미국 실리콘밸리 벤처기업, 천연가스로부터 원유 대비 반값 휘발유 직접변환 촉매개발 중

국문 초록 (Abstract)

미국 캘리포니아 실리콘밸리에 있는 벤처기업 Siluria사는 미국 내 저렴한 천연가스를 사용해서 원유에서 생산되는 휘발유 대비 가격이 반값인 휘발유를 생산하는 촉매를 개발하고 있다. 이 회사는 벤처캐피털 6,350만 불을 투자 받았다. 지난 수십 년간 세계 최고 화학자들과 석유 가스회사들이 찾고자 노력했지만 모두 실패한 데 대한 새로운 시도를 하고 있다. 천연가스로부터 유용한 화학원료와 연료를 비싸지 않으면서 직접 변환하는 방법을 찾는 시도이다. 현재 미국의 천연가스 가격은 원유 배럴당 100불일 때 에너지환산으로는 20불에 해당하는 저렴한 가격이다. 지금까지 천연가스에서 휘발유와 같은 액상연료를 제조하는 데 매우 비용이 많이 들었다. 쉘사는 천연가스 가격이 거의 0인 카타르에 190억불을 들여 GTL (Gas-To-Liquid) 공장을 건설 운영 중이다. 남아공 사솔사는 미국 루이지아나주에 110-140억불을 투자해서 GTL 공장 건설을 고려하고 있다. 이들 GTL 공장에서 생산되는 전체 액상연료량을 다 합쳐도 하루 40만 배럴로서 전 세계 생산되는 하루 9,000만 배럴에 비하면 0.5% 정도에 불과하다. GTL 공정이 비싼 이유는 과정이 복잡하고 에너지 소모가 많기 때문이다. 일반적인 방법은 천연가스를 고온에서 분해해서 합성가스(CO와 수소)를 만들고 촉매반응을 거쳐 탄화수소 화합물을 제조하고는 최종 제품으로 분리 정제하는 단계를 거친다. 여기서 합성가스로 변환 단계를 거치지 않고 메탄에서 직접 화합물을 만드는 데 여러 화학자들이 노력한 바 있지만 성공하지 못했고 세계 유수의 석유회사들도 1980년대에 이 아이디어를 포기한 바 있다. Siluria사는 촉매개발에 다른 방법론을 제시하고 있다. 지금까지 촉매를 찾는 방법은 촉매가 어떻게 작동하는지 정밀 분석하고 어떤 성분 조합이 촉매 성능을 향상시킬지 계산 반영하는 방식이었다. Siluria사는 수백개 촉매를 각각의 반응기와 질량분석기에서 분석하는 자동화 시스템을 갖추어서 어떤 촉매에서 메탄이 에틸렌으로 많이 전환되는지 분석 비교하는 실험적 방식을 택했다. 촉매를 구성하는 성분 조성과 그 조합만이 아니라 대상 촉매의 미세구조 차이에 중요성을 부여하여 촉매를 개발하는 방식이 핵심이다. 이 아이디어는 MIT 생물공학과 Angela Belcher 교수가 개발한 무기물질 원자를 일정한 형태로 조합하는 바이러스 개발 원리를 원용한 것이다. 이 방법과 다른 방법을 사용해서 나노와이어 형태인 촉매를 제조 선별과정을 거치는 것이다. 이전에는 1년이 걸렸을 촉매 선별과정을 개발한 촉매선별 software를 통해서 수일 내에 하겠다는 것이다. 물론 반론도 있다. Caltech Beckman Institue의 Jay Labinger는 메탄과 산소 반응을 포함한 oxidative coupling 과정은 에틸렌으로 변환된 데서 끝나지 않고 계속 진행되어 CO2와 물에서 반응이 종결되는데 이 과정을 제어하기가 어렵기 때문에 Siluria사의 노력에 회의적이라고 말하고 있다. Labinger는 1980년대 말에 이 과정 제어가 불가능하다고 발표한 바 있다. 그럼에도 불구하고 Siluria사는 향후 4년 내에 첫 상용설비를 갖추고자 한다. 누군가가 기술의 break-through에 성공한다면 당연히 그 영향은 엄청날 것이다.