지구온난화로 이산화탄소 배출저감이 빅 이슈가 되고 있는 현재 발전소에서 나오는 CO₂를 효과적으로 포집하면서 고부가가치 산업을 육성할 수 있는 방안이 개발돼 화제가 되고 있다.
한국지역난방공사가 미세조류를 활용해 LNG 열병합발전소에서 나오는 CO₂의 75%를 처리하고 일반적인 처리 부산물인 바이오디젤의 3,000배 가치를 보유한 아스타잔틴을 생산할 수 있는 기술을 개발해 친환경 저탄소 녹색성장의 표본이 되고 있다.
해외에서는 석탄화력발전소 배기가스를 전처리를 거쳐 미세조류로 CO₂를 저감하는 방법은 이용되고 있지만 도심 속 LNG발전소에서 전처리과정 없이 직접 미세조류를 적용한 사례는 세계 최초다.
한국지역난방공사는 2012년 산업부의 에너지기술개발사업 온실가스 저감과제의 주관기관으로 선정돼 고려대, 에너지기술연구원, (주)지앤지, (주)휴온스와 5년에 걸쳐 10톤 규모의 광배양시스템 실증운전 및 고가물질 생산 상용화를 위한 연구를 진행했다.
이번 과제에서 지역난방공사는 광배양시스템 실증운전의 통합시스템을 맡고 고려대(심상준 교수)는 미세조류 광배양시스템 원천기술을 개발했다. 이 외에도 △에너지기술연구원은 유용물질 전처리·추출 △휴온스는 유용물질 사업화 △지앤지는 공정개발 및 운전을 수행했다.
지난 2017년 5차년도 연구를 마치고 판교지사에 11톤 시설을 운영하고 있으며 동탄2 신지사에 40톤 설비를 건설할 계획을 가지고 있다.
기존 CCS대비 비용·활용도 ‘탁월’
기존 실용화된 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술은 아민류와 같은 알칼리 흡수액이나 제올라이트와 같은 흡착제를 사용해 CO₂를 고온·고압상태에서 포집한 후 스팀으로 분리, 장거리 수송과 심해지반과 같은 밀폐된 장소에 저장 및 격리를 시키는 방법이다.
이는 매우 고비용과 많은 에너지를 소모하는 문제점이 존재하며 해저나 지층에 최종 격리하더라도 향후 CO₂가 유출될 가능성이 있어 불완전한 처리방법이다. 특히 발전소에서 배출되는 CO₂를 전량 처리하기 위해서는 발전소 건설비용의 몇 배의 포집분리시설이 필요하기 때문에 경제적으로 수익성이 전혀 없고 처리비용만 소모되는 매우 민감한 문제가 발생한다.
이에 따라 처리과정을 위한 또 다른 온실가스 배출이 없고 포집된 CO₂를 활용해 부가가치를 창출할 수 있는 환경친화적 에너지신사업 개발이 절실히 요구돼왔다.
지역난방공사의 미세조류 활용 저탄소 녹색기술은 이러한 문제점을 말끔히 해결했다.
LNG발전 특화, 도심속 미세조류 농장
미세조류란 광합성을 하는 단세포 생물을 총칭하는 것으로 CO₂를 흡수하며 지구대기 산소의 50% 이상을 생성한다. 전 세계 20~30만종이 존재하며 국내 토착종은 2~3만종이다. 다양한 온도, 수질, 지형에서 생육이 가능하고 빠른 생장속도와 함께 유용한 부산물을 생산한다.
소나무와 비교해 CO₂ 저감효과가 16배 탁월하며 지속적 생산이 가능해 옥수수, 사탕수수, 목재 등 1~2세대 바이오연료의 단점이었던 식량수급 및 환경파괴, 고갈우려 등으로부터 자유롭다.
또한 발생된 부산물은 전환과정을 거쳐 바이오디젤, 의약품, 사료 등 고부가가치 물질로 활용할 수 있기 때문에 고가의 CO₂처리비용을 충분히 해결할 수 있고 수익창출도 가능하다.
특히 에너지소모가 없는 자연광을 활용하기 때문에 비용이 거의 들지 않고 미세조류를 세로로 긴 투명필름 형태의 광반응기에서 배양하기 때문에 기존 수평의 넓은 공간이 필요한 Open pond 방식에 비해 수직·수평 공간을 모두 활용할 수 있다. 협소한 공간에도 적합해 도시형 고밀도 생물공정이 가능하다.
미세조류로 생성되는 아스타잔틴과 같은 고가의 항산화물질은 SOx, NOx 등 불순물이 많이 포함된 석탄화력 배기가스의 사용이 거의 불가능하기 때문에 유일하게 LNG를 사용하는 열병합발전 배기가스만이 사용 가능하다.
자연광만으로 CO₂ 제거
1일 1,000톤가량의 CO₂가 배출되는 도심에 위치한 LNG 사용 열병합발전소의 배기가스를 기존 CO₂포집분리공정 없이 미세조류가 포함된 반응기에 통과시키면 미세조류의 광합성작용으로 CO₂가 저감되고 증식된 미세조류를 이용해 고부가가치 상품을 생산할 수 있다.
미세조류 광배양 공정을 통해 연소 배기가스 내 CO₂의 30%는 바이오매스로 전환되고 20%는 용존무기탄산의 형태로 저장돼 30~50% 제거한다. 즉 1톤의 CO₂가 공정에 들어가면 0.3톤의 CO₂가 전환되고 0.2톤의 CO₂가 용액 내 저장되며 0.5톤의 CO₂가 대기 중으로 배출되는 것이다.
이번 연구를 통해 구축된 10톤 시스템이 장기운전을 수행한다면 연간 50~100톤의 이산화탄소를 저감해 약 200~400만원의 친환경 탄소배출권을 확보할 수 있다.
또한 이번 기술은 발전소 및 산업현장에서 배출되는 배기가스와 자연광(햇빛), 미세조류 반응기만을 이용해 대량 배양할 수 있기 때문에 그외 다른 에너지원은 필요치 않다. 여기에서 생산되는 광배양 수확물은 전량 수입에 의존하는 고가물질(항산화물질) 건강식품 원료로 사용할 수 있어 제조단가를 획기적으로 낮출 수 있다.
바이오디젤 3,000배 가치…신시장 개척
이번 연구에서 특히 주목할 점은 골치덩이 CO₂를 처리하는 대가로 항산화물질을 생산할 수 있다. 이는 기존 미세조류로 생산하는 바이오디젤보다 3,000배에 해당되는 가치를 보유하고 있다는 점이다. 바이오디젤은 kg당 1달러, 항산화물질인 아스타잔틴은 kg당 3,000달러의 가격대를 형성하고 있다.
아스타잔틴은 각종 어류(관상용 물고기, 연어, 참돔, 새우 등)의 육질을 붉게 하고 강력한 항산화 능력을 가짐으로써 시력 보호 및 강화제로도 사용되며 태양의 자외선을 차단해 피부를 보호하는 기능도 있다.
또한 미세조류에서 추출 가능한 다른 카로테노이드 중 루테인과 제아잔틴은 눈 건강에 효과가 탁월한 것으로 알려져 있어 시장규모는 앞으로 더 성장할 것으로 예상된다.
미세조류 생산 유용물질 시장의 대부분은 바이오디젤로 연간 74조원이나 가격이 낮아 경제성이 없으나 아스타잔틴과 같은 항산화물질, 고급사료 등은 생산량은 작지만 바이오디젤보다 높은 가격으로 경제성을 확보할 수 있어 효과적인 사업화가 가능다는 장점이 있다.
파급효과 기대
이번 연구를 통해 2030년까지 100톤 규모의 플랜트가 최소 4기, 500톤 규모 플랜트가 최소 1기가 지역난방공사 열병합발전소 중심으로 구축이 되고 타 산업체 기술이전을 통해 100톤 규모의 상용화 플랜트 최소 5기 정도가 설치될 것으로 기대된다. 이를 통해 연간 7,000~1만4,000톤의 CO₂가 처리가 되고 국내에서만 연간 총 500~970억원의 부가가치 창출이 가능해 국가 온실가스 저감 목표달성 기여는 물론 에너지신사업 창출까지 폭넓은 파급효과를 가져올 것으로 전망된다.
지구온난화로 이산화탄소 배출저감이 빅 이슈가 되고 있는 현재 발전소에서 나오는 CO₂를 효과적으로 포집하면서 고부가가치 산업을 육성할 수 있는 방안이 개발돼 화제가 되고 있다.
또한 미세조류에서 추출 가능한 다른 카로테노이드 중 루테인과 제아잔틴은 눈 건강에 효과가 탁월한 것으로 알려져 있어 시장규모는 앞으로 더 성장할 것으로 예상된다.
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