유기성 폐기물의 탄소: 기후 중립 에너지 생산

기후 중립적인 에너지 생산은 우리 시대의 핵심적인 환경 과제 중 하나입니다. 2021년 에너지원별 글로벌 에너지 생산 분포 현황*을 보면, 재생 가능 에너지의 비중이 증가하고 있음에도 불구하고 여전히 화석 연료가 가장 큰 비중을 차지하고 있습니다. 에너지 수요가 2050년까지 계속 증가할 것이라는 사실을 고려할 때, 재생 에너지 생산을 확대하는 것은 매우 중요합니다. 따라서 전 세계의 많은 연구자들이 기후 중립적인 에너지를 생산할 새롭고 효율적인 방법을 찾는 데 집중하고 있습니다.

이러한 흥미로운 연구 프로젝트 중 하나는 오스트베스트팔렌-리페 응용과학대학교(Ostwestfalen-Lippe University of Applied Sciences) 환경 연구원들의 프로젝트입니다. 그들은 하수 슬러지와 가축 분뇨를 갈탄과 유사한 특성을 가진 잠재적으로 유용한 바이오차 제품으로 전환하는 혁신적인 방법을 개발했습니다. 이 매우 효과적인 폐기물 처리 공정은 환경 친화적인 고체 연료의 실현 가능한 새로운 공급원을 제공할 수 있습니다. 이 방법의 장점은 지속 가능한 에너지 생성에 활용될 수 없는 원료를 사용한다는 점입니다.

*정보 출처: Statista

이 프로젝트는 오스트베스트팔렌-리페 대학교 환경 공학 및 응용 컴퓨터 과학 학부 내 폐기물 관리 및 매립 기술 학과장인 한스-귄터 람케(Hans-Günter Ramke) 교수가 주도했습니다.

유기 물질로부터 바이오차를 성공적으로 얻어낸 막스 플랑크 콜로이드 및 계면 연구소의 이전 연구에서 영감을 받아, 람케 교수팀은 유기성 도시 폐기물을 유용한 연료 부산물로 전환하는 새로운 방법을 개발하는 것을 목표로 했습니다. 기후 친화적인 에너지 생성이 우리 시대의 핵심적인 환경 과제임을 감안할 때, 이 프로젝트는 이 문제 해결에 기여할 상당한 잠재력을 제시했습니다.

람케 교수팀이 초기 시험 단계에서 사용한 재료 중 상당수는 처리하기 어려운 폐기물이었습니다. 여기에는 하수 슬러지와 짚, 슬러리, 액체 분뇨 같은 농업 폐기물이 포함됩니다. 또한 사탕무 펄프, 맥주 부산물, 커피 제품 잔여물, 제과 폐기물, 음식물 쓰레기 같은 유기성 산업 및 상업 폐기물도 테스트에 활용되었습니다.

연구진은 열수 탄화(HTC)라는 공정을 사용하여 이러한 반고체 유기성 폐기물을 압력솥과 유사하게 180°C에서 240°C 사이의 온도에서 몇 시간 동안 압력을 가해 꿇였습니다. 이를 통해 갈탄과 유사하게 보이며 다량의 탄소화 수소를 포함하는 숯과 같은 물질인 바이오차가 생성되었습니다. 
 

이 과정에서 놀라운 일이 일어납니다: 유기성 물질이 갈탄과 유사한 물질로 변모하는 것입니다.

람케 교수팀에 따르면, 이 HTC 바이오차는 원래 물질보다 더 높은 발열량(즉, 활용 가능한 에너지 잠재력)을 가지고 있으며, 표준 처리 공정을 사용하여 쉽게 건조할 수 있어 연료로 사용하기에 더 적합합니다. 또한, 바이오차를 생성하는 이 과정은 유기성 폐기물을 대기 중으로 쉽게 빠져나가지 않는 안정적인 형태의 탄소로 전환시키므로, 다른 환경적 이점 외에도 효과적인 탄소 포집 방법이 됩니다.

새로운 연료 생산 방법을 개발할 때는 최종 제품의 품질을 검증할 신뢰할 수 있는 수단을 확보하는 것은 매우 중요합니다. 람케 교수는 폐기물 관리를 위한 표준 분석 방법으로는 HTC 접근 방식에 충분하지 않다는 것을 곧 깨달았습니다.

처음에는 수분 함량, 강열 감량, 총유기탄소(TOC) 함량 및 발열량을 평가하여 최종 제품을 평가하려고 했지만, 이는 탄화 공정의 효율성에 대해 필요한 정보를 제공하지 못했습니다. 따라서 연구팀은 더 나은 인사이트를 제공하기 위해 vario MACRO cube의 이전 모델인 vario MACRO를 사용하여 CHNS(탄소, 수소, 질소 및 황) 분석을 선택했습니다.

연구진은 vario MACRO를 통해 수소/탄소 및 산소/탄소 비율의 변화를 정확하게 측정할 수 있었습니다. 이를 통해 연구진은 HTC 방법이 최종 바이오차 제품의 탄소 함량과 에너지 밀도, 즉 발열량을 성공적으로 향상시키는 동시에 수분과 CO₂ 함량을 효과적으로 분리할 수 있다는 증거를 확보할 수 있었습니다.

마지막으로, 연구팀은 바이오차의 유기 탄소 함량에 대한 추가 인사이트 정보를 제공하기 위해 soli TOC® cube 와 동일한 온도 상승 원리를 사용하는 이전 모델인 liquiTOC를 사용하여 최종 제품의 품질을 확인할 수 있는 추가적인 수단을 제공했습니다.

오스트베스트팔렌-리페 대학교 연구팀의 독창적인 노력 덕분에, 여러 상업적 응용 분야를 가진 기후 중립 연료원에 대한 실현 가능한 새로운 생산 방법이 확립되었습니다.

연구팀은 HTC 방법의 원료로 여러 가지 폐기물을 시험한 결과, 하수 슬러지, 슬러리 및 액체 분뇨와 같은 탄수화물이 풍부하고 수분 함량이 높은 원료에서 가장 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 이는 HTC 방법이 이러한 폐기물을 유용한 바이오차로 전환하는 핵심 도구가 될 수 있으며, 특히 중형 연소 플랜트에서 공정열을 생성하는 데, 특히 시멘트 공장 소성용으로 매우 적합함을 의미합니다.

원소 분석을 통해 HTC 방법의 실현 가능성과 효율성이 입증된 지금, 람케 교수는 이 접근 방식이 산업 및 상업 사용자들에게 큰 관심을 받을 수 있을 것이라고 믿습니다.

이제 플랜트 건설업체와 잠재적 사용자들이 다음 단계로 나아갈 필요가 있습니다. 저희는 효과를 시험할 수 있는 컨테이너 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 이동이 가능하여 플랜트 운영자들에게 직접 찾아갈 수 있습니다. 이 시스템을 통해 실제 조건에서 공정이 어떻게 작동하는지, 그리고 가용한 각 물질 흐름에 최적으로 어떻게 적용될 수 있는지 시험하는 것이 가능합니다.

한스-귄터 람케 교수