E-fuel(이퓨얼)은 대체 에너지가 될 수 있을까?

이퓨얼(E-fuel) 쉽게 말해 합성 열료입니다. 최근에는 전기자동차가 대세로 자리잡아 내연기관의 자동차들은 곧 퇴출이 될 운명에 처해있습니다. 유럽연합은 2035년까지 내연기관 자동차를 퇴출하기로 했습니다. 그런데 여기에 한 가지 예외를 두어 이퓨얼(E-fuel)를 사용하는 자동차는 허용했습니다.  

 

내연기관의 구세주로 주목받는 이퓨얼

배터리는 용량을 키우는데 한계가 있기 때문에 항공기와 선박 등 많은 에너지를 필요로 하는 곳에는 적당하지 않습니다. 게다가 전기충전소의 부족 현상 등으로 아직까지 불편한 점들이 존재하고 있습니다. 내연기관을 종식시키고 전기를 동력으로 하는 자동차 이외의 장비들 까지 대체를 하려면 더 많은 기술개발과 전환하기까지의 비용이 엄청나게 요구되고 있습니다. 그래서 이퓨얼이라는 생산 가능한 연료가 다시 주목받고 있습니다. 이 퓨얼이 석유를 대체할 미래의 연료가 될 수 있을지 정리해 보겠습니다.

◑배터리의 문제점과 이퓨얼의 필요성

배터리의 문제점과 이퓨얼의 필요성

 

이퓨얼을 대체에너지로 연구하는 학자들은 이 연료가 탄소 중립에 필요한 수준을 넘어 필수적이라고 강조합니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

1. 내연기관의 존재 : 국내는 2035년부터 휘발유 경유차 등 내연기관 신차를 판매할 수 없게 되지만, 기존 차량은 그래도 운행됩니다. 중고차 시장에서도 거래가 계속될 것입니다. 국제 어너지기구(IEA)의 탄소 중립 시나리오에 따르면, 2050년 내연기관의 차량비율은 여전히 60%에 달할 것으로 보고 있습니다.

 

2. 대형 장비의 대체 한계 : 항공기·대형선박·대형트럭 등도 걸림돌입니다. 장거리를 운항해야 하는 이들 운송수단의 특성상 배터리 탑재 방식으로는 액체 연료 수준의 효율성을 달성하기 어렵습니다. 예를들어, 서울~뉴욕을 오가는 항공기는 편도 비행 때 연료 무게만 총중량의 절반인 약 150t에 이르는데 같은 수준의 에너지를 배터리에 담으려면, 지금의 기술 수준으로는 120배 무거운 1만 9천 t 무게의 배터리를 실어야 합니다.

3. 원재료의 품귀 현상 : 니켈·리튬 등 배터리 제조에 쓰이는 광물의 수급난도 이퓨얼의 필요성에 힘을 보태고 있습니다. 배터리는 전기차 가격의 30∼40%에 달해 배터리 가격 하락이 전기차 보급 속도의 열쇠를 쥐고 있습니다. 당초 배터리 가격이 하락하면서 전기차 보급에 속도가 붙을 것으로 봤지만, 그 예상이 빗나가고 있습니다. 최근 전 세계 완성차 업체 최고경영자들도 이를 경고하고 있습니다.

 

*실제 배터리 핵심 소재인 니켈 가격은 지난 3월 t당 4만 5795달러(5880만 원)까지 올랐습니다. 지난해 말 2만 925달러의 두 배 이상으로 급등했습니다. 리튬 가격도 2020년 7월 ㎏당 34위안(6414원)에서 지난해 7월에는 80위안, 올해 1월에는 264.5위안으로 폭등했습니다. 지난 3월에는 472.5위안을 기록하면서 정점을 찍었습니다. 

 

4. 대체 비용의 현실화 : 이퓨얼은 내연기관 엔진을 특별한 개량 및 보완도 필요하지 않다는 장점과 함께, 지존의 주요소에서 혼합물 또는 단독으로 제공될 수 있어 더울 현실적이라는 의견이 있습니다. 

5. 에너지 안보 차원 : 수송 동력원이 전력에만 지나치게 의존할 경우 천재지변·정전·전시 상황 등 비상사태가 발생했을 때 에너지 안보에 문제가 발생할 수 있다. 정부가 관용 차량을 수소·전기차 등 친환경 차량으로 전환한다는 원칙을 세웠지만, 군용 차량은 전환 대상에서 제외한 이유입니다. 배충식 카이스트(KAIST) 기계공학과 교수는 “에너지 안보는 에너지의 공급·활용 쪽에서 멈추는 일이 없도록 하는 것이 핵심이다. 에너지원 다변화를 위해 배터리·수소와 함께 이퓨얼도 준비해야 한다”라고 강조했습니다.

 

이퓨얼의 생산 과정

 

수소와 탄소의 결합으로 생성

내연기관차에 석유 대신 이퓨얼을 넣으면 탄소 중립을 실천할 수 있다고 합니다. 왜냐하면 연소 시 탄소를 배출하지만, 제조 과정에서 탄소를 포집하기 때문에 전생애 주기를 따졌을 땐 탄소 중립 에너지라는 것입니다. 이 퓨얼은 탄소와 수소를 결합해 만든 인공 석유로, 최근 탄소 중립 연료로 주목받고 있습니다. 이산화탄소가 많이 배출되는 공장에서 탄소 포집 기술을 적용을 하거나, 아니면 최근에는 공기 중에 있는 탄소를 직접 포집하는 방식을 적용할 수 있습니다. 그리고 재생 전기를 이용해서 수소를 만들어서, 그 수소와 포집된 이산화탄소를 반응시켜서 합성 석유를 생산하는 전체의 공정을 이어 생산 과정이라고 말할 수 있겠습니다. 이퓨얼도 석유와 마찬가지로 중류 과정을 거쳐 휘발유, 경유, 항공유 등으로 정제됩니다. 

이 퓨얼에 직접 불을 붙여보면, 경유와 연소되는 모습이 별반 다르지 않고, 성분상으로는 우리가 쓰는 석유 제품과 같은 성분으로 만들 수가 있습니다. 차이가 있다면 석유가 가진 불순물들, 황이나 납이나 땅 속에 있었던 다른 불순물들을 포함하지 않기 때문에 훨씬 더 깨끗한 연료를 만들 수가 있는 장점이 있겠습니다.

과거 인공합성 연료 연구

이퓨얼 제조의 기본이 되는 공정은 1920년대 독일 카이저·빌헬름 연구소의 프란츠 피셔와 한스 트롭시가 개발했다. 이들의 이름을 따 '피셔트롭시 공정(Fischer-Tropsch synthesis)', 즉 FT 공정으로 불립니다. 수소(H₂)와 이산화탄소(CO₂)를 일정한 압력에서 반응시켜 탄화수소(H+C)를 만드는 게 공정의 핵심입니다. 당시 독일은 석유 자원이 부족했는데, 이를 석탄으로 대체하기 위해 석탄을 물(H₂O)과 산소(O₂)에 반응시켜 얻은 합성가스를 촉매를 사용해 액체상태의 탄화수소로 만들었습니다. 이 방법은 이후 천연가스를 원료로 디젤연료를 합성하는 데까지 나아갔고, 글로벌 에너지기업 셸(Shell)과 남아프리카공화국의 사소르(SASOL) 등이 아직도 활용하고 있습니다.

지금의 생산 방식과는 다르지만, 합성 연료는 2차 세계대전 때 사용되기도 했었습니다. 전쟁 이후 값싼 석유가 보급되면서 생산 비용이 많이 들어 점점 잊혀가는 듯했습니다. 그러나 이 연료가 다시 각광을 받게 된 계기는 1970년대 석유파동 이후 에너지 독점에 대한 불안감과 온실가스 배출 문제 등 친환경 기술에 대한 요구였습니다.

 

풀어야할 과제

1. 가격 : 아직 경제성이 확보되지는 않았습니다. 주유소에 들러 휘발유·경유를 구매하듯 이퓨얼을 손쉽게 얻으려면 저렴한 가격이 필수이지만, 현재 이퓨얼 가격은 ℓ당 10달러에 달합니다. 수소 생산 비용이 큰 탓인데, 학계에서는 이르면 2040년, 늦어도 2050년이면 현재 휘발유 가격 수준에 도달할 것으로 보고 있습니다. 한국화학연구원에 따르면, 2050년이 되면 ℓ당 0.94달러 수준에 근접할 것으로 예측하고 있습니다. 

생산 단가와 가격은 풀어야할 과제

 

2. 생산량 : 이퓨얼 생산업체 HIF 글로벌은 2023년 연간 818배럴 수준의 시험 생산을 시작으로 2025년에는 34만 6000 배렬, 1027년에는 340만 배럴로 생산을 늘릴 계획이라고 합니다. 그러나 우리나라만 하더라도 2022년 석유 소비량은 9억 4800만 배럴에 달하기 때문에 5년이 지나도 국내 소비량의 0.3%에 해당할 뿐입니다. 지금은 초기 개발단계라고 볼 수 있고, 향후 기술 발달과 더불어 대량 생산으로 이어지면 가격 하락과 어느 정도의 공급은 가능할 것으로 전망이 됩니다.

 

맺음

 

어쨌든 앞으로 탄소중립 사회가 되기 위해서 가장 중요한 것은 전반적으로 에너지 사용을 줄이는 것이 될 것이고 그러한 상황에서도 우리 인류가 조금 덜 불편하게 생활을 하기 위해서는 청정 연료의 개발이 필요하다고 생각합니다. 이퓨얼은 탄소 발생량을 줄이지는 못해도 늘리지는 않습니다. 연소 과정에서 탄소가 배출되지만, 공기중으로 날아가거나 이미 공기중에 포함된 탄소를 잡아서 만들기 때문입니다. 잉여 전기를 이용해서 상온에서 저장할 수 있는 석유제품으로 변환을 할 수 있는 기술이기 때문에 이퓨얼 기술이 전기를 이용하는 신재생에너지 기술의 보완적인 역할을 할 수 있을 것입니다. 배터리·수소를 사용하는 것 역시 이퓨얼과 같이  아직 경제성이 확보되지 않은 상태로, 서로 경쟁하며 개발에 힘써 탄소 중립 역할을 수행해야 할 것으로 생각됩니다