지속가능한 산업구조로의 전환이 요구되는 전환점에서, 화석연료 기반의 화학 산업은 구조적 변화를 피할 수 없다. 기존 화학 공정은 대부분 고온의 반응 조건을 필요로 하며, 이러한 열에너지는 주로 화석연료의 연소를 통해 공급되어 왔다. 이로 인해 다량의 이산화탄소(CO₂)와 온실가스(Greenhouse gas, GHG)가 배출되며, 화학 산업은 철강, 시멘트 산업에 이어 산업 부문 중 세 번째로 많은 온실가스를 배출하는 분야로 알려져 있다(Fig. 1(a)).[1] 2022년 기준, 전 세계 온실가스 배출량 중 약 7%가 화학 산업에서 발생하고 있으며, 특히 암모니아 생산(21%), 폴리올레핀 제조(28%), 탄화수소 산화반응(30%)과 같은 핵심 공정들이 배출의 주요 원인이다. 또한 수소 생산을 위한 증기 메탄 개질(Steam methane reforming, SMR) 및 수성가스 전환(Water-gas shift, WGS) 공정 역시 높은 온도와 다단계 반응 경로로 인해 대규모 배출을 야기한다(Fig. 1(b)).[1] 더불어, 화학 산업은 전체 산업 에너지 소비에서 큰 비중을 차지하면서도 여전히 연소 기반 시스템에 크게 의존하고 있다. 이는 전 세계적으로 화석연료의 고갈 및 기후 위기가 심화되는 가운데, 지속 가능한 산업 경쟁력 확보를 위해 반드시 극복해야 할 기술적 과제로 자리 잡고 있다.[2]

2015년 파리기후변화협정(21^st conference of parties)에서는 지구 평균기온 상승을 산업화 이전 대비 2° C 이하, 더 나아가 1.5° C 이내로 제한하기 위한 온실가스 감축 목표와 함께 국가결정기여(Nationally determined contribution, NDC)가 설정되었다. 이에 따라 우리나라도 2018년 대비 35% 이상의 감축 목표를 수립하고, 2030년까지 온실가스 총 배출량을 436.6 MtCO₂-eq 수준으로 제한하는 상향된 NDC를 선언하였다(Fig. 1(c)).[3] 그러나 우리나라는 제조업 중심의 산업 구조와 70% 이상의 화석연료 기반 에너지 의존도를 갖고 있어, 기존 구조를 유지한 상태에서는 감축 목표 달성이 현실적으로 쉽지 않다는 지적이 이어지고 있다.[2,3] 특히 산업 부문은 국가 전체 온실가스 감축량 중 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 그중 화학 산업은 감축 여력이 크면서도 탈탄소화가 어려운 분야에 속한다.

글로벌 탄소중립 기조 속에서 산업 부문은 가장 도전적인 과제로 꼽히고 있다. 산업 부문은 전 세계 최종 에너지 소비의 약 37%를 차지하고 있으며, 이 중 대부분이 고온의 열을 필요로 하는 제조 공정에 사용된다.[4] 철강, 시멘트와 더불어 화학 산업은 대표적인 고탄소 산업군으로, 특히 화학 산업은 공정 특성상 초고온 반응 조건이 요구되며, 열에너지의 대부분을 화석연료의 직접 연소에 의존하고 있다(Fig. 1(d)). 이로 인해 화학 제조 과정에서 발생하는 온실가스 배출의 약 40%가 연소열 공급 과정에서 기인한다.[5] 문제는 단순한 에너지원의 교체만으로는 이러한 배출 구조를 근본적으로 바꾸기 어렵다는 점이다. 실제로 기존 공정은 고온 반응 조건과 연속적인 에너지 공급을 전제로 설계되어 있기 때문에, 이를 유지하기 위해 화석연료 기반의 열 공급 방식이 여전히 우세하다. 그러나 이는 결과적으로 기후변화 대응의 걸림돌이 되고 있으며, 에너지 수요 구조 자체의 전환 없이는 실질적인 감축 효과를 기대하기 어렵다. 한편, 전력 부문에서는 태양광, 풍력 등 재생에너지의 빠른 확산이 이뤄지고 있으나, 이들 에너지원은 출력이 시간과 날씨에 따라 변동성을 갖는다. 이러한 전력의 변동성은 수요 측에서도 유연한 대응체계를 요구하며, 산업 부문이 ‘전기를 사용하는 공정’으로 전환될 경우, 출력 조절이 가능한 수요 자원으로 작동할 수 있다. 따라서 산업 공정이 전기를 열원으로 활용하는 구조로 전환된다면, 이는 전력망 안정화와 에너지 시스템 유연성 향상에도 기여하게 된다.[6,7]

이러한 배경 속에서 ‘전기화(electrification)’는 산업 공정의 지속 가능성과 에너지 전환을 동시에 달성할 수 있는 핵심 전략으로 부상하고 있다. 전기화란, 기존의 연소 기반 에너지 공급 방식을 배제하고, 외부 전력 또는 전기를 매개로 한 간접 에너지원(예: 수소, 전기분해 가스 등)을 통해 공정 열 또는 동력을 공급하는 기술을 의미한다. 전기화는 단순한 에너지 수단의 대체를 넘어, 공정 구조 전환을 가능케 하고, 열원 제어의 정밀성, 반응 시스템의 응답성, 그리고 재생에너지와의 통합 가능성 등에서 새로운 가능성을 제공한다. 특히 화학 산업의 경우, 고온이 요구되는 공정 특성상 전기저항가열, 유도가열, 마이크로파 가열 등 다양한 전기 기반 열공급 기술이 적용 가능하며, 이는 탄소 배출을 줄이는 동시에 공정의 반응 효율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.[4,5] 더 나아가, 전기 기반 수소 생산이나 전기분해를 통한 중간물질의 제조 방식은 기존 화석자원 기반의 탄화수소 경로를 대체할 수 있는 새로운 생산 체계를 형성할 수 있다. 궁극적으로 전기화는 재생에너지의 출력 변동성을 흡수하면서도, 산업 수요를 탄력적으로 조절할 수 있는 수요 대응형 기술로 작용할 수 있다. 이는 단지 에너지원의 대체에 그치지 않고, 산업-전력 시스템 간의 통합을 촉진함으로써 에너지 안보, 시스템 유연성, 탈탄소화를 동시에 실현할 수 있는 구조적 전환을 의미한다. 따라서, 전기화는 단지 ‘전기를 사용하는 방식’이 아니라, 산업의 탄소 배출 구조를 근본적으로 재편하고, 에너지 시스템 전반의 패러다임을 전환하는 핵심 기술로 자리매김하고 있다. 본 논문에서는 이러한 전기화 기술의 개념, 유형, 그리고 화학 공정에 적용 가능한 기술적 접근들을 구체적으로 살펴본다.

전기화란 화학 공정 내에서 필요한 열 또는 에너지를 기존의 연소 기반 열 공급이 아닌 전기를 기반으로 직접 또는 간접 방식으로 공급하는 기술적 접근을 의미한다.[8] 이는 단순한 에너지 공급원의 전환이 아니라, 에너지 전달 메커니즘, 반응 환경 제어, 공정 구조 전환을 포괄하는 개념이다. 기존 화석연료 연소 방식은 연소 열이 벽면을 통해 반응기 내부로 간접 전달되므로 반응기의 크기, 단열 효율, 열전달 지연 등의 물리적 한계를 수반한다. 반면, 전기 기반 열원은 전류나 전자기장과 같은 에너지 전달 경로를 통해 반응 영역에 빠르고 정밀하게 열을 인가할 수 있으며, 반응기 특유의 길이 단위를 현저히 축소하고, 반응 시간 및 온도 응답 속도를 향상시킬 수 있다(Fig. 2(a,b)).

전기화는 에너지 전달 방식에 따라 크게 두 가지로 분류된다. 첫째, 직접 전기화(direct electrification)는 전기를 물리적 열원으로 변환하여 공정을 가열하는 방식으로, 저항가열(resistance heating), 유도가열(inductive heating), 마이크로파(microwave) 가열, 아크 또는 플라즈마 가열 등이 포함된다. 이러한 방식은 전도성 물질 내부 또는 표면에서 열이 직접 발생하므로 열손실이 적고, 정밀 제어가 가능하며, 급속한 온도 변화에도 유연하게 대응할 수 있다.[4,5,9] 특히 반응기의 구조적 변경 없이 기존 공정에 적용할 수 있다는 점에서 기술 이전에 유리하다. 둘째, 간접 전기화(indirect electrification)는 전기를 사용하여 수소(H₂), 합성가스(syn gas), 암모니아(NH₃) 등 에너지 캐리어 또는 원료를 생산한 후, 이를 연소 열원이나 환원제로 활용하는 방식이다. 수소 기반 직접 환원철(Direct reduced iron, DRI) 공정, 전기분해 기반 그린 암모니아 공정, 탄소중립 연료 (예: e-methanol, e-fuels) 생산 등이 대표적이다. 이러한 경로는 특히 고온 연소가 필요한 분야나 전기 직접 가열이 어려운 공정에서 탈탄소 대안으로 주목받고 있다.[10]

전기화의 핵심 기술적 이점은 다음과 같다.

• 열공급의 정밀 제어: 열이 직접 반응계 내부에서 발생하므로 열손실이 적고 반응 선택성 향상에 기여함.

• 공정 동적 응답성 향상: 전력 신호 조절을 통해 반응기 가열 속도와 세기를 정밀하게 조절 가능.

• 모듈화 및 분산 적용 용이: 소규모 반응 시스템에 적합하며, 재생에너지 기반 전력과의 연계성 우수.

• 고효율 열원 통합: 기존 벽면 가열 대비 효율적이며, 전기–물질 간 결합 조절 가능.

또한, 산업의 전력 수요 증가가 후방 부문(upstream)의 배출 증가로 이어질 수 있다는 우려도 있으나, 태양광, 풍력 등 탄소중립 기반 전력 공급망의 확대와 함께 전기화 기술은 장기적으로 전방 부문(downstream) 공정의 화석연료 소비를 대체하며 전체 시스템의 온실가스 감축 효과를 유의미하게 가져올 수 있다.[9] 결국, 전기화 기술은 단순한 공정 효율 향상 뿐 아니라, 반응 시스템의 열역학적 조건을 재설계하고, 새로운 촉매 작동 환경을 제공함으로써 화학 산업의 반응 패러다임 자체를 변화시키는 혁신적 접근으로 자리매김하고 있다.

직접 전기화(direct electrification)는 외부 전기를 열로 변환하여 반응계에 직접 공급하는 방식으로, 전기 저항가열(electrical resistance heating), 유도가열(inductive heating), 마이크로파 가열(microwave heating), 아크 및 플라즈마 방전(arc/ plasma discharge) 등을 포함한다.[8,9] 이 기술군은 기존 연소 기반 간접 가열 방식(Fig. 2(a))과 달리, 반응기 내부 또는 반응계와의 접촉면에서 직접적으로 열을 생성한다는 점에서 차별화된다(Fig. 2(b)).

전기 저항가열은 전기 전도성 재료에 고전류를 인가하여 재료 자체의 저항으로부터 열을 발생시키는 방식이다. 이는 유리 용해, 금속 제련 등의 고온 공정에 이미 상용화되어 있으며, 최근에는 전도성 촉매지지체 또는 반응기 벽체를 발열체로 활용하는 전기화 반응기 설계가 확대되고 있다. 특히, 층상구조의 촉매 설계(layered structure catalyst design)를 활용하면, 촉매-발열체의 일체화된 접촉을 통해 국소적 온도 제어와 반응 선택성 향상을 동시에 달성할 수 있다. 다만, 장시간 고온 조건에서도 안정적인 전기적 특성과 화학적 내구성을 유지할 수 있는 발열체 재료의 확보는 여전히 중요한 기술적 과제로 남아 있다.[5]

유도가열은 교류 전류로 생성된 교번 자기장을 통해 자성 재료 내에 유도전류를 발생시키고, 이에 따른 내부 저항 열을 통해 가열하는 방식이다. 이 기술은 가열 속도 및 제어 응답성이 매우 우수하며, 비접촉 방식으로 국소 영역에 선택적으로 열을 공급할 수 있다는 장점이 있다. Fig. 2(c)에서 나타나듯이, 유도가열은 모듈화(modularity)와 운전 유연성(flexibility) 측면에서 우수한 평가를 받고 있으며, 촉매 기반 반응기 또는 금속-세라믹 혼성 소재에 효과적으로 적용될 수 있다. 최근에는 자기성 촉매 입자를 직접 발열체로 활용하는 방식이 수소 생산 시스템에 도입되었으며, 반응기의 소형화와 동시에 높은 에너지 효율을 달성할 가능성이 제시되고 있다.[12,13]

마이크로파 가열은 고주파 전자기파(일반적으로 2.45 GH z)를 재료에 조사하여 유전 손실(dielectric loss)을 통해 내부로부터 열을 발생시키는 방식으로, 비균일한 반응 환경에서의 빠른 열 전달 및 선택적 가열이 가능하다는 특징이 있다. Fig. 2(g)는 마이크로파 가열과 벽면 가열(Boundary heating)의 온도 분포 차이를 시각적으로 비교한 것으로, 마이크로파의 경우 중심부에 높은 온도 구배가 형성되어 반응핵심영역을 효율적으로 가열할 수 있음을 보여준다. 이에 따라, 마이크로파 가열은 고체촉매 기반의 촉매 반응, 유기합성, 폐기물 열분해 공정 등에 다양하게 응용되고 있다.[14]

이 외에도 플라즈마 가열, 전자빔, 적외선, 전기 아크 가열 등 다양한 형태의 전기 기반 물리적 가열 방식이 연소 기반 열원의 대체 수단으로 산업계에서 시도되고 있다. Fig. 2(d–f)는 이러한 직접 전기화 기술들이 공정 구조 내에 어떻게 통합될 수 있는지를 모듈형 반응기 시스템 기준으로 보여주며, 기술 성숙도(technology readiness level), 유연성, 호환성(Retrofit) 등의 관점에서 장단점을 비교하고 있다.[5,15]

그러나 직접 전기화 기술은 여전히 몇 가지 중요한 도전과제에 직면해 있다. 첫째, 대면적 또는 고처리량 반응기에서 열 분포의 균일성 확보가 어렵다는 점이며, 둘째, 고온 구동 환경에서 사용 가능한 전도성 다공성 구조체 소재의 안정성과 호환성 문제가 대표적이다. 또한 전기화 전략이 대규모 산업 시스템에 도입될 경우, 전력망 부하 변화 및 인프라 적응성 등의 요소도 고려되어야 하며, 이는 향후 통합 시스템 설계와 공정-전력망 간 최적화 기술로 극복해 나가야 할 과제이다.

간접 전기화(indirect electrification)는 외부 전기를 직접적인 열로 사용하는 것이 아니라, 전기를 통해 2차 에너지 캐리어(예: 수소, 합성가스 등)를 생산하고 이를 다시 연료, 열, 환원제 또는 화학 원료로 활용하는 방식이다.[16] 이 기술은 직접 전기화가 어려운 공정, 특히 고온에서 대면적 균일 가열이 요구되거나 열과 화학적 전환이 동시에 일어나는 시스템에 유용하다.

가장 대표적인 형태는 수전해 기반 수소 생산이다. 물의 전기분해를 통해 생성된 그린 수소는 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않으며, 다양한 산업 분야에서 열원 대체 및 화학 원료로서의 가능성을 지닌다(Fig. 2(d)). 예를 들어, 수소는 직접환원철(DRI) 공정, 암모니아 합성, 합성천연가스 제조, 메탄올 생산 등에서 기존의 탄소 기반 환원제를 대체할 수 있다.[17,18] 수소는 연소를 통해 1,000° C 이상의 고온 열을 생성할 수 있어, 직접 전기화로 구현이 어려운 고온 열공정의 유력한 대안이 된다.

그러나 수소 기반 간접 전기화의 상용화에는 몇 가지 현실적 장벽이 존재한다. 첫째, 현재까지 산업 전반에서 사용되는 수소의 대부분(약 90 Mt / 2020 기준)은 화석연료 기반 추출에 의존하고 있으며, 탄소 포집이 동반되지 않을 경우 오히려 높은 배출을 유발할 수 있다.[19] 둘째, 수전해 기반의 그린 수소는 여전히 비용 면에서 화석연료 기반 수소보다 높은 단가를 가지며, 생산-저장-수송-활용의 전 주기 인프라가 충분히 구축되지 않은 상태이다. 셋째, 수소 연소는 고온에서는 NO_x 배출 위험이 있으므로 공정별 맞춤형 설계가 필요하다.

이와 함께, 전기화학 반응 기반 e-chemical 생산 또한 간접 전기화의 한 축으로 부상하고 있다(Fig. 2(e)). 염소 및 알루미늄 전해, 과염소산 및 오존 생성, 물 전기분해 등의 공정은 이미 상용화에 성공하였으며, 최근에는 이산화탄소 환원, 질소 고정, 유기물 전환과 같은 분자 수준 정밀 반응 제어가 가능한 전기화학 반응기 개발이 활발히 진행 중이다.[20,21] 전기화학 시스템은 낮은 온도에서 고반응 효율을 구현할 수 있고, 반응물 및 생성물의 선택적 이온 수송이 가능하여 후단 분리 공정을 단순화할 수 있는 이점이 있다.

예컨대, 전기화학 반응기는 멤브레인(membrane)을 이용해 양극과 음극 반응을 분리하여 CO, H₂, NH₃ 등 선택적 생성이 가능하며, 이는 시스템 전체의 효율 향상으로 이어진다. 그러나 장기 안정성과 실증 운전 조건에서의 내구성 확보는 여전히 과제로 남아 있으며, 특히 산업 규모에서 약 10년 이상의 수명을 요구하는 시스템 설계에는 소재 안정성 및 전극 재설계에 대한 지속적인 연구 개발이 요구된다.[22,23]

끝으로, 플라즈마 기반 반응기도 전기 에너지를 비열적(non-thermal) 또는 열적(thermal) 플라즈마로 변환하여 고활성 상태의 반응종을 생성함으로써 간접적인 전기화 반응 경로를 제공한다(Fig. 2(f)). 플라즈마 반응기는 빠른 반응 속도, 낮은 작동 압력, 높은 반응 선택성 등의 이점을 가지지만, 에너지 효율성과 장비 신뢰성 측면에서는 상용화를 위한 개선이 필요하다.[5,15]

결론적으로, 간접 전기화 기술은 전력망에서 생성된 무탄소 전기를 다양한 화학적/열적 에너지로 변환함으로써, 직접 전기화의 한계를 보완하고 더 넓은 산업 공정 범위에 적용될 수 있는 중요한 수단이다. 특히, 수소 기반 공정 및 전기화학적 변환 시스템은 재생에너지와의 통합을 전제로 하는 분산형 생산 시스템으로 발전할 가능성을 지니며, 산업-전력망 간 유기적 통합 구조를 형성하는데 핵심적 역할을 할 것으로 기대된다.

최근 폐플라스틱을 고부가가치 화학물질로 전환하려는 시도가 활발히 진행되고 있으며, 그 중 정밀한 열 제어를 바탕으로 한 전기화 기술이 주목받고 있다. Dong et al.(2023)[30]은 플라스틱 폐기물을 고부가가치 단량체로 효과적으로 전환할 수 있는 전기화 기반의 새로운 열분해 기술, 즉 시공간 가열(Spatiotemporal heating, STH) 기반 무촉매 탈중합 공정을 제안하였다. 이 공정은 기존 열화학 공정의 비선택성과 낮은 단량체 수율 한계를 극복하기 위한 시도로, 특히 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)과 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)와 같은 내열성과 안정성이 높은 고분자를 고효율로 전환할 수 있는 가능성을 제시한다. Fig. 3(a)는 STH 기반 탈중합 기술이 기존 퍼니스 기반 열분해 공정과 비교하여 프로필렌(C₃H₆) 단량체 수율 면에서 우수함을 입증한 결과이다.

해당 공정의 핵심은 다공성 탄소 펠트로 구성된 이중층 구조에 있다. 플라스틱 고체 반응물 위에 이중층 탄소 구조체를 배치하고, 상단층에 고전류 펄스를 인가하면, 전류로 발생한 열이 하단 반응기층과 아래쪽 고체 플라스틱에 전도되어 수직 방향으로 공간적 온도 구배가 형성된다(Fig. 3(b)). 이 온도 구배는 고체 플라스틱이 점차적으로 용융되고, 모세관 현상에 의해 위쪽으로 이동하면서 분해되도록 유도한다. 이 과정에서 ms 단위의 고속 펄스 가열과 냉각이 반복되어 중간 생성물 내 C–C 및 C–O 결합이 선택적으로 절단되고, 과도한 열에 의한 비선택적 부산물 생성을 억제한다. 이를 통해 전체 탈중합 반응의 선택성과 효율성이 향상되며, 생성된 중간체는 다공성 반응기 내부를 통과하면서 반복 가열되며 최종적으로 고순도의 단량체가 수율 높게 회수된다.

기존 촉매 기반의 플라스틱 탈중합 공정은 선택적 단량체 회수를 위해 다양한 금속 또는 산–염기성 촉매를 도입하였으나, 대부분의 경우 수율이 25% 미만에 그치는 실정이다(Fig. 3(c)).[31,32] 이는 고분자 분해 과정에서 발생하는 중간체의 반응성이 매우 높아, 원하는 경로 외 다양한 부산물로 전환되기 쉬우며, 연속 가열이 비선택적 반응을 유도하기 때문이다.[33,34] 특히 폴리올레핀계 고분자(예: PP)의 경우, 탈중합 중 발생하는 라디칼 종의 불균일한 반응으로 인해 화학적 정밀 제어가 어렵고, 다양한 액상 및 고상 부산물의 생성으로 이어진다. 이를 해결하기 위해 제시된 STH 기술은 연속적인 열 인가가 아닌, 공간적으로 정밀 제어된 열 환경에서 고속 펄스 형태의 가열을 구현함으로써 부반응을 억제하고, 반응을 비가역적으로 유도할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.[30,33]

아울러 STH 기반 공정은 재생 가능한 전력을 에너지원으로 활용함으로써 전체 시스템의 탄소 배출량을 줄일 수 있으며, 기존 퍼니스 방식 대비 에너지 효율 측면에서도 경쟁력을 갖는다.[31] 중간체가 연속적으로 생성되고 다공성 반응층 내부에서 반복적으로 재가열됨에 따라 반응이 열역학적 평형에 도달하기 전에 빠르게 유출되어, 불필요한 부산물 형성을 근본적으로 억제할 수 있다. 이는 고품질 단량체의 수율 향상뿐 아니라 전방 부문(downstream) 공정의 부담 경감에도 기여할 수 있다.

이 기술의 고도화를 위해서는 반응기 층의 기공 구조, 크기 분포, 표면 에너지 등 재료 물성의 정밀한 제어가 필요하며, 열전달 및 휘발성 가스의 확산 거동 최적화를 통해 공정 성능을 극대화할 수 있다. 또한 펄스 전력의 세기, 주기, 온도 상승 속도 등 입력 조건을 조절함으로써 반응 동역학과 제품 수율 간의 균형을 조정할 수 있다.[30] 향후에는 다양한 플라스틱 조성에 대응 가능한 유연한 반응기 설계 및 실시간 온도 제어 시스템이 결합될 경우, 본 기술은 산업 현장에서 상용화될 수 있는 전기화 기반 폐플라스틱 자원화 핵심 기술로 자리매김할 수 있을 것으로 기대된다.

전 세계적으로 급증하는 플라스틱 폐기물을 처리하고 에너지 및 자원으로 재활용하려는 노력이 지속되면서, 최근에는 폐플라스틱을 열화학적으로 분해하여 합성유 또는 가연성 가스 혼합물로 전환하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.[27,29] 특히, 생성된 가스를 후속 공정을 통해 합성가스(Syngas)로 전환하거나 연료로 활용하는 가스화 기반 전환 기술이 주요한 접근 방식으로 제시되고 있다. 한편, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등 주요 플라스틱 소재는 분자 내 약 8∼14%의 수소를 포함하고 있어, 폐플라스틱을 고수소 함량의 에너지원으로 활용하려는 시도도 주목받고 있다.[35,36] 이를 통해 수소를 선택적으로 회수함으로써, 에너지 효율과 환경적 지속가능성을 동시에 확보할 수 있는 기술로 발전할 가능성이 기대된다. 그러나 기존의 플라스틱 열분해–개질(pyrolysis–reforming) 기반의 2단계 수소 생산 공정(Fig. 4(a))은 반응 조건이 복잡하고, 750℃를 웃도는 고온의 연속적 가열을 요구하며, 상당한 에너지를 소비하는 한계를 갖는다.[23,36] 실제로, 이 공정에서는 수소 1 kg을 생산하는데 약 12 kg에 달하는 이산화탄소가 배출되는 것으로 보고되어, 탄소중립 목표에 반하는 문제점이 지적되고 있다.[37] 이러한 한계 극복을 위해, 최근에는 전기화 기반의 마이크로웨이브 유도 반응기술이 주목받고 있으며, 이는 플라스틱 분해 반응의 선택성과 에너지 효율을 향상시키는 대안으로 제시되고 있다.

이러한 배경 속에서, Dong et al.(2023) [30]은 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 전환하는 새로운 마이크로웨이브 기반 단일 공정 반응 시스템을 제시하였다. 기존의 2단계 열분해–개질 공정(Fig. 4(a))과 달리, 제안된 시스템은 마이크로웨이브를 활용하여 플라스틱과 금속 촉매 간의 계면에서 선택적인 탈수소화 반응을 유도하며, 수소(H₂)와 다중벽 탄소나노튜브(Multi-w alled carbon nanotubes)를 동시에 생성할 수 있다(Fig. 4(b)). 이 공정의 핵심은 마이크로웨이브에 의해 국소적으로 가열된 촉매 입자와 주변 플라스틱 간의 극단적인 온도 차에 있다(Fig. 4(c,d)). 플라스틱은 마이크로웨이브를 거의 흡수하지 못하지만, 촉매(Fe 기반 산화물)는 마이크로웨이브 감응성이 높아 20° C/ min의 속도로 빠르게 가열되어, 계면에서 선택적 반응이 일어난다. 특히, 마이크로웨이브에 의해 활성화된 촉매 표면에서는 플라스틱 중의 탄소가 탈수소화되어 활성 중간체로 전환되며(Fig. 4(e)), 이는 촉매 내부로 확산되어 Fe₃C 등 금속 탄화물과 함께 CNT로 성장하게 된다(Fig. 4(f,g)). 이 과정은 분자 수준에서 고도의 선택성을 유도하며, 수소 가스는 주요 부산물로 회수된다. 계면에서의 반응 선택성 향상은 마이크로웨이브 조사 하에서 유도되는 강한 전기장 분포와 계면 전자구조 변화에 기인한다(Fig. 4(h)). 특히, 촉매–플라스틱 계면에서의 전기장 강도는 플라스틱 내부보다 최대 수십 배 이상 높아져, 계면에서의 반응이 지배적으로 일어나게 된다. 또한, 탄소층의 형성 여부에 따라 열전달 특성도 변화하는데, 이는 위치별 국소 가열속도 모델링(Fig. 4(i))을 통해 확인되었다. 탄소층이 존재할 경우, 가열 속도가 비약적으로 증가하며 반응성이 향상된다. 이와 같은 마이크로웨이브 유도 플라스틱 분해 기술은 기존 열분해–개질 기반 공정 대비 공정 단순화, 에너지 효율성 향상, 수소 수율 증대, 그리고 CNTs와 같은 고부가가치 소재 동시 생산이라는 장점을 가지며, 향후 탄소중립과 순환경제 구현을 위한 핵심 기술로 주목된다.

메탄(CH₄)은 탄소와 수소를 동시에 회수할 수 있는 이상적인 전환 원료로 간주되며, 최근 전기 에너지를 활용한 탈탄소 연료 생산 기술의 핵심 소재로 각광받고 있다. 특히 대표적인 수소 생산 공정인 증기 메탄 개질 (SMR)은 현재 전 세계 수소 생산의 약 50%를 담당하고 있으며, 반응 특성상 고온의 흡열 반응으로 인해 외부 열공급이 필수적이다.[9] 전통적인 SMR에서는 고온을 유지하기 위해 메탄을 자체 연소시켜 반응 열을 공급하는데, 이 과정에서 수소 1톤당 약 6.6–9.3톤의 이산화탄소가 배출되며, 이는 전 세계 온실가스 배출량의 약 3%에 해당한다.[9] 또한 10∼14 m 길이의 대형 측면 연소식 반응기 수백 개를 배열해 사용하는 현재의 산업 공정은 열 전달 효율이 낮고 반응기 내부에 큰 온도 구배가 형성되어, 촉매의 효율 저하와 탄소 침적(coke deposition) 등의 문제가 동반된다.

이러한 탄소집약적 시스템의 한계를 극복하기 위해, 전기에너지를 기반으로 하는 전기화 반응 시스템이 새로운 대안으로 주목받고 있다. 전기화 기술은 열 전달 구조를 간소화하고, 국소적⋅동적 온도 제어가 가능하여 반응의 효율과 안정성을 높이는 장점이 있다. Fig. 5(a)는 천연가스 기반 메탄올 생산 공정의 에너지 소비 분포를 보여주며, 그 중 개질 섹션이 총 에너지 수요의 약 52%를 차지하고, 연료(개질용) 사용량만 해도 6.61 MJk g⁻¹에 달함을 확인할 수 있다.[24] 특히 증기 생성용 연료는 전체의 62%에 해당하는 13.3 MJk g⁻¹를 소비하여, 유틸리티 효율 개선의 필요성이 강조된다.

이와 관련하여 Barati et al.(2023) [40]은 메탄 전기화 복합 개질(electrified combined reforming of methane, E-CRM) 합성 공정을 제시하며, 기존의 삼중개질 기반 메탄올 생산 공정 대비 열효율을 16.7% 향상시키고, 메탄올 수율을 약 7.5% 높이며, 전력 소비량도 17% 줄일 수 있음을 보고하였다.[39] Fig. 5(b)는 E-CRM 공정에서 재활용 비율 증가에 따른 메탄올 생산량 변화를 보여주는데, 이는 전기화 기반 개질 기술이 기존 공정보다 유리한 에너지-수율 밸런스를 가진다는 점을 시사한다.

전기열 공급 방식 중 저항 가열(resistance heating)은 단순 구조와 높은 확장성으로 주목받고 있으며, 특히 FeCrAl 합금과 같은 고전도성⋅고내열성 재료의 활용은 반응기 설계의 패러다임을 바꾸고 있다.[9] Wismann et al.(2019) [9]은 촉매층(130 μ m 두께의 Ni 함침층)이 코팅된 FeCrAl 합금 튜브를 반응기로 활용하여, 전기열원이 촉매층과 직접 맞닿는 구조를 통해 반응 효율을 극대화한 시스템을 제안하였다. Fig. 5(c)는 해당 반응기의 단면 구조를 보여주며, 이러한 전기저항 가열 시스템은 불필요한 열손실을 줄이고, 고속⋅균일 가열이 가능하여 간결하고 반응 지연이 적은 수소 생산 장치로 작동 가능함을 보여준다. 특히 FeCrAl은 촉매 활성을 가지면서 전도성 지지체가 별도로 필요 없기 때문에, 반응기 통합 설계의 자유도가 높고 탄소 침적 위험이 감소하는 장점이 있다.

Fig. 5(d)는 기존 1140 m³ 규모의 측면 연소식 SMR 반응기에서 시간당 2230 kmol의 수소를 생산하던 공정을, 15 m³의 저항 가열 반응기로 대체 가능함을 시뮬레이션한 결과를 보여준다. 전환율은 95%로, 기존 반응기와 동일하거나 그 이상이며, 부피는 1/76 수준으로 감소하였다. 이러한 고성능 전기화 반응기는 e-fuel 생산을 위한 메탄 개질 뿐 아니라, 암모니아⋅바이오 연료⋅메탄올 합성 등 다양한 고부가 합성 연료 생산 공정의 탄소 저감을 가능하게 한다. 실제로 Haldor Topsoe는 전기화된 SMR 반응기를 실증하여, 이산화탄소 배출량을 기존 9.3 kg CO₂e/kg H₂에서 5.5 kg CO₂e/kg H₂로 줄이는 데 성공하였다.[40]

나아가, 메탄올은 2023년 기준 약 360억 달러의 시장 규모를 가지며, 저장성⋅운송성⋅전환 유연성 측면에서 매우 유망한 e-fuel이다.[41,42] 따라서 전기화 기반 메탄 열분해 및 개질 기술은, 탄소중립 수소 생산의 대안일 뿐만 아니라, 대규모 연료 전환 기술과 결합할 수 있는 핵심 플랫폼으로 기능할 수 있을 것으로 기대된다.

기존의 연속 가열 기반 열화학 반응은 열 전달의 비효율성과 열역학적 평형의 제약으로 인해 메탄(CH₄) 전환에서 낮은 선택성과 전환율의 한계를 갖는다(Fig. 6(a)). 이러한 정적 반응 조건은 반응물이 고온 환경에 장시간 노출되어 비선택적인 반응 경로를 유도하거나 탄소 침적(coke deposition)을 가속화하는 경향이 있다. 이와 같은 한계를 극복하기 위해, 최근에는 프로그래밍 가능한 가열 및 급냉(Programmable heating & quenching, PHQ) 기술이 주목받고 있다. PHQ는 고온(예: 2,000 K)과 저온(평균 약 815 K) 조건을 밀리초 단위로 반복 적용하는 방식으로, 반응 온도 및 시간을 정밀하게 조절하여 반응 경로를 동적으로 제어하는 비평형(non-equilibrium) 운전 기술이다(Fig. 6(b)).[43] PHQ 기술은 특히 열전도성이 높고 고온 안정성이 우수한 다공성 탄소 소재와의 직접 접촉을 통해 구현되며, 반응계의 온도 프로파일을 정밀하게 제어함으로써 비선택적 경로 및 탄소 침적을 억제할 수 있다. 이러한 비평형 환경은 메탄의 C–H 결합을 고온 단시간에 효과적으로 절단하고, 급속 냉각을 통해 C₂ 생성물의 중합 또는 환원 반응을 억제하여 높은 선택성을 유지하는 데 기여한다.[43]

실제 PHQ 기술을 적용한 메탄 열분해 결과는 기존의 연속 가열 방식과 비교하여 선택도 및 탄소 침적물 억제 측면에서 현격한 성능 향상을 보인다. Fig. 6(c)에 따르면, PHQ 조건에서 C₂H_x(C₂, C₄, C₆ 등) 선택성이 약 80% 이상으로 상승하고, 탄소 침적물 형성이 거의 제거되며, 이와 대조적으로 연속 가열 조건에서는 탄소 침적물이 주요 생성물로 형성되었다. 더욱이, Fig. 6(d)는 금속 촉매 없이도 PHQ 기반 메탄 전환 시스템(빨간 별 표기)이 기존 금속 촉매 기반 연속 가열 반응 시스템들(Pt –Bi, Fe/silica, Mo/zeolite 등)에 비해 월등한 C₂ 선택성과 전환율을 달성함을 보여준다. 이는 전통적인 정적 반응기에서 달성하기 어려운 수준의 성능으로, 비평형 동적 제어가 메탄 선택적 전환에서 얼마나 결정적인 역할을 하는지를 입증한다.[43]

또한, Dong et al.(2022) [43]은 PHQ 기술을 적용한 반응 시뮬레이션을 통해, 메탄을 고온(1,500 K) 조건에서 짧은 시간 동안 가열하면, C₃ 또는 C₆ 이상의 중합체로의 반응이 일어나기 전 중간체(C₂H_x) 선택적 생성이 가능함을 보였다. 특히, 라디칼 중간체인 프로파길 라디칼(C₃H₃⋅)의 생성을 억제하기 위해 반응 지속 시간을 약 0.25초 이하로 제어하면 고리화 반응 없이도 C₂ 생성물이 우세하게 형성되며, 이는 과도(transient) 상태에서 화학 평형에 도달하기 전의 선택적 반응 경로를 공략한 대표적 사례이다.

결과적으로, PHQ 기반 선택적 메탄 전환 기술은 열역학적 한계를 극복하고, 촉매 안정성, 선택성, 에너지 효율을 동시에 확보할 수 있는 새로운 동적 반응 플랫폼으로 평가받고 있다. 이는 향후 전기화 기반 수소 및 탄화수소 전환 공정에 적용될 수 있는 핵심 전략으로서, 고효율 저탄소 연료 및 중간물질 생산을 위한 중요한 기술적 돌파구가 될 것으로 기대된다.

기상 반응에 비해 액상 반응계에서 수행되는 열화학적 전환 공정은 열전달 및 물질전달 측면에서 구조적이고 본질적인 한계를 지닌다. 일반적으로 액상 반응물은 점성이 높고 반응기 내 열전달 경로가 길며, 고체 촉매 표면과의 계면에서 일어나는 흡착 및 탈착 반응이 속도 결정 단계로 작용하게 된다. 이로 인해 반응 속도 저하뿐만 아니라, 반응기의 온도 분포 불균일성, 촉매 국부 과열(hot spot), 비균일한 반응 진전 및 촉매 비활성화 현상이 쉽게 발생할 수 있다. 더욱이, 외부 전기로 가열되는 전통적인 방식은 삼상(고체–액체–기체) 계면 전체에 열을 균일하게 전달하는 데 한계가 있어, 반응 선택성과 효율 모두 저하되는 문제를 초래한다.[44,45]

이러한 문제는 액상 유기 수소 운반체(Liquid organic hydrogen carrier, LOHC) 시스템에서 더욱 뚜렷하게 나타난다. LOHC 기술은 디벤질톨루엔(Diben zyltoluene, DBT)이나 H18-DBT와 같은 방향족 화합물에 수소를 저장하고, 이를 필요 시 고온 탈수소화 반응을 통해 수소를 회수하는 기술이다. 그러나 이 탈수소화 반응은 대표적인 강흡열 반응으로, 일반적으로 반응 엔탈피가 +60–80 kJ/ mol 수준에 달하며, 반응 진행을 위해 250–300° C 의 높은 온도와 장시간의 가열이 요구된다.[2] 반응물의 액상 특성상 촉매 표면으로의 열전달이 매우 비효율적이며, 생성된 수소가 반응계 내에 잔류하거나 액–기 계면에서 역반응을 유도하여, 전체 반응 효율을 저하시킬 수 있다.[1] 이로 인해, 기존 외부 가열 기반 LOHC 수소 회수 시스템은 높은 에너지 소비와 낮은 수소 생산 효율이라는 병목을 가진다.

기술한 바와 같이, 액상 반응계에서의 열화학적 전환은 열 및 물질 전달의 비효율성, 반응 속도의 저하, 계면 반응의 제약, 그리고 촉매 안정성 저하 등 구조적인 한계를 갖는다. 이러한 문제는 고흡열 반응인 LOHC 기반 수소 추출 공정에서 더욱 두드러지며, 기존의 외부가열 기반 시스템으로는 높은 반응 온도 및 반응 선택성의 확보가 제한된다. 이에 대응하여 제안된 기술이 바로 전기화 기반 촉매 유도 가열 시스템(Electrified catalytic inductive heating system, ECIHS) 이다. Fig. 7(a)는 기존 전기로 기반 외부가열 방식과 유도가열 방식 간의 차이를 보여준다. 기존 방식에서는 반응기 외벽에서부터 내부 촉매로 열이 전달되며, 열 손실이 크고 반응 중심부까지의 온도 도달이 느리다. 반면 유도 가열 방식은 촉매 또는 지지체 내부에서 직접 발열이 일어나므로, 열이 중심부부터 외부로 균일하게 퍼지며 빠르고 효율적인 가열이 가능하다. 이러한 차이는 실제 온도 프로파일에서도 확인되며, 유도가열 공정을 이용하면 57초 만에 60℃에서 300℃에 도달하는 것을 볼 수 있다(Fig. 7(b)). 유도 가열은 목표 온도에 빠르게 도달하고, 높은 열 응답성을 보여 반복적인 반응 사이클에서도 안정적인 온도 제어가 가능함을 보여준다. 특히 액상-고체-기체 삼상 반응 경계면에서 반응이 진행되는 LOHC 시스템의 경우, 이러한 가열 방식은 반응계 내의 온도 불균일성과 촉매의 국부적 과열 문제를 근본적으로 개선할 수 있다. Fig. 7(c)는 유도 가열이 촉매 온도를 액상 반응물보다 높게 유지함으로써 탈수소 반응을 효과적으로 유도하는 메커니즘을 시각적으로 설명하고 있다. 반대로 외부가열 방식에서는 액상 반응물이 먼저 가열되어 계면에서의 반응 지연 및 역반응의 유인이 증가한다. 이는 반응 선택성과 반응 속도 양면에서 불리한 조건이 된다. 실제 실험에서도 유도 가열의 우수성이 입증되었다(Fig. 7(d)). 같은 LOHC 시스템에서 유도 가열 기반 ECIHS는 단 11 초 만에 작동 온도에 도달하며, 시간당 12,480 m L의 수소를 추출할 수 있는 반면, 기존 방식은 8 분 이상이 소요되며 수소 생산량도 300 m L/ h 수준에 그쳤다. 에너지 소비량 또한 절반 이상 낮아, 효율과 경제성 측면에서 모두 뛰어남을 보여준다. Fig. 7(e)는 본 기술이 기존 문헌에서 보고된 LOHC 기반 수소 생산 기술과 비교해도 생산성(H₂ g₋ cat⁻¹ min ⁻¹) 측면에서 가장 높은 수준에 도달했음을 보여준다. 이는 고체 촉매 중심의 유도 가열 방식이 비균일한 액상 반응 환경을 능동적으로 제어할 수 있는 강력한 수단임을 시사한다.

결과적으로, ECIHS는 기존의 외부가열 기반 LOHC 시스템의 구조적 한계를 극복하고, 빠르고 안정적인 수소 생산을 가능하게 하는 차세대 전기화 기술로 주목받고 있다. 해당 기술은 열 전달의 패러다임을 전환시킴으로써, 강흡열 탈수소화 반응의 속도와 효율성을 획기적으로 향상시키는 기반이 된다.