많은 산업분야에서 제조 및 기타 목적을 위해 고온의 환경을 만들게 되는데, 여기에는 석유가 사용되는 경우가 많습니다. 이번 포스팅에서는 고온반응에서 석유를 대체할 수 있는 대안에 대해 소개한 IEEE Spectrum 글을 통해 관련 내용을 소개합니다.
개요
산업 공정, 예를 들어 철강 제조와 수소 가스 생산과 같은 고온의 반응기는 수백에서 수천 도의 섭씨 온도에서 작동해야 합니다. 전통적으로, 화석 연료를 사용하여 전도성 액체를 가열하고, 그 액체를 반응기로 펌프하여 높은 온도를 생성하는 방식이 사용되었습니다. 스탠포드 대학교의 연구자들은 전기를 사용하여 이 작업을 훨씬 더 효율적으로 수행할 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 전기는 녹색 에너지원에서 나올 수 있습니다.
지난달 저널 Joule에 발표된 이 과정은 고주파 자기 유도에 기반하고 있으며, 이는 현대 가정에서 사용하는 인덕션 스토브의 원리와 거의 동일합니다. 강철과 같은 전도성 물질에 교류 자기장을 통과시키면, 자기장이 물질 내부에 전류의 소용돌이를 유도하고, 이 전류들이 물질을 가열합니다. 불꽃과 같은 외부 열원을 사용하는 것과 달리, 이 유도열은 물질 내부 전체에서 동시에 균일하게 발생합니다.
스탠포드 과학자들은 저항체로서 강철 대신 전도성 세라믹 메타물질을 사용한 반응기를 개발했습니다. 메타물질은 구성 요소 각각의 특성으로는 나타나지 않는 새로운 성질을 발현하는 구조화된 복합 재료입니다. 메가헤르츠 주파수의 교류 자기장을 생성하는 전원은 메타물질 전반에 걸쳐 균일한 가열을 유도하며, 산업 수준의 화학 공정에서 요구되는 고온을 만들어냅니다.
그 결과, 외부 열원 없이 내부에서 가열되는 독립형 열화학 반응기가 만들어졌습니다. 이 반응기는 전도성 금속 대신 단열재로 둘러쌀 수 있습니다. 이러한 설계는 화석 연료를 연소시키고, 전도성 액체를 가열한 후 그 액체를 반응기 챔버로 옮기는 과정에서 발생하는 비효율성을 제거합니다. 이러한 효율성 증가는 그 자체로 공정의 탄소 발자국을 줄일 수 있습니다.
전기 전도와 화학을 위한 메타물질
연구진은 낮은 전기 전도성을 가지며 대부분이 빈 공간으로 이루어진 격자 구조를 가진 세라믹 메타물질을 개발했습니다. 이 구조는 마치 스펀지처럼 물질의 표면적을 크게 증가시키며, 이를 통해 추가적인 이점이 발생합니다. 첫째, 세라믹의 전도성을 더욱 줄여주어 더 빠르고 효율적으로 가열할 수 있게 합니다. 격자 내의 빈 공간은 반응기 내부의 표면적을 크게 늘려 시약과의 접촉을 더욱 철저하게 만들어주며, 열을 더 효율적으로 전달합니다. 또한, 이러한 빈 공간에는 반응 속도를 높이는 촉매를 담을 수 있습니다.
스탠포드 전기공학 교수인 조나단 팬은, “이러한 개념들은 화학 산업 공정과 전력 전자에 대한 지식을 모두 갖춘 새로운 유형의 엔지니어, 즉 전기-화학 엔지니어를 필요로 한다”라고 설명했습니다.
이 새로운 설계의 실용성을 증명하기 위해 연구팀은 실험실 규모의 반응기를 만들어 포집된 이산화탄소와 수소를 합성가스(syngas)로 전환하는 실험을 진행했습니다. 합성가스는 지속 가능한 연료나 다른 유용한 물질을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 연구팀은 또한 이 반응기가 85%의 효율로 작동하며, 이산화탄소를 이론적 열역학 계산에 따라 예측된 속도로 전환한다는 것을 입증했습니다.
이 반응기가 재생 가능한 에너지원으로 구동될 경우, 화학 생산 과정에서 발생하는 탄소 배출을 크게 줄일 수 있습니다. 일부 자료에 따르면, 전 세계 이산화탄소 배출량의 최대 20%가 산업 가열 공정에서 발생한다고 합니다.
화석 연료에 의존하지 않고 포집된 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하는 것 외에도, 스탠포드 팀은 다른 산업 공정의 탄소 배출을 줄일 수 있는 기회를 보고 있습니다. 이 새로운 기술의 주요 타깃 중 하나는 시멘트 제조입니다. 시멘트 생산은 석회석을 매우 높은 온도로 구워야 하는데, 이 과정은 인간 활동에 의한 전체 이산화탄소 배출량의 약 9%를 차지할 수 있습니다.
IDTechEx의 기술 분석가인 이브 포프는 다음과 같이 말했습니다. “시멘트 생산에서 발생하는 이산화탄소 배출을 해결하는 것은 급속히 성장하는 시장입니다. 특히 유럽연합의 국경 간 탄소 조정 메커니즘(CBAM)과 같은 새로운 규정이 시멘트 탈탄소화 기술에 대한 수요를 증가시킬 것으로 예상됩니다. 주요 시멘트 생산업체들은 재생 가능한 고온 열 생성 및 포집된 이산화탄소의 직접적인 활용을 포함한 새로운 기술에 투자하고 있습니다. IDTechEx는 2045년까지 매년 1억 톤 이상의 이산화탄소가 시멘트/콘크리트에 직접 활용될 수 있을 것으로 예측했습니다.”
스탠포드 그룹은 현재 이러한 개념을 대규모로 확장하기 위한 연구를 진행 중입니다. 대규모 도입 전에 해결해야 할 몇 가지 문제가 있는데, 그 중에는 전기화된 반응기를 재생 가능한 원료 및 관련 화학 정제 공정 및 공급망과 결합한 비용 효율적인 산업 워크플로를 개발하는 것이 포함됩니다.
조나단 팬 교수는, “이러한 개념들이 현실 세계에 적용되려면, 화학 산업 공정과 전력 전자에 대한 깊은 이해를 가진 새로운 유형의 엔지니어, 즉 전기-화학 엔지니어가 필요합니다. 중공업의 관점에서 이러한 전기화 기술을 개발해야만 영향력 있는 탈탄소화 솔루션으로 전환될 기회를 가질 수 있습니다.”
마무리
이번 포스팅에서는 스탠포드 연구진이 개발한 새로운 세라믹 메타물질 기반의 고효율 열화학 반응기 기술을 소개했습니다. 이 기술은 기존의 화석 연료 기반 방식에서 벗어나 전기, 특히 재생 가능한 에너지원으로 구동될 수 있어 산업 공정에서 발생하는 탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 가능성을 보여주고 있습니다. 특히, 시멘트 제조와 같은 고탄소 배출 산업에서 이 기술이 어떻게 활용될 수 있을지에 대한 기대도 큽니다. 앞으로 이 혁신적인 기술이 대규모로 적용되어 탄소 중립을 달성하는 데 중요한 역할을 할 수 있기를 기대합니다.