저온 플라즈마에 의한 이산화탄소 분해 기술 응용 및 미래 발전

[사무국]

전기·전자·정보통신 분과 박장식

  인류가 화석연료를 사용하기 시작한 이래 대기의 온실가스 중에서 특히 CO2 농도가 증가하였으며 이와 동반해서 최근 10여 년 전부터 가뭄과 홍수, 대형 산불과 같은 기후 위기가 날로 심각해지고 있다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC) 제6차 평가보고서(기후변화 2021 과학적 근거)에 따르면 기온과 CO2 농도 변화 추세 비교를 통해 온실가스 배출로 인한 기온 상승이 뚜렷이 나타났다. <그림 1>은 기상청의 발표 자료로서 우리나라 최근 30년 (1991~2020년) 연평균 기온은 과거 (1912 ~1940년)에 비해 1.6℃, 전 지구는 0.8℃ 상승하였다. 과거 100년 전(산업혁명 전)에는 기온변화는 거의 없었다. 우리나라의 CO2 농도(2021년)는 전 지구에 비해 +7.4ppm 높게 나타나며 전 지구는 1980년 340ppm에서 2022년에 420ppm으로 약 40년에 걸쳐 이산화탄소는 80ppm 상승하여 상승률이 약 2ppm/년에 이르고 있다.

<그림 1> 전지구와 우리나라의 연도별 연평균기온(a)  및 이산화탄소(CO2) 농도(b)변화 추세.

  탄소중립 목표를 달성하려는 방안으로 원자력 전력 사용, 태양전지, 풍력 및 바이오플라스틱과 같은 신재생에너지 사용 비율을 높이거나, 바이오연료 기술의 실용화 등의 방식이 있다. 또한 공장에서 방출되는 이산화탄소를 포집하여 땅속에 이산화탄소를 액화 상태로 저장하는 방법이 효율적이며 플라즈마를 사용해서 이산화탄소를 분해하는 방식이 최근에 관심을 받고 있다.

  Microwave(MW) 플라즈마 기술을 활용한 바이오매스 분해 및 H2 발생 상업화가 국내외에서 많이 추진되고 있으며 많은 논문이 발표되고 있다. 태양에너지는 광합성을 통하여 식물의 형태로 저장되고 생존하는 모든 동식물과 미생물을 바이오매스(Biomass)로 정의한다. 바이오매스는 1970년대 석유 위기 이후, 기존 화석 연료의 대체 및 보완 에너지원 중 하나로 주목받기 시작하였다. 바이오매스는 순환할 수 있는 에너지 원이고, 탄소 발생량이 기존 화석연료 대비 현저히 낮다는 장점이 있으나, 아직 기존 에너지원 대비 발전효율이 낮고 원료 수급 불안정의 단점도 존재한다. 그러나 바이오매스 발전은 온실가스 저감의 목적에 부합하여 지속적인 발전 및 변화를 거듭할 것으로 전망된다. 

  이 분야의 석학인 Uhm(시니어과협 연구위원)은 음식물 쓰레기의 바이오매스를 MW로 처리하여 CO2 발생을 줄이고 H2 가스 에너지를 종래의 약 20-30% 비용으로 생산할 수 있는 시스템에 대한 계산 추정 결과를 발표하였다. 또한 자동차에 수소 1kg 사용으로 지구 온난화 지수 관점에서 CO2 20kg을 감소하는 효과를 얻을 수 있다. 글로벌 바이오매스 발전 시장에 공급 업체로는 Ameresco과 Babcock & Wilcox(미국), Andritz (오스트리아), Drax(영국) 및 Valmet Oyj(핀란드) 등 많은 업체가 있으며 국내에는 한국남부발전, 한국남동발전, GS EPS, LX 인터내셔널 그리고 SGC에너지 등이 참여한다. 바이오 매스의 시장이 2028년에 세계 $743억, 국내는 2조 2,700억 원으로 향후 시장이 더 커질 것으로 예상된다. MW 플라즈마 기술을 CO2 중립화 및 H2 생산 기술로 활용하면 국내 산업의 발전과 세계 기후변화 대응에 큰 도움이 될 것으로 판단 된다.