한 눈에 쏙! 에너지 그래픽

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해마다 수백만 톤씩 버려지는 폐플라스틱은 환경오염을 일으키는 주범으로 꼽힙니다. 이러한 가운데 국내에서 햇빛만으로 폐플라스틱을 수소 에너지로 재생산하는 기술이 개발되어 주목받고 있습니다. 탄소중립과 함께 친환경 에너지로 꼽히는 수소 생산에 기여할 것으로 기대됩니다!

1. 플라스틱 생산량과 폐플라스틱 배출량

인류의 생활에 혁신적인 생산성 증대와 편의성을 가져다주어 혁명으로 불린 플라스틱. 하지만 플라스틱은 최근 환경 문제와 맞물려 지구환경을 저해하는 주요 요소로 지적되고 있습니다.

경제협력개발기구(OECD)가 발간한 ‘2022 글로벌 플라스틱 전망 보고서’에 따르면, 세계 연간 플라스틱 생산량은 2000년 2억 4,300만 톤에서 2019년 4억 6,000만 톤으로 2배나 늘었습니다. 이 같은 추세라면 2060년 플라스틱 생산량은 12억 3,100만 톤에 이를 것으로 예상됩니다.

문제는 많이 생산되는 만큼 많이 버려지고 있다는 것입니다. 영국 리즈대 코스타스 벨리스 교수팀의 연구 결과에 따르면, 코로나19가 대유행하던 2020년 한 해 동안 전 세계에서 발생한 플라스틱 쓰레기는 5,210만 톤에 달한 것으로 조사되었습니다. 그리고 이 중 절반이 넘는 양이 가정이나 거리, 쓰레기장 등에서 환경 규제 없이 소각되고 있으며, 나머지는 자연에 그대로 버려지고 있는 것으로 나타났습니다.

플라스틱은 생산 단계부터 버려지는 단계에 이르기까지 전 과정에서 온실가스를 배출해 기후변화를 유발합니다. 국제환경법센터(CIEL)가 진행한 공동 연구에 의하면, 2030년 플라스틱으로 인한 온실가스 배출량은 연간 13억 4,000만 톤에 달할 전망입니다.

2. 폐플라스틱의 문제점

WWF(세계자연기금)는 보고서를 통해 2019년 한 해 동안 생산된 플라스틱의 사회적 비용이 인도의 국내총생산(GDP)보다 많은 3조 7천억 달러에 달한다고 밝히기도 했습니다. 이대로 간다면 2040년에는 한 해 생산된 플라스틱의 사회적 비용이 현재의 두 배 수준인 7조 1천억 달러에 이를 것으로 전망됩니다.

WWF는 플라스틱으로 인한 사회, 환경, 경제적 비용이 신제품 플라스틱의 시장가격보다 최소 10배 이상 높고, 현재의 플라스틱 문제 해결 방식이 효과적이지 않다고 분석했습니다. 이런 상황이 지속될 경우 2040년에는 해양으로 유출되는 플라스틱이 2,900만 톤으로 3배나 증가해 바다에 쌓인 플라스틱의 총량은 6억 톤에 이를 것으로 예상됩니다. 그뿐만 아니라 플라스틱 생산에서 폐기 과정에서 배출되는 온실가스는 전 세계 탄소 배출권의 최대 20%를 차지하여 기후 위기를 가속할 것이라고 WWF는 경고했습니다.

국내에서도 사정은 다르지 않습니다. 환경부에 따르면 2017년 기준 폐기물 처리를 위해 사용된 비용은 최대 23조 원으로, 이중 폐플라스틱 처리 비용은 20% 정도를 차지하는 것으로 나타났습니다.

3. 폐플라스틱에서 수소를 생산하는 방법

이에 탄소중립 실현에 앞장서고 있는 각국은 플라스틱 저감과 효율적인 후처리 방안 등에 대해 고심하고 있습니다. 특히 폐플라스틱에 고온, 고압을 가해 수소를 생산하는 기술이 활발하게 개발 중입니다.

이런 가운데 국내에서 최초로 ‘열분해·가스화 합성가스 생산기술’이 개발되었습니다. 수소와 산소를 양론 비로 공급해 고온의 증기를 생성함에 따라 반응제로 사용하는 증기 가스화(Steam Gasification)를 기반으로 폐플라스틱 원료와 산소를 공급하는 산소 가스화로 발전시킨 합성가스 생산기술입니다. 이 기술이 활성화되면 폐플라스틱을 고온에서 가열해 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 구성된 합성가스를 생산하여 일산화탄소는 메탄올, 암모니아 등 화학제품의 원료가 되고, 수소는 그 자체로 에너지원으로 쓸 수 있게 됩니다.

건설비·운영비를 동시에 절감할 수 있다는 장점이 있으며, 무엇보다 폐플라스틱의 화학적 재활용을 통해 천연가스, 수소 등 고부가가치의 자원순환을 실현할 수 있다는 점에서 기대치가 높습니다.

4. 햇빛만으로 수소를 생산하는 촉매 합성법

최근에는 별도의 전기나 열에너지 투입 없이 햇빛만으로 폐플라스틱에서 수소를 생산할 수 있는 촉매 개발에도 성공했습니다. 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장, 고려대 이병훈 교수와 김민호 경희대 응용화학과 공동 연구팀이 태양 빛만을 이용해 고성능 원자 분산 촉매를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 개발한 것입니다.

백금을 비롯한 귀금속계 촉매는 좋은 성능을 내지만, 비싼 가격으로 인해 경제성이 떨어지고 반응 조건에 따라 금속 원자들이 구조적으로 불안정해져 성능을 온전히 활용하지 못하는 경우가 많았습니다. 이에 따라 원자 하나하나가 모두 개별적으로 분산된 원자 분산 촉매가 주목받고 있는데, 지지체의 표면에 금속 원자를 고정한 형태입니다. 원자 분산 촉매를 이용하면 적은 양의 귀금속만 사용해 비용을 줄이고, 최적의 상태로 금속이 결합할 수 있다면 높은 촉매 성능도 달성할 수 있습니다.

연구진은 이산화티타늄처럼 쉽게 구할 수 있는 상용 산화물을 지지체로 활용했습니다. 산화물에 태양 빛을 조사해 내부 산소 결함을 표면으로 이동시키고, 표면에 노출된 산소 결함을 금속의 결합 자리로 이용해 금속 촉매들을 지지체의 표면에 균일하게 결합했습니다. 이렇게 해서 탄생한 원자 분산 백금-이산화티타늄 촉매는 1g의 촉매를 사용했을 때 1시간에 3.7L의 수소를 발생시키는 세계 최고 효율을 달성했습니다. 그뿐만 아니라, 폐플라스틱을 수산화칼륨 용액에 녹인 뒤 촉매를 투입했더니 40시간 동안 98%가 수소로 전환되어, 기존보다 10배 이상 높은 성능을 보였습니다.

이번에 개발된 촉매는 여러 종류의 금속 촉매와 산화물에 적용할 수 있고, 복잡한 과정 없이 쉽고 빠르게 합성이 가능합니다. 무엇보다 무한한 태양에너지를 사용해 친환경적으로 폐플라스틱에서 수소를 생산할 수 있다는 데 큰 의의가 있다고 할 수 있습니다.

5. 폐플라스틱으로 수소를 생산하면 달라지는 것들

최근 탄소중립 대응의 일환으로 글로벌 석유화학기업들이 폐플라스틱을 분해해 다시 원료로 만드는 설비에 투자하고 있는 추세입니다. 폐플라스틱으로 수소를 생산하는 것은 물론, 연료유나 가스를 생산해 부가가치를 얻을 수 있는 생산 기술도 함께 개발 중입니다. 이렇게 하면 소각이나 매립에 드는 비용을 줄일 수 있는 것은 물론, 미래 에너지의 생산량 증가에도 기여할 수 있습니다.

폴리프로필렌이나 폴리스타이렌 등 화학적 처리가 더 어려운 플라스틱을 분해하고 수소로 전환하는 촉매도 개발 예정입니다. 다양한 금속 촉매와 산화물에 적용 가능해 산업적 활용도가 높을 것으로 기대됩니다.

이러한 노력을 통해 탄소배출 저감을 실현하고, 지속적인 미래를 위한 에너지 기술 확보에도 기여하기를 S-OIL이 함께 응원하겠습니다!

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참고 · www.engjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=2808
          news.kbs.co.kr/news/pc/view/view.do?ncd=7888390
          www.khan.co.kr/world/world-general/article/202409051609001
          www.futurechosun.com/archives/86877
          www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12033
          www.wwfkorea.or.kr/bbs/board.php?bo_table=press_release&wr_id=18
          www.donga.com/news/Society/article/all/20191126/98532768/1
          m.naeil.com/news/read/504264
          m.dongascience.com/news.php?idx=63691
          www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000735/selectBoardArticle.do?nttId=24501