탄소 중립 실현으로 지속가능한 미래 꿈꾼다

기획·칼럼

탄소 중립 실현으로 지속가능한 미래 꿈꾼다
[국민 생활 도움 주는 과학기술센터] (33) 한국에너지기술연구원

2021.02.10 07:24 김준래 객원기자

시멘트 제조는 다량의 온실가스를 배출하는 산업군이다. 따라서 업계는 제조 과정에서 발생하는 온실가스를 줄이기 위해 다양한 노력을 기울이고 있다.

대표적 사례로는 시멘트 생산 시 에너지원으로 사용되는 유연탄 같은 화석연료를 폐플라스틱으로 대체하는 기술을 꼽을 수 있다. 폐플라스틱은 유연탄보다 탄소배출계수가 작기 때문에 온실가스 배출을 줄이고 연료비용을 줄이는 경제적 효과를 얻을 수 있다.

탄소배출계수란 원료 1kg을 태웠을 때 발생하는 탄소의 양(kg)으로서 탄소배출계수가 높을수록 온실가스 배출량이 증가하게 된다.

시멘트 제조는 다량의 온실가스를 배출하는 산업군으로 분류되어 있다. ⓒ safeedu.org

하지만 화석연료를 폐플라스틱으로 대체하는 과정은 치명적인 문제를 안고 있다. 연소 과정에서 발생하는 염소(Cl) 성분과 광물로부터 발생된 칼륨(K)이 농축된 먼지가 대량으로 발생하는 것이다. 이들 농축 먼지는 지정폐기물로 분류되어 처리 시 많은 비용이 들기 때문에 폐플라스틱 활용 확대에 걸림돌로 작용하고 있다.

이 같은 문제를 해결한 곳이 바로 한국에너지기술연구원 미세먼지연구단이다. 연구진은 오랜 시간을 연구한 끝에 시멘트 제조 시 배출되는 폐기물인 염화칼륨(KCl)이 함유된 먼지와 이산화탄소를 유용한 화합물인 탄산칼슘으로 전환하는 기술을 개발하는 데 성공했다.

연구원의 당면 과제는 화석연료의 대폭 감축

한국에너지기술연구원(KIER)은 인류의 지속 가능한 미래를 위해 기후변화 위기를 극복할 수 있는 에너지기술을 개발하고 정책 수립에 기여하는 정부출연 연구기관이다.

국가와 인류에 기여하기 위해 추진하고 있는 연구원의 경영 목표는 △기후 위기를 극복하는 2050 탄소 중립 실현 △고효율 저탄소 사회 구축 △수소경제 사회 실현 등이다.

탄소 중립 실현이나 고효율 저탄소 사회를 구축하기 위해서는 화석연료를 줄여야 한다. 현재 인류가 사용하고 있는 에너지의 85%가 석유나 석탄, 또는 천연가스로 이루어진 화석연료가 차지하고 있기 때문이다.

에너지기술연구원은 화석연료 감축을 위해 다양한 신재생에너지를 개발하고 있다 ⓒ 에너지기술연구원

화석연료는 기후변화와 미세먼지 같은 환경 문제 외에도 자원 고갈 등의 문제까지 일으켜서 인류의 생존을 위협하고 있는 에너지원이다. 따라서 에너지 혁명을 통해 화석연료의 사용을 획기적으로 줄여야만 하는 상황이다.

이처럼 화석연료 절감이 그 어느 때보다 필요한 상황에서 한국에너지기술연구원은 태양광과 풍력, 바이오 등의 자연에너지를 경제적으로 활용하는 기술과 에너지 사용량을 최소화하는 고효율 기술 개발에 매진하고 있다.

또한 화석연료를 청정하게 활용하는 기술과 저비용의 수소를 생산하고 저장하는 기술을 개발하여 2050 탄소중립을 실현하고 인류의 지속가능한 미래를 펼치는데 앞장선다는 계획이다.

리튬을 바나듐으로 대체하여 에너지 저장 장치 발화 문제 해결

온실가스와 미세먼지 저감만큼이나 한국에너지기술연구원이 집중하고 있는 기술에는 에너지저장장치(ESS)가 있다. 현재 가장 널리 이용되고 있는 ESS로는 잘 알려져 있다시피 리튬을 소재로 하는 ESS가 꼽힌다.

리튬 기반의 ESS는 저장 용량은 높지만 발화사고가 빈번하게 발생하는 문제가 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 최근에는 리튬이 아닌 바나듐을 소재로 한 ESS가 각광을 받고 있다.

바나듐 소재의 ESS는 리튬을 소재로 하는 ESS와 비교해 인체 유해성 및 인화성, 그리고 화학반응성의 위험도가 낮아 안정하다는 장점을 갖고 있다. 또한 20년 이상 오래 지속되는 수명과 설계 변경이 용이해서 확장성이 뛰어나다는 장점도 있다.

물론 장점만 있는 것은 아니다. 리튬 소재해 비해 상대적으로 가격이 높아서 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 바나듐 소재가 비싼 이유 중 하나는 ESS의 용량과 수명, 그리고 성능을 결정하는 바나듐 전해액 때문이다.

이 전해액이 전지 가격의 약 절반을 차지하기 때문에 바나듐을 소재로 하는 ESS의 보급 확대를 위해서는 성능이 우수한 바나듐 전해액을 값싸게 만드는 것이 핵심이다.

고순도 바나듐 전해액 생산공정의 효율 향상을 위한 공정 ⓒ 에너지기술연구원

한국에너지기술연구원 연구진은 이런 점에 주목했다. 이들은 바나듐 전해액 대량생산 촉매반응이라는 새로운 기술을 개발하여 기존 방법보다 생산속도는 2.7배가 높지만, 전력 사용은 감소시켜 전해액 가격을 혁신적으로 낮출 수 있는 시스템을 구축하는데 성공했다.

해당 시스템 개발을 주도한 에너지소재연구실의 이신근 책임연구원은 “바나듐 전해액 제조기술은 대용량 ESS에 있어서 화재 위험성이 높은 기존 리튬 소재 ESS를 대체할 바나듐 소재 ESS의 핵심 소재 기술”이라고 밝혔다.

그러면서 “이번에 개발한 대용량 촉매 반응기는 전량 해외에 의존하던 바나듐 전해액을 국산화할 수 있을 것으로 기대한다”라고 덧붙였다.

연구진이 밝힌 향후 계획을 살펴보면 우선 해당 기술을 기업에 이전해 전해액 가격 비용을 최소화하는 것을 최우선 목표로 하고 있다. 아울러 리튬 소재가 대부분인 ESS 시장에서 바나듐 소재 ESS의 비중을 높여 대용량의 안정적인 에너지 절약형 공급망을 확보하는데 주력한다는 계획이다.

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