공과대학 뉴스
임성균 교수 연구팀, 폐플라스틱 처리 방식에 따른 에너지 회수 및 탄소 중립을 위한 방향성 제시
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｜2023.09.08
▲ (왼쪽부터) 기계공학부 임성균 교수, 권세랑 석·박사 통합과정학생, 강지은 석사과정학생, 이범희 석사과정학생
고려대학교 공과대학(학장 이해근) 기계공학부 임성균 교수 연구팀의 권세랑 석·박사통합과정 학생 및 강지은, 이범희 석사과정 학생의 주도로 진행한 연구를 통해 폐플라스틱의 처리 방식에 따른 에너지 회수 가능성 및 탄소 중립 가능성에 대한 방향을 제시했다.
폐플라스틱 누출은 생물 종의 서식지 위협, 토양 및 해양 오염, 생물 종의 다양성 감소 등 여러 문제를 야기함에도 전 세계 폐플라스틱 발생량 절반 이상이 매립되고 있으며, 그 발생량 또한 매년 증가하고 있따. 매립보다는 폐플라스틱을 재활용하는 것이 이상적인 방법이나, 특정 종류의 플라스틱은 재활용이 용이하지 않으며, 재활용 가능한 플라스틱이라도 폴리머의 기계적 특성 저하로 인해 2회 이상의 재활용은 어렵다.
따라서 소각 및 에너지 회수 방식으로 폐플라스틱을 처리하는 것이 매립 혹은 재활용보다 더 실질적인 처리 방법이다. 또한 폐플라스틱의 높은 발열량을 고려하였을 때, 소각 발전 등의 에너지 회수 방식으로 많은 에너지를 회수할 가능성이 있다. 그러나 폐플라스틱은 탄소 함량이 높아 에너지 회수 단계에서 발생하는 탄소 배출량에 대한 우려가 있다.
폐플라스틱 누출은 생물 종의 서식지 위협, 토양 및 해양 오염, 생물 종의 다양성 감소 등 여러 문제를 야기함에도 전 세계 폐플라스틱 발생량 절반 이상이 매립되고 있으며, 그 발생량 또한 매년 증가하고 있따. 매립보다는 폐플라스틱을 재활용하는 것이 이상적인 방법이나, 특정 종류의 플라스틱은 재활용이 용이하지 않으며, 재활용 가능한 플라스틱이라도 폴리머의 기계적 특성 저하로 인해 2회 이상의 재활용은 어렵다.
따라서 소각 및 에너지 회수 방식으로 폐플라스틱을 처리하는 것이 매립 혹은 재활용보다 더 실질적인 처리 방법이다. 또한 폐플라스틱의 높은 발열량을 고려하였을 때, 소각 발전 등의 에너지 회수 방식으로 많은 에너지를 회수할 가능성이 있다. 그러나 폐플라스틱은 탄소 함량이 높아 에너지 회수 단계에서 발생하는 탄소 배출량에 대한 우려가 있다.
▲ 2019년 기준 전 세계의 폐플라스틱 발생량 및 화석 연료의 사용량과 그에 따른 전력 생산량과 탄소 배출량
폐플라스틱에서 에너지를 회수하는 방식에 따라 탄소 배출량은 변화하며, 소각 이외에 가스화 혹은 열분해로 폐플라스틱을 변화하는 것 또한 탄소 배출량을 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 가스화 혹은 열분해는 재료를 고온 및 산화제가 희박한 환경에서 기체, 액체 및 고체 상태의 생성물로 변환하는 과정이다. 따라서 기존의 재료보다 더 낮은 탄소 함량을 가진 생성물을 선택적으로 회수할 수 있다. 폐플라스틱의 가스화로 얻은 생성물은 주로 합성 가스이며, 가스 터빈 복합 발전 혹은 연료 전지로부터 전력을 생산할 수 있다. 이 밖에 폐플라스틱의 열분해 생성물은 주로 합성 오일로써 연료로 사용할 수 있다.
이에 연구진은 폐플라스틱의 다양한 처리 방식에 따라 예상되는 전력 생산량과 탄소 배출량을 에너지 회수 사이클의 모델링을 통해 예측하였다. 소각, 가스화, 혹은 열분해의 방식으로 폐플라스틱을 변환한 후 스팀 발전, 연료 전지 발전, 복합 발전 방식으로 에너지를 회수하였으며, 탄소 포집 및 저장을 적용할 경우를 포함하였다. 그에 따라 폐플라스틱을 소각, 가스화 및 열분해했을 경우 발생하는 전력 생산량 대비 탄소 배출량을 비교하였다.
연구진은 총 8가지 사이클을 모델링하였으며, 소각과 가스화와 스팀 발전, 연료 전지 발전, 복합 발전 및 탄소 포집 및 저장 유무에 따라 분류하였다. 각각의 사이클은 소각 및 스팀 발전(p-I 또는 p-I/CCS), 가스화 및 스팀 발전(p-G 또는 p-G/CCS), 가스화 및 연료전지 발전(FC 또는 p-FC/CCS), 가스화 및 복합 발전(p-CC 또는 p-CC/CCS)이었다. 연구진은 재생에너지 및 화석 연료 에너지의 전력 당 탄소 배출량을 폐플라스틱의 에너지 회수 사이클과 비교하였으며, 현재 에너지 회수 방식으로 일반적으로 채택되는 소각 및 스팀 발전은 화석 연료보다 높은 탄소 배출량을 보였고, 탄소 포집 및 저장을 포함하더라도 탄소 배출량이 높았다. 가스화 및 연료 전지 혹은 복합 발전도 마찬가지로 탄소 포집 및 저장을 포함해야 화석 연료보다 낮은 수준의 탄소 배출량을 달성할 수 있었다. 하지만 여전히 재생에너지에 비해 높은 탄소 배출량을 보였다.
이에 연구진은 폐플라스틱의 다양한 처리 방식에 따라 예상되는 전력 생산량과 탄소 배출량을 에너지 회수 사이클의 모델링을 통해 예측하였다. 소각, 가스화, 혹은 열분해의 방식으로 폐플라스틱을 변환한 후 스팀 발전, 연료 전지 발전, 복합 발전 방식으로 에너지를 회수하였으며, 탄소 포집 및 저장을 적용할 경우를 포함하였다. 그에 따라 폐플라스틱을 소각, 가스화 및 열분해했을 경우 발생하는 전력 생산량 대비 탄소 배출량을 비교하였다.
연구진은 총 8가지 사이클을 모델링하였으며, 소각과 가스화와 스팀 발전, 연료 전지 발전, 복합 발전 및 탄소 포집 및 저장 유무에 따라 분류하였다. 각각의 사이클은 소각 및 스팀 발전(p-I 또는 p-I/CCS), 가스화 및 스팀 발전(p-G 또는 p-G/CCS), 가스화 및 연료전지 발전(FC 또는 p-FC/CCS), 가스화 및 복합 발전(p-CC 또는 p-CC/CCS)이었다. 연구진은 재생에너지 및 화석 연료 에너지의 전력 당 탄소 배출량을 폐플라스틱의 에너지 회수 사이클과 비교하였으며, 현재 에너지 회수 방식으로 일반적으로 채택되는 소각 및 스팀 발전은 화석 연료보다 높은 탄소 배출량을 보였고, 탄소 포집 및 저장을 포함하더라도 탄소 배출량이 높았다. 가스화 및 연료 전지 혹은 복합 발전도 마찬가지로 탄소 포집 및 저장을 포함해야 화석 연료보다 낮은 수준의 탄소 배출량을 달성할 수 있었다. 하지만 여전히 재생에너지에 비해 높은 탄소 배출량을 보였다.
▲ 재생에너지, 화석 연료 또는 폐플라스틱 에너지 회수 방식의 전력 생산량 대비 탄소 배출량
2050년을 기준으로 증가한 폐플라스틱의 발생량과 그중 50%가 에너지 회수 방식으로 처리되는 것이 해석에 고려하였다. 2020년에 비해 전력 생산량이 증가하여 원자력 발전 혹은 탄소 포집 및 저장을 포함한 화석 연료에 버금가는 전력량을 생산할 것으로 예측했다. 또한 2050년 탄소 중립을 달성하기 위해 화석 연료 의존을 줄이고 재생에너지를 이용한 전력 생산의 비중을 늘리는 상황에서 폐플라스틱 에너지 회수를 이용한 전력 생산을 한다면 탄소 중립에 지대한 악영향을 줄 것으로 예측하였다.
이에 연구진은 "현재의 에너지 회수 방식으로는 늘어나는 폐플라스틱을 고려할 때 탄소중립 목표 달성이 심각히 저해될 것으로 예측된다. 따라서, 2050년 탄소 중립을 위해 더 높은 에너지 효율과 낮은 탄소 배출량을 가지는 폐플라스틱 변환 기술의 개발 및 상용화가 필요하다"고 연구 결과를 설명했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 성균관대학교, 전남대학교 및 한국해양대학교 연구팀과 공동 수행하였으며, 본교 소속 저자는 본교 오정레질리언스 연구소(OJERI)의 지원을 받았다. 본 연구는 환경과학 분야 세계적인 학술지인 'Energy&Environmental Science(IF : 39.714, JCR Environmental sciences 분야 1위)의 7월호에 게재됐다. /공과대학신문
*논문명 : Nonviable carbon neutrality with plastic waste-to-energy
이에 연구진은 "현재의 에너지 회수 방식으로는 늘어나는 폐플라스틱을 고려할 때 탄소중립 목표 달성이 심각히 저해될 것으로 예측된다. 따라서, 2050년 탄소 중립을 위해 더 높은 에너지 효율과 낮은 탄소 배출량을 가지는 폐플라스틱 변환 기술의 개발 및 상용화가 필요하다"고 연구 결과를 설명했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 성균관대학교, 전남대학교 및 한국해양대학교 연구팀과 공동 수행하였으며, 본교 소속 저자는 본교 오정레질리언스 연구소(OJERI)의 지원을 받았다. 본 연구는 환경과학 분야 세계적인 학술지인 'Energy&Environmental Science(IF : 39.714, JCR Environmental sciences 분야 1위)의 7월호에 게재됐다. /공과대학신문
*논문명 : Nonviable carbon neutrality with plastic waste-to-energy
