한국화학연구원(KRICT)은 김용태·신정호 박사 연구팀이 최근 2개의 연구 논문을 통해 메탄 열분해를 통한 수소 및 고부가 화학원료 에틸렌, 방향족 화합물 등의 직접 전환 기술을 발표했다고 16일 밝혔다. 연구팀은 인공지능(AI)을 활용해 한국형 탄소중립 100대 핵심기술 중 하나인 '메탄 고부가 전환 기술'의 개선과 동시에 상용화 가능성을 제시했다.
기술을 통해 강력한 온실가스이면서 저렴한 메탄을 활용해 청정 에너지인 수소와 고부가 화학 원료인 에틸렌을 병행 생산할 수 있고, 탄화수소 생성물로 벤젠·나프탈렌 등의 방향족 화합물도 필요에 따라 유동적으로 생산할 수 있다.
연구팀은 2019년 1000℃ 이상에서 작동하는 관련 메커니즘을 중국에 이어 처음으로 밝혀낸 바 있으며, 이번에는 AI를 활용한 기존 촉매 및 반응기 개선을 통해 에너지 효율화를 이뤄냈다.
이를 통해 기존 세계 최고 기술보다 300℃ 낮은 700℃ 온도에서 작동하며, 기존보다 적은 촉매로 반응기의 부피도 30% 이상 줄였다. 그동안 다른 연구기관에서 전체 공정 중 촉매 개선에 집중했던 반면, 이번 연구는 AI로 전체적인 최적화를 예측해 반응기 구조까지 변경함으로써 상용화 연구에 적합한 점이 특징이다.
연구팀은 600건 이상의 실험 결과를 바탕으로 벤치 규모 실험에 필요한 반응물, 생성물 조성 및 운전 조건 등 인자를 도출했다. 최적화 문제 해결을 위한 AI 알고리즘인 메타 휴리스틱스 방식 머신러닝을 활용해 인자를 계속 변화시키며 최고의 반응 성능을 확보할 수 있는 반응기 설계 방법을 예측했다.
연구팀은 또 반응 온도를 낮출 수 있는 최적의 반응기 구조 설계와 촉매 개선을 통해 이산화탄소 부산물이 없는 비 산화 메탄으로 직접 전환하되, 메탄 분리를 촉진해 다양한 고부가 화합물로 변하는 효율을 높였다. 해당 성과는 에틸렌 생산 일 0.15㎏ 규모로 1000시간 동안 검증했으며, 국내 석유화학업체의 부생 메탄으로 검증도 완료했다.
연구팀의 공정 경제성 분석에 따르면 저온에서 에틸렌의 수율을 30%로 높이고, 생산되는 수소의 순도를 96% 이상으로 높일 시 기존 에틸렌 가격보다 최대 2배 높은 경제성을 갖을 수 있음을 확인했다.
연구팀은 앞으로도 AI를 활용한 촉매·반응기 개선을 추진할 예정이며, 2030년까지 에틸렌 생산량 일 100㎏ 파일롯 규모에서 1000시간 동안 운전하는 목표로 후속 연구를 진행할 예정이다. 후속 연구간 상용 반응기 대비 신재생 전기를 사용하는 전기화 반응기 적용을 통해 반응기 크기는 최대 100배로 줄이면서 에너지 효율은 67% 향상시킬 수 있을 것으로 보고 있다.
이영국 화학연 원장은 “기존 산화제를 이용한 직접 전환 기술 대비 경제성을 높일 수 있어 고부가 석유 화학원료 생산 및 수소 생산 분야 핵심기술의 근간이 될 것”이라고 말했다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
