항공업계의 탄소 배출 감축 노력이 본격화하면서 친환경 항공유가 대세다. 특히 태양에너지를 이용하여 항공기 연료를 만드는 기술이 최근 개발돼 화제다. 제트엔진이나 내연기관과는 반대 방향으로 에너지를 투입해 연료로 만드는 기술로, 항공유 시장이 성장하는 계기가 될 전망이다. 이 친환경 연료는 어떤 기술을 어떻게 적용해 만들어내는 것일까.

태양열, 물, 이산화탄소로 합성가스 전환

20세기는 ‘탄소 경제의 시대’였다. 화석연료를 태워 산업화를 일궈냈다. 이산화탄소를 많이 배출한다는 것은 산업화에 성공했다는 것을 의미했다. 하지만 탄소 경제는 지난 100년 동안 지구 평균온도를 0.85℃ 올리는 부작용을 낳았다. 이제는 ‘저(低)탄소 경제’다. 지구 온도가 더 이상 상승하지 않도록 온실가스 배출량을 감축하는 것은 세계가 지켜내야 할 공동 미션이다.

항공 분야 역시 탄소 배출의 책임에서 자유로울 수 없다. 현재 탄소 배출량의 약 8%가 항공과 해운 수단이 차지하고 있다. 항공유는 자동차 연료처럼 화석연료 원유를 증류해서 생산하기 때문이다. 원유는 다양한 분자량의 탄소 화합물이 섞여 있기 때문에 끓는점의 차이를 이용해 혼합물을 분리한다. 원유를 끓이면 가장 가벼운 순서대로 LPG, 휘발유, 나프타, 등유, 경유가 분리되는데 항공유는 등유를 가공해서 만든다. 항공기는 기압과 온도가 낮은 하늘 공간에서 운항하므로 정전기방지제, 빙결방지제, 산화방지제 등 첨가제를 넣는다. 그래서 가격도 자동차 기름보다 비싸다.

세계 각국의 주요 자동차 제조사들은 전기차나 수소차 같은 친환경 자동차로의 전환을 위해 배터리나 수소연료전지를 만들고 있다. 그런데 이들 전지는 항공기에 적용하기 어렵다. 리튬이온 배터리의 경우 에너지 밀도가 매우 낮다. 항공 연료는 1㎏당 1만2500Wh의 에너지를 제공하지만, 리튬이온 배터리는 보통 1㎏당 에너지 제공량이 300Wh에 불과하다. 그렇다고 출력을 위해 배터리 크기를 키우면 무게 때문에 비행 효율성이 떨어진다. 반대로 에너지 밀도가 높은 수소는 인화성과 폭발성이 높아 위험성이 따른다.

최근 독일 포츠담에 위치한 IASS (Institute for Advanced Sustainability Studies)와 스위스의 취리히연방공과대(ETH Zurich) 연구진은 이 같은 자동차 연료와 구별된 친환경 항공유 개발에 성공했다. 태양열과 이산화탄소와 물로 만든 합성 연료로, 기존의 항공유를 대체할 만한 연구다. 지금까지의 친환경 에너지 방식과는 다른 이 기술은 국제 과학저널 ‘네이처’에 발표됐다.

ETH의 알도 스타인펠드(Aldo Steinfeld) 교수가 이끄는 연구팀은 2019년 ETH의 공학연구소 건물 옥상에 자신들이 개발한 안테나 비슷한 접시 모양의 태양열 집열기를 설치했다. ‘열화학 태양 연료 생산 체인’이라는 소규모의 열화학 변환 장치로, 내연기관과는 정반대로 작용한다.

가솔린 엔진 같은 내연기관은 대기의 산소와 화석연료를 반응시켜 태워 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)로 바꾸고 여기서 발생하는 열에너지로 동력을 얻는다. 반면 연구팀이 개발한 장치는 이 반응을 반대로 하기 위해 태양열과 산화세륨(cerium oxide)을 사용하고, 대기 중의 이산화탄소와 물을 유입해 에너지로 전환하는 것이 핵심이다. 태양열, 이산화탄소와 물을 재료로 ‘친환경 항공유’인 합성가스, 메탄올 또는 등유를 생산하는 것이다.

연료는 3단계의 과정을 거쳐 만든다. 가장 먼저 이산화탄소 포집제인 아민 스크러빙(Amine Scrubbing)을 통해 대기 중의 이산화탄소와 물을 추출한다. 추출한 이산화탄소와 물이 반응로에 들어가기 전 접시 모양의 태양열 집열기가 작은 반응로를 1500℃까지 가열한다. 두 번째 단계는 이 가열된 반응로에 최대로 압축된 이산화탄소와 물 분자를 공급하는 것이다. 그러면 반응로 내부에 있는 촉매 산화세륨 세라믹의 도움으로 이산화탄소와 물이 가지고 있는 산소가 분리되고, 그 결과 일산화탄소(CO)와 수소(H)가 섞인 합성가스가 생성된다. 합성가스는 일반 화학공정을 사용하는 세 번째 단계에서 항공유의 원료가 되는 등유(kerosene) 또는 메탄올로 전환된다.

연구팀의 시스템은 새로운 태양에너지를 연구하는 작은 시설이다. 따라서 이번 연구에서는 소량의 연료만 생산됐다는 게 스타인펠드 교수의 설명이다. 하루에 약 100L의 합성가스를 사용한 경우 연료 전환에서 약 32mL의 순수한 등유가 생성되었다. 이 모든 과정은 태양열과 대기 중 이산화탄소와 물로 처리되기 때문에 항공 관련 인프라를 바꾸지 않고도 항공 산업에서 탄소중립 목표를 달성할 수 있다. 또 태양에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 연료로 바꿀 수 있다는 것을 증명했다는 데 의의가 크다.

세계 등유 수요 위해 4만5000㎢ 시설 필요

스타인펠드 교수는 이 공정 기술이 산업에 활용할 수 있을 만큼 충분히 검증되었다며 이제부터는 상용화 준비를 해야 한다고 말한다. 만약 상업용 규모(100㎿급 플랜트 10개)로 이 장치를 확대할 경우 하루에 9만5000L의 등유를 생산할 수 있다고 한다. 이는 에어버스 A350을 런던에서 뉴욕으로 왕복할 수 있는 양이다.

연구팀은 산업 규모를 확대해 등유를 생산할 경우 연료 값은 리터당 1.20~2유로가 될 것으로 추정한다. 단 초기 투자비용이 많이 들어가는 초기에는 화석연료에서 나오는 기존 등유보다 훨씬 더 높을 것이다.

스타인펠드 교수에 따르면 상업용 대형 태양에너지 장치는 태양광 자원이 풍부한 사막 지역에 건설하는 것이 이상적이다. 사막 땅은 저렴한 데다 인구 밀도가 높은 지역보다 다른 사용 요구 사항이 없다. 약 4만5000㎢ 크기의 시설이면 전 세계 등유 수요를 충족시킬 수 있는 합성 연료를 생산할 수 있다는 게 연구팀의 계산이다. 이는 사하라사막의 0.5% 정도의 면적이다.

단 지금 바로 상용화하기는 어렵다. 에너지 전환 효율이 너무 낮기 때문이다. 연구팀이 측정한 최고 태양에너지-연료 에너지 전환 효율은 5.6%다. 적어도 15% 이상이 돼야 상용화가 가능하고, 태양열-전기 효율과 비슷한 30% 에너지 전환 효율을 갖춰야 상업적으로 널리 사용될 수 있다. 연구팀은 반응 단계 사이의 열 회수가 이뤄지면 태양열 반응로의 효율을 20% 이상으로 높일 수 있다고 추정한다. 이를 위해 지금도 연구가 한창 진행 중이다.

ETH는 자신들이 개발한 친환경 항공유 생산 기술을 상용화하기 위해 신헬리온(Synhelion)이라는 분사 기업을 독립적으로 설립했다. 연구팀의 집중 연구로 상용화 가능한 수준까지 기술이 진전되면 친환경 항공유는 21세기 친환경 에너지산업의 게임체인저가 될 것이다.