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“경유 대비 미세먼지 배출 절반 이하, CO2는 8% 감소”

새로운 합성 연료로 미세먼지와 CO2 배출 줄인다.
“경유 대비 미세먼지 배출 절반 이하, CO2는 8% 감소”

알코올과 혼합된 합성 연료는 연소 엔진을 더욱 환경친화적으로 만들 수 있다. 테스트 결과에 따르면 이러한 새로운 연료(예: 알코올 함량이 포함된 바이오디젤)는 생산 효율이 더 높으며 운전 시 배출가스도 줄인다. 일반 경유에 비해 미세먼지 배출량은 절반 이하이고, CO2 배출량은 최대 8% 감소한다. 전반적으로 알코올 함유 디젤의 CO2 배출량은 전기 자동차의 CO2 배출량과 비슷하다. 

▲ 특히 바이오매스에서 추출한 합성 연료는 오늘날의 전기 혼합 환경에서 트럭의 CO2 배출량을 크게 줄일 수 있다. © Kira Nerys /CC-by 3.0

운송 부문은 다량의 온실가스를 배출하고 건강에 유해한 미세먼지를 배출한다. 전기 자동차는 지역 승객 운송을 위한 지속 가능한 대안으로 적합하지만, 비행기, 선박, 심지어 장거리 운송 트럭용 배터리는 덜 좋은 솔루션으로 여겨진다. 에너지 밀도가 여전히 너무 낮기 때문에 일반적으로 배터리는 장시간 동안 대형 차량에 동력을 공급하기 위해 충분한 전력을 생성할 수 없다.

가교 기술로서의 합성 연료?

따라서 적어도 일시적인 대안으로서 이러한 운송 수단은 연료 전지 또는 대체 연료로 구동되어야 한다. 대체 연료에는 바이오디젤이나 바이오가스의 메탄올과 같은 재생 가능한 원료로부터 생산되는 연료뿐만 아니라 수소, 일산화탄소 또는 메탄올과 같은 화학적 전구체로부터 직접 합성되는 연료도 포함된다. 전통적으로 이러한 합성 연료는 메탄올 합성이나 100년이 넘는 Fischer-Tropsch(FT) 합성을 통해 생산되었다. 그러나 지속 가능한 합성 연료를 널리 사용하는 데에는 여전히 몇 가지 문제가 남아 있다. 예를 들어 생산에는 많은 전력이 필요하다. 또 다른 이유는 제조 공정이 가능한 한 효율적이지 않다는 것이다.

▲ HyFiT 연료의 전체적인 접근 방식. 이 접근 방식은 가능한 디젤 대체재로서의 잠재력을 검증하기 위한 연료 설계 및 HyFiT 연료의 LCA로 구성된다.

FT 합성과 수소화의 결합

이것이 바로 아헨공대(RWTH Aachen University)의 시몬 푈커(Simon Voelker)가 이끄는 연구팀이 FT 디젤의 화학적 구성을 최적화할 수 있는 방법을 조사한 이유다. 아이디어는 고전적인 FT 합성을 수행하면 화석 석유와 화학적으로 유사한 혼합물이 생성된다. 이 합성 원유에는 소위 알칸과 올레핀을 포함한 다양한 탄화수소의 혼합물이 포함돼 있다. FT 디젤은 이 혼합물에서 증류되며 주로 알칸을 기반으로 한다.

그러나 합성 "원유"에 포함된 올레핀은 추가 공정 단계인 하이드로포밀화 또는 수소화를 통해 알칸과 알코올의 혼합물로 변환될 수도 있다. 소위 HyFiT 연료에 들어 있는 알코올의 양은 합성 원유의 올레핀 함량을 통해 제어할 수 있으며, 연구진에 따르면 FT 디젤의 특성을 향상시킬 수 있다. "연료 생산에 대한 우리의 개념은 최소한의 에너지 투입과 최대 탄소 생산량으로 최적의 알칸-알코올 혼합물을 생산하는 것을 목표로 한다"고 Voelker와 그의 팀은 말했다.

▲ HyFiT 연료 생산을 위한 단순화된 공정 개념. 공정 단계는 상자로 표시되고 화살표는 질량 흐름을 나타낸다. 공정 개념은 FT 합성과 하이드로포르밀화(연한 파란색 상자)를 핵심으로 결합한다. 가스 루프에서 테일 가스는 퍼지(개방 루프) 또는 처리(폐쇄 루프)되어 변환되지 않은 일산화탄소(CO, 점선 화살표)를 재활용한다. 공급망 최적화에 따라 부산물(예: 방향족 화합물 및 함산소제)은 열 회수를 위해 소각된 후 선택적 CO2 포집 또는 소각. 더 나은 가독성을 위해 LT-FT와 HT-FT 합성을 구별하지 않았다.

최적의 알코올-알칸 혼합 비율

연구팀은 먼저 HyFiT 디젤의 밀도, 부피 및 기타 특성이 알코올 함량에 따라 어떻게 변하는지, 그리고 이러한 특성이 기존 엔진과 호환되는지 여부를 테스트했다. 그런 다음 트럭에 다양한 테스트용 디젤 엔진을 채우고 다양한 속도와 주행 상황에 따른 CO2, 미세먼지, 질소산화물 배출량을 측정했다.

결과:
HyFiT 디젤은 20~40%의 알코올 함량으로 쉽게 채울 수 있지만, 알코올 함량이 높을수록 밀도가 너무 높아지고 알코올 함량이 낮을수록 너무 "윤활"해진다. 주행 테스트에서도 20%와 40%의 연료를 사용했을 때 일반 디젤 엔진에 비해 트럭의 CO2 배출량이 3~5% 감소했다. 특히 인상적인 점은 팀이 판단한 대로 20시리즈 HyFiT 디젤의 경우 미세먼지 배출량이 55%, 40시리즈 HyFiT 디젤의 경우 70% 감소했다는 것이다. 

▲ HyFiT 연료 및 벤치마크 시스템의 바퀴 전체 탄소 발자국. a, 전기 탄소 발자국의 함수로서 바이오 기반 또는 CO2 기반 HyFiT 연료로 구동되는 밴의 휠 전체 탄소 발자국. 각 공급원료의 다양한 생산 경로는 색상 범위로 표시. 디젤 및 BEV에 대한 벤치마크 결과가 추가로 표시. EU(유럽연합), GLO(글로벌). b, 사용 가능한 재생 가능 전기 및 바이오매스의 함수로서 HyFiT 연료의 바퀴 간 탄소 배출량. 순수 바이오 기반 HyFiT 연료 공급망은 녹색 수직선으로 표시되는 반면 점선 곡선은 바이오 하이브리드, 즉 바이오 기반 및 CO2 기반 공급망을 나타낸다. 원과 직사각형은 각각 CO2와 화석 연료만을 기반으로 한 HyFiT 연료 공급망을 보여준다. 재생 가능한 전기가 제한되면 전력망에서 추가 전기를 가져온다. 참고로 오늘날의 EU 전력망 또는 풍력 발전을 통해 공급되는 전기를 사용하는 디젤 및 BEV의 탄소 발자국에 대한 등고선이 표시된다.

CO2 배출량은 전기 자동차와 비슷

추출, 생산 및 배송 과정에서 이 알코올 함유 합성 디젤이 환경에 미치는 영향은 무엇일까? Voelker와 그의 팀은 “합성 연료의 핵심 동기는 다른 심각한 부정적인 환경 영향을 피하면서 원료에서 바퀴까지의 운송을 통해 탄소 배출량을 줄이는 것이다”고 말했다. 따라서 그들은 수명주기 분석에서 HyFiT 연료로 구동되는 밴의 환경 영향과 화석 디젤로 구동되는 트럭 및 전기 밴의 환경 영향을 비교했다.

▲ HyFiT 연료와 벤치마크 시스템이 휠에 미치는 환경 영향. 바이오 기반(녹색) 및 CO2 기반(파란색) HyFiT-20% 연료 및 디젤(검은색)의 영향은 BEV(주황색)의 환경 영향으로 정규화되었다. x축의 영향 범주는 바이오 기반 HyFiT 연료의 정규화된 영향을 기준으로 정렬. 미래 저탄소 그리드에 대한 최상의 사례로서 풍력 발전을 이용한 공급망에 대한 결과가 표시된다(그림 7a). BEV의 배터리 용량은 각각 550 km와 850 km의 주행 거리에 해당하는 200 kWh(+ 기호)와 300 kWh(× 기호)로 다양하다. 점선 곡선은 눈에 대한 안내. HTnc,(비발암성 인체 독성), A(산성화), RUm(광물 및 금속의 자원 사용), Efw(담수 부영양화), HTc(발암성 인체 독성), PM(입자상 물질), RUe(에너지 캐리어의 자원 사용), OD(오존 고갈), IR( 전리 방사선), CF(탄소 발자국), ET(생태독성), POF(광화학적 오존 형성), Et(육상 부영양화) WU(물 사용), Em(해양 부영양화), LU(토지 이용) (출처:Open access Published: 08 July 2024. Towards carbon-neutral and clean propulsion in heavy-duty transportation with hydroformylated Fischer–Tropsch fuels / nature energy)

결과:
바이오매스 기반 HyFiT 디젤은 연료의 전체 CO2 배출량을 디젤보다 줄일 수 있다. 550km 이상의 장거리 여행의 경우 환경에 미치는 영향은 전기 자동차보다 훨씬 낮다. 연구원들에 따르면, 전기 구동과 HyFiT 디젤은 적절한 운전 상황에서 서로를 보완할 수 있다. 연구원들은 “이는 이동성의 CO2 감소 문제를 해결하기 위한 경쟁이 아닌 보완적인 접근 방식으로서 연료의 잠재력을 보여준다”고 요약했다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41560-024-01581-z)
출처: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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