100년 정유공정에 패러다임 변화…원유, 이제 끓이지 않고 거른다

[경제일보] 국내 연구진이 원유를 400도 가까이 끓이지 않고 상온에서 분리하는 기술을 개발했다. 기존 증류공정을 보완하거나 대체할 가능성을 제시하면서 정유업계의 에너지 절감과 탄소배출 저감에 새로운 해법이 될지 주목된다.

25일 고동연 KAIST 생명화학공학과 교수는 원유를 끓이지 않고 값싼 고분자막으로 상온에서 정밀하게 걸러내는 데 성공했다. 이번 연구는 HD현대오일뱅크와 공동으로 진행됐고, 연구 성과는 국제학술지 네이처에 게재됐다.

그동안 정유공정은 원유를 350~400도까지 가열한 뒤 끓는점 차이를 이용해 성분을 분리하는 증류 방식에 의존해 왔다. 100년 넘게 이어진 방식이지만 막대한 에너지 소비와 탄소배출이 불가피해 비용 절감과 탄소중립 시대의 대표적인 과제로 꼽혀왔다.

전 세계 정유공장이 소비하는 연간 에너지는 1100테라와트시(TWh)에 달한다. 이는 대형 원자력발전소 약 130기가 1년간 생산하는 전력량과 맞먹는 수준이다.

연구진은 증류공정의 한계를 줄이기 위해 고분자 분리막을 활용한 새로운 방식을 제시했다. 얇은 막을 통해 상온에서 원하는 성분만 걸러내는 방식이다. 정수기가 필터로 물속 불순물을 걸러내듯, 원유 속 분자 크기 차이를 이용해 필요한 성분을 분리하는 원리다.

이번 연구의 핵심은 분리 속도다. 기존에도 분리막을 활용해 원유를 걸러내려는 시도는 있었지만, 분리막 면적 ㎡당 1시간 동안 0.1ℓ도 처리하지 못해 상용화 가능성이 낮다는 평가를 받아왔다. 연구진은 분리막에 얇은 코팅층을 입히는 기존 방식에서 벗어나 코팅층을 제거하는 방식을 택했다.

결과적으로 코팅층을 없애자 원유가 분리막을 통과하는 속도는 크게 빨라졌다. 연구진은 분리막 면적 ㎡당 1시간에 0.591ℓ를 투과시키는 데 성공했다. 이는 기존 최고 성과보다 23배 이상 높은 수준이다. 나프타 기준으로 원유 대비 두 배 이상 농축하는 데도 성공해 분리 성능을 함께 입증했다.

에너지 절감과 운영비 측면에서도 효과가 확인됐다. 연구진의 시뮬레이션에 따르면 이번 기술을 기존 증류공정에 적용할 경우 운영비는 36% 줄어들 수 있다. 에너지 사용량은 31.6%, 탄소배출은 37.6% 감소할 것으로 분석됐다.

기존 정유 설비를 유지하면서 분리막 모듈을 추가하는 방식으로 적용할 수 있다는 점도 장점으로 꼽힌다.

HD현대오일뱅크 관계자는 “이번 기술은 정유 공정 맨 앞단에서 원유를 1차 분리하는 원유 증류 공정, 특히 상압증류공정(CDU)을 보완하거나 일부 대체할 수 있는 기술”이라고 했다. 정유사가 공장 전체를 새로 짓지 않고도 에너지 소비가 큰 초기 증류 공정의 부담을 낮출 수 있다는 의미다.

이번 연구는 아직 실험실 규모에서 진행됐다. 상용화를 위해서는 대형 분리막 제작과 장기간 운전 안정성 확보, 대규모 실증이 필요하다.

고 교수는 “산업이 고도화될수록 적은 에너지로 깨끗하게 나누는 기술의 가치는 더 커질 수밖에 없다”며 “우리가 매일 쓰는 거의 모든 물건의 출발점인 원유를 끓이지 않고 거르는 방식으로 바꿀 수 있다면 다가올 에너지 전환의 부담을 조금이나마 덜 수 있을 것”이라고 했다.