메탄 분해 또는 청록색 수소라고도 하는 메탄 열분해는 메탄을 고온에서 수소 가스와 탄소로 분해하는 것입니다. 이는 천연가스에서 저탄소 수소를 생산하기 위해 증기 메탄 개질 및 탄소 포집 및 격리(CCS)에서 나오는 수소인 청색 수소와 직접적으로 경쟁합니다. 메탄 열분해에서는 메탄의 모든 탄소 성분이 이산화탄소로 배출되지 않고 고체 형태로 포집됩니다.
메탄 열분해는 동일한 양의 수소를 생산하기 위해 증기 개질에 필요한 에너지의 약 절반을 필요로 합니다. 마지막으로, 고체 탄소 부산물은 카본 블랙으로 시장에 판매하여 생산된 수소 비용을 상쇄할 수 있습니다. 이러한 요소들을 종합하면 메탄 열분해는 저탄소 수소를 생산할 수 있는 유망한 기술 옵션입니다.
메탄 열분해에는 다양한 변형이 있으며, 열, 플라즈마, 촉매 열분해로 분류할 수 있습니다. 다양한 방식에도 불구하고 높은 전환율, 수소 가스 순도, 촉매 중독(있는 경우) 및 반응기 시스템 차단을 방지하기 위해 기체 상에서 고체 탄소를 분리하는 데 필요한 높은 공정 온도라는 공통된 기술적 과제를 안고 있습니다.
메탄 열분해 기술 환경과 플레이어의 분포에 대한 포괄적인 개요를 파악하기 위해 과거 특허 활동, 학술 논문, 초기 단계 자금 조달, 진행 중인 프로젝트가 있는 주요 개발자를 분석했습니다. 이 정보는 향후 트렌드를 정의하고 메탄 열분해에 참여하고자 하는 혁신가들에게 기회를 파악하는 데 도움이 됩니다.
메탄 열분해의 지역적 선두주자인 미주와 유럽 및 중동-아프리카 지역
메탄 열분해는 저탄소 수소를 위해 천연가스를 사용함으로써 개발이 장려되는 초기 단계의 복잡한 기술 플랫폼이기 때문에 이는 놀라운 일이 아닙니다. 이를 위해서는 탈탄소화를 위한 강력한 지역적 추진력, 고위험 투자에 대한 욕구 및/또는 풍부한 천연가스 공급이 필요합니다. 미국과 러시아는 이 분야를 선도하는 두 국가입니다.
일본과 한국은 야심찬 탈탄소화 목표를 가지고 있고 동남아시아와 호주는 천연가스 공급이 풍부하지만, 아태지역에서는 아직 메탄 열분해 개발을 촉진할 수 있는 적절한 조건을 갖춘 지역이 없습니다. 하지만 중국이 핵심 플레이어로 부상할 것으로 예상됩니다.
메탄 열분해 분야에서 점점 더 활발해지고 있는 스타트업들
메탄 열분해는 주로 대기업이 주도해 왔지만, 지난 10년 동안 연구 기관에서 개발된 메탄 열분해 기술을 개발 및 배포하기 위해 여러 스타트업이 설립되었습니다. 전반적으로 아직 메탄 열분해 분야에서 뚜렷한 선두 주자가 없는 상황이며, 모노리스 머티리얼즈가 플랫폼을 실증 단계까지 확장했지만 기술의 성능은 불분명합니다. 그 외에는 대기업과 스타트업 모두 비슷한 수준의 플랫폼 기술 개발 단계에 있습니다.
학술 공간은 활발하지만 매우 세분화되어 있습니다.
메탄 열분해 분야에서는 연구 기관이 기업이나 스타트업보다 훨씬 더 많습니다. 네덜란드 응용과학연구기구 (TNO)와 카를스루에 공과대학교 (KIT) 등 단 두 곳만이 파일럿 설치로 기술을 확장하며 두각을 나타내고 있습니다. 메탄 열분해에 적극적인 다른 기관들은 아직 실험 장치를 넘어서지 못했습니다. 이러한 기관 중 상당수는 중국에 기반을 두고 있으며, 이들이 기술을 확장할 준비가 되면 중국 기업에 흡수될 가능성이 높습니다.
- 플라즈마: 가장 성숙한 형태의 메탄 열분해로, 1,000°C(저온 플라즈마)에서 2,000°C(고온 플라즈마) 사이의 온도에서 메탄 가스가 열분해되는 플라즈마 토치를 활용합니다. 저온 플라즈마는 일반적으로 촉매 없이 50% 미만의 메탄 전환을 유도하는 반면, 고온 플라즈마는 일반적으로 90% 이상의 전환을 유도합니다. 노르웨이의 크베르너(현 Aker Solutions)는 1997년에 핫 플라즈마 기술을 활용한 최초이자 유일한 상업용 메탄 열분해 시설을 구축하여 생산된 수소를 플라즈마 토치에서 재순환시켰습니다. 이 설비는 2003년 카본 블랙 제품의 품질 저하로 인해 가동이 중단되었습니다. 현재는 모노리스 머티리얼즈가 이 기술을 선도하고 있습니다. 이 회사는 크베너의 공정을 기반으로 한 고온 플라즈마 기술을 활용하고 있으며, 2020년 미국에서 첫 번째 데모 시설을 가동하여 카본 블랙을 주요 제품으로 생산하고 있습니다. 가즈프롬은 현재 메탄 열분해를 위한 플라즈마 기술에 적극적인 유일한 기업으로, 니켈 촉매를 사용하여 80%의 메탄 전환 효율을 달성하는 콜드 플라즈마 기술을 보유하고 있지만 아직 실험실 규모에 머물러 있습니다.
- 열분해: 열분해에서 메탄은 1,000°C에서 1,500°C 사이의 온도에서 수소와 탄소로 해리됩니다. 공정에 사용되는 반응기 유형에 따라 차별화가 이루어집니다. BASF는 탄소 과립이 기체 상과 반대로 흐르고 메탄이 1,400°C에서 과립 위에서 직접 열분해되는 전기 가열식 이동층 반응기를 사용합니다. KIT는 메탄을 1,200°C의 액체 주석 버블 컬럼 반응기를 통과시켜 형성된 고체 탄소가 액체 위에 떠다니며 미공개 수단을 통해 분리될 수 있도록 합니다. TNO는 또한 1,000°C 이상에서 작동하는 용융 금속 반응기를 사용하며 용융 소금을 사용하여 액체 금속에서 카본 블랙을 분리합니다. 현재 열분해의 모든 기술 플랫폼은 실험실 규모에 머물러 있으며 2030년 이전에는 상업적 규모에 도달하기 어려울 것으로 보입니다.
- 촉매: 촉매 열분해에서 메탄은 1,000°C 미만의 온도에서 일반적으로 니켈 또는 철을 기반으로 하는 금속 촉매를 통해 수소와 탄소로 분해됩니다. 현재 이 분야의 선두주자는 철광석 촉매를 사용하는 유동층 반응기를 850°C에서 작동시키는 Hazer Group입니다. 이 기술은 현재 파일럿 규모에 머물러 있으며 명확한 상용화 목표가 없습니다. C-Zero는 메탄 열분해 분야에 가장 최근에 진입한 기업입니다. 이 회사의 기술은 아직 명확하지 않지만, 촉매 공정과 함께 용융 염을 사용하여 고체 탄소를 분리하는 것으로 보입니다.
전반적으로 메탄 열분해에 대한 기술 환경은 기술 간에 파편화되어 있으며, 확실한 베팅은 없습니다. 모노리스 머티리얼즈는 플라즈마 기술로 거의 상업적 수준에 도달한 것으로 보이지만, 프로젝트에 대한 세부 정보가 부족하고 크베너 공정의 상업적 역사가 짧아 아직은 플라즈마가 메탄 열분해의 확실한 승자라고 할 수 없습니다.
바스프와 TNO는 열분해 플랫폼을 적극적으로 개발 중이지만, 2030년 이전에는 상업적 규모의 시설을 갖추기 어려울 것이라고 인정했습니다. 이 분야에서 활동 중인 여러 스타트업의 경우, 상용화 목표가 매우 야심찬 편이며 기술 확장에 필요한 파트너나 자금을 아직 확보하지 못한 상태입니다.
#럭스테이크
메탄 열분해의 초기 단계와 사용 가능한 기술의 범위를 고려할 때, 이 공정에 대한 경제성 평가는 아직 부족합니다. 학술 문헌과 기술 개발자와의 대화에 따르면 메탄 열분해는 청색 수소보다 비용이 더 많이 들 것으로 예상됩니다. 그러나 이 기술을 옹호하는 사람들은 탄소 부산물을 시장에 판매하면 청색 수소보다 저렴해질 것이라고 지적합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 가정은 매우 위험할 수 있으므로 혁신가들은 신중해야 합니다.
오늘날 전 세계 카본 블랙 시장은 연간 1,500만 톤으로 추정됩니다. 이 카본 블랙을 모두 메탄 열분해로 공급할 수 있다면 연간 600만 톤의 수소를 생산할 수 있습니다. 이는 전 세계 수소 시장의 8%에 해당하는 양입니다. 따라서 메탄 열분해 기술을 전 세계적으로 보급하면 카본 블랙 시장이 붕괴되고 결국에는 쓸모없게 될 것입니다.
기술이 성공적으로 확장되고 카본 블랙이 시장에 판매되지 않는다고 가정할 때, 메탄 열분해 시설 또는 청색 수소 시설 중 어느 것을 건설할지 결정하는 것은 탄소 기반 부산물의 처리와 수소 생산의 경제성에 미치는 영향에 따라 크게 달라질 것입니다. 메탄 열분해가 이기기 위해서는 고체 탄소 처리 비용이 청색 수소 시설에서 배출되는 이산화탄소를 압축, 운송, 격리하는 비용보다 저렴해야 합니다.
관심 있는 사람들은 메탄 열분해의 발전을 모니터링하되, 저탄소 수소 시장에서 메탄 열분해가 차지하는 비중이 커지겠지만, 청색 수소를 완전히 배제하지는 않을 것이라는 점을 인식해야 합니다.