온실가스 감축에 기여할 10대 신기술

이제 탄소중립은 글로벌 뉴노멀로 자리를 잡아가고 있다. 그래서 탄소중립이 세계 인류의 살아가야 될 길이며 이를 벗어나서는 살 수 없는 세상이 되었다.

한국 과학기술 기획평가원(KISTEP)이 2022년 한해 동안 전문가들로부터 설문 조사를 실시하여 2023년 초에 ‘2030 온실가스 감축에 기여할 10대 신기술’을 발표하였다. 이는 각 지방정부들이 탄소중립 기본계획을 수립하는데 절대적으로 참고해야 될 내용이다. 그래서 여기에 요약정리하고자 한다.

1) CCUS(탄소포집저장 활용) 기술

화석연료에 기반을 둔 에너지의 사용을 중단하고 청정에너지로 전환시켜 나가려면 상당기간이 요구된다. 그 동안 탄소배출을 억제시킬 수 있는 기술이 필요하며 전 세계 각국들이 경쟁적으로 이에 참여하고 있다. 2023년 현재 전 세계적으로 대규모 포집을 포함하는 CCUS설비는 65개로 이중 26개는 운영 중이며 3개는 건설중, 나머지 21는 초기 개발 추진중으로 밝혀졌다.

우리나라는 대규모 포집은 1 -10MW 실증 연구중이며 전환기술은 학계 중심으로 기초 원천 연구단계에 있다.

미국 Skyonic사는 광물탄산화 공정을 이용하여 CO2를 탄소수소나트륨 및 기타 산업활동 물질로 전환하는 Sky mine공정을 개발하여 운영하고 있다. 일본은 그간 여러차례 실증과정을 거쳐서 미국에서 140만톤/연 석탄화력발전을 세계 최초로 포집하였다.

2) 바이오 기반원료, 제품 생산기술

화석연료를 기반으로 하는 기초 원료인 나프타, 올래핀 등은 탄소중립으로 더 이상 생산할 수 없게 됨에 따라서 이를 대체할 저탄소, 친환경 바이오 원료로 전환을 추진하고 있다. 이는 업스트림(열분해) 및 다운 스트림(기초유분생산)과 연계한 기술이 요구된다. 이에 따라서 바이오 기초원료 생산기술, 바이오 응용원료 생산기술, 바이오 플라스틱 합성 중합제조 생산기술 등로 나눠지고 있다.

국내 대기업 중심으로 기술을 확보중에 있으며 다국적 기업들은 이미 바이오 화학으로 전환을 추진해 나가고 있다. 특히 생분해성 플라스틱은 플라스틱 공해문제가 국제적으로 이슈화되면서 급진적으로 추진될 조짐을 보이고 있다.

3) 탄소저감형 고로- 전로 공정기술

기존 고로 - 전로공정에서 활용되는 원, 연료를 대체하고 CCUS기술을 활용하여 탄소배출을 저감시키는 공정기술을 개발하고 있다. 국내 철강업체나 화력발전 등의 고로 -전로 공정의 효율은 세계 최고 수준이며 기존 철강 공정에서 15%수준의 탄소저감하는 Coolstar프로젝트(17 -25)을 추진하고 있어 2030년 이후에는 상용화가 가능할 전망이다.

4) 고용량, 장수명 이차전지

이차전지는 리튬 이온전지, 전고체 전지, 금속공기전지, 리튬황 전지, 레독스흐름전지 나트륨 이온전지 등 다양한 시스템이 존재한다. 이들 기술의 4대 핵심소재인 양극, 음극, 분리막, 전해질을 중심으로 기술개발하여 특성과 성능을 높일 수 있는 기술개발에 요구된다. 사실상 전기차 보급, 신재생에너지 저장 등 수요가 크게 확대되고 있어 차세대 이차전지의 필요성은 높아지고 있어 기술개발이 요구된다.

5) 청정수소생산기술

현재 수소생산은 그린수소, 블루수소, 바이오에너지 수소 등이 있다. 그린수소는 태양광발전이나 풍력발전 등 재생에너지 생산전력을 이용하여 수전해 방식으로 수소를 생산하는 있으며 재생에너지 전력생산이 뒷받침되어야 한다.

블루수소는 LNG가스에서 수소를 추출하는 방식으로 여기에는 CCUS기술이 첨부되어야 탄소배출을 감축시켜 나갈 수 있다. 마지막으로 바이오 에너지 수소는 최근 생산성이 높은 해조류에서 생산이 가능해짐에 따라서 높은 관심을 갖고 있다.

우리나라는 2025년까지 재생에너지 그린수소대량생산 기술을 확보할 계획이며 해외에서 그린 수소를 수입해 오는 방식이 가시화되고 있다. 사막에서 대규모 태양광 발전에서 전력생산을 통하여 수전해 방식으로 수소를 생산하여 암모니아로 전환 수입하는 방식으로 추진되고 있다.

6) 암모니아 발전기술

수소는 가장 가벼운 기체로서 이를 저장, 유통하기 위해서는 액화 또는 압력기체화를 통하여 가능하다. 그런데 수소 액화공정에는 영하 253도라는 엄청난 에너지가 소요되면서 kg당 12달러라는 막대한 비용을 부담해야 되는 단점이 있다. 이에 상온에서 액화가 가능하고 쉽게 수소화가 가능한 암모니아를 수소의 대체 에너지로 활용하려는 움직임으로 보이고 있다.

암모니아는 상온에서 쉽게 액화되면서 저장은 수소의 2배 이상할 수 있는 장점을 갖고 있다. 그런데도 암모니아 저장 유통비용은 kg당 6달러에 불과하여 암모니아를 선호하는 경향을 보이고 있다.

고려아연은 호주에서 124MW의 태양광발전에 나오는 전력으로 수전해 방식으로 수소를 생산, 다시 암모니아로 전환 국내에 100만톤의 그린수소를 수입하는 방식을 도입하고 있다. 포스코는 암모니아 수소를 활용하는 방안을 마련하고 있는데 600도 이상에서 질소로 분리해야 되는 공정을 거쳐야 하는 문제점을 안고 있다.

7) 전력망 계통연계 시스템

신재생에너지 확대 생산, 그리고 에너지 소비 전기화 등의 추세를 보이고 있어 안정적인 전력배송운영시스템이 요구되고 있다. 전력망 계통연계 시스템은 가상관성, 고주파수 조정기술, 스마트 인버터 기술, 수송용 충전인프라 기술 등이 요구된다.

재생에너지의 변동성과 간헐성을 바탕으로 공급되기 때문에 불안정성을 조정하여 기술적으로 안정시킬 수 있어야 하며 이를 뒷받침하기 위해서 가상 관성과 고주파수 조정기술이 요구된다. 또한 재생에너지를 기존 송배전 시스템을 활용하기 위해서는 전력변환 인버터 기술을 통하여 이뤄져야 하는데 이를 뒷받침할 수 있는 스마트 인버터 기술이 요구된다.

마지막으로 수송분야 전기화에 대응하기 위해서 스마트 충전기술과 양방향 충방전기술이 뒷받침되어야 한다.

8) 고효율 태양광전지 기술

매년 전 세계적으로 재생에너지 설치량이 크게 늘어나고 있다. 이의 효율성을 향상시키고 기존 기술과 차별화시켜 나갈 수 있는 혁신적인 기술을 통하여 출력개선 및 제조비용 절감 등을 조성해야 한다. 이런 고효율성 결정질 실리콘 기술은 전력 그리드와 연결시킬 수 있어야 원활한 송배전을 활용할 수 있다.

9) 초대형 해상풍력시스템

효율적인 해상풍력발전을 활성화시키기 위해서는 해상풍력발전단지를 조성해야 한다. 이를 뒷받침하기 위해서 계통망 연결, 발전단지 설계, 부품인 발전기, 프레이드, 고정식 하부구조, 기초구조물, 부유체, 계류선 등 각종 기술이 뒷받침되어야 안정성과 성능 향상을 기대할 수 있다.

10) 유용자원(희토류) 회수 기술

희토류는 신재생에너지 수요증가에 따라서 풍력발전, 전기차 등에 활용되는 영구자석에 필요하는 네오디뮴 등 희토류 수요가 크게 높아지고 있다.따라서 폐자원으로부터 희소금속 중 국가 전략성, 산업적 중요성이 높은 희토류 등 희소자원을 회수하고 자원화할 수 있는 기술개발이 요구된다. 최근 폐자원의 재활용화, 자원화에 따라서 도시광산업이 크게 번성하고 있어 우리나라에서도 도시광산업을 확대시켜 자원순환체제를 구축해 나가야 할 것이다.

탄소중립은 지금까지 아무도 가보지 않은 새로운 길이라고 한다. 우린 이런 길을 어떻게 뚫고 새로운 길을 만들어 나갈 것인가?란 숙제를 안고 있다. 특히 당진산단은 국내에서 가장 많은 화석연료를 사용하는 곳으로 탄소중립이 절대적으로 요구되는 곳이다. 때문에 탄소중립으로 가는 길을 결코 외면할 수 없으면 묵묵히 한 길만으로 뚜벗뚜벗 걸어가는 황소와 같이 탄소중립이라는 길로 매진해 나가야 할 것이다.