[월간수소경제 성재경 기자] 대구 방천리 쓰레기매립장으로 차를 몬다. ‘가스자원화시설’이라는 문구를 단 원형 탱크가 눈에 든다. 실증 현장은 그 오른편 언덕에 있다. 매립지가스(LFG, Land Fill Gas)를 원료로 수소를 생산하는 인투코어테크놀로지(이하 ‘인투코어’)의 플랜트 시설이 있는 곳이다.

 

“3년 전에 시작된 중소벤처기업부의 실증사업입니다. 세계 최초로 플라즈마를 활용해 매립가스를 수소로 분해해서 전환하는 ‘매립가스 기반 고순도 수소정제 시스템’을 개발해 현장에 적용했죠. 과제 목표가 1,000시간 운전인데, 한창 바쁘게 장비를 돌리는 중입니다.”

 

12기의 플라즈마 장비가 마주보고 정렬해 있다. 손바닥만 한 작은 창으로 플라즈마의 작동 여부를 확인할 수 있다. 이산화탄소와 메탄으로 구성된 매립지가스가 플라즈마 반응을 일으키며 세라믹 튜브를 푸른 형광빛으로 물들이고 있다. 인투코어의 엄세훈 대표는 “10월 말까지 운전을 마치고 관련 데이터를 취합해 내놓을 계획”이라고 한다.

 

 

LFG로 수소 생산하는 업사이클링 기술

인투코어는 동일 부지에서 매립지가스를 합성가스로 전환해 메탄올(150kg/d)을 합성하는 실증을 성공적으로 완수한 바 있다. 이번 실증은 그 후속 사업이라 할 수 있다.

 

“현장에 시스템 모듈 개수를 넉넉하게 넣었어요. 지금 보는 12개의 모듈이 40피트 컨테이너박스에 딱 들어가죠. 매립지가스에 있는 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)를 스팀(H₂O)과 같이 플라즈마 반응기에 넣어서 고온 열분해로 합성가스를 만들게 됩니다. 이번 과제는 이 합성가스를 PSA로 정제해서 99.99%의 고순도 수소를 만들게 되죠.”

 

모듈 한 기에서 시간당 20Nm³ 이상의 합성가스가 나온다. 이 합성가스로 하루 200kg의 고순도 수소를 생산하는 것이 이번 실증의 목표다.

 

 

“기후변화의 가장 큰 요인은 온실가스입니다. 쓰레기매립장에서 나오는 메탄의 지구온난화 지수가 27이나 되죠. 인투코어는 이 메탄과 이산화탄소를 원료로 합성가스를 만드는 플라즈마 리포밍 기술을 확보하고 있어요. 그냥 태워서 버리는 매립지가스로 수소를 생산하는 업사이클링 기술이라 시장의 관심이 큽니다.”

 

이번 과제는 수소생산에 초점이 맞춰져 있다. 수성가스전환반응기(WGSR)를 붙여 플라즈마 반응으로 나온 합성가스(H₂, CO)에 수증기를 더해 수소생산량을 늘리게 된다. 이 과정에서 다량의 이산화탄소가 나온다. 플라즈마 반응을 포함하는 전체 공정에서 수소 1kg 생산 시 CO₂ 16kg이 발생한다. 매립지가스를 활용하는 건 맞지만 청정수소로 보기는 어렵다.

 

 

“미국의 경우 수소 1kg 생산 시 4kg 이하로 이산화탄소가 나와야 청정수소로 인정을 받습니다. 이 기준에 맞추려면 태양광 같은 재생에너지 전력을 70% 이상 사용해야 하죠. 그래서 플라즈마 리포밍의 다음 단계로 스팀을 쓰지 않는 ‘메탄 크래킹’에 도전하고 있어요. 메탄 크래킹의 경우 수소 1kg 생산 시 2kg 이하로 CO₂가 나오죠. 카본블랙이라고 하는 고체탄소를 얻을 수 있어 경제성이 좋습니다.”

 

플라즈마 메탄 크래킹의 상용화에 성공한 기업으로 미국의 모놀리스 머티리얼즈(Monolith Materials)를 들 수 있다. SK E&S가 지난해 2,500만 달러(약 335억 원)를 투자해 화제가 된 기업이다. 천연가스를 열분해해 수소와 고체탄소를 생산한다. 이 고체탄소는 굿이어 사에 판매가 되어 타이어 원료로 쓰인다.

 

“카본블랙에도 등급이 있어요. 고온의 플라즈마에서 나온 고체탄소일수록 결정성이 올라갑니다. 이런 고품질의 그라파이트(Graphite, 흑연)는 이차전지 전극의 도전재로 쓸 수 있어 부가가치가 높죠. 저급의 카본블랙은 타이어 재료로 쓰임이 있고, 활성탄은 그보다 등급이 조금 높다고 보면 됩니다.”

 

메탄 크래킹의 경우 카본블랙을 팔아야 경제성이 있다. 이를 위해서는 2,000℃ 이상의 고온에서 고품질의 카본블랙을 생산하는 안정된 플라즈마 기술이 필요하다.

 

“플라스마 기술은 크게 세 가지가 있어요. 인투코어가 하고 있는 ICP 플라즈마, 그리고 DC 토치 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마가 있죠. 세 가지 방식 모두 장단점이 있어요. 이 중 상용화에 가장 근접한 기술은 DC 토치 방식이라 할 수 있죠.”

 

모놀리스는 DC 토치를 활용한 플라즈마 기술을 보유하고 있다. 용접을 하듯 두 개의 전극에 높은 전압을 걸어 아킹 현상으로 플라즈마를 발생시킨다. 환경 분야에서 가장 널리 쓰는 기술로 상압 방전에 유리하다. 다만 고전압으로 에너지 손실이 발생하고 전극이 계속 손상되기 때문에 갈아줘야 한다. 또 반응기에서 나오는 카본블랙의 품질을 일관되게 유지해야 하는 숙제를 안고 있다.

 

국내에서도 지난 2010년 GS그룹이 애드플라텍(이후 ‘GS플라텍’으로 변경)을 인수해 DC 토치 플라즈마 사업을 추진한 적이 있다. 5년간 900억 원 이상을 들였지만 안타깝게도 사업화에 실패하고 회사 문을 닫았다.

 

“폐플라스틱 같은 고형의 폐기물을 열분해하는 일은 매우 어렵다고 봅니다. 어떤 불순물이 섞여 있을지 모르니까요. 저는 플라즈마가 기본적으로 기체 연료를 변환하는 데 최적화된 기술이라고 생각해요. 수전해가 100% 전기에너지를 써서 수소를 만들어낸다면, 플라즈마 리포밍은 전기 50에 기체 연료 50을 필요로 하죠. 이 점에 분명한 차이가 있습니다.”

 

 

전자레인지의 원리를 활용한 ‘마이크로웨이브 플라즈마’에 대한 실증도 꾸준히 진행돼왔다. 크게 고출력, 저출력 마이크로웨이브로 나뉘며 고출력의 경우 DC 토치를 적용하기도 한다. 상압 방전에 유리한 이점이 있으나, 전력공급에 사용되는 마그네트론의 전력변환효율이 60%대로 낮은 치명적인 단점이 있다.

 

국내 한전 전력망에서 쓰는 60Hz 전기를 2.45GHz 마이크로웨이브 주파수로 바꾸는 과정에서 전력 소모가 크다. 전력변환효율이 60~70% 수준이라 플라즈마를 켜기도 전에 소모되는 에너지가 너무 많다. 저출력 마이크로웨이브로 플라즈마를 구성한 업체도 있지만 원리는 동일하다. 수백, 수천 개의 플라즈마를 일일이 제어하면서 안정적으로 가동해야 하는 숙제를 안고 있다. 

 

“마이크로웨이브 방식의 경우 최근까지 몇몇 업체가 실증에 나서거나 상업화에 도전했지만 좋은 성과를 내지 못한 걸로 알아요. 마그네트론의 가격도 너무 비싸고요. 인투코어는 플라즈마를 구동하기 위한 ‘제너레이터’, 즉 전력공급장치를 자체 개발했어요. 플라즈마 발생장치에 해당하는 ‘소스’만큼이나 전력을 효율적으로 공급하는 제너레이터 기술이 중요합니다.”

 

바이오가스 활용한 항공유 생산도 추진

인투코어의 ICP(Inductively Coupled Plasma, 고주파 유도결합 플라즈마) 기술은 독보적이다. 기존 ICP 기술의 한계로 지적되는 좁은 방전 영역의 한계를 극복했다. 좁은 방전 영역 때문에 진공에 가까운 낮은 압력에서만 작동했지만, 이를 극복한 RF(Radio Frequency, 무선주파수) 안테나 기술을 적용하면서 상압에서 구동이 가능해졌다.

 

플라즈마 소스 중심에 세라믹 튜브가 들어 있고, 이 튜브 안으로 기체를 넣게 된다. 튜브 밖에 감긴 구리 안테나에 RF를 흘리면 세라믹 안쪽으로 유도전기가 형성되면서 플라즈마가 발생하게 된다. 그래서 전극이 따로 필요 없다.

 

 

인투코어의 제너레이터에는 95%의 높은 전력변환효율을 지닌 인버터가 탑재돼 있다. 또 강한 유도전기장을 발생시키면서 방전관의 전압을 낮추는 특허기술을 적용했다. 인투코어의 고밀도 ICP 플라즈마 시스템은 70%가 넘는 높은 에너지 전환효율을 갖추고 있다.

 

“현장에서 돌려보니 그리드전력 기준으로 전체 에너지 전환효율이 65% 정도로 나와요. 효율이 낮게 나온 건

질소 때문입니다. 질소가 에너지를 많이 잡아먹거든요.”

 

방천리 쓰레기매립장의 매립지가스 조성비를 보면 메탄이 45%, 이산화탄소가 34%다. 여기에 질소 비율이 19%로 높은 편이다.

 

“매립지가스를 원료로 수소를 만들다 보니 수소 1kg당 1만2,000원 대로 생산단가가 조금 높게 잡혀요. 바이오가스를 원료로 해서 계산을 해보면 절반 정도로 생산단가를 낮출 여지가 있더군요. 미국의 경우 IRA(인플레이션 감축법)를 통해 청정수소 1kg당 3달러의 세액 공제를 적용하고 있어요. 이런 인센티브를 적용하면 경제성

은 충분합니다.”

 

사실 인투코어의 플라즈마 기술을 먼저 알아본 건 반도체 업계였다. 지난 2017년 삼성전자와 하이닉스가 출자한 반도체성장펀드 1호 기업에 선정이 됐고, 반도체 공정용 핵심 모듈장치를 삼성전자 등에 공급하면서 이

름을 알리기 시작했다.

 

주성엔지니어링, 원익IPS, 세메스 등 국내 대표 반도체 장비회사를 고객사로 두고 있고 미국의 램리서치, 일본의 도쿄일렉트론, 네덜란드의 ASM 등 해외 반도체 장비사와 공동평가를 진행하고 있고 제품도 공급하고 있다. 최근에는 SK하이닉스에서 최선단 메모리 제조공정 자격(Qualification)을 획득하기도 했다.

 

“올해 수상한 장영실상도 ‘반도체 제조 공정용 플라즈마 활성종 공급장치(PRO-RPS)’로 받았어요. 플라즈마의 작동 원리는 동일하지만 파워 용량이 1~6kW로 작은 편이죠. 반도체 특성상 365일 안정적으로 시스템이 돌아야 하고 정확히 제어가 되어야 합니다. 웨이퍼 제작에 쓰기 때문에 파티클(불순물)도 절대로 나오면 안 되죠.”

클린룸에서 진행되는 반도체 제조공정은 치밀함과 정밀성을 요한다. 반도체 업계에 장비를 납품한다는 건 그 자체로 기술의 신뢰도를 높이 평가받았다는 뜻이다.

 

“인투코어(EN2CORE)라는 사명이 환경(Environment)과 에너지(Energy)에서 출발했어요. 회사의 수익이 반도체 부문에서 나오는 건 맞지만, 인투코어의 핵심 기술이 지향하는 바는 환경에너지 사업에 있다고 할 수 있죠.”

 

방전 평형을 이룬 플라즈마의 온도는 1만℃에 이른다. 이 연금술의 신비는 기초과학과 산업 분야에 큰 쓰임을 제공한다. 산업으로 보면 환경 쪽에 활용도가 높은 기술이다. 인투코어가 주목하는 것은 도심 인근의 바이오가스 시설이다.

 

“대구광역시만 해도 네 군데 정도 음식물쓰레기 처리장이 있어요. 그 중 한 곳인 상리동 음식물쓰레기 처리장에서 나오는 바이오가스만 하루 3만 루베(Nm³) 정도 됩니다. 이 중 3분의 1에 해당하는 1만 루베만 수소로 전환해서 차량 충전에 활용해도 경제성은 나오죠.”

 

이렇게 생산한 수소는 온사이트 충전소와 연계해 현장에서 소비하는 것이 바람직하다. 기체수소의 경우 운송비가 비싸기 때문에 충전소가 가까운 곳에 위치해야 한다. 수소버스나 쓰레기수거용 청소트럭이 대상이 될 수 있다. 울산이나 안산처럼 도심의 수소배관을 활용할 수 있다면 사업화가 좀 더 수월하다.

 

이 조건을 충족하기 어렵다면, 인센티브를 적용받는 그린수소나 그린메탄올, 청록수소로 가야 경제성이 나온다. 엄세훈 대표는 그 시기가 머지않았다고 말한다.

 

 

“기업을 운영하는 입장에서 비즈니스 모델을 따져보지 않을 수 없어요. 사업의 경제성을 제시하고 입증하는 일이 무엇보다 중요하죠. 경제성 측면에서 가장 빠르게 수요처를 확보할 수 있는 방안이 ‘지속가능한 항공연료’로 불리는 SAF(Sustainable Aviation Fuel)입니다. 2025년부터는 유럽으로 가는 모든 항공기 연료에 SAF를 2%

까지 포함해야 하죠. 2030년에는 6%, 향후 2050년에는 70%까지 그 양을 늘려가게 됩니다.”

 

2025년이면 2년밖에 남지 않았다. 항공업계의 규제 강화로 국내 정유사나 항공사의 고민이 깊어졌다. 바이오매스, 폐오일, 폐플라스틱 등으로 연료를 만드는 사업이 그 어느 때보다 중요해졌다.

 

“과기부 과제로 한국화학연구원과 함께 바이오가스를 기반으로 항공유(SAF)를 만드는 과제를 진행하고 있어요. 플라즈마 변환 시스템을 적용해서 합성가스를 만드는 것까지는 동일합니다. 후단에 화학연에서 개발한 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성 공정을 붙여서 항공유나 바이오납사를 만들게 되죠.”

 

인투코어는 폐플라스틱 같은 까다로운 고형 연료 대신 바이오가스에 집중하고 있다. IEA(국제에너지기구)에서 펴낸 자료에도 하루 1만Nm³ 이상의 바이오가스를 얻을 수 있는 시설이 1만 곳 이상이라고 한다. 한 곳당 100억 원의 설비가 든다고 가정하면 100조 원 이상의 시장이 열리고, 연 50조 원 이상의 매출이 발생하게 된다.

 

“옥수수 같은 곡물을 기반으로 한 SAF는 제도적으로 생산량의 확대가 불가능한 걸로 알아요. 피드가스로 바이오가스를 활용하는 안이 가장 현실적이죠. 바이오가스를 기반으로 항공유를 만드는 시도를 하는 곳이 거의 없어요. 인투코어가 이 분야에 가장 앞서 있다고 자부합니다. 해외 진출 가능성도 높게 보고 있죠.”

 

수도권매립지공사와 ‘메탄 크래킹’ 실증 나서

이야기를 마치고 다시 현장으로 향한다. 작은 창으로 플라즈마의 불빛이 보인다. 소음도 없고 열기도 느껴지지 않는다. 인투코어는 반도체용 제품보다 크기를 최대한 키운 고밀도 ICP 플라즈마 소스와 RF 발생기를 하나로 모듈화한 제품을 현장에 적용했다. 이 제품에는 ‘하이프라 플라즈마 시스템(Hypra Plasma System)’이라는 이름이 붙어 있다.

 

하이프라 시스템 모듈 하나의 크기는 높이 2.15m, 폭 1.3m다. 무게는 약 300kg로 최대 전력은 30kW다. 플라즈마 반응이 일어나는 세라믹 튜브의 온도를 낮추기 위해 안테나 코일에 흘리는 냉각수의 최대 온도는 30℃에 불과하다.

 

“장비의 내구성을 확인하려면 오래 돌려보는 수밖에 없어요. 이 부분은 나중에 데이터로 제시를 해야겠죠. 유지·보수에도 이점이 있어요. 모듈이 고장 나면 기체 밸브를 잠그고 수리를 진행하거나 교체하면 됩니다.”

 

인투코어는 지난 7월 수도권매립지관리공사와 청정수소, 고체탄소 생산기술 개발을 위한 협약을 맺었다. 매립지가스, 바이오가스에 있는 메탄을 크래킹해서 청록수소와 카본블랙을 생산하는 실증을 진행할 예정이다.

 

“플라즈마로 스팀 없이 메탄을 깨는 열분해 공정에 대한 실증을 오래전부터 준비해왔어요. 사전 실험을 통해 결정성이 좋은 고품질의 그라파이트가 나온다는 사실도 확인했죠. 우선 연구개발 과제로 작게 시작해서 올해 말에는 한두 기를 현장에 설치해서 돌려볼 계획입니다.”

 

 

실증이 완료되는 내년 초에는 수요처 확보에 속도가 붙을 전망이다. 수도권매립지관리공사를 비롯해 국내 대기업이 이 사업에 큰 관심을 보이는 것으로 전해진다.

 

“향후 상용급으로 가게 되면 사이클론이라고 해서 기체와 고체를 분리하는 장치, 고체탄소를 걸러주는 필터를 따로 장착하게 되죠. 필터의 경우 자동으로 공급하는 형태로 개발이 진행될 예정입니다.”

 

수도권매립지에서는 하루 평균 57만Nm³의 매립지가스와 7만Nm³의 바이오가스가 나온다. 피드가스의 안정적인 공급처를 확보한 셈이다.

 

하이프라 시스템에 암모니아를 넣어 수소를 분해하는 것도 가능하다. 향후 해외에서 청정수소가 암모니아 형태로 도입될 경우 현장에서 바로 수소를 만들어 쓸 수 있다.

 

인투코어의 장점은 순수 국내 기술이라는 데 있다. ICP 플라즈마, 전력공급 관련한 독자 기술 특허(IP)만 100여 건에 달한다. 해외에도 많은 업체들이 플라즈마 기술을 기반으로 메탄 크래킹에 도전해왔지만, 경제성을 갖춘 상용 기술로 확실한 눈도장을 받은 곳은 아직 없다고 할 수 있다.

 

“메탄 크래킹에서 나오는 수소의 양은 딱 정해져 있어요. 결국 사업성은 카본블랙의 품질에서 판가름이 나죠. 전기를 얼마나 적게 써서 효율적으로 고품질의 카본블랙을 얻느냐의 싸움입니다. 이 싸움에서 이기도록 노력해야죠.”

 

인투코어의 도전에 주목하는 것은 자체 플라즈마 기술을 활용해 매립지가스나 바이오가스를 전환하는 업사이클링 기술을 확보했기 때문이다. 그 결과물은 메탄올이나 수소, 항공연료가 될 수 있다.

 

인투코어의 직원들은 이곳 쓰레기매립지 현장에서 그 가능성을 현실로 만들어가고 있다. 포털의 업종 소개란에 지금도 ‘반도체 제조용 기계 제조업’으로 표기되어 있지만, 조만간 환경사업으로 실적을 내는 ‘인투코어’로 거듭나지 않을까 하는 기대가 있다.

 

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바이오프랜즈의 도전

DC 토치 적용한 카본블랙·청록수소 생산

 

 

국내에서도 최근 DME(디메틸에테르) 생산업체로 유명한 바이오프랜즈가 DC 토치를 적용한 파일럿 규모의 플라즈마 생산 장비를 제작해 실증을 진행하고 있다. 

 

바이오프랜즈 조원준 대표는 “미국의 프라임플라즈마(Prima Plasma)와 손을 잡고 청록수소, 카본블랙 생산에 도전하고 있다. 현재 충북 보은1공장에 하루 200kg의 카본블랙과 60kg의 청록수소를 생산하는 파일럿 플랜트를 새롭게 구축해서 가동 중”이라고 한다. 

 

카본블랙은 중질 석유 제품을 불완전 연소시켜 만든 무기 화합물로, 카본블랙 1톤 생산 시 CO₂ 1.8~3톤이 발생되는 CO₂ 다배출 업종에 든다. 조원준 대표는 “플라즈마 반응기를 새롭게 디자인해서 카본블랙의 일관된 품질을 잡기 위해 노력했다”며 “앞으로 상용급 플랜트 사업을 통해 고품질의 전도성 카본블랙을 생산하고, CO₂-free 청록수소는 그린메탄올과 그린DME를 제조하는 원료로 활용할 계획”이라고 한다.