탄소를 전혀 배출하지 않는 농장 구현

과학기술

탄소를 전혀 배출하지 않는 농장 구현
태양광으로 연료와 비료를 자체 생산해

2019.11.06 11:56 심창섭 객원기자

은퇴한 기술자가 자신의 농장에서 색다른 프로젝트를 진행하고 있다. 지구 온난화 주범인 탄소를 전혀 배출하지 않는 농장을 구현하려는 것이다. 이를 위해 연료와 비료로 사용할 수소와 질소, 암모니아를 태양광 발전으로 자체 생산하고, 내연기관을 개조하여 수소와 암모니아로 작동하는 트랙터를 사용한다.

지난 10월 31일, 첨단기술 매체인 ‘IEEE Spectrum’은 완전한 무탄소 농장 프로젝트를 소개했다. 그 주인공인 제이 슈무커(Jay Schmuecker) 씨는 1957년부터 50여 년간 NASA 제트추진연구소(JPL)에서 마리너, 바이킹, 보이저 등의 탐사선을 개발해온 엔지니어다. 퇴직할 무렵에 농업이 탄소 배출량에서 큰 비중을 차지한다는 사실을 알게 되었고, 노년을 보내기 위해 미리 마련해놨던 아이오와주의 농장 130헥타르를 활용해서 무탄소 농업에 도전하기 시작했다.

슈무커 씨의 무탄소 농장 ‘Pinehurst Farm’ © Jay Schmuecker

미국 환경보호청의 2016년 자료에 따르면, 농축산업과 임업이 온실가스 배출량의 약 10%를 차지한다고 추정된다. 그중 상당 부분은 가축이 배출하지만, 비료 생산 과정이나 농기계가 화석 연료를 연소할 때 발생하는 양도 무시할 수 없다.

슈무커 씨는 2009년부터 본격적으로 프로젝트에 착수했다. 먼저 수소를 연료로 사용하는 트랙터를 마련하고, 농장 내에서 태양광 발전으로 직접 수소를 생산한다는 계획이었다. 비료 역시 질소와 암모니아를 생산해서 충당하기로 했다. 이 프로젝트의 목적은 대중과 농부들에게 기후 변화를 막기 위한 대체 연료와 비료 개발의 필요성을 알리려는 것이다.

수소와 암모니아 저장 탱크, 태양광 패널이 포함된 농장 시설. © Jay Schmuecker

트랙터를 수소 연료 방식으로 개조

처음에 슈무커 씨는 수소연료전지 트랙터를 고려했다고 한다. 그러나 수소연료전지의 가격이 지나치게 비싸고, 상용화된 시판 모델도 없었다. 이에 일반 디젤 트랙터를 구매해서 수소로 작동하도록 개조하기로 했다. 전체적인 농장 디자인은 재생 에너지 설비를 전문으로 하는 건축가 톰 허드(Tom Hurd)가 도왔고, 인근에 있는 ‘수소엔진센터’의 협조로 수소 연료 엔진을 제공받았다.

업체는 트랙터 가동 중에 수소 연료가 바닥날 경우를 대비해서 소형 프로판 탱크를 예비로 포함시키도록 권고했지만, 슈무커 씨는 화석 연료 사용을 완전히 배제하기 위해 프로판 대신 암모니아를 사용하기로 결정했다. 결국에는 수소 가스, 또는 수소와 암모니아 혼합물을 연료로 사용하는 트랙터가 탄생했고, 부피가 큰 수소를 저장하기 위한 대형 연료 탱크가 트랙터 위에 설치되었다.

순수한 암모니아는 내연기관에서 연소하지 않기 때문에 10%의 수소를 혼합하여 사용한다. © Jay Schmuecker

수소와 질소, 암모니아 생산 시설을 갖춰

슈무커 씨의 계산에 따르면, 농장 전체에 옥수수를 재배할 때 매년 1400kg의 수소가 필요할 것으로 예측되었다. 여기에 사용되는 전력은 태양광 패널 30개를 설치해야 충당할 수 있지만, 비용 문제 때문에 먼저 3개만 설치하여 농장 10분의 1 규모로 실증 시스템을 만드는 데 주력했다.

수소는 우물에서 퍼 올린 물을 전기 분해하여 생산하는데, 날씨와 계절, 밤낮에 맞춰 자동 조절되는 시스템을 구축해서 시간당 최대 90g씩 만들 수 있다. 질소는 압축 공기를 질소 생성기에 흘려보내서 대기 중의 산소를 제거하는 방식으로 생산해냈다. 문제가 된 것은 암모니아 생산으로, 시설 개발 과정에서 작은 폭발 사고까지 발생하기도 했다.

암모니아 생산을 위한 가압 수소 및 질소 탱크. © Jay Schmuecker

암모니아는 가열한 수소와 질소를 암모니아 반응기에 넣고 화학 반응을 통해 생산한다. 그러나 3.8kWh의 에너지를 포함하고 있는 암모니아 1리터를 만들기 위해서 14kWh의 전력이 필요하다. 이것은 비효율적으로 보일지도 모르지만, 농작물에 필수적인 비료 생산 이외에도 여분의 무탄소 연료를 확보할 수 있는 이점이 있다. 또한, 연소 효율도 나쁘지 않기 때문에 화석 연료를 충분히 대체할 수 있다.

지금까지 슈무커 씨는 퇴직금 중에서 200만 달러 이상을 무탄소 농장 구현에 쏟아부었다. 그러나 처음 시스템을 구축하면서 많은 시행착오를 거쳤기 때문에 앞으로는 비용이 절반 이하로 줄어들 것이라고 한다. 이 프로젝트를 계속 진행하기 위해서 비영리단체인 ‘슈무커 신재생에너지 시스템(Schmueker Renewable Energy System)’을 설립하여 기금 모집에 나섰다.

슈무커 씨는 유럽, 남아프리카, 사우디아라비아, 호주로부터 탄소 배출 없이 암모니아를 만드는 기술에 대한 문의가 들어왔고, 미국 에너지부에서도 관심을 기울이기 시작했다고 전했다.

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