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천연가스를 디젤로 바꿀 수 있다는 걸 알고 계셨나요? 어떻게 하는 건가요?
오늘날 에너지 수요가 증가함에 따라, 새로운 지속 가능한 에너지원 개발이 전 세계적인 관심사가 되었습니다. 우리는 모두 디젤이 오늘날 자동차와 중장비에 중요한 연료라는 사실을 알고 있습니다. 하지만 피셔-트롭쉬 공정이라는 공정을 통해 천연가스를 디젤로 전환할 수 있다는 사실은 알지 못할 수도 있습니다. 이 과정은 석유 자원에 대한 의존도를 줄일 뿐만 아니라, 미래 에너지 전환을 위한 중요한 해결책이 될 수도 있습니다.
피셔-트롭쉬 공정은 일산화탄소와 수소라는 기체 혼합물, 즉 합성가스를 액체 탄화수소로 변환하는 일련의 화학 반응입니다.
피셔-트롭쉬 공정은 1925년 독일 과학자 프란츠 피셔와 한스 트롭쉬에 의해 처음 개발되었습니다. 이 공정의 기본 원리는 고온, 고압에서 금속 촉매를 사용하여 합성가스를 액체 탄화수소로 전환하는 것입니다. 특정 화학 반응은 다음 공식으로 표현할 수 있습니다.
(2n + 1) H2 + n CO → CnH2n+2 + n H2O
이 반응에서 n 값은 보통 10~20 사이이며, 이는 생성되는 탄화수소 화합물의 탄소 사슬 길이를 나타냅니다. 반응 중에 소량의 올레핀과 알코올 화합물도 생성됩니다. 그러나 메탄(n=1)의 형성은 사슬 성장이 제한된다는 것을 의미하므로 바람직하지 않습니다.
전체 과정이 매우 발열성이므로 반응기에서 열을 효율적으로 제거해야 합니다. 피셔-트롭쉬 공정의 작동 조건은 일반적으로 150~300도 섭씨입니다. 이러한 조건은 반응 속도를 가속화할 뿐만 아니라 전환 속도도 증가시킬 수 있지만, 대량의 메탄 생성을 피하기 위해 제어해야 합니다.
원하는 합성가스를 얻으려면 피셔-트로프슈 시설에서는 먼저 석탄이나 바이오매스와 같은 고체 연료를 가스로 전환하는 가스화 공정을 수행해야 합니다.
합성가스의 생산은 일반적으로 가스화 기술에 의존하는데, 이는 고체 물질을 이후의 피셔-트롭시 반응에 사용할 기체로 전환하는 기술입니다. 합성가스 중 수소와 일산화탄소의 비율은 원료에 따라 다르며, 수성가스 전환반응을 통해 조절해야 합니다. 이러한 조정은 철 촉매를 사용하는 피셔-트롭시 공정에 특히 중요한데, 이 촉매는 본질적으로 수성 가스 전환에 반응하기 때문입니다.
일반적으로 사용되는 금속 촉매로는 철, 코발트, 니켈, 백금이 있지만 니켈은 메탄을 너무 많이 생성하기 때문에 사용되지 않습니다. 가장 일반적인 선택은 철과 코발트인데, 코발트 촉매는 천연가스를 원료로 사용할 때 가장 좋은 성능을 발휘하는 반면, 철 촉매는 석탄이나 바이오매스를 사용할 때 더 적합합니다.
Fischer-Tropsch 공정과 관련된 많은 프로젝트가 전 세계적으로 점차 실행되고 있습니다. 예를 들어, 남아프리카의 Sasol은 세계에서 가장 큰 Fischer-Tropsch 기술 응용 프로그램을 보유하고 있습니다.
기술이 발전함에 따라 세계 최대 규모의 피셔-트롭쉬 시설은 이제 남아프리카 공화국 사솔에 위치해 연간 13만 톤의 합성 연료를 생산합니다. 이 시설은 석탄과 천연가스를 원료로 사용하여 디젤 및 기타 합성 연료로 성공적으로 전환하여 남아프리카의 에너지 안보에 크게 기여하고 있습니다.
또 다른 중요한 사례는 카타르의 Pearl GTL 시설인데, 이 시설은 코발트 촉매를 사용하여 천연가스를 섭씨 230도에서 하루 14만 배럴의 속도로 석유 액체로 전환합니다.
피셔-트롭쉬 공정의 개발은 토지의 에너지 이용 효율성을 개선하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 현재의 환경 문제에 대처하는 효과적인 방법이기도 합니다. 깨끗한 에너지에 대한 수요가 계속해서 증가함에 따라, 이 과정의 상용화와 확장은 재생 에너지의 미래 개발에 큰 영향을 미칠 것입니다.
피셔-트롭쉬 공정이 미래 에너지 전환의 핵심 기술 중 하나가 될 수 있다고 생각하시나요?
