[TECH meets DESIGN] CO2 포집해 청정 자동차 연료 만든다

[녹색경제신문 = 박진아 유럽 주재기자] 평범한 주변 공기로 자동차 연료를 만든다? 

언뜻 들으면 공상 만화 속 판타지 혹은 좀처럼 불가능할 연금술처럼 들릴 수 있지만 물리와 화학에 기반한 과학적 공정으로 얼마든지 가능함을 한 미국 스타트업이 입증해 내 친환경 에너지 업계의 주목을 받고 있다.

뉴욕에서 창업한 에어셀라(Aircela)라는 2019년 미아와 에릭 달그렌(Mia Dahlgren, Eric Dahlgren) 부부 팀이 창업한 이 2인조 친환경 기술 스타트업이다. 

두 창업자는 석유나 천연가스 등 화석연료를 대체할 합성 청정 연료(e-fuel)로 전환하는 기술을 연구한 끝에 2025년 5월, 냉장고 크기의 모듈식 ‚에어실라‘ 프로토타입을 그들이 거주하는 뉴욕 아파트 건물의 옥상에서 처음 공개했다.

대기에 편재해있는 공기를 빨아들여 이산화탄소(CO2)를 걸러낸 후 수소와 결합시키는 공정을 거쳐 ‚청정 디젤‘ 또는 ‚청정 가솔린’ 합성 연료, 일명 e-퓨얼(e-fuel)로 전환시키는 혁신적 기술을 개발했다.

업체는 이미 2022년과 2023년 2차례에 걸쳐 머스크 해운 산하 머스크 그로스(Maersk Growth), 카본 엔지니어링(Carbon Engineering), 클라임웍스(Climeworks) 등 대기 온실가스 배출 감축에 진심인 기업들의 펀딩(미화 554만 달러, 우리 돈 약 80억 원) 유치에 성공해 현재 이 기술 상업화에 한창이다.

에어셀라는 미관적으로 세련되고 현대적인 디자인 덕분에 프로토타입이 공개되자마자 디진(Dezeen), 디자인붐(DesignBoom) 등 여러 세계적 디자인 플랫폼에서 먼저 주목을 받았지만, 정작 이 기계의 진정한 혁신성은 공기를 자동차 연료(에어-투-퓨얼, air-to-fuel)로 전환시킨 기발함과 친환경 탄소중립적 인공적 연료 가공이라는 두 가지 과학적 성과에 기여했다는 데 있다.

에어셀라의 작동 원리는 입증된 과학적 현상에 기반, 의외로 간단명료한 원리를 기계 공정화한 산물이다.

1. 에어셀라는 회전하는 선풍기로 주변 공기를 직접 빨아들여 필터를 통해 CO2를 걸러낸다. 여과・포집된 CO2를 특수 설계된 수산화칼륨(KOH) 함유된 용액에 첨가한다.

2. 물(H2O)을 전기분해(electrolysis) 하여 수소(H)와 산소(O)로 분리시킨다. 이 공정에 필요로 하는 전력은 태양광 또는 풍력발전을 통해 생산된 신재생에너지를 사용해 공정 중 CO2 배출을 준수한다. 분리된 수소는 연료 합성에 이용하기 위해 분리 보관되고 산소는 안전하게 기계 바깥으로 배출된다. 동시에 CO2 포집에 사용된 KOH 함유 용액은 자체 재생처리 공정을 거쳐 CO2 필터링 과정에 재사용된다.

3. 포집된 CO2와 분리해둔 수소(H)를 결합해 메탄올을 제조한다. 메탄올은 ‚메탄올-투-가솔린(methanol-to-gas, 줄여서 MTG)‘라는 2단계 촉매 공정을 거쳐서 가솔린으로 전환된다. 이렇게 해서 기존 내연기관차의 엔진 구조를 변형시킬 필요 없이 자동차 연료 탱크에 주입하면 바로 구동(engine-ready)되는 비(非) 화석연료 기반 합성 e-퓨얼이 탄생한다.

에어셀라의 매력은 시각적으로 보기 좋은 모듈식 디자인이다. 육각형 벌집을 연상시키는 미니멀 스타일의 에어셀라 기계는 차고와 주차장 공간이 있는 가정집의 자가용을 위한 자동차 플러그-앤-플레이(plug-and-play) 펌프식 연료 충전기로 설치해 사용할 수 있다.

또, 에어셀라가 제조해 내는 합성 연료는 기존 화석연료와 달리 환경과 인간 건강에 무해하다. 즉, 유해 배기가스를 추가로 대기로 배출하지 않는다. CO2에서 전환된 합성 연료에는 황, 에탄올, 납 같은 중금속 연료첨가제가 들어있지 않기 때문이다.

한편, 에어셀라가 해결해야 할 기술적 과제도 있다. 

필요한 포집 CO2 양과 배합물 화학 분리 및 유해 공정에 소요되는 시간과 에너지에 비해 생산량이 매우 작다. 

따라서, 일반 내연기관 승용차로 장거리 주행을 하거나 스포츠카 운전을 위해 연료 탱크를 채우려면 수 일에서 수 주에 걸쳐 에어셀라를 가동해야 하기 때문에 연료 주입 시간이 매우 길다.

가정용 크기의 첫 에어셀라 프로토타입 모델은 하루 종일 가동으로 약 3.8리터(1 갤런) 가량의 합성 가솔린을 생산할 수 있다고 한다. 이 정도의 가솔린을 생산하기 위해서 기계는 대기 중으로부터 약 10 kg 가량의 이산화탄소를 포집・여과해야 한다. 에어셀라 모듈 기계 안에는  설치된 연료 64리터를  저장할 수 있는 연료 탱크가 내장돼있다.

또, 탄소 포집 과정부터 CO2가 합성 연료로 전환돼 연료 펌프 노즐로 나올 때까지 전 과정 동안 전력 소모량이 매우 많다는 것도 단점이다. CO2 포집 합성 연료 3.8리터가 만들어지기까지 약 75 킬로와트 시(kWh) 전력이 소모된다. 동일한 3.8리터 가정 시, 일반 화석 가솔린이 생산되는데 37킬로와트가 소모되는 것에 비해 생산가가 두 배 가까이 비싸다.

이산화탄소 포집으로 가솔린으로 전환하는 방식은 공정 중 불필요한 전력 소실이 많기 때문인데, 에러셀라의 에너지 효율성 개선 여부가 추후 대중 시장 출시 여부와 시일을 좌우할 것으로 보인다.