물로 만드는 인공석유, 이퓨얼(E-Fuel)의 가능성과 미래 전망

물로 만드는 인공석유, 이퓨얼(E-Fuel)의 가능성과 미래 전망

서론: 탄소 중립 시대의 새로운 에너지 대안, 이퓨얼

현대 사회는 기후 변화에 대응하기 위해 탄소 배출을 줄이는 것을 최우선 과제로 삼고 있습니다. 특히 운송 부문은 전체 탄소 배출량의 상당 부분을 차지하며, 내연기관 차량, 항공기, 선박 등은 여전히 화석 연료에 대한 의존도가 높습니다. 전기차 기술이 빠르게 발전하고 있지만, 에너지 밀도나 인프라 문제로 인해 항공기나 대형 선박 등 모든 운송 수단을 전기화하는 데는 한계가 있습니다. 이러한 상황에서 기존 내연기관 인프라를 활용하면서도 탄소 중립을 달성할 수 있는 새로운 에너지 대안으로 이퓨얼(E-fuel)이 주목받고 있습니다.

이퓨얼은 '일렉트로퓨얼(Electrofuel)'의 줄임말로, 재생에너지에서 얻은 전기를 사용하여 물을 전기 분해해 수소를 추출하고, 대기 중에서 포집한 이산화탄소를 이 수소와 합성하여 만드는 친환경 합성 연료입니다. 생산 과정에서 대기 중의 탄소를 사용하고 연소 시 다시 배출하므로, 이론적으로는 '탄소 중립적'이라고 평가받습니다. 이는 화석 연료가 지하에 묻혀 있던 탄소를 대기 중으로 배출하여 순 탄소량을 증가시키는 것과는 차이가 있습니다. 이퓨얼 기술의 발전은 글로벌 에너지 지형을 변화시키고, 석유 자원 부국에 대한 의존도를 줄이는 데 기여할 가능성을 가지고 있습니다.

이퓨얼의 생산 과정과 원리

이퓨얼의 생산 과정은 크게 세 단계로 나눌 수 있습니다. 첫째, 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 단계입니다. 이퓨얼 생산에 사용되는 수소는 그린 수소여야 하며, 이를 위해 재생에너지(태양광, 풍력 등)에서 생산된 전기로 물(H₂O)을 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해하는 수전해(水電解) 기술이 사용됩니다. 특히 고분자 전해질막(PEM) 방식의 수전해는 부산물로 수증기만 남는다는 환경적인 장점이 있습니다.

둘째, 이퓨얼 합성에 필요한 탄소원을 확보하는 단계입니다. 이퓨얼은 대기 중이나 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소(CO₂)를 포집하여 탄소원으로 활용합니다. 이 과정에서 사용되는 탄소 포집 기술은 환경 부담을 줄이는 중요한 역할을 합니다.

셋째, 생산된 수소와 포집된 이산화탄소를 합성하여 최종적인 탄화수소 연료를 만드는 단계입니다. 이 과정에는 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 합성법과 같은 화학적 촉매 반응이 주로 사용됩니다. 수소와 이산화탄소를 반응시켜 합성 가스(일산화탄소와 수소 혼합물)를 만든 뒤, 이를 다시 촉매 반응을 통해 합성 가솔린, 합성 디젤유, 합성 항공유(SAF, Sustainable Aviation Fuel) 등 다양한 형태의 액체 연료로 전환합니다. 이 과정을 통해 얻어지는 연료는 기존의 석유 기반 연료와 화학적 성질이 유사하여, 기존의 내연기관이나 연료 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 큰 장점을 가집니다.

환경적 장점과 탄소 중립 기여 가능성

이퓨얼 기술의 가장 큰 장점은 탄소 중립 달성에 기여할 수 있다는 점입니다. 이퓨얼은 생산 과정에서 대기 중의 이산화탄소를 포집하여 사용하고, 연소 시에는 포집했던 만큼의 이산화탄소를 다시 대기 중으로 배출하는 '넷 제로(Net Zero)' 개념을 구현합니다. 이는 화석 연료 사용으로 인한 순 탄소 배출량 증가 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

또한, 수소 생산 과정에서 재생에너지를 사용하고 탄소 포집 기술을 활용함으로써 환경 오염을 최소화할 수 있습니다. 수전해 과정에서 발생하는 부산물은 사실상 수증기뿐이며, 대기 중의 이산화탄소를 재활용한다는 점에서 환경 친화적입니다. 이러한 특성 때문에 이퓨얼은 '친환경 인공석유' 또는 '꿈의 연료'로 불리기도 합니다.  기존 내연기관 차량이나 항공기, 선박을 개조하거나 교체할 필요 없이 연료만 교체하여 탄소 배출량을 줄일 수 있다는 점은 이퓨얼이 가진 강력한 이점입니다.

석유 대체 연료의 역사적 배경

사실 인공적으로 석유와 유사한 연료를 합성하려는 시도는 역사가 깊습니다. 최초의 합성 석유 생산 기술은 1910년대 독일에서 개발되었습니다. 당시 석유 자원이 부족했던 독일은 자국에 풍부한 석탄을 이용하여 액체 연료를 생산하는 기술에 주목했습니다. 이것이 바로 피셔-트롭시 합성법의 기반이 되는 석탄액화(Coal Liquefaction) 기술입니다. 석탄을 고온 고압에서 가열하여 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성 가스를 만든 뒤, 이를 촉매 반응을 통해 합성 석유로 전환하는 방식이었습니다.

이 기술은 제2차 세계대전 중 독일의 군수 연료 공급에 일부 기여했으나, 유전에서 직접 석유를 추출하는 것에 비해 생산 비용이 훨씬 높다는 단점이 있었습니다. 전쟁 이후 석유 공급이 안정화되면서 석탄액화 기술은 경제성이 떨어져 대부분 사장되었습니다. 다만, 석유 매장량이 적은 남아프리카공화국에서는 석탄액화 기술을 활용하여 자체 연료를 생산해 왔으며, 사솔(Sasol)이라는 회사가 현재까지도 세계 최대 규모의 석탄액화 플랜트를 운영하고 있습니다.

이퓨얼 기술은 이러한 합성 석유의 역사적 맥락을 이어받지만, 석탄 대신 물과 이산화탄소를 사용하고 에너지를 재생에너지에서 얻는다는 점에서 근본적인 차이가 있습니다. 과거의 합성 석유가 자원 확보의 문제였다면, 현대의 이퓨얼은 환경 문제 해결에 초점을 맞춘 기술이라고 할 수 있습니다.

비용 문제와 대량 생산의 도전 과제

이퓨얼 기술의 잠재력에도 불구하고 상용화를 위해서는 해결해야 할 여러 가지 도전 과제가 있습니다. 가장 큰 걸림돌은 바로 '비용 문제'와 '대량 생산의 어려움'입니다. 이퓨얼 생산 과정, 특히 물을 전기 분해하고 이산화탄소를 포집하는 과정은 막대한 양의 전기를 소모합니다. 현재 기술 수준으로는 100km 주행에 필요한 이퓨얼을 제조하는 데 전기차의 약 7배에 달하는 전력이 필요하다는 연구 결과도 있습니다.  이처럼 높은 에너지 소비량은 생산 비용 상승의 주요 원인이 됩니다. 현재 이퓨얼의 생산 비용은 화석 연료에 비해 상대적으로 매우 높은 수준입니다. 

또한, 높은 효율성, 안정성 및 경제성을 갖춘 대규모 생산 기술 개발이 아직 필요한 상황입니다. 현재 미국과 유럽의 여러 스타트업이나 에너지 기업들이 이퓨얼 생산을 시도하고 있지만, 상업적인 대량 생산 단계에 성공한 업체는 아직 드뭅니다. 현재 가동 중이거나 계획 중인 이퓨얼 생산 시설들의 목표 생산량은 미국 석유업계의 일일 생산량(약 1,300만 배럴)에 비하면 매우 미미한 수준입니다. 예를 들어, 스페인 렙솔의 빌바오 플랜트는 일일 50배럴, 미국 인피니엄의 텍사스 플랜트는 일일 526배럴 생산을 목표로 하고 있습니다.

이퓨얼이 화석 연료를 대체하는 주류 연료로 자리 잡기 위해서는 생산 비용을 획기적으로 낮추고 대규모 생산 체계를 구축하는 것이 필수적입니다. 전문가들은 2050년까지 그린 수소 생산 비용이 현재의 20~30% 수준으로 낮아지면, 이퓨얼 생산 비용도 현재의 약 30% 수준으로 줄어들 것으로 예상하고 있습니다. 이는 재생에너지 기술 발전과 보급 확대, 그리고 이퓨얼 생산 기술 자체의 효율 향상과 밀접하게 관련되어 있습니다.

현재 이퓨얼 개발 및 생산 프로젝트 현황

기술적, 경제적 도전에도 불구하고 전 세계적으로 이퓨얼 개발과 상업 생산을 위한 다양한 프로젝트가 진행되고 있습니다. 독일의 자동차 제조사 포르쉐와 에너지 기업 지멘스 에너지가 포함된 컨소시엄은 칠레 파타고니아에 '하루-오니(Haru-Oni)'라는 상업 규모의 이퓨얼 생산 플랜트를 구축했습니다. 칠레 마갈라네스 지역의 강한 풍력을 활용하여 물을 전기 분해하고 이산화탄소를 포집하여 합성 연료를 생산하는 이 프로젝트는 2022년 12월 첫 연료 공급을 시작했습니다. 초기에는 연간 130,000 리터의 이퓨얼을 생산할 계획이며, 향후 몇 년 안에 연간 5억 5천만 리터까지 생산량을 늘리는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 프로젝트는 칠레를 2050년까지 그린 수소 생산 분야의 선두 국가로 만들겠다는 목표와도 연결되어 있습니다.

앞서 언급된 스페인의 렙솔은 빌바오 항구에 2억 유로를 투자하여 이퓨얼 생산 플랜트 설치를 추진 중이며, 미국의 인피니엄은 텍사스주에 100MW급 이퓨얼 플랜트를 착공하여 2027년부터 생산을 시작할 예정입니다. 인피니엄 플랜트는 텍사스의 풍력 발전 단지에서 전력을 공급받아 친환경적으로 이퓨얼을 생산할 계획이며, 주요 투자자와 고객이 항공사들로 구성되어 있어 항공 부문의 탈탄소화에 크게 기여할 것으로 예상됩니다.

이러한 파일럿 프로젝트들은 이퓨얼 생산 기술의 실증이자 상업화 가능성을 타진하는 중요한 단계입니다. 비록 현재 생산량은 적지만, 기술 개선과 규모의 경제 달성을 통해 생산량을 늘리고 비용을 절감하는 것을 목표로 하고 있습니다.

항공 및 해운업계 탈탄소화의 핵심 동력

이퓨얼은 특히 전기화가 어려운 항공 및 해운 부문의 탈탄소화에 필수적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 항공기와 대형 화물선은 운항 거리가 길고 요구되는 에너지 밀도가 높아 현재의 배터리 기술로는 엔진을 전기 모터로 완전히 대체하기 어렵습니다. 배터리의 무게와 충전 시간 문제 등이 크기 때문입니다.

이퓨얼은 기존의 항공기 엔진이나 선박 엔진, 그리고 연료 공급 인프라를 그대로 사용할 수 있기 때문에 전환 비용과 기술적 장벽이 낮습니다. 따라서 이퓨얼은 항공업계와 해운업계가 탄소 배출량을 감축하고 친환경 목표를 달성하기 위한 가장 현실적인 대안 중 하나로 떠오르고 있습니다. 실제로 유럽연합(EU)은 항공 연료의 지속 가능한 항공 연료(SAF, Sustainable Aviation Fuel), 그중에서도 이퓨얼과 바이오 연료의 비중을 2030년까지 5%에서 2050년까지 63%로 확대하는 계획을 발표했습니다. 아메리칸 항공, 브리티시 항공, 에어링구스 등 여러 항공사들이 이퓨얼 생산이 본격화되면 이를 공급받을 예정이라고 밝히고 있습니다.

대한항공 역시 탄소 중립 달성을 위해 LX판토스와 지속 가능한 항공유 사용 확대를 위한 협력을 시작했으며, 국내 정유사인 에쓰오일과 SK에너지가 폐식용유나 동물성 유지를 활용하여 생산한 국산 SAF를 인천~하네다 노선에 시범적으로 사용하고 있습니다. 이러한 움직임은 이퓨얼을 포함한 SAF가 항공 부문에서 현실적인 탈탄소화 수단으로 인식되고 있음을 보여줍니다.

해운업계 역시 국제해사기구(IMO)의 환경 규제 강화에 따라 메탄올, 암모니아, 수소 등 다양한 친환경 연료를 모색하고 있으며, 이퓨얼 기반 연료도 주요한 대안 중 하나로 고려되고 있습니다. 특히 이퓨얼은 기존 선박 연료와 호환성이 높다는 점에서 장점을 가집니다.

결론: 이퓨얼, 지속 가능한 에너지 전환의 중요한 축

이퓨얼 기술은 재생에너지를 기반으로 물과 이산화탄소로부터 인공 석유를 생산하여 탄소 중립을 실현할 수 있는 혁신적인 대안입니다. 기존 내연기관 및 연료 인프라를 활용 가능하다는 점은 전기화가 어려운 운송 부문, 특히 항공 및 해운 산업의 탈탄소화에 있어 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

물론 아직 높은 생산 비용과 대규모 생산 기술 확보라는 과제가 남아있습니다. 하지만 전 세계적으로 진행되는 다양한 연구 개발 및 파일럿 프로젝트를 통해 이러한 문제점들이 점차 개선될 것으로 예상됩니다. 재생에너지 기술의 발전과 그린 수소 생산 비용의 하락은 이퓨얼의 경제성을 높이는 데 크게 기여할 것입니다.

이퓨얼은 전기차와 더불어 수송 부문의 탄소 배출량 감축을 위한 중요한 축을 담당하며, 나아가 전반적인 에너지 시스템의 지속 가능한 전환을 촉진하는 핵심 기술이 될 가능성을 가지고 있습니다. 지속적인 투자와 정책적 지원을 통해 이퓨얼 기술이 더욱 발전하고 상용화된다면, 환경 오염 걱정 없는 청정 연료 시대의 문을 여는 중요한 이정표가 될 것입니다.

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