[산업계동향] 업계 거시 동향

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산^업계동향

상업화를 앞둔 셀룰로오스계 화학물질들과 에 탄올 생산 공정

지켐 주식회사(ZeaChem Inc.)는 미국 오레곤주의 보 드만(Boardman)에 있는 250,000갤런/년 규모의 시연용 바이오정제 설비에서 상업적 등급의 셀룰로오스계 화학물 질들과 에탄올을 생산하고 있다. 이 시연 설비는 지켐사의 바이오 정제 공정의 대형화 가능성을 입증하고 대규모의 상업용 생산으로 한걸음 나아가는 것을 목표로 운전되고 있다.

다양한 연료들과 화학물질들을 생산하는 석유화학 정제 설비와 비슷하게 지켐사의 시연 설비는 셀룰로오스 기반의 에탄올과 아세틱산과 에틸 아세테이트와 같은 중간 화학물 질들을 생산하기 위하여 C2(2개의 탄소) 플랫폼을 이용하 고 있다. 모든 C2 제품들을 위한 상업용 시장의 잠재력은 4,850억불이다.

지켐사는 바이오매스로부터 얻어진 단당류들을 아세틱 산으로 발효시키기 위하여 아세토젠(Acetogen)을 이용 한다. 아세토젠들은 효모에 비해서 다수의 장점들을 지니 고 있다. 아세토젠들은 모든 자일로즈(C5)를 글루코즈 (C6) 단당류로 전환시키고 바이오매스의 모든 분해 제품 들에 견딜 수 있으며 가혹한 환경들에서도 작동한다. 또한 아세토젠들은 부산물로서 이산화탄소를 전혀 배출시키지 않는다. 전통적인 효모 발효는 1개의 에탄올 분자당 1개의 이산화탄소 분자를 생산한다. 따라서 지켐사의 발효 공정 의 탄소 효율은 거의 100%로서 효모의 67% 보다 높다.

이후 아세틱산은 에탄올을 만들기 위하여 수소처리되는 에스터로 전환된다. 에스터를 에탄올로 전환하기 위하여 필요한 수소를 얻기 위하여 지켐사는 분리 공정에서 배출 되는 리그닌 잔류물들을 원료로 이용하여 가스화 공정을 거쳐 수소가 풍부하게 포함된 합성가스 흐름을 만든다. 수

소는 합성가스에서 분리되어 에스터 수소 첨가 반응에서 사용된다. 수소를 제외한 합성가스는 공정을 위해 필요한 증기와 전력을 생산하기 위하여 연소된다.

지켐사는 동일한 발효와 회수 공정을 이용하나 다른 미생 물을 사용하여 프리피오닉산, 에틸 프로피오네이트, 프로판 올, 프로필렌을 포함한 C3 화학물질들(3개의 탄소 구조)을 생산할 수 있다. C3 플랫폼은 개발 중이다. 지켐사의 C2, C3 제품들을 합하면 1조 달러의 시장에 진출할 수 있다.

환경에 큰 도움이 되면서 경쟁력 있는 가격의 제품들을 공 급 하 는 공 급 업 체 로 서 지 켐 사 는 그 린 우 드 리 소 스 (GreenWood Resources), 발레로(Valero), 크라이슬 러(Chrysler)를 포함한 많은 회사들과 전략적 협력 관계를 구축하였다. 최초의 상업용 바이오정제 설비의 개발이 현 재 진행중이다. 미국 농림부로부터 지원을 받는 이 시설은 2천5백만 갤런/년의 에탄올과 화학물질들을 목재 바이오 매스와 농업 잔류물들로부터 생산할 수 있다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2013년 3월 18일)

천연가스를 화학물질로 변환하는 새로운 기술 개발

R&D 전문회사인 Ceramatec사가 개발한 고성능 세라

믹 멤브레인(Ceramic Membrane)을 이용하면 천연가스 를 경제적인 방법으로 다양한 화학물질이나 휘발유 성분으 로 사용되는 벤젠(Benzene) 등으로 변환할 수 있을 것으 로 기대된다. 만약 이러한 접근방식이 성공한다면 천연가 스 시장에 새로운 장을 개척하게 될 것이다. 또한 시추 과정 에서 발생하는 천연가스를 일부러 소각하는 일도 줄어들 것으로 예상된다.

현재 소각하여 폐기하는 천연가스의 양은 전세계적으로

연간

1,400억 입방미터에 달하며, 이는 미국의 연간 수요

*본 내용은 KISTI와 GTB(Global Trends Briefing 글로벌동향브리핑) 해외 과학기술동향 정보 이용협약을 통해 기사를 발췌하여 작성되었 습니다.

업계 거시 동향

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산^업계동향

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 31, No. 2, 2013

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중

20%에 해당한다. 원거리 지역의 유전에서 발생하는 천

연가스는 수송비용이 너무 높기 때문에 이러한 소각방법으 로 폐기되고 있다. 따라서 새로운 기술들이 소규모 테스트 에서 효과가 있다고 판단되면, 이를 전략적으로 적용하여 현재 소각되는 천연가스를 경제적으로 액화시킨 후 이송할 수 있을 것이다. 현재의 가스-액화 기술은 관련 설비를 도 입하기 위해 약

150~200억 달러(약 16~22조원)의 비용

이 필요하다. 이러한 설비에는 천연가스의 주 성분인 메탄 과 반응하는데 필요한 순수 산소 생산 공정이 포함되어 있 다. 그러나 문제는 이 산소 생산 설비의 비용이 매우 높다는 것이다.

Ceramatec사의 멤브레인은 UC 버클리(University of California at Berkeley)의 화 학 공 학 과 교 수 인 Enrique Iglesia가 추구하는 이러한 가스-액화 대체 공정

을 가능하게 할 것으로 기대된다. Iglesia 교수가 개발한 공정은 액화 탄화수소를 생산하기 위해 촉매를 이용하여

약

800도까지 메탄을 가열하는 방법이다. 그가 개발한 공

정은 산소를 사용하지 않으면서 보다 선택적으로 반응할 수 있어 더 많은 양의 원하는 제품을 생산할 수 있으며, 이 는 곧 경제성 개선을 의미한다.

Iglesia 교수는 과거 산소 없이 메탄을 액화 탄화수소로

변환하는 촉매를 개발한 바 있다. 그러나 이러한 공정은 반 응 중 수소가 생산되어 반응을 저해하기 때문에 실용적이 지 못하였다. 그는 멤브레인을 사용하여 반응기 내부의 메 탄은 그대로 유지되면서 수소를 제거하려고 노력하였지만 원하는 만큼 빠르게 수소를 제거하는 멤브레인은 발견하지 못하였다.

미

ARPA-E(U.S. Advanced Research Projects Agency for Energy)는 Ceramatec사와 공동으로 실시

하는 이번 프로젝트에 약

1.3 백만 달러(약 14억원)의 연구

자금을 지원하고 있다. Iglesia 교수의 연구그룹은 약

1년

전 개최되었던

ARPA-E의 워크숍에서 Ceramatec사의

대표들을 만났다. 이 때

Ceramatec사는 다른 멤브레인보

다 아주 빠른 속도로 수소를 통과하는 멤브레인 기술을 보 유하고 있었다. 이 협의가 오늘날 프로젝트의 시작이 되었 고, UC 버클리가 개발한 제올라이트 기반의 촉매와

Ceramatec의 멤브레인을 함께 활용하는 방안을 공동으

로 모색하고 있다.

개발 중인 이 새로운 기술은 미국 내 풍부한 천연가스 공 급을 자본화하려는

ARPA-E 지원 프로젝트 중 하나이다.

지 난

2012년 11월 ARPA-E는 메 탄 가 스 를 메 탄 올 (Methanol)로 변화하는 공정을 개발하고 있는 미 가스기

술연구소(Gas Technology Institute)에 대해 연구자금 지원을 발표하였다. 또한 천연가스를 이용하여 휘발유를 생산하는 기술을 위해

Pratt & Whitney사도 지원하고 있

다. Pratt & Whitney사의 기술은 유가가 배럴당

50달러

이상이 되면 경쟁력을 가질 것으로 보고 있다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2013년 3월 4일)

세계 리튬이온 배터리 시장, 2016년까지 2배 로 급성장

Frost & Sullivan에 따르면, 글로벌 리튬이온 배터리 시

장은

2012년 117억 달러 규모에 2016년에 2배로 확대될

전망이다. Frost & Sullivan은 이러한 성장세가 최근

Airbus가 리튬이온 배터리 채택을 포기한다는 결정에 큰

영향을 받지 않을 것으로 판단하였다. 북아메리카에서는 소비자 부문에서, 유럽에서는 산업용 부문에서 리튬이온 관련 시장 규모가 크다. 그러나 앞으로 중국, 일본, 한국과 같은 아시아 지역의 산업용 배터리 수요 급증으로 글로벌 리튬이온 배터리 생산량이 빠르게 확대될 전망이고, 아시 아 지역이 이 생산량 증가분의

85~90%를 이끌 것이다.

중국은 특히 리튬이온 제조업체의 분포도가 가장 집중되 어 있는 국가이다. 약

200개 이상의 사업체가 소비자 부문

리튬이온 배터리를 제조하고 있고, 30~40개의 기업들이 자동차용 리튬이온 배터리를 제조하고 있다. 이번

Frost &

Sullivan 보고서는 중국 정부가 적극적으로 전기자동차,

대용량 에너지저장장치 및 스마트그리드를 지원하고 있다 고 주장하였다. 나아가 중국 기업들이 파산한 미국 리튬이 온 배터리 기업들의 상당수를 인수함에 따라, 중국이 리튬 이온 배터리 생산의 선두 주자로서 그 입지를 강화할 것으 로 전망하였다.

IHS iSuppli는 향후 10년간 전력부문 스마트그리드의

성장에 따라

2020년까지 리튬이온 배터리(주로 에너지저

장 시스템에 사용)의 수요가 거의 미국 화폐로

60억 달러

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NICE, 제31권 제2호, 2013

보호제 사용하지 않는 친환경적 수계 백금 나 노입자 분산액 제품 실용화 성공

도호쿠대학 대학원 공학연구과 응용화학전공 하야시 교 수 연구그룹이 중심이 되어 시코쿠계측공업과 공동개발한 보호제를 사용하지 않은 수계 백금 나노입자 분산액의 제 품 실용화가 성공하였다.

나노입자는 나노크기화에 의한 표면효과 및 양자크기 효 과에 의해 물성의 고성능화 및 새로운 물성이 발현된다는 것이 알려져 있어 활발하게 연구가 진행되고 있다. 종래 금 속 나노입자의 대부분에서는 금속원료를 환원하여 나노입

자 표면을 보호제로 덮어 합성하는 화학적방법이 이용되어 왔다. 기존 방법에서 이용된 금속원료는 독성물질인 경우 가 많고, 합성과정에서 산성비 원인물질 등 독성 폐기물이 발생한다. 또한 입자가 커지는 것을 방지하기 위해 합성 시 에 보호제의 사용이 필수적이지만, 보호제로 둘러싸인 나 노입자는 기능이 저하되는 경우가 있어 사용 시에는 보호 제를 제거할 필요가 있었다.

이와 같이 기존 방법에서는 원료 및 보호제가 원인이 되 어 나노입자의 세정처리와 폐기물 처리가 필수적이며, 이 러한 것이 합성과정을 복잡하게 하여 제조비용을 증가시키

산^업계동향

규모에 달할 것이라고 전망한 바 있다. 2012년부터 스마트 그리드 부문에서 리튬이온 배터리 시장이 빠른 성장을 보 일 것으로 판단하였다. IHS iSuppli에 따르면, 스마트그리 드용 리튬이온 배터리의 전 세계 판매 수입은

2020년까지 59억8,000만 달러로 확대된다. 2012년 7,200만 달러 수

준인 점을 감안한다면 약

80배 가까이 급성장하는 모습을

보여주는 것이다. IHS 측은 스마트그리드가 수요 변동에 적응하고, 시스템 전반에 걸쳐 전력 전달을 최적화하기 위 해 재충전 가능한 배터리를 필요로 한다고 강조한다. IHS

측은

2차 저장장치가 다른 대체 기술 대비 원천적으로 가진

장점을 고려할 때, 리튬이온 배터리는 스마트그리드 부문 에서 특별하게 이용될 수 있다고 말한다. 이에 향후 몇 년간 스마트 전력망에 있어 리튬이온 배터리가 재충전 가능한 기 술 중 지배적 기술로 부상할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

스마트그리드 에너지 저장은 여러 형태의 요인으로 인해 요구받고 있다. 단일 가정 시스템에서 여러 가정 및 건물 군 집, 기업 정보 기술 운영을 위한 무정전전력시스템(UPS,

uninterruptible power system), 전력망 운영자가 이용

하는 대규모 시스템에 이르기까지 활용 범위가 다양하다.

에너지저장은 전력망 안정성에서

IT 전력 백업과 풍력 및

태양에너지 저장에 이르기까지 다양한 목적에서 활용되고 있다. 리튬이온 배터리의 이점은 그것들이 부분적인 재충

전 후에도 전체 용량을 유지할 수 있다는 것이다. 나아가 다 른 배터리 기술보다 훨씬 환경적으로 안전한 것으로 평가 되고 있다. 스마트그리드 외에 리튬이온 배터리는 모바일 핸드셋, 노트북, 태블릿 컴퓨터, 하이브리드 및 전기자동차 등 다양한 응용 영역을 갖고 있다(GTnet2011090117).

미국과 유럽의 독일은 리튬이온 배터리에서 다른 행보를 보이고 있다. 미국에서는 오바마 정부의

2009년 경기부양

법(American Recovery and Reinvestment Act)에 의 해 많은 리튬이온 기업들이 생겨났거나 주로 전기자동차 부문에 제품을 조달하기 위해 기존 배터리 제조 시설이 확 대되었다. 그러나 과거

2년간 이 기업들 중 상당 수 기업들

이 재원지원 고갈로 파산에 이르렀다. 게다가 계속되는 경 기침체와 전기자동차의 높은 비용으로 인해 과거

1~2년 전

에 기대했던 것보다 전기자동차 수요가 적었다고

Frost &

Sullivan은 주장한다. 실제 주행된 전기자동차 수는 예상

했던 것보다 훨씬 작았는데, 이는 곧 배터리 수요에 영향을 미쳤다. 그러나 독일은 유럽국가에서 리튬이온 배터리 성 장에 주된 역할자이다. 배터리 수요는 소비자, 산업, 자동 차 등 이 세 부문에서 모두 성장세를 보이고 있다. 독일과 스위스는 에너지저장/배터리

R&D 허브이며, 많은 기업들

이 이 두 나라에서 사업장을 갖고 있다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2013년 2월 26일)

신기술·신제품 개발 소식