6주차_ 폐자원 에너지화 기술의 현황과 앞으로의 방향_첨녹과 12기 차승희

[차승희]

https://news.skecoplant.com/plant-tomorrow/1989/

폐자원 에너지화 기술의 현황과 앞으로의 방향

탄소중립 목표 달성을 위해서 쓰레기도 자원이라는 패러다임의 변화와 함께 폐자원 에너지화 기술의 연구 발전이 필요하다.

탄소중립이라는 용어는 이산화탄소를 비롯한 온실가스의 배출량과 흡수양을 같게 하여 더 이상의 증가를 막음을 의미한다. 우리나라는 파리 협정(COP21) 하에 2030년까지 온실가스 40% 감축, 2050년까지 순(純) 증가율 제로를 목표로 탄소중립 계획을 실천하고 있다.

탄소중립은 우리나라뿐만 아니라 세계 각국의 당면과제다. 이에 따라 폐자원 에너지 산업 및 폐자원 에너지화 시장에 대한 관심 또한 증가하고 있다. 유럽을 중심으로 Waste to Energy (WtE) 또는 Energy from Waste (EfW)라고 불리는 폐자원을 이용한 에너지화 산업에 많은 연구가 이루어지며, 폐기물 발전과 열 이용을 활성화하는 움직임이 일어나고 있었다.

탄소중립을 위한 폐자원 에너지화의 필요성

다만, 기존에는 폐자원 에너지화 산업이 확장되는 데 현실적인 어려움이 있었다. 유럽의 사례를 살펴보면, 폐기물 발전이 재생가능 에너지 지령에 근거한 ‘지속가능한 에너지원’으로 규정되어 있지 않았다. 따라서 탄소중립 행동으로 인정되지 않아 제도화된 보조금의 대상이 될 수 없었다.

폐기물 에너지화의 주요 수익원은 폐기물 처리 위탁비용 및 전력 도매 판매인 반면 신재생에너지로 분류되는 풍력발전 및 목질계 바이오매스는 방대한 투자와 장기간의 보조금이 수반되어 왔다. 보조금이 확보되지 않으면 경제 상황 변동이나 전력 도매가격에 많은 영향을 받기 때문에 상대적으로 안정적인 다른 신재생에너지와 달리 폐기물 발전은 투자자들에게도 매력적인 대상이 아니었다. 또한 연소에 의해 에너지를 발생시키기 때문에 탈탄소화의 수단으로서 이미지 또한 그다지 좋지 못한 부분이 있었다.

그러나 최근 유럽에서도 분위기가 바뀌고 있다. 2021년 1월 1일부터 영국 및 EU 회원국에서 OCED 비가맹국으로의 페기물 수출이 금지되었다. 또한 폐기물 매립 제로화가 중요한 정책으로 대두되었다. 풍력발전이나 태양광발전과 같은 재생에너지 생산에 드는 비용 문제 및 공급 불안정성에 대한 문제 제기와 함께 안정적인 고정 에너지원의 필요성이 높아졌다. 삼림을 관리하며 재생림으로부터 목제 펠릿을 만들어 연료화하는 삼림 바이오매스 발전에 대한 보조금이 사회문제로 지적되기도 했다. 또한 2021년 COP26에서 이루어진 메탄가스 감축협정에 따라 생활 사업장에서 발생하는 메탄가스 감축 필요성이 커졌으며, 특히 매립에 의한 메탄가스 발생 감축을 위해 가연성폐기물의 매립 금지가 대세화 되고 있다.

최근 유럽은 이러한 이유를 바탕으로 폐기물의 에너지 이용에 대한 관심과 필요성이 점차 높아지는 추세다. 탈탄소 및 순환경제를 테마로 거액의 자금을 운용하고 있는 국제적인 금융기관 및 자산관리회사에서 투자 포트폴리오의 하나로 폐자원 에너지화를 포함하기 시작했다. 폐기물의 에너지 이용은 저탄소 에너지원일 뿐만 아니라 지역 순환형 에너지 산업이라는 것, 매립 폐기물량의 감축과 자연환경 보전 등의 장점이 있다는 것 등 폐자원 에너지화에 따른 긍정적인 측면이 부각되고 있다.

폐자원 에너지화 기술의 분류 및 동향

폐자원 에너지화 기술은 크게 나누어 연소, 열분해, 바이오가스화, 바이오디젤화로 분류할 수 있다. 탄소중립 관점에서 폐자원 에너지화 기술은 화석연료 사용을 줄이는 동시에 이산화탄소 및 메탄가스의 감축을 유도하고, 대체연료를 확보한다는 측면으로 생각해 볼 수 있다.

폐자원 에너지화 기술의 개별 동향을 살펴보면 다음과 같다.

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첫 번째, 폐기물 소각처리는 1990년대 말부터 국내에 처리 시설이 설치되기 시작하여 현재에 이르고 있다. 생활폐기물처리시설 중심으로 기술을 견인하여 사업장폐기물의 중간처리업까지 기술이 파급되었다. 생활폐기물 소각은 화격자식(스토커형 소각로), 사업장폐기물 소각은 로터리킬른식(회전형태 소각로)이 주로 적용되며, 기술적으로는 외국 기술의 모방단계에서 독립적인 단계로 발전하고 있다. 최근 소각기술분야의 주요 관심사는 에너지 회수이며, 에너지 회수를 통한 운영비 절감에 노력을 경주하고 있다. 폐기물의 성상을 고질화하여 발열량을 높이거나, 폐기물 전처리를 통해 무기물 및 유기성폐기물을 선별 제거하여 발열량을 높임으로써 발전기술과 동일한 에너지 회수를 하고 있다. 또한 전기 생산과 더불어 스팀 등을 생산함으로써 열병합발전을 추구하고 있다. 유럽의 사례를 참고하면, 소각처리 또한 재활용의 범주에 포함되며 단순소각과 에너지 재활용의 경계를 ‘투입 총 발열량 중 60% 이상 회수’로 정의하고 있다. 폐기물 소각으로 60%의 에너지를 회수하기 위해서는 열 이용 및 발전을 한다는 전제가 필요하므로, 재활용으로서 지원체계를 확보하기 위해 열병합발전이 대세로 자리잡고 있다.

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두 번째, 열분해기술은 소각기술 대체 수단으로서 국내에서 많은 논의와 토론이 진행되었으며, 열분해가스, 열분해용융, 열분해유화라는 기술로 적용되어 왔다. 소각기술에 비해 유입되는 공기량이 적어 배출되는 공기량 또한 적다는 측면에서 2차오염 방지시설에 대한 투자비가 낮고, 2차오염 물질제어가 보다 유리하다는 점에서 선호된다. 문제는 폐기물 분해에 사용되는 열에너지는 직∙간접열로서 외부열에 의존(일부는 연소와 열분해를 병행함)하므로 열분해기술 적용에 있어 연소가스 또는 유화유를 확보하지 못하는 경우에는 작용을 위한 보조에너지가 요구되고 이에 따라 운영비가 높아질 수 있다는 점이다. 국내 적용 근황으로는 열분해용융, 열분해가스기술이 적용된 바 있으나 열분해가스화는 파일럿 단계에서 실패하여 진전이 없으며 열분해용융은 상용화 시설로 설치되었으나 운영의 어려움과 고가의 비용 문제로 현장에서 철수되고 있는 것이 현실이다.

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세 번째, 열분해유화기술은 1990년대 중반부터 일본 등지를 통해 기술이 도입되었고 국내의 많은 중소기업들이 상용화가능성을 타진해 왔으나, 시간이 흐른 현재에도 안정적 운전이 지속되는 상용화시설이 설치되지 못하고 있다. 회분식(배치)로 운영되는 까닭에 처리용량에 한계가 있으며, 반응기의 부식 문제와 처리시설에서 발생되는 VOC 물질에 대한 대책 마련이 어려운 상황이다. 특히 열분해유화기술을 통해 생산된 유화유에 대한 재활용 용도가 불분명하여, 재생유재활용업체를 통해 재정제하여 사용해야 하는 실정이다.

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네 번째, 바이오가스화는 일명 메탄발효, 혐기성소화라고도 한다. 수분함량이 높은 유기성 폐기물을 대상으로 하여 음식물류 폐기물, 음폐수, 가축분뇨, 하수 슬러지 등의 처리에 개별적으로 적용되어 왔다. 바이오가스화는 현장에서 시설운영에 대한 노하우가 확보되지 않은 데 따른 문제가 있었으나 최근 탄소중립 대세와 함께 메탄가스 저감의 필요성과 운영기술 확보로 유기성 폐기물 처리기술의 대안으로 대두되어 저변을 넓히고 있다. 특히 다양한 유기성 폐기물을 혼합, 처리하는 통합바이오가스화 시설이 설치되어 실용성이 입증되고 있으며 이에 따라 시설 설치를 촉진하는 제도 및 정책이 시행되고 있다.

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다섯 번째, 바이오디젤화는 기본적으로 정부의 신재생연료혼합의무화(RFS)제도에 따라 유동성이 있으나, 현재 의무 혼합비인 BD(바이오디젤) 3%→ 5%로 상향되는 새로운 목표 설정이 예정되어 있다. 이에 따라 폐식용유 등 동식물성 기름의 분리배출, 하수 및 폐수에서 바이오디젤을 회수하는 기술 등이 더욱 활발하게 연구, 발전될 것으로 예상된다.

폐자원 에너지화 기술에 대한 전망

앞서 말한 것처럼 폐자원 에너지화는 재생에너지의 대안으로 그 가치가 재인식되고 있다. 이러한 인식의 변화와 함께 폐자원 에너지화 기술의 핵심인 에너지 회수 효율을 높이는 데 많은 노력이 경주되고 있다.

국내 소각시설은 주로 발전 위주의 에너지 이용을 해 왔다. 폐기물 소각 발전시설은 화력발전소에 비해 상대적으로 작은 플랜트 규모에 폐기물 발열량이 적고 불안정성이 따르며, 연소 가스의 부식성 때문에 보일러로 제조되는 증기온도와 압력을 일정 이하로 조절할 수 없는 등 제약이 많고 발전효율 또한 그리 높지 않다. 폐기물을 전처리하여 일정한 상태로 공급하는 유럽의 경우 발전 효율이 30%에 달하는 사례도 있으나 생활 폐기물을 직접 연소하는 국내 소각시설의 발전 효율은 20% 수준이다. 석탄을 사용하는 화력발전소의 발전 효율이 최대 45%에 달하는 것에 비하면 절반에 미치지 못한다. 폐기물의 에너지화로서 재활용 기준은 에너지회수율 60% 이상이라는 점을 고려하면 이를 위해서는 발전과 함께 폐열 회수를 통한 이용이 활성화되어야 하며, 얻어진 에너지를 저장하여 이용할 수 있는 기술도 더불어 요구된다.

전세계적으로 플라스틱 폐기물에 대한 기술개발이 활발하게 이루어지는 것 또한 중요한 흐름이다. 우리나라의 상황만 보더라도 팬데믹, 배달의 일상화, 비대면 쇼핑 등의 이유로 인하여 플라스틱 폐기물의 비중이 기하급수적으로 높아지고 있으며 이는 세계적으로도 동일한 추세다. 플라스틱 폐기물 처리 기술로는 물질재활용, 화학적 변환을 통한 원료화(모노머), 유화유를 정제하여 원유를 대체하는 방안 등이 제안되고 있다.

이것은 기본적으로 앞서 설명한 열분해유화기술 및 가스화 기술에 기반한 연구들이다. 열분해를 통하여 발생되는 유화유를 그대로 사용하거나, 유화유를 다시 열분해 개질하여 모노머를 생산하기도 한다. 이렇게 생산된 모노머로 합성수지를 제조하는 것이 가능하다.

또한 플라스틱을 고온에서 열분해함으로써 고분자사슬의 말단까지 분해하는 것이 가능하며, 이러한 분해를 통해 수소와 일산화탄소의 혼합체인 합성가스를 제조하는 것이 가능하다. 합성가스 자체를 연료로 사용하는 것도 가능하며, 수소를 분리 후 고체연료전지에 사용하여 전기 생산 또한 가능하다. 다만 현재의 기술 개발 상황과 경제성 등의 측면을 고려하여 주로 제안되는 방안은 열분해유화를 통한 유화유 제조다. 이를 정유시설의 정제공정에 환원시켜 원유와 동일한 공정으로 재활용할 수 있다. 또한 정제공정을 거친 유화유의 성분 중 일부는 합성수지 제품의 원료로서 공급될 수도 있다.

지금까지 폐기물의 열처리(소각)는 최종 매립 처분의 부담을 덜어주는 감량화를 목적으로 실시되었다. 그러나 이제 폐기물 열처리를 바라보는 시각 자체가 달라지는 추세다. 환경 문제 및 에너지 문제, 그리고 탄소 중립 아젠다에 따라 ‘쓰레기도 자원’이라는 전제 하에 재검토되고 있다.

특히 아시아 신흥 국가의 수입 규제와 같은 외부 환경 변화, ESG에 기반한 투자 등으로 확대되는 폐자원 에너지화, 갈수록 폭발적으로 증가하는 플라스틱 폐기물의 처리 및 이용 요구에 대응하기 위해서는 폐자원의 가치를 높여 경제적인 자원 순환을 달성하는 것이 필요하다. 이에 따라 재활용 기술 개발에 지속적인 관심과 연구를 더하여 자원 효율성을 더욱 높이고 부가가치를 창출함과 동시에 이산화탄소 배출을 저감하는 데 더 많은 노력을 기울여야 할 것이다.

>> 어느정도의 기술수준을 적용할 것인지에 대해 고민하게됨