왜 메탄이 아닌 메탄올이어야 하는가?
Power-to-Gas와 Power-to-Liquid(Silicon Fire 메탄올)
Prof. Dr.-Ing. Roland Meyer-Pittroff,
뮌헨 공과대학(Technical University Munich)
Power-to-Gas (PtG)는 보통 전기에너지의 전환으로 이해되며, 바람직하게는 재생에너지원에서 에너지가 풍부한 연료 가스로 전환하여 저장 및 후속 사용을 위해 천연가스 네트워크에 공급될 수 있습니다.
첫 번째 단계는 수소 H2의 생산으로 물 H2O의 전기분해이며, 반응 후 산소 O2는 직접 필요하지 않습니다:
H2O (액체) = H2 (g) + 0,5O2 (g) + 286 kJ / mol.
수소는 천연가스에 직접 첨가될 수 있지만, 천연가스의 수소 함량은 부피 범위로 한 자리 수 % 안에 있어야 합니다. 이것이 PtoG 공정 i.a.가 수소를 산업 원천으로부터 이산화탄소와 함께 천연 가스의 주요 성분인 메탄으로 더 많이 변환하는 것을 구성하는 이유입니다. 이에 상응하는 화학반응은 발명가(20세기 초)의 이름을 따서 사바티에 공정이라고 부릅니다.:
CO2 (g) + 4H2 (g) = CH4 (g) + 2H2O (g) -165,0 kJ/mol.
이전 테스트 시설에서 발표된 촉매공정 조건은 230~780°C 범위의 고온(초점 300~400°C)과 1~86bar 범위의 낮은 압력(초점 약 30bar)입니다. 여기서 주목할 만한 것은 상대적으로 높은 반응 열을 방출해야 한다는 것인데 이는 에너지의 손실입니다. 따라서, 수소가 메탄으로 전환되는 에너지 효율은 40-50%에 불과합니다.
지금까지 Sabatier 공정은 필요하지 않았기 때문에 산업적으로 실현되지 않았습니다. 전 세계적으로 약 50m/a의 수소 생산은 기본적으로 천연가스(메탄)에 기초합니다; 지금까지 메탄은 수소로부터 생산된 적이 없습니다. 지난 몇 년 동안 에너지 저장이라는 새로운 목표의 결과로서 일부 소규모의 사바티에 공정이 설치되었습니다.
PtG와 마찬가지로, Power-to-Liquid (PtL)의 원재료는 전해질 수소와 이산화탄소인데, 이들은 반응 후 촉매반응으로 액체 메탄올(CH3OH)로 변환됩니다:
CO2 (g) + 3H2 (g) = CH3OH (g) + H2O (g) - 49,6 kJ/mol (Silicon Fire-reaction).
이 반응은 고전적인 메탄올 합성과 매우 유사합니다.
CO (g) + 2H2 (g) = CH3OH (g) - 90,7 kJ/mol
Silicon Fire의 반응 조건은 약 270°C와 80bar입니다. 압력이 높을수록 소규모 반응기가 사용되며, 낮은 반응열은 최대 80%의 에너지 효율을 가능하게 합니다.
화석메탄올은 무엇보다도 화학원료로 사용되지만 용매와 연료첨가제로도 사용됩니다.
메탄올(에탄올과 화학적으로 매우 유사)은 내연기관에 탁월한 연료로서, 발열량이 가솔린의 절반이라는 것을 제외한 모든 매개 변수에서 가솔린보다 우수합니다(표 참조). 이것이 모든 고부하모델 엔진들이 메탄올 연료를 사용하는 이유이며, 미래에는 전기자동차의 range extender(주행거리 연장, 예)메탄올엔진, 직접메탄올 연료전지)로 사용될 것입니다. 메탄올은 순수연료 또는 가솔린 첨가제로 사용될 수 있습니다; 현재 유럽 연료표준에 따르면 가솔린에서 부피 기준 3.0%의 메탄올이 허용됩니다.
스위스의 도시 Meggen의 Silicon Fire AG는 PtL 기술을 개발하여 다양한 특허를 출원하고 산업용 실험공장에서 이를 실현했습니다(사진 참조). 독특한 장점은 Silicon Fire 공정의 "직접 산화" 이며, 이 공정에서 전기분해된 수소와 탄소가 천연가스로부터의 합성가스와 결합되어 메탄올 합성가스에 사용되고 또한 전해산소의 합성가스 생산에 사용됩니다. 이 공정에서 온실가스를 35% 감축할 수 있는 재생연료에 대한 EU의 요구가 충족되었습니다.
PtG와 비교하여 PtL의 근본적인 장점은 PtL의 상당한 높은 부가가치입니다. PtG의 경우, 높은 가치이기에 고비용 에너지인 수소가 석탄 다음으로 저렴한 천연가스 수준으로 하향 조정되며, 이는 대규모로 독일의 신재생 에너지법과 유사한 새로운 수십억 보조금을 필요로 합니다.
그에 반해서 PtL은 바이오에탄올과 같이 광물 오일연료를 대체할 수 있는 고부가가치의 재생 가능한 액체연료를 생산하지만, 바이오연료와 같은 제한 없이, 그리고 특정 열/에너지 시장가격이 메탄(= 천연 가스)보다 4~6배 높은 것으로 나타났습니다!
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