바이오매스, 에너지원으로 조명받아

광합성에 의해 빛에너지가 화학에너지로 축적된 식물자원을 의미하는 `바이오매스'가 에너지 고갈과 환경 문제를 동시에 해결하면서 이산화탄소 발생량이 적은 무한한 에너지원으로 집중 조명받았다.

바이오매스는 재료가 태양에너지와 물, 이산화탄소로 간단하고 광합성을 통해 지속적으로 생산된다는 강점이 크다. 현재 매년 지구 전체에서 광합성을 통해 생산되는 바이오매스의 양은 세계 1차 총에너지소비량의 10배에 달하는데, 이중 일부만 연료로 써도 고갈염려 없이 풍부한 에너지원을 확보할 수 있게 되는 셈이다. 태양광, 풍력, 수소 등 다른 대체에너지와 달리 기존 화석연료 기반 인프라를 그대로 쓸 수 있다는 강점도 크다. 특히 옥수수나 사탕수수를 원료로 하는 1세대와 나무를 이용하는 2세대에 이어 미세조류와 해조류를 원료로 하는 3세대 기술 연구가 활발하다.

2020년께 생활 속 기술로 등장 전망

바이오연료는 에너지ㆍ환경 문제에 대응하는 각국 정부 정책에 힘입어 오는 2020년께 생활 속 기술로 자리잡을 전망이다. 유럽연합(EU)은 2020년까지 바이오연료의 시장 보급을 10%까지 높이고, 특히 자동차 연료의 20%를 바이오연료로 채운다는 전략이다. 일본은 2020년까지 수송부문의 석유 의존도를 80% 줄인다는 계획이고, 중국은 2020년까지 재생에너지 비중을 15%까지 확대한다는 방침이다. 우리나라도 2030년까지 바이오연료가 기존 석유 소비량의 20%를 대체할 것으로 전망된다.

바이오연료 시대는 20세기와는 다른 또 다른 에너지 전쟁을 예고하고 있다. 20세기에 화석연료를 가장 잘 활용했던 미국 등 선진국들이 세계를 좌지우지했던 것처럼 21세기에는 우수 바이오매스 기술을 선점한 나라가 경쟁에서 절대적 우위를 차지할 수밖에 없다. 특히 자원이 없어도 기술력만 있으면 에너지 강국으로 올라서는 기회가 열릴 전망이다.

이 때문에 우리나라를 비롯해 세계가 거액의 연구개발비를 쏟아붓고 있다. 미국 농림부와 에너지부는 바이오매스 연구비로만 2011년에 3억달러를 투자했고, 유럽은 FP7 프로그램을 추진하고 있다. 세계 최대 석유회사 엑손모빌은 미세조류에서 바이오디젤을 생산하는 프로젝트에 6억달러를 투자하기로 했다.

우리나라도 교육과학기술부가 글로벌 원천기술 확보를 위해 추진하는 글로벌 프론티어 사업을 통해 지난 2010년 `차세대바이오매스연구단(단장 KAIST 양지원 교수)'을 구성해 9년에 걸쳐 집중적인 연구를 펼치고 있다. ▲바이오매스 기반기술 개발 ▲배양ㆍ수확 공정 ▲슈퍼균주ㆍ촉매 이용 바이오매스 전환기술 등 3단계 개발과정을 거쳐 이르면 7년 이내에 미세조류를 이용한 바이오매스 에너지를 실용화한다는 계획이다. 산업시설에서 배출되는 이산화탄소를 공장 굴뚝에서 직접 바이오매스 생산에 활용해 이산화탄소를 산소로 전환하고, 이렇게 만들어진 바이오매스를 이용해 연료와 소재를 생산하는 게 주요 골자다.

수소에너지, 미래 청정에너지로 각광

수소에너지는 미래의 청정에너지원 가운데 하나이다. 수소가 미래의 궁극적인 대체에너지원 또는 에너지매체로 꼽히고 있는 것은 현재의 화석연료나 원자력 등이 따를 수 없는 장점을 갖고 있기 때문이다. 또한 수소는 연소 시 극소량의 질소가 생성되는 것을 제외하고는 공해물질이 배출되지 않으며 직접 연소를 위한 연료 또는 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하다.

무한정인 물을 원료로 해 제조할 수 있으며 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있는 장점이 있다. 게다가 산업용 기초소재에서부터 일반연료, 자동차, 비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 응용돼 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 에너지원으로 평가되고 있는 것이다.

이에 따라 미국, 일본, 독일 등 선진 각국에서는 지난 70년대 말부터 수소의 제조, 저장, 이용 등 분야별 연구개발에 힘을 쏟고 있다.

미국의 경우 우주개발 군사용 등 특수분야에 실용화 기술을 확보해 놓고 있다. 일본은 새롭게 추진되고 있는 뉴선샤인 계획을 통해 지속적으로 연구를 수행해 오고 있으며 WE-NET프로그램 등으로 관련연구의 국제화도 추진하고 있다.

독일의 경우 최근 대체전원으로부터 수소의 제조와 저장, 그리고 이를 연료전지, 수소보일러, 수소자동차 등에 이용하는 수소에너지 시스템기술 실증 플랜트를 설치, 운용하는 등 수소에너지 시대에 대비하고 있다.

우리나라는 '80년대부터 관련기초연구에 착수, 현재 대체에너지 기술개발사업 및 에너지기술연구소 등의 중장기 계획에 따른 연구가 수행되고 있다.

한국에너지기술연구원은 차세대 신재생에너지 기술개발사업의 하나로 수소에너지기술을 상용화 단계로 끌어올리기 위한 기초연구 강화에 힘을 쏟고 있다. 연구소의 경우 열화학법에 의한 수소제조 등 관련 기초연구를 수행한 데 이어, 현재 고분자 전해질에 의한 물의 전기분해 기술, 고성능 니켈-하이드리이드(Ni-MH)전지용 전극활물질 소재개발과 관련한 연구를 진행 중이다.

연구원은 2000년까지 수소의 제조 저장 수송 이용 등에 관한 기반기술을 확보하고 이후 2005년까지 실용화 기술개발, 그리고 2010년까지는 상용화 기술개발을 마친다는 계획을 하고 있다. 결국 우리의 수소에너지 기술개발 수준은 선진국의 20% 선에 머물고 있지만 선진국 역시 아직은 개발 초기 단계인 만큼 앞으로 투자가 뒤따른다면 빠른 시일 내에 기술격차를 줄일 수 있게 될 것으로 판단된다.

석탄액화(Coal Liquefaction), 청정 인조원유를 제조하는 기술

석유자원은 지역적으로 상당히 편재되어 있다는 점 때문에 공급 및 가격의 불안정성을 충분히 내포하고 있다. 최근 석유수급이 비교적 원활하여 에너지수급이 원만하지만 중․장기적으로는 원유의 증산이 한계에 이르고 생산량 감소 현상이 일어나게 되므로 세계적으로 액체연료가 부족하리라 예상된다.

석탄액화 기술의 기본원리는 고체상태인 석탄을 액체연료로 전환하기 위하여 고온(430-460℃) 및 고압(약 100-280기압)의 반응조건하에서 수소를 첨가시켜서 생성물의 수소/탄소 비를 1.5-2.0 정도로 증가시킴으로써 에너지 밀도가 높고 수송 및 보관이 용이한 청정 인조원유를 제조하는 기술을 의미한다.

이 기술은 이미 세계대전 중에 독일에서 자국의 부족한 항공기 및 휘발유 연료를 충당하기 위하여 최초로 개발되었으며 현재는 미국, 일본, 영국, 서독 그리고 캐나다와 같은 선진국을 중심으로 경제성 향상을 위하여 국가적인 차원하에서 반응조건의 완화와 품질개선을 위한 연구가 중점적으로 수행되고 있다.

특히 대표적인 석탄액화공정으로는 미국의 경우 촉매이단공정인 CTSL(Catalytic two Stage Process)과 일본의 NEDOL 공정으로서 각기 DOE 및 New-Sunshine 계획의 지원 하에 Pilot 규모로 개발되어 연구되고 있으며 주요 개발 대상 핵심기술로는 반응효율의 극대화 및 최적화를 위한 고활성 신촉매 개발기술 및 공정 최적화라 할 수 있다.

현재 석탄액화기술은 배럴당 35달러 정도가 되지만 핵심기술개발 및 주변기술(고/액 분리효율 상승)을 통해 배럴당 25달러 정도로 낮추기 위한 연구를 수행 중에 있으며 국내의 경우 한국에너지기술연구소에서 1kg/hr 용량의 연속식 액화 시험설비를 통해 반응 및 공정효율 개선연구가 수행되고 있다.

“폐기물, 쓰레기가 아니라 에너지다”   

쓰레기에서 연료를 뽑아내는 재생에너지 시장 기술개발 경쟁 치열 

국내 에너지생산 비중에서 신재생에너지 비율이 점차 확대되면서 폐기물을 에너지화하는 움직임이 빨라지고 있다. 기존 소각 처리 외에 고형 연료화(RDF), 폐기물 가스화 등 다양한 기술이 상업적으로 적용되고 있다. 특히 쓰레기 매립지 문제로 골치를 앓고 있는 자치단체들에겐 새로운 대안으로 관심이 집중되고 있다. 

경북 청송군은 매일 배출되는 15t의 쓰레기를 군내 매립장에 묻고 있지만 매립지 수명이 다해가면서 고민에 빠졌다. 군 관계자는 “매립장도 필요 없고 가용성과 불용성 폐기물 모두를 소각하는 기술이 있다는 걸 알고 해당 업체를 직접 찾아가게 됐다”고 말했다. 

바로 플라스마 방식으로 폐기물을 처리하는 기술이다. 플라스마는 기체 상태에서 계속 열을 가한 제4의 단계로, 폐기물을 수천도 이상의 고온에서 플라스마 상태를 만들어 녹이는 방법이다. 이 방식의 경우 기존 소각과정에서 발생하는 대기오염 물질도 적어 친환경적이고, 열분해 과정에서 나오는 합성가스를 연료로 재활용할 수도 있다.

국내 최초로 2008년부터 청송군에서 플라스마 설비를 가동한 GS플라텍은 20t 규모의 시설을 갖추고 폐기물 100t당 10MW 이상의 발전이 가능한 합성가스를 생산하고 있다. 

쓰레기를 연료로, 섬유도 개발 

대성그룹은 대구 달성군에 위치한 방천리 쓰레기매립장에서 대구 시민들이 매일 800t씩 토해내는 쓰레기에서 난방연료를 생산하고 있다. 연간 생산되는 가스는 5,000만m3로, 1만 가구에 공급되는 양이다.

대성 관계자는 “쓰레기 악취 탓에 민원의 대상이 되는 매립가스를 개발해 자원화하는 기술을 지자체에 제안했다”고 설명했다. 대성은 매립장 곳곳에 매립가스 ‘포집공(捕執孔)’을 심어 자연적으로 발생하는 메탄가스를 진공청소기처럼 빨아들인다. 이 가스에서 불순물을 제거하고 지역난방공사에 판매해 연간 60억원의 매출을 올린다. 메탄가스가 사라지면서 악취까지 사라진 것은 물론이다.

효성은 버려진 페트병을 녹여 폴리에스테르 원사를 최초로 뽑아내 ‘리젠’이라는 섬유 브랜드까지 선보였다. 가장 흔하게 쓰이는 합성섬유인 폴리에스테르 원료가 페트병 원료와 같다는 데서 착안했다. 효성 측은 “페트병 33개를 수거하면 폴리에스테르 원사 1kg을 생산할 수 있고 재활용 원사 1t은 50년 수령의 나무 136그루가 1년간 흡수하는 이산화탄소량과 맞먹는다”며 “페트병을 녹인 후 원사로 만들어내는 친환경 기술을 통해 에너지 소비와 이산화탄소 배출을 획기적으로 감축하면서도 우수한 품질을 자랑한다”고 소개했다.

일본 원전 사태, 세계적인 고유가, 점점 강도를 높이고 있는 정부의 환경규제로 기업들이 버리는 쓰레기도 다시 사용하는 에너지 다이어트에 나서고 있다. 폐기물 재활용 산업은 선택이 아니라 필수다.

GS건설은 최근 하수처리수를 공업용수로 재활용하는 과정에서 버려지는 폐수와 전력 사용량을 최소화하는 신기술에 대해 한국환경산업기술원의 녹색기술 인증을 받았다. 

하수 재활용은 물론이고 전기까지 아끼는 기술이다. 이 기술은 하수재이용 분야 최초의 녹색기술 인증이기도 하다.

금호석유화학은 못쓰게 된 타이어에서 연료를 추출한다. 금호석유화학은 폐타이어 고형연료를 국내 처음으로 여수 열병합발전소의 연료로 도입했다. 무료로 폐타이어를 제공받아 폐기물 재활용과 에너지 절감이라는 두 마리 토끼를 잡고 있다.

GS칼텍스는 지난 해 플라즈마를 이용해 폐기물을 처리하고 발생하는 합성가스를 에너지로 재활용하는 폐기물 에너지화 사업을 시작했다. 각종 산업폐기물과 생활쓰레기에 플라즈마를 가하면 매립지가 필요없는 슬래그만 남게 되고 이 슬래그는 친환경적인 벽돌, 인조 대리석 등으로 활용이 가능하다. 이 과정에서 스팀과 가스터빈 발전이 가능한 합성가스도 만들어진다.

효성 용연공장의 경우 울산 남구 성암동 성암소각장의 소각 과정에서 발생하는 폐열을 이용해 만든 스팀을 공급받고 있다. 

스팀 생산을 위해 사용했던 벙커C유를 줄이고 폐기물도 줄이는 일거양득의 효과를 보고 있다.

가축분뇨와 하수를 이용해 에너지를 만드는 바이오가스 시장 규모도 커질 예정이다. 유기성 폐기물에 미생물을 넣는 과정을 거쳐 만들어진 메탄가스를 압축하면 유사 액화천연가스가 된다. 이는 세계적으로 주목받고 있는 사업이기도 하다. 

독일 기술분석기업인 헬무트 카이저 컨설턴시에 따르며 세계 바이오 가스 플랜트 시장 규모는 2020년 37조원까지 급성장할 것이라고 분석하기도 했다. 대우건설이 바이오가스 플랜트 시장에 관심을 두고 진출 중이다.

2030년 폐기물에너지 기여울 70% 예상

국내 에너지 전문가들은 국내 신재생에너지의 약 80%는 쓰레기에서 얻은 폐기물에너지다라고 본다. 특히 1980년대 후반부터 추진된 폐기물 소각 및 열 회수 사업은 다이옥신 등 환경오염물질 배출 최소화 기술과 연계돼 발전하면서 최근에는 쓰레기의 약 20%가 에너지원으로 활용되고 있다. 전체 에너지 수급의 11%가 신재생에너지에 의해 보급되는 2030년엔 폐기물에너지 기여율이 70%에 이를 것으로 예상하고 있다.  

그러나 그동안 쓸모가 없다고 매립 또는 소각하던 쓰레기에서 ‘에너지’란 숨은 가치를 찾아내는 에너지화 기술과 이를 기반으로 한 사업 추진은 환경선진국에 비해 뒤떨어져 있다. 

독일·일본 등 이른바 환경선진국들은 ‘자원순환형 사회’(Zero-Waste Society)란 기치 아래 재활용이나 재사용이 어려워 불가피하게 매립했던 폐기물까지도 최대한 에너지화하고 있다. 

폐기물에너지는 투자사업비의 비중이 다른 신재생에너지보다 훨씬 저렴할 뿐만 아니라, 이미 개발된 기술을 이용하므로 에너지화 효율성을 높이거나 설비를 개선하는 경우에도 비용이 적게 든다. 따라서 쓰레기로부터 에너지를 뽑아 사용하는 폐기물에너지화 사업의 확대와 지속적인 지원은 필수적이다.