이산화탄소와 수소를 300도 조건에서 반응시켜 액체 탄화수소를 만드는 데 성공했습니다. 기존 나프타 공정 온도의 절반도 안 되는 수준입니다. 처음 이 소식을 접했을 때 저도 솔직히 반신반의했습니다. 이산화탄소(CO₂)로 석유를 만든다는 말이 너무 그럴듯하게 들려서 오히려 의심부터 했거든요. 이글에 대한 이해를 돕기 위해 전반적인 내용을 요약하면 올레핀은 플라스틱산업의 핵심 원료이고, 올레핀을 석유없이 만드는 기술이 이산화탄소 활용연구의 핵심입니다. 크게 메탄올 경유 방식과 피셔 드롭식 방식이 있으며, 이산화탄소 전환 기술의 경제성과 환경적 의미는 그린수소의 가격에 달려있다고 보시면됩니다. 그리고 유기성 폐자원에서 바이오가스를 거쳐 SAF를 만드는 기술은 탄소 순환 구조를 바꾸는 현실적인 경로입니다. 이산화타소로 석유 만들기 관련하여 자주 묻는 질문들에 대해서도 글 하단에 정리하였 놓았으니, 읽어 보시면 경쟁력과 상용화 관련 내용에 대해 좀 더 수월하게 이해하게 되실 겁니다.
이산화탄소로 석유만들기 올레핀의 중요성
제가 이 기술을 처음 파고들었을 때 가장 먼저 든 생각은 "왜 하필 올레핀인가"였습니다. 올레핀(olefin)이란 탄소 이중결합을 가진 탄화수소 화합물의 총칭으로, 에틸렌·프로필렌·부텐이 대표적입니다. 쉽게 말해 플라스틱과 합성수지 산업 전체를 떠받치는 기초 원료입니다.
현재 이 올레핀을 만드는 방식은 대부분 나프타 분해 공정, 즉 NCC(Naphtha Cracking Center)입니다. 원유에서 증류로 뽑아낸 나프타를 850도 안팎의 고온에서 분해해야 에틸렌과 프로필렌 같은 기초 원료가 나옵니다. 에너지 소모가 어마어마하고 탄소 배출 부담도 그만큼 큽니다.
한국화학연구원 연구팀은 촉매 기술을 적용해 분해 온도를 650~700도 수준으로 낮추는 데 성공했습니다. 제가 보기에 이게 단순한 온도 차이가 아닙니다. 에너지 비용과 탄소 배출량이 함께 줄어드는 구조적 변화입니다.
더 나아가 석유 자체를 원료로 쓰지 않는 방향도 연구되고 있습니다. 철강 공정에서 나오는 부생 가스(BFG, Blast Furnace Gas)를 원료로 올레핀을 만드는 실증이 광양 제철소에서 이루어졌고, 연간 약 300만 톤 규모의 올레핀을 대체할 수 있다는 평가도 나왔습니다. 석유화학 산업이 철강 산업의 부산물과 연결되는 구도, 저는 이 지점이 꽤 흥미롭습니다.
- 에틸렌(C₂H₄) → 폴리에틸렌, 에틸렌글리콜 등 대형 합성수지 원료
- 프로필렌(C₃H₆) → 폴리프로필렌, 프로필렌옥사이드 등
- 부텐(C₄H₈) → 고분자·합성고무 등 다양한 화학제품 원료
▶ 요약 : 올레핀은 플라스틱 산업의 핵심 원료이며, 이를 석유 없이 만드는 기술이 이산화탄소(CO₂) 활용 연구의 핵심 목표입니다.
CO₂를 올레핀으로 바꾸는 두 가지 경로
CO₂를 바로 올레핀으로 만든다고 하면 마법처럼 들리지만, 실제로는 크게 두 가지 경로가 있습니다. 제가 직접 자료를 정리해보니 경로마다 장단점이 뚜렷해서 어느 쪽이 더 낫다고 단정하기가 쉽지 않았습니다.
첫 번째는 CO₂ → 메탄올 → 올레핀으로 이어지는 경로입니다. 두 번째 단계가 MTO(Methanol-to-Olefins) 공정인데, 여기서 MTO란 메탄올을 고온·촉매 조건에서 분해해 에틸렌과 프로필렌을 얻는 기술을 말합니다. 기존 석유화학에서 이미 검증된 기술을 활용할 수 있다는 점이 장점입니다. 공정경제성 분석에서도 메탄올을 중간체로 거치는 경로가 반응·분리 단계가 상대적으로 적어 경제성이 좋다는 결과가 나왔습니다. 다만 이 수치는 특정 가정 하의 모델 결과이므로 실제 상업 플랜트의 생산원가로 그대로 받아들이면 안 됩니다(출처: ScienceDirect).
두 번째 경로는 CO₂ → CO → 탄화수소 → 올레핀입니다. 먼저 역수성가스전환(RWGS, Reverse Water-Gas Shift) 반응으로 CO₂를 일산화탄소로 바꾸고, 이를 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성을 통해 탄화수소로 전환한 뒤 올레핀을 얻는 방식입니다. RWGS란 CO₂와 수소가 반응해 CO와 물이 되는 반응으로, 탄소를 활성화하는 첫 단계입니다. 최근에는 이 두 단계를 하나의 촉매 시스템에서 동시에 처리하는 연구가 활발합니다.
한국화학연구원이 주목받는 이유는 기존 두 단계 공정을 하나로 줄여 300도 조건에서 곧바로 액체 탄화수소를 만들었기 때문입니다. 기존 방식이 800도 이상을 요구했던 것을 감안하면, 이게 얼마나 의미 있는 변화인지 제가 느끼기엔 숫자 이상의 의미가 있었습니다.
▶ 요약 : CO₂에서 올레핀을 만드는 경로는 크게 메탄올 경유 방식과 피셔-트롭쉬 방식이 있으며, 한국 연구는 공정 단계를 줄여 효율을 높이는 방향으로 진행 중입니다.
그린수소 없이는 절반의 기술이다
제가 이 기술 전체를 훑어보면서 가장 중요하다고 판단한 부분이 바로 수소입니다. CO₂ 전환 반응의 핵심은 결국 이겁니다.
CO₂ + H₂ → 탄화수소 + H₂O
CO₂는 안정한 분자라 쉽게 반응하지 않습니다. 반응시키려면 수소와 에너지가 필요한데, 이 수소를 어디서 어떻게 만드느냐가 기술의 환경적 가치를 완전히 바꿔놓습니다.
현재 가장 싸게 구할 수 있는 수소는 천연가스를 개질해 만드는 방식, 흔히 회색수소라 부르는 것입니다. 그런데 이 방식은 수소를 만드는 과정 자체에서 CO₂가 대량 배출됩니다. CO₂를 줄이려고 CO₂를 쓰는 수소를 사용하는 모순이 생기는 거죠. 반면 재생에너지로 물을 전기분해해 만드는 그린수소를 쓰면 이야기가 달라집니다. 공정경제성 분석 결과에서도 수소 가격이 CO₂ 기반 올레핀 생산비용에 가장 큰 영향을 미치는 단일 변수로 나타났습니다.
연구팀 스스로도 "그린수소 가격이 최소화된다면 기존 나프타 대비 두 배 수준에서 경쟁이 가능할 것"이라고 내다봤습니다. 솔직히 이건 예상 밖이었습니다. 기술 자체는 이미 상당 부분 완성됐지만, 결국 경제성의 열쇠는 수소 시장이 쥐고 있다는 뜻이기 때문입니다.
KAIST는 2026년 CO₂를 에틸렌 등 플라스틱 원료로 전환하는 전기화학 기술에서 전극의 침수(flooding) 문제를 해결하는 새로운 전극 구조를 발표하고 86% 효율을 달성했다고 보고했습니다(출처: KAIST). 열촉매 방식과 전기화학적 방식이 동시에 경쟁하는 구도가 형성되고 있다는 점, 제 경험상 이런 복수 경로가 공존할 때 기술 발전 속도가 빨라집니다.
▶ 요약 : CO₂ 전환 기술의 경제성과 환경적 의미는 결국 그린수소 가격에 달려 있으며, 수소 시장의 성숙이 이 기술의 상업화를 좌우합니다.
SAF를 만드는 기술 음식물 쓰레기에서 항공유까지
한국화학연구원의 또 다른 연구 방향 중 제가 개인적으로 가장 설득력 있다고 본 것은 SAF(Sustainable Aviation Fuel), 즉 지속가능항공유 쪽입니다. SAF란 화석 원료 대신 바이오매스나 폐기물에서 만든 항공유로, 분자 구조와 연소 성능은 기존 항공유와 동일하지만 탄소 순환 구조가 다릅니다.
연구팀이 주목한 원료는 음식물 쓰레기, 가축 분뇨, 하수 찌꺼기 같은 유기성 폐자원입니다. 이 폐자원들이 미생물에 의해 혐기성 소화를 거치면 메탄과 이산화탄소가 발생하는데, 이를 바이오가스라고 합니다. 바이오가스를 개질하면 일산화탄소와 수소가 섞인 합성가스(Syngas)가 만들어집니다. 합성가스란 피셔-트롭쉬 합성의 출발 원료로, 이 단계부터는 기존 석유화학 공정과 유사한 방식으로 항공유를 만들 수 있습니다.
메탄은 탄소 원자 하나에 수소 원자 넷으로 이루어진 분자입니다. 항공유는 탄소와 수소가 1대 2 비율로 필요한데, 메탄이 이 비율의 출발점으로 기능할 수 있다는 점이 핵심입니다. 지금 이 순간에도 전국 축산 농가와 매립지에서 메탄이 그냥 대기 중으로 날아가고 있습니다. 잡으면 항공유 원료, 그냥 두면 강력한 온실가스입니다.
항공산업은 배터리만으로 장거리 노선을 전면 대체하기 어렵기 때문에 SAF와 e-fuel이 현실적인 대안으로 연구되고 있다고 보는 시각도 있는데, 저는 이 판단이 맞다고 생각합니다. 특히 유럽은 강도 높은 탄소배출 규제로 SAF 수요가 빠르게 만들어지고 있고, 이 시장에서 한국의 정제 기술과 촉매 기술이 경쟁력을 가질 수 있습니다. 제 경험상 기술이 아무리 좋아도 수요 시장이 먼저 열려야 상업화가 가속됩니다. 그 조건이 항공 분야에서는 비교적 빠르게 갖춰지고 있습니다.
▶ 요약 : 유기성 폐자원에서 바이오가스를 거쳐 SAF를 만드는 기술은 탄소 순환 구조를 바꾸는 현실적인 경로이며, 유럽 항공 시장의 규제가 이 기술의 상업화를 앞당기고 있습니다.
자주 묻는 질문
Q. CO₂로 만든 석유, 진짜 친환경 맞나요?
A. CO₂를 사용했다고 자동으로 친환경이 되는 건 아닙니다. 수소를 만드는 데 석탄이나 천연가스 기반 전력을 쓰면 전체 탄소 배출량이 크게 줄지 않을 수 있습니다. 그린수소와 재생에너지가 함께 갖춰져야 진정한 탄소 순환이 성립합니다. 저도 처음엔 CO₂를 원료로 쓴다는 것만으로 친환경이라고 생각했는데, 공정 전체를 보고 나서 생각이 바뀌었습니다.
Q. 이 기술이 상용화되려면 얼마나 걸리나요?
A. CO₂에서 메탄올이나 합성연료를 만드는 단계는 상대적으로 빠르게 산업화될 가능성이 있습니다. CO₂ → 올레핀 직접 전환은 촉매 수명, 선택도, 분리 공정 등 해결할 변수가 많아 중장기 과제로 보는 시각이 많습니다. 기술이 가능한가의 문제는 이미 넘어섰고, 지금은 얼마나 싸고 안정적으로 만드느냐의 싸움입니다.
Q. 한국이 이 분야에서 경쟁력이 있을까요?
A. 원유를 생산하지 않는 한국이지만, 정유·석유화학·촉매·수소 기술을 연결할 수 있는 산업 기반은 갖추고 있습니다. CO₂ → 메탄올 → 올레핀 → 폴리머로 이어지는 가치사슬 전체를 함께 볼 수 있다는 점이 강점입니다. 단, 그린수소 생산 인프라와 재생에너지 가격 경쟁력 확보가 병행돼야 한다고 봅니다.
Q. SAF는 일반 항공유와 뭐가 다른가요?
A. 분자 구조와 엔진 성능은 기존 항공유와 동일합니다. 다른 것은 원료뿐입니다. 기존 항공유가 원유에서 출발한다면, SAF는 음식물 쓰레기나 가축 분뇨 같은 유기성 폐자원에서 출발합니다. 연소하면 CO₂가 나오지만, 그 CO₂가 원래 생물권에 있던 탄소라는 점에서 탄소 순환 측면에서 의미가 다릅니다.
결론
제가 이 기술을 한 문장으로 정리한다면, "CO₂로 석유를 만드는 기술"보다는 "석유가 독점해 온 탄소 원료 자리 일부를 CO₂와 재생에너지로 대체하는 기술"이 정확합니다. 연료보다 올레핀·메탄올 같은 화학 원료 쪽이 더 중요하다고 보는데, 연료는 태우면 CO₂가 다시 나오지만 올레핀은 플라스틱과 합성소재로 만들어져 탄소를 일정 기간 제품 안에 묶어둘 수 있기 때문입니다.
앞으로 이 분야를 살펴볼 때는 단순히 CO₂를 포집하는 기업만이 아니라, CO₂에서 출발해 메탄올·올레핀·폴리머까지 이어지는 가치사슬 전체를 함께 보는 것이 의미 있다고 생각합니다. 그리고 그 가치사슬의 경제성을 결정하는 변수는 결국 그린수소 가격과 재생에너지 비용입니다. 기술은 이미 충분히 앞서 있습니다.