 2030년 전후로 예측됐다.

한국화학연구원은 화학공정연구본부 이윤조 박사 연구팀이 인투코어테크놀로지와 공동으로 유기성 폐자원에서 나오는 매립지 가스로 항공유를 생산하는 통합공정 실증에 성공했다고 25일 밝혔다.

대구 달성 쓰레기 매립지에 구축한 지속가능 항공유(SAF) 실증 시설. 한국화학연구원 연구진이 이곳에서 생산한 SAF를 용기에 담고 있다.(사진=한국화학연구원)

전세계 탄소 배출에서 항공기가 차지하는 비중은 대략 2~2.5% 정도다. 이에 따라 ICAO(국제민간항공기구)와 IATA(국제항공운송협회) 등이 지속가능 항공유(SAF) 사용을 권고하고 있다.

SAF는 음식물쓰레기나 가축 분뇨 등이 매립된 곳에서 발생하는 유기성 가스(황화수소, 메탄, 이산화탄소 등)나 바이오매스 등을 활용해 생산되는 재활용 항공유다. 생산 비용이 높아 일부 유럽과 일본 항공사는 SAF 관련 비용을 항공 요금에 반영하는 사례도 있다.

이윤조 책임연구원은 "정유 업계에서는 폐식용유로 SAF를 만들고 있다. 다만 폐식용유는 발생량 자체가 적고 바이오 경유 등 다른 용도로도 쓰여 상대적으로 비싸고 확보가 어렵다"며 "반면 이번 기술은 음식물쓰레기·가축 분뇨 등에서 나오는 풍부하고 값싼 매립지 가스로 실증한 국내 첫 사례"라고 말했다.

실증은 대구 달성군 쓰레기매립장 부지에서 이루어졌다. 이곳에 30평, 2층 단독주택 규모로 통합 공정 시설을 구축했다. 실증 결과 하루 100kg 정도 지속가능 항공유 생산에 성공했다. 액체 연료 선택도는 75% 이상을 달성했다. 현재 연구팀은 장기간 운전 조건을 최적화하고, 촉매와 반응기 성능을 추가 고도화 중이다.

이 책임은 "매립지 가스로 항공유를 만들기 위해선 두 가지 문제를 해결해야 한다"며 "우선 불순물을 줄여 항공유 생산에 적합한 중간원료로 정제해야 하고, 기체 상태 중간원료인 합성가스에서 항공유 등 액체 연료로 바꾸는 효율을 높여야 한다"고 말했다.

이 문제 해결을 위해 연구팀은 매립지 가스 전처리 후 합성가스 제조, 합성가스-액체연료 전환 촉매 반응 공정을 모두 통합했다.

앞단은 공동연구기업 인투코어테크놀로지가 맡았다. 음식물쓰레기 등이 묻힌 지면에서 포집한 매립지 가스를 분리막으로 황 성분 등 불순물을 제거하고, 과도한 이산화탄소를 줄이는 전처리 공정을 진행했다. 이후 자체 개발한 플라즈마 개질 반응기를 이용해 항공유 생산에 적합한 성질의 중간원료로 바꿔준다. 일산화탄소와 수소가 포함된 고압 합성가스로 변화시켜 화학연구원 연구팀에 넘겨주는 것.

화학연은 이를 받아 ‘피셔-트롭쉬 공정’이라는 기술을 활용해 기체 상태 합성가스를 수소와 탄소로 분리하며 액체 연료로 바꾼다. 수소와 탄소가 분리된 합성가스를 촉매 위에서 반응시키면 수소-탄소 사슬이 점점 이어지며 적당한 길이의 탄화수소는 액체 연료로, 긴 길이는 왁스 등 고체 부산물이 된다.

화학연은 이 고체 부산물 생산을 줄이기 위해 제올라이트·코발트 기반 촉매도 활용했다.

한승주 선임연구원은 "항공유 생산 기술은 대규모 설비 중심으로 개발돼 현장 적용과 확장성에 한계가 있고, 대부분 실험실 수준의 기술 검증에 그치는 경우가 많았다"며 "촉매·반응기·공정을 하나로 묶은 패키지형 기술을 학보하고, 마이크로 채널 반응기를 적용해 설비 부피를 기존 대비 최대 90% 축소하고 매립지별로 분산형 시설 구축이나 모듈 추가로 언제든 생산 규모 확충도 가능하다"고 설명했다.

마이크로채널 반응기는 촉매층과 냉매층을 교대로 적층한 구조로, 반응열을 신속하게 제거해 반응 폭주를 억제한다. 항공유 제조 반응 중 과도한 발열은 촉매 손상을 일으킨다.