한국에너지기술연구소 “청정연료 연구실” (천동현 박사)

연구실 개요

한국에너지기술연구원의 청정연료연구실에서는 아래와 같은 8가지 영역의 기술을 개발해 오고 있으며, 이 중 천동현 박사 연구팀은 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성반응용 촉매 기술을 중점적으로 개발하고 있다. 피셔-트롭쉬 합성반응은 대표적인 C1 가스 중의 하나인 일산화탄소를 수소화시켜 미세먼지 저감형 액체연료 또는 고부가 화학원료물질을 생산하기 위한 기술이다. 피셔-트롭쉬 합성기술의 원료물질인 일산화탄소 및 수소는 석탄, 천연가스/셰일가스뿐만 아니라 이산화탄소, 폐목재, 폐플라스틱 등의 폐기물로부터도 생산이 가능하기 때문에, 에너지/화학분야에서 원유(석유) 의존도 감소 및 탄소배출권 거래제 대응에 기여가 가능하고, 최근 사회적 이슈가 되고 있는 플라스틱 폐기물 처리문제를 해결하는데도 기여 가능한 기술이라 할 수 있다.

저등급 연료 고품위화 기술	저등급 연료 가스화 기술
수출용/국내용 분산형 가스화 발전 시스템	석탄액화(CTL) 및 바이오매스액화(BTL) 기술
피셔-트롭쉬 합성반응용 고성능 촉매 기술	정유 및 석유화학 공정 기술
가스 및 액체 분리공정	천연가스/원유 처리 및 전환 공정

주요 연구내용 소개

1. 촉매 원천기술

1) SponCat^TM 기술

피셔-트롭쉬 합성반응용 Fe계 촉매는 제조 직후 비활성종인 Fe계 산화물로 구성되어 있으며, 피셔-트롭쉬 합성반응조건에서는 활성종인 Fe계 탄화물로 잘 바뀌지 않는 특징이 있다. 따라서 저압의 합성가스(CO + H2) 또는 일산화탄소 분위기에서의 활성화 전처리가 반드시 필요하며, 이는 산업화 단계에서 기술의 경제성에 치명타가 될 수 있다. 본 연구진은 세계최초로 활성화 전처리가 필요 없는 피셔-트롭쉬 합성반응용 촉매를 개발하였고, SponCat^TM이라는 이름으로 브랜드화를 추진하고 있다. SponCat^TM 기술은 미국의 대표적인 기술사업화 행사인 TechConnect World Innovation에서 2년 연속 Global Innovation Award를 수상한 바 있으며, 이는 기술의 우수성을 국제적으로 검증 받았다는 점에서 의의가 있다고 할 수 있다.

본 연구진이 개발한 SponCat^TM 기술은 목표 제품군에 따라 (1) SponCat-Olefin, (2) SponCat-Wax, (3) SponCat-Oil의 3가지 옵션으로 적용이 가능하며, 현재 해당 제품군의 선택도를 극대화시키기 위한 최적화 연구를 수행 중에 있다.

SponCat^TM 기술은 피셔-트롭쉬 합성기술에서 공정 설치비 및 운전비를 대폭 감축시킬 수 있다는 뚜렷한 장점이 있기 때문에, 해외 유관기관으로부터 크게 주목을 받고 있는 기술이다. 현재 우리나라를 포함하여 총 6개국에 특허가 출원/등록되어 있는 상태이며, 우리나라 및 캐나다에서는 상표등록까지 마친 상태이다.

Type	Title	Country	Status	Detailed Info.
Patent	Methods of Manufacturing Iron-Based Catalysts and Methods of Manufacturing Hydrocarbons Using Iron-Based Catalysts Made by the Method	Republic of Korea	Granted	10-1847549 (2018.04.04)
		South Africa	Granted	2017/07393 (2019.01.30)
		USA	Granted	US 10,508,243 B2 (2019.12.17)
		Canada	Pending	2,938,738 (2017.10.23)
		China	Pending	201680023535.8 (2017.10.23)
		India	Pending	201737038049 (2017.10.26)
Trade Mark	SponCat	Republic of Korea	Granted	40-2017-0112218 (2017.12.13)
		Canada	Granted	TMA1,032,977(2019.06.27)

2) 친환경적 촉매 제조기술

종래 Fe계 촉매의 제법인 침전법은 대량생산이 용이하고 안정적인 성능구현이 가능한 검증된 제법이라는 장점을 지니고 있지만, 원료비가 비싸고 촉매 생산량 대비 물 사용량 및 오염물질 배출량이 현저히 많은 것이 단점으로 지적되고 있다. 본 연구진은 최근 원천적으로 폐수 배출이 없는 신개념 친환경적 촉매 제법 개발에 성공하였다. 천연 철광석 및 물리적 분쇄법을 이용한 제법으로, 해당 제법을 이용할 경우 종래의 침전법 대비 화학물질 및 물의 사용량을 약 5% 수준으로 감축시킬 수 있으며, 종래의 촉매 대비 90% 수준의 준수한 촉매 성능을 얻을 수 있다. 본 기술은 원천적인 성격이 강해서, 철광석 이외 다른 종류의 광물자원에도 적용이 가능할 것으로 전망되며, 특히 촉매의 회수 및 재생이 불가능한 분야용 촉매에서 가장 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구진이 개발한 친환경적 촉매 제조기술은 우리나라 및 미국에서 특허 등록이 완료되었고, 촉매 및 환경분야의 권위적인 학술지인 Applied Catalysis B: Environmental(IF = 14.229, mrnIF = 100.00)에도 논문이 게재가 되어 기술의 원천성 및 우수성을 세계적으로 인정 받고 있다.

Type	Title	Country/Journal	Status	Detailed Info.
Patent	Method for preparing iron-based catalyst and iron-based catalyst prepared by the same	Republic of Korea	Granted	10-1496097 (2015.02.16)
		Republic of Korea	Granted	10-1498374 (2015.02.25)
		USA	Granted	US 9,789,472 (2017.10.17)
Paper	Nanocrystalline iron-ore-based catalysts for Fischer-Tropsch synthesis	Journal of Nanoscience and Nanotechnology	Published	16 (2016) 2014-2018
	Eco-friendly prepared iron-ore-based catalysts for Fischer-Tropsch synthesis	Applied Catalysis B: Environmental	Published	244 (2019) 576-582

2. 촉매 응용기술

1)고품질 합성왁스 생산을 위한 산업형 C1 가스 전환기술 개발

고품질 합성왁스(피셔-트롭쉬 왁스)는 종래의 석유유래 왁스와는 다르게 높은 결정화도, 선형 분자구조, 긴 탄소 체인, 낮은 분자량, 낮은 점도 등의 특징을 지니고 있으며, 이러한 특징으로 인해 접착제, PVC 윤활제, 잉크 등의 분야에서 고가의 화학원료물질로 활용되고 있다. 합성왁스는 에너지 밀도가 높고 저장 및 보관이 용이(상온/상압에서 고체)하다는 장점을 지니고 있기 때문에, 에너지 캐리어(예: 수소 캐리어 물질)로서의 역할도 가능한 물질이다. 또한 합성왁스는 수요에 따라 고급 윤활기유, 항공유, 납사, 올레핀 등으로 즉시 전환이 가능하기 때문에 석유대체 플랫폼화합물로서의 역할도 수행할 수 있다. 본 연구진은 고유 원천기술인 SponCatTM 기술을 바탕으로 왁스 고선택성 촉매개발 및 최적화 연구를 수행하고 있으며, 벤치급으로의 스케일-업 및 장기실증까지를 목표로 하고 있다.

2) 합성가스로부터 초고부가 LAO(Linear α-Olefins) 생산기술 개발

LAO(linear alpha-olefins)는 전세계적으로 연간 500만톤 규모의 시장이 형성되어 있고, 공급이 전체 시장규모를 결정하는 초고부가 틈새시장이 열려있는 상태이다. LAO 중에서 가장 고부가 품목은 C₆ 및 C₈ LAO이며, 최근 C₆ LAO는 에틸렌 삼량화를 통한 선택적 생산기술이 상용화에 성공한 바 있다. 따라서 C₈ LAO를 생산할 수 있는 기술에 대한 관심이 크게 증대되고 있다. 본 연구진은 이산화탄소, 폐목재, 폐플라스틱 등에서 얻을 수 있는 합성가스로부터 초고부가 화학원료물질인 LAO를 생산할 수 있는 기술을 개발하고 있으며, 큰 틀에서는 선도기관인 남아공 Sasol사와 유사한 방식을 취하되 세부기술에서는 Sasol과 차별화하는 방식으로 차별화된 고유기술을 안정적으로 획득하고 있다. 본 연구진은 (1) 합성가스를 LAO 고함유 Syncrude로 변환시킬 수 있는 피셔-트롭쉬 합성반응용 촉매기술과 (2) 부산물로 발생하는 C₅ 및 C₇ LAO를 C₈ LAO로 업그레이드시킬 수 있는 촉매기술을 개발하고 있으며, 세부적으로는 아래와 같은 총 6가지의 기술을 개발하고 있다.

연구실 현황