KICT 한국건설기술연구원

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• 협력 속에서 답을 찾는 미래 설계자 연구자: 서현석 KICT 환경연구본부 수석연구원 편안하고 안정적인 길을 뒤로하고, 스스로 과제를 발굴하며 미래 인프라의 안전을 설계하는 연구자가 있다. 에너지 플랜트와 수소 인프라 설계·실증, 그리고 현장 적용까지 이어지는 과정을 통해 그는 안전과 신뢰성을 기술로 입증하고 있다. 한국건설기술연구원 환경연구본부/수소인프라센터의 서현석 수석연구원이다. 안전한 설계로 미래를 준비하는 연구자 서현석 수석연구원은 에너지 플랜트와 수소에너지 인프라 설계기술, 실증연구를 주력으로 한다. 순한 설계 업무를 넘어, 설계 초기 단계부터 안전성을 확보하기 위해 열유 동해석 기반 시뮬레이션과 신뢰성 평가를 병행한다. 이를 통해 기술이 실제 현장에서 안정적으로 작동할 수 있는지를 면밀히 검증한다. 그가 속한 환경연구본부는 도시 수처리와 자원순환, 폐수처리 및 바이오매스 기반 신에너지 생산, 비전통 에너지자원 공정 최적화, 수소도시 인프라 안전성 확보 등 다양한 분야를 연구한다. 이 가운데 서 연구원은 안전 기반 수소 인프라 설계 및 실증 기술에 집중한다. “수소에너지는 친환경 성과 효율성에서 주목받지만 폭발과 누출 위험이 있기 때문에 안전성 확보가 상용화의 핵심 전제”라고 강조한다. 연구를 선택한 이유, 그리고 보람 2023년, 한국건설기술연구원으로 자리를 옮긴 그는 현재까지 다양한 연구 과제를 수행 중이다. “연구 성과를 달성하기 위해 거치는 모든 과정이 미래의 중요한 자산이 된다.”는 것이 그의 생각이다. 논문과 특허 같은 정량적 성과뿐 아니라, 여러 기관과의 협업으로 얻는 정성적 성과 역시 “모두 소중한 기억”이라고 덧붙인다. 이전에는 민간기업에서 시뮬레이션 기반 신뢰성 평가 업무를 맡아 안정적인 생활을 이어갔다. 하지만 그는 “학위 과정 때부터 꿈꿔왔던 자기 주도적 연구를 하고 싶었다.”고 회상한다. 다양한 과제를 발굴하고 폭넓은 네트워크를 형성 할 수 있는 환경을 찾던 그는, “출연연구기관이야말로 그 목표를 실현할 수 있는 최적의 장소”라고 판단했다. 만약 다른 길을 걸었다면, 민간기업에서 비슷한 업무를 이어갔을 가능성이 크지만, “그랬다면 지금처럼 다양한 연구에 도전하며 시야를 넓히는 기회는 없었을 것”이라고 말했다. 연구와 삶의 균형을 만드는 시간 서현석 수석연구원은 일상 속에서 에너지를 재충전할 수 있는 시간을 소중하게 여긴다. 그는 “야구, 테니스, 골프 등 야외 스포츠 활동을 특히 좋아한다.”며, 이를 통해 업무 스트레스 해소와 건강 관리를 함께 이어가고 있다고 전했다. 연구실 밖에서 땀 흘리는 순간들은 단순한 취미를 넘어, 연구를 위한 체력과 집중력을 유지하는 원동력이 된다. 연구가 예상치 못한 난관에 부딪힐 때, 그는 걷기를 택한다. “스트레스 원인을 곱씹기보다 걷는 시간 자체를 즐기려고 합니다. 그렇게 걷다 보면 마음이 편안해지고, 문제를 새로운 시각에서 바라볼 수 있게 됩니다.” 이 단순하지만 효과적인 습관은 복잡한 생각을 정리하고, 막혔던 길을 다시 열어주는 중요한 계기가 된다. 협력과 존중으로 완성되는 연구 연구의 보람을 묻자 그는 주저 없이 “함께 이뤄낸 성과에서 가장 큰 의미를 찾는다.”고 답한다. 출연연의 연구는 대부분 여러 기관과의 협력 속에서 진행된다. “각 기관이 가진 장점을 극대화해 하나의 목표를 완성하고, 이를 실제 현장에 반영하는 과정을 경험할 때 연구자로서 큰 성취감을 느낍니다.” 이러한 경험은 단순한 결과물 이상의 의미를 지니며, 자신을 한 단계 성장시키는 자산이 된다고 한다. 또한 그는 건설기술 분야 발전을 위해 세대 간 간극을 줄이는 노력이 필요하다고 강조한다. “시니어 연구자의 경험과 지식은 소중하지만, 이는 주니어 연구자들의 노력과 헌신이 있었기에 가능했던 성과입니다. 서로를 존중하고 배려하는 문화가 자리 잡아야 합니다.” 서 연구원은 건강한 연구문화가 곧 기술 발전의 토대라고 믿는다. “협력과 존중이 어우러진 환경에서만 진정한 발전이 가능합니다.” 환경연구본부 게시일2025-12-02 조회수 41
• 물을 정화하고, 자원까지 회수하는 두 가지 힘 연구자: 안주석 KICT 환경연구본부 전임연구원 순환형 막결합 축전식 탈염(C-MCDI) 기술,자원회수형 수처리의 새로운 미래 물 부족과 수질 오염이 전 세계적으로 심화되면서, 제한된 수원을 효율적으로 활용할 수 있는 기술의 필요성이 커지고 있다. 특히 도서·벽지나 상수도 인프라가 부족한 지역에서는 안정적인 수처리와 자원 회수를 동시에 달성할 수 있는 혁신적 해법이 요구된다. 이러한 흐름 속에서 ‘순환형 막결합 축전식 탈염(Circulation-Type Membrane Capacitive Deionization, C-MCDI)’ 기술이 새로운 대안으로 주목받고 있다. Q1. ‘순환형 막결합 축전식 탈염 기술(C-MCDI)’에 대해 간략히 소개해 주시고, 개발 배경이나 필요성은 무엇인가요? 국내에는 지하수 기반 소규모 수도시설이 많고, 해외에서는 해안가 저염 지하수나 특정 이온이 고농도로 포함된 수원 처리가 필요한 경우가 많습니다. 이러한 수요에 대응하기 위해 개발된 기술이 C-MCDI입니다. 기존 MCDI는 전극과 이온교환막을 활용하지만 회수율이 낮아 많은 원수를 필요로 하는 구조였습니다. 반면 C-MCDI는 탈착 과정에서 발생하는 탈착수를 폐기하지 않고 별도의 순환 라인에서 반복 처리함으로써 회수율을 크게 높였습니다. 이 과정에서 특정 이온의 농도가 점차 높아져 단순 탈염뿐 아니라 자원 회수까지 가능하다는 점을 실험적으로 확인했습니다. Q2. 기존 기술과 비교했을 때의 차별성이나 강점, 그리고 경제성 측면의 이점은 무엇인가요? 가장 큰 차별성은 기존에 버려지던 탈착수를 재처리해 회수율을 높이는 구조에 있습니다. 덕분에 제한된 원수량으로도 안정적인 수처리가 가능하며, 이온 특성에 맞춘 순환수 운용으로 스케일링·파울링을 줄여 장기간 고효율 운전이 가능합니다. 에너지 소비는 원수의 염 농도에 비례하며, TDS 5,000 mg/L 이하에서는 1 kWh/m³ 이하의 저에너지 운전이 가능합니다. 설치비 역시 고압 용기나 대형 펌프 없이 저압·DC 기반 모듈로 구성되어 합리적입니다. 유지관리도 전력비와 주기적인 전극·막 교체가 주이며, 세정 빈도를 최소화해 운영비를 안정적으로 관리할 수 있습니다. Q3. 기술의 핵심 요소와 작동 원리를 설명해 주세요. C-MCDI는 다공성 탄소 전극, 양·음이온교환막, 전원 장치, 순환 계통으로 구성됩니다. 흡착(adsorption) 단계에서는 전압을 인가해 전극 표면에 전기이중층을 형성, 양이온과 음이온을 각각 흡착시켜 물의 무기물 농도를 낮춥니다. 이후 전압을 0V로 유지하거나 극성을 전환해 이온을 방출하는 탈착(desorption) 단계로 전환됩니다. 순환형 구조에서는 이 탈착수를 폐기하지 않고 탈착 전용 라인으로 되돌려 다음 탈착 단계의 공급수로 사용합니다. 이를 반복하면 처리수 품질을 유지하면서 회수율을 높일 수 있고, 특정 이온 농축 효과까지 얻을 수 있습니다. Q4. 현재 개발 단계와 사업화 가능성, 그리고 타겟 시장은 어디인가요? C-MCDI 기술은 고회수율·저에너지 수처리와 유가자원 농축 두 분야에서 동시에 개발되고 있습니다. 수처리 분야에서는, 국내 소규모 수도시설의 지하수 처리와 말레이시아를 비롯한 해양 ASEAN 국가의 염지하수 처리에 적용 가능한 하루 50톤 규모의 파일럿 실증 운전을 완료했습니다. 실증 결과, 원수 농도 1,000 mg/L TDS 조건에서 90% 이상의 제거 효율, 83.3%의 회수율을 달성하였으며, 에너지 소비량은 0.584 kWh/m³에 불과했습니다. 본 기술은 이미 국내 중소기업에 기술이전이 이루어졌으며, 현재 상용 모듈 개발과 해외 적용 확대를 추진 중입니다. 주요 타겟 시장은 국내외 소규모 수도시설, 도서·해안 지역 상수도, 그리고 저염 지하수를 수원으로 하는 지역입니다. 농축 분야에서는, 순환 구조를 활용해 특정 이온의 농도가 점진적으로 높아지는 현상을 실험적으로 확인했습니다. 현재는 가능성을 검증한 단계이며, 목표 이온의 농축도 향상과 선택성 확보를 위한 운전 조건 최적화 연구를 진행하고 있습니다. 이를 기반으로 산업폐수, 광산 배수, 배터리 제조 공정 등에서 유가자원 회수에 활용할 수 있는 고도화된 농축 기술로 발전시키는 것을 목표로 하고 있습니다. 농축 기술의 주요 타겟 시장은 금속·광물 자원화 산업, 2차전지 제조, 반도체 세정수 재이용, 그리고 고염도 산업폐수 처리 분야입니다. Q5. 상용화 시, 어떤 사회적·환경적 효과가 기대되나요? C-MCDI는 분산형 수처리에 최적화되어 도서·벽지나 개발도상국 등 상수도 인프라가 부족한 지역에서도 안정적인 물 공급이 가능합니다. 순환 처리로 물 자원을 절약하고, 저전력·DC 기반 구조로 태양광 등 재생에너지와의 결합이 용이합니다. 또한 모듈형 설계와 간단한 유지관리로 전문 인력이 부족한 지역에서도 장기간 안정 운전이 가능하므로, 물 복지 향상과 ODA 사업을 비롯한 국제개발협력 사업에서 지속 가능한 물 관리에 기여할 수 있습니다. Q6. 향후 연구 계획과 목표는 무엇인가요? 단기적으로는 탈착수 순환 최적화(순환수량·주기·전압파형), 전극·막 내구성 검증, 모듈·제어 SW 표준화로 상용화를 앞당길 예정입니다. 중기적으로는 태양광 연계 저전력 운전, 다양한 수질 조건별 운전 데이터 구축, 국내·해외 현장 실증 확대를 추진합니다. 농축 분야에서는 목표 이온 선택성과 회수율 향상, 침전·전기화학 회수 연계를 통해 ‘수처리+자원 회수’ 통합 솔루션을 구현하는 것이 목표입니다. 환경연구본부 게시일2025-10-28 조회수 62
• 재생 바이오매스를 활용한 지속가능한 건설환경 인프라 기술 개발 연구자: 안창혁 KICT 환경연구본부 수석연구원 들어가며 인류가 지구의 지배 세력이 된 이후 20세기부터 이루어진 급격한 자원 이용과 인프라 개발은 글로벌 물질 소비량의 드라마틱한 증가를 야기하였다. 20세기 이후 인류 유래 생산품(anthropogenic or human-made product)으로 정의되는 건물, 도로, 기계 등의 인프라 요소(콘크리트, 아스팔트, 금속 등)와 이를 구성하는 시설들의 질량(mass)이 급격히 증가하면서, 이용자의 편의성이 개선되는 한편 건설환경의 지속가능성 측면에서 잠재적 문제가 제기되고 있다. 바이오매스(biomass)는 관점에 따라 그 범위와 의미의 차이를 보이는데, 주로 생태학적으로는 태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물과 이들을 먹이로 하는 동물·미생물 등 생물 유기체의 현존량을 총칭하지만, 산업계를 포함한 보다 일반적인 관점에서는 에너지 및 재생자원 활용 측면을 고려하여 생물의 생사(生死)나 형태에 관계없이 보다 넓은 의미를 나타낸다(예: 유기성 폐기물, 하수슬러지, 바이오가스, 숯 등). Nature에 소개된 최신 연구에 따르면(Elhacham et al.,2020), 2013~2020년에 인류 유래 생산품 및 그 폐기물들의 질량이 지구상에 존재하는 생태학적 바이오매스의 건조질량 수준에 이미 도달하였으며, 2031~2037년에는 습윤질량 수준을 돌파할 것으로 예측되었다(그림 1). 이를 세계 기상기구(WMO)에 보고된 연평균 지구 기온(1850~2018, 세계 기상 기구 데이터)을 묘사한 ‘Warming stripes(Ed Hawkins, 2018)’에 대입해 보면 글로벌 물질소비량의 급격한 증가가 지구적 기후변화에 큰 영향을 미칠 수 있을 것으로 추정할 수 있다(그림 2). 국내 건설환경 분야 지속가능 전략 2025년 환경부 업무계획에 따르면 기후위기 대응은 국민 안전과 경제를 좌우하는 최우선 이슈로 보고되었으며, 특히 이상기후, 온실가스 관리, 글로벌 탄소무역에 대한 국제적 경쟁력 확보를 중요한 세부 추진과제로 보고 있음을 알 수 있다. 유럽연합(EU)의 본격적인 탄소무역 규제에 따라 국제 탄소규제의 지속적인 강화가 전망됨과 함께, 글로벌 녹색시장 규모의 증가(2024년 1분기 기준 7.2조 달러)는 ESG 공시 의무, 자원 안보 및 순환 경제 등과 관련 기술 수요의 필연적인 확장이 예상되므로, 이는 결국 국내외 건설환경 분야의 패러다임 전환을 예고하고 있다. 그뿐만 아니라 「순환경제사회법」 시행에 따른 ‘규제샌드박스’는 폐자원의 순환이용 기반을 강화하기 위한 발판 제공 목적에 따라 국내 바이오매스 활용에 대한 규제 특례를 부여할 것으로 예상된다. 이러한 노력은 가시적으로 UN 기후변화협약에 대응하기 위한 2035 국가 온실가스 감축목표(Nationally Determined Contribution, NDC) 달성을 위함이며, 향후 법제화 과정을 통해 지역적 탄소중립 이행을 주도하기 위한 여건 확보를 세부과제로 한다. 이러한 배경에 따라, 건설환경 분야를 포함한 관련 학계에서는 국내뿐만 아니라 글로벌 규모에서 자원 활용과 건설환경 인프라를 포함한 사회경제적 대사의 물질흐름을 정량적으로 평가하고 모니터링함으로써 물질 재고의 질량과 구성, 투입 및 산출 흐름을 예측하고, 바이오매스 총량과 비교하거나 활용함으로써 전체적인 자원 관리에 대한 그림을 정량적으로 예측할 수 있다. 결국, 문제해결 과정에서 과학기술적으로 확립된 재생 바이오매스의 개선이나 신규 활용처 확보에 따라 기존에 해결할 수 없었던 다양한 환경문제에 대한 난해한 질문들을 지속가능한 개발 측면에서 재고할 수 있을 것이다. 건설환경 인프라의 환경적 이슈와 재생 바이오매스 이용 방안 도시화로 인해 잠재적으로 유해한 인위적 오염물질(anthropogenic contaminants)의 증가 및 노출은 건설환경 인프라 개발에 비례하면서 나타나는 중요한 환경적 이슈이며, 이는 혁신적인 솔루션이 필요한 지속적인 글로벌 문제이기도 하다(Akhtar et al., 2021). 일반적으로 도시화 지역에서 다루는 인위적 오염물질에는 중금속(heavymetals), 소수성 유기오염물질(hydrophobic organic contaminants), 염료(dyes), 살충제(pesticides), 미생물 및 바이러스(microorganisms and viruses) 등 다양하게 존재한다. 지난 수십 년 동안 도시 지역에서 유래된 유해 오염물질들을 제거하기 위해 다양한 환경 기술이 개발되었으나, 주로 현장 외(ex-situ) 환경시설에서 오염물질을 포집하고 수송한 후 제거하기 위한 제한된 기술요소로 이루어져 왔다. 그러나 공정 복잡성, 분산 관리, 맞춤형 현장 적용 및 비용 효율성 문제를 포함한 재료와 요소기술의 선형적 관리는 해당 시스템이 직면한 한계점 중 하나로 인식된다. 반면에, 재생 바이오매스를 개량하거나 개질하여 현장내(in-situ) 정화 시스템으로 재구성하는 방안은 지속 가능한 제조 관행을 채택하는 패러다임의 전환을 유도할 수 있는 효과적인 전략일 수 있다. 재생 바이오매스를 환경 관리에 통합하는 전략은 녹색 인프라를 구현하고, 에너지 효율성과 폐기물 처리를 위해 재생 에너지를 활용할 뿐만 아니라, 순환경제 원칙을 촉진함으로써 자원 순환과 환경오염 관리 목표를 동시에 달성할 수 있는 장점이 있다. 예시 중 하나로써 재생 바이오매스와 미생물과의 협력을 통한 재료 표면의 특정 화학구조(ex: humic-like substances)의 개질은 다양한 물리화학적 메커니즘(흡착, 침전, 이온교환 등)을 통한 인위적 오염물질의 제거를 유도할 수 있다. 이러한 가능성을 가시화한다면, 과거에 우리가 활용을 포기했던 재생 바이오매스에 대한 새로운 관점을 가지고 다양한 환경 매체에서 유해한 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 폐기물 처리를 위한 매립지, 소각, 또는 정화 시스템에 대한 경제적 대안을 제공할 수 있다. 따라서 향후 연구방향은 재생 바이오매스를 적절하게 활용하고 환경정화에 활용할 수 있는 물리화학적 특성을 극대화하여 도시에서 발생할 수 있는 오염물질의 거동을 효과적으로 제한할 수 있는 전략을 고려할 필요가 있다. 재생 바이오매스 활용 기술의 미래 방향 재생 바이오매스 활용 기술 적용 및 확장을 위해서는 기존 분야에 대체가능한 요소기술 개발뿐만 아니라 전체적인 시스템적 접근이 필요하다. 자연과 인간 환경에서 발생하는 오염물질의 거동 특성과 이동경로(pathway) 분석, 오염물질의 타입에 따른 수용처에 대한 위해성과 환경적 영향을 고려할 필요가 있다. 확장 중인 도시화에 대응 가능하기 위해 자연기반해법(nature-based solutions)이나 생태공학적 접근이 고려될 필요가 있으며, 순환경제요소를 도입한 물질순환의 선순환 체계를 고려한 산업생태학적 전 과정평가(lifecycle assessment) 기법이 검토되어야 할 것이다. 또한, 전통적인 과학과 공학의 융합적 접근을 통한 응용공학의 시도는 관련 연구에서 학술적 기반이 되는 접근법으로 고려된다. 앞서 설명한 것처럼 바이오매스의 범위는 매우 넓기 때문에 다양한 유·무기 물질을 재료로 활용하여 하이브리드 형태로 가공 및 개질한 방법론과 생산품들은 건설환경 분야의 지속 가능한 상용화를 기대할 수 있다. 향후 관련 접근법을 적극 활용하여 건설환경 분야에 기여할 수 있는 미래지향적 기술개발 발전을 기대한다. 참고자료 Akhtar, N., Ishak, M.I.S., Bhawani, S.A., Umar, K. (2021) Various natural and anthropogenic factors responsible for water quality degradation: a review. Water, 13, 2660.pp. 1-35. Ed Hawkins (2018) https://en.wikipedia.org/wiki/Warming_stripes. Elhacham, E., Ben-Uri, L., Grozovski, J., Bar-On, Y.M., Milo,R. (2020) Global human-made mass exceeds all living biomass. Nature, 588, pp. 442-454. 환경연구본부 게시일2025-06-16 조회수 344
• 도시 바이오매스를 도시 자원으로 전환하기 위한 기술 도시 바이오매스를 도시 자원으로 전환하기 위한 기술 ▲ 배지열 KICT 연구전략기획본부 수석연구원 들어가며 도시화가 급속히 진행되면서 도시 내 자원과 폐기물 관리의 중요성이 점점 커지고 있다. 특히 도시 바이오매스(Biomass)는 농촌 지역과 달리 도시 환경에서 생성되는 다양한 생물학적 폐기물을 의미하며, 그 주요 원천으로는 음식물 쓰레기, 공원 및 가로수의 녹지 관리 부산물, 하수 슬러지 등이 포함된다. 이러한 바이오매스는 방치되거나 단순히 소각될 경우 환경오염을 유발하지만, 이를 적절한 기술을 통해 도시 자원으로 전환하면 환경적, 경제적 혜택을 제공할 수 있다. 이 글에서는 도시 바이오매스를 자원으로 전환하는 기술의 필요성과 다양한 전환 기술들을 탐구하고, 그 미래 가능성을 살펴보고자 한다. 도시 바이오매스의 중요성 도시에서 발생하는 바이오매스는 지속적으로 증가하고 있으며, 이를 효율적으로 관리하지 않으면 환경 문제로 이어질 수 있다. 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물은 분해 과정에서 메탄과 같은 온실가스를 배출하여 지구 온난화를 가중할 수 있다. 또한 하수 슬러지나 녹지 관리 부산물도 자원이 아니라 폐기물로 처리될 경우, 토양 및 수질 오염을 유발할 수 있다. 따라서 도시 바이오매스를 효과적으로 관리하고, 자원화하는 것은 도시의 지속 가능성을 높이는 중요한 과제가 되고 있다. 도시 바이오매스 전환 기술 (바이오에너지 생산 기술) 바이오매스를 연료로 전환하는 기술은 도시 바이오매스 자원화의 중요한 축이다. 대표적인 기술로는 바이오가스와 바이오디젤 생산이 있다. 바이오가스 생산은 음식물 쓰레기나 하수 슬러지를 혐기성 소화(digestion) 과정을 통해 바이오가스로 전환하는 기술이다. 이 과정에서 유기 폐기물은 메탄과 이산화탄소로 분해되며, 메탄은 도시의 연료 또는 전력 생산에 사용할 수 있다. 예를 들어, 독일과 같은 국가에서는 도시 바이오매스를 이용한 바이오가스 생산이 전력망에 연결되어 재생에너지 공급에 기여하고 있다. 바이오디젤 생산은 도시에서 발생하는 폐식용유 등을 재처리하여 디젤 연료로 전환하는 기술이다. 이 과정에서 생성된 연료는 운송 수단이나 난방 연료로 활용될 수 있어, 화석 연료를 대체하는 지속 가능한 에너지원으로 평가받고 있다. (바이오화학 제품 생산) 바이오매스에서 유용한 화학 물질을 생산하는 기술은 도시 바이오매스를 고부가가치 자원으로 전환할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 바이오리파이너리(Biorefinery) 기술은 바이오매스를 다양한 화학 물질 및 소재로 전환하는 복합적인 공정이다. 예를 들어, 식물성 잔재물에서 바이오플라스틱 원료를 생산하거나, 하수 슬러지에서 화학비료 성분을 추출할 수 있다. 이러한 기술은 도시 폐기물의 단순한 처리에서 벗어나 새로운 자원을 창출하는 혁신적인 접근법을 제시한다. (고형 연료화 기술) 도시 바이오매스를 고형 연료로 전환하는 기술도 중요하다. 목재 펠릿과 같은 고형 연료는 에너지 밀도가 높아 난방 및 발전에 효과적으로 활용될 수 있다. 이 기술은 공원 관리에서 발생하는 가지나 잎사귀, 나무 조각 등 폐기물의 처리 문제를 해결할 수 있는 동시에, 친환경 연료를 제공하는 이점이 있다. (탄소 포집 및 저장(CCS) 기술과의 연계) 도시 바이오매스를 에너지원으로 활용하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 저장 또는 활용하는 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술과 결합하는 방식도 있다. 이러한 방식은 도시 바이오매스 사용에서 발생할 수 있는 탄소 배출을 최소화하여, 탄소중립을 달성하는 데 기여할 수 있다. 도시 바이오매스 전환 기술의 이점 (환경적 혜택) 도시 바이오매스를 에너지원이나 화학제품으로 전환하는 것은 자원 순환과 온실가스 감축에 기여한다. 메탄가스와 같은 폐기물에서 발생하는 온실가스를 활용하거나 포집함으로써 환경적 영향을 줄일 수 있다. 또한, 바이오매스 활용은 화석연료 사용을 줄여 대기오염을 감소시키는데 기여한다. (경제적 혜택) 도시 바이오매스의 자원화는 폐기물 처리 비용을 절감할 뿐만 아니라, 바이오연료와 바이오화학 제품을 통해 새로운 경제적 가치를 창출한다. 예를 들어, 바이오가스는 도시 내에서 전력을 생산하거나, 난방 연료로 사용될 수 있어 에너지 비용 절감 효과를 제공한다. 또한, 바이오 리파이너리 기술을 통한 고부가가치 화학물질 생산은 도시 경제 활성화에도 기여할 수 있다. (에너지 자립성 강화) 바이오매스를 활용한 에너지 생산은 도시가 외부 에너지 의존도를 줄이고 자립할 수 있는 기반을 제공한다. 이는 에너지 가격 변동에 대한 민감도를 낮추고, 에너지 공급의 안정성을 높이는 중요한 요소이다. 기술적 도전과 향후 과제 (기술적 제약) 도시 바이오매스 전환 기술은 여전히 여러 기술적 도전과 한계를 가지고 있다. 특히, 다양한 유형의 바이오매스를 균일하게 처리하고, 경제적으로 실현 가능한 방식으로 상용화하는 데 어려움이 따른다. 또한, 바이오가스나 바이오디젤 생산 공정의 효율성을 높이기 위한 연구가 지속적으로 필요하다. (정책적 지원의 필요성) 도시 바이오매스 자원화를 촉진하기 위해서는 정부의 정책 지원과 규제가 중요하다. 바이오매스를 재생 가능 에너지원으로 인정하고, 이를 활용하는 기업에게 인센티브를 제공함으로써 기술 상용화를 가속화할 수 있다. 또한, 도시 바이오매스 전환 기술 연구 및 개발에 대한 투자를 늘려야 한다. 맺음말 도시 바이오매스를 자원으로 전환하는 기술은 도시의 지속 가능성을 높이고, 자원 순환을 통한 환경적, 경제적 혜택을 제공한다. 바이오에너지, 바이오화학 제품, 고형 연료화 등의 다양한 기술들은 도시 바이오매스의 활용 가능성을 넓히고 있으며, 이를 통해 도시의 자원 자립성을 강화할 수 있다. 다만, 이러한 기술들의 상용화와 확산을 위해서는 기술발전과 더불어 정책 지원이 필요하다. 미래에는 더 많은 도시가 바이오매스를 자원으로 활용하여 지속 가능한 발전을 이룰 수 있을 것이다. 참고자료 탄소중립녹색성장위원회(2023) 탄소중립 녹색성장 국가전략 및 제1차 국가 기본계획. International Energy Agency (2023) Energy Technology Perspectives 2023. 이진숙 외 (2024) Utilization of whole microalgal biomass for advanced biofuel and biorefinery applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews. 160, p112269. 환경연구본부 게시일2025-03-14 조회수 732
• 저탄소 청정 화력발전을 위한 유기성 폐기물 자원화 기술 개발 저탄소 청정 화력발전을 위한 유기성 폐기물 자원화 기술 개발 ▲ 정윤아 KICT 환경연구본부 수석연구원 들어가며 온실가스 감축을 통한 기후위기 대응을 위해 우리나라는 2020년 '2050 탄소중립 추진전략'을 확정·발표하였다. 저탄소 에너지 기술의 발전과 보급은 탄소중립 목표 달성을 위한 핵심 요소라 할 수 있다. 2022년 기준 국내 석탄화력발전량은 총발전량 중 39.7%로 원자력발전(41.0%)에 이어 두 번째로 비중이 높다(에너지경제연구원, 2023). 석탄은 연소 과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하는 반면, 바이오매스는 생물학적 과정에서 이산화탄소를 흡수하여 성장하기 때문에 탄소중립적 연료로 간주된다. 석탄화력발전소에서 바이오매스를 혼소(mixed firing)하면 신재생 에너지의 비중을 늘리는 동시에 전체 탄소배출량을 줄일 수 있어 국가 탄소중립 목표 달성에 크게 기여할 수 있다. 바이오매스 혼소는 기존 발전 설비의 활용이 가능하기 때문에 석탄화력발전소에서 온실가스 배출을 감축할 수 있는 가장 간편한 방안 중 하나이기도 하다. 현재 국내 석탄화력발전소에서는 발열량 기준으로 3~5% 수준까지 바이오매스 혼소 발전이 이루어지고 있다. 이 글에서는 화력발전에서 유기성폐기물 기반 고형연료 혼소 기술 현황에 대해 정리하고 기술적인 도전 및 향후 전망에 대해 다루고자 한다. 유기성 폐기물 기반 고형연료 기술 개발 현황 유기성 폐기물은 생물에서 유래한 유기물질로 이루어진 폐기물로 농·임산 부산물, 하수슬러지, 음식물류 폐기물 등이 대표적이다. 유기성 폐기물 기반 고형연료는 환경 오염을 줄이고 자원의 효율적 이용을 통한 에너지 회수와 동시에 폐기물 관리가 가능한 주요한 수단으로 부상하고 있다. 특히, 화력발전소에서 사용하는 경우 에너지 효율을 높이고 화석 연료 의존도를 낮춰 화력발전소의 연료 유연성을 높일 수 있다. 그뿐만 아니라 기존 연구를 통해 바이오매스 혼소는 NOX, SOX, CO2 배출 감소에도 기여함을 확인하였다(Verma et al., 2017). 일반적으로 유기성 폐기물을 활용한 고형연료 생산 기술은 열분해, 건조, 분쇄, 압축 등의 공정을 포함한다. 이 중 가장 보편적으로 사용되는 기술은 열분해로, 산소가 없는 조건에서 고온을 가하여 유기물을 분해하는 과정을 일컫는다. 열분해를 통해 고체(바이오차), 액체(바이오오일), 기체(바이오가스) 세 가지 제품이 생산되는데, 바이오차(Biochar)는 고밀도의 에너지를 지니고 있어 고형연료로써 활용가치가 높다. 국내에서 주로 활용되는 유기성 폐기물은 하수슬러지다. 하수슬러지는 높은 수분 함량과 낮은 발열량을 가지고 있어 건조 및 열분해 공정을 통해 에너지 밀도를 향상하는 공정이 필요하다. 농업부산물은 종류가 다양할 뿐만 아니라 열량이 상대적으로 높아 에너지 생산에 유리하다. 또한 건조 및 압출을 통해 직접 연료화가 가능하며 열분해를 통해 고밀도 고형연료로 생산도 가능하다. 음식물류 폐기물은 유기물 함량이 높으며, 혐기성 소화를 통해 바이오가스를 생산하거나 건조 및 열분해를 통해 고형연료로 생산이 가능하다. 화력발전소 바이오매스 혼소 주요 기술적 이슈 화력발전소에서의 바이오매스 혼소는 설비에 큰 영향을 미치지 않도록 발열량 기준 5% 내에서 수행되고 있다. 하지만 혼소하는 연료의 물리화학적 특성과 혼소율에 따라 고려해야 할 기술적인 이슈들이 있다. 첫째, 연료의 호환성이다. 바이오매스는 석탄보다 크기와 형태가 다양하기 때문에 석탄과 효율적으로 혼합이 가능하도록 바이오매스를 적절히 분쇄하는 전처리 과정이 필요하다. 또한 바이오매스는 석탄에 비해 수분 함량이 높은 경우가 많은데, 수분은 연소 효율을 저하시키기 때문에 건조 과정을 통해 수분을 저감해야 한다. 둘째, 연소 온도와 연소 속도를 고려해야 한다. 바이오매스는 석탄과 연소 온도 및 연소 속도가 다르다. 바이오매스는 석탄보다 낮은 온도에서 연소될 수 있지만, 연소 온도가 너무 낮으면 불완전 연소가 일어나 이산화탄소 배출 감소 효과가 떨어질수 있다. 반면에 연소 온도가 너무 높으면 NOX와 같은 유해 가스의 생성이 증가할 수 있다. 또한 혼소 시 바이오매스와 석탄의 연소 속도가 잘 맞지 않으면 연료의 불균형적 연소가 발생할 수 있고, 이는 에너지 효율 감소와 불완전 연소로 인한 배출가스 증가로 이어질 수 있다. 셋째, 바이오매스에 포함된 알칼리 및 알칼리 토금속 성분은 발전소의 보일러와 열교환기에 부식을 일으킬 수 있다. 이는 장비 수명을 단축시키고 유지 보수 비용을 증가시킬 수 있다. 더불어 바이오매스 연소 시 발생하는 재는 석탄보다 융점이 낮은 경우가 많아 보일러 내부에서 슬래깅(슬래그 형성)이나 파울링(열교환기 표면의 오염)을 일으킬 수 있다. 슬래깅 및 파울링은 열전달 효율을 저하시켜 발전소 운영의 문제로 이어질 수 있다. 마지막으로 에너지 밀도와 바이오매스 연료 공급의 안정성을 고려해야 한다. 바이오매스는 석탄에 비해 에너지 밀도가 낮다. 따라서 같은 양의 에너지 생산을 위해 더 많은 양의 바이오매스 연료가 필요하며, 이를 고려하여 저장 및 연료 처리 시설 규모를 결정해야 한다. 바이오매스는 그 종류에 따라 계절, 기후, 지역적 요인의 영향을 많이 받는다. 예를 들어, 농업부산물의 경우 계절과 지역적 요인의 영향을 많이 받아 공급량 및 공급 주기가 일정하지 않다. 성공적인 바이오매스 혼소를 위해서는 일정한 품질의 바이오매스를 안정적으로 공급받을 수 있는 공급원이 마련되어야 한다. 바이오매스 혼소의 안정적인 운영을 위해서는 위와 같은 기술적 이슈들을 효과적으로 관리하고 최적화할 필요가 있다. 국내외 정책적 이슈 국내 에너지 정책은 환경문제와 에너지 효율성을 개선하고, 재생 가능 에너지 사용을 늘리기 위한 방향으로 진행되고 있다. 먼저, 정부는 미세먼지 및 온실가스 감축을 위해 석탄화력발전소의 가동 중단 및 폐쇄 계획을 추진하고 있다. 특히 오래되고 효율이 낮은 발전소부터 단계적으로 폐쇄하고, 신규 석탄발전소의 건설을 제한하고 있다. 동시에 2030년까지 재생가능 에너지 비중을 대폭 확대하는 것을 목표로 하고 있으며, 태양광, 풍력을 비롯하여 바이오매스를 포함한 다양한 재생 가능 에너지원 이용 증대를 포함하고 있다. 화력발전소에서 바이오매스 혼소는 탄소배출을 줄이고, 화석연료 의존도를 낮추며 에너지 다양성을 확보할 수 있어서 정책 목표를 달성하기 위한 중요한 전략 중 하나로 간주되고 있다. RPS(Renewable Portfolio Standard, 신재생에너지 의무할당제) 제도 하에서 발전사들은 일정 비율의 전력을 재생 가능 에너지로 생산해야 할 의무를 진다. 바이오매스 혼소는 이 요건을 충족하는 방법의 하나로 인정받고 있다. 또한 화력발전소의 대기오염물질 배출 기준 만족을 위해 바이오매스 혼소를 활용할 수 있다. 국외 화력발전소에서는 유기성 폐기물을 자원화하여 바이오 에너지로 전환하는 기술을 상업적 규모로 성공적으로 운영하고 있다. 바이오에너지의 성공적인 확대 운영에는 관련 기술 개발과 더불어 정책적 기반이 마련돼 있다고 할 수 있다. 먼저 유럽연합(EU)은 EU 재생에너지지침(Renewable Energy Directive 2, RED-2)을 개정하여, 2030년까지 EU 전체 에너지 소비에서 재생에너지 비중을 기존 32%에서 42.5%로 늘리는 것으로 상향 조정하였다. 재생에너지 비중에서 첨단 바이오연료와 비생물계 재생에너지를 합한 비중이 5.5%를 달성해야 한다. 석탄화력발전소를 단계적으로 폐쇄하고 있으며, 독일은 2038년까지 석탄 발전을 완전히 중단할 계획을 세웠다. EU 내에서 바이오매스는 재생 가능 에너지원으로 인정되며 여러 국가에서 바이오매스 혼소를 통해 재생에너지 목표를 달성하고 있다. 미국 일부 주에서는 바이오매스를 활용한 발전을 장려하고 있으며, 주로 산림 잔재물을 활용하고 있다. 캐나다는 2030년까지 모든 석탄화력발전소를 폐쇄하거나 다른 에너지원으로 전환할 계획을 수립하였고 풍부한 산림자원을 활용한 바이오매스 혼소를 적극적으로 장려하고 있다. 일본과 중국의 석탄화력발전소에서도 바이오매스 혼소는 활발히 추진되고 있으며, 국가 탄소배출 감소 목표를 달성하기 위한 수단으로 활용되고 있다. 유기성 폐기물 기반 고형연료 실증 연소 시험 한국건설기술연구원은 유기성 폐기물 기반 고형연료의 실증을 위해 2023년 7월 한국남동발전 삼천포발전본부와 업무협약을 체결하였다. 업무협약을 바탕으로 음식물류 폐기물 기반 소화슬러지와 산림 부산물을 혼합하여 펠릿(Pellet)을 제작하고 한국남동발전 삼천포발전본부에서 혼소 시험을 수행하였다(그림 1). 고양시 바이오매스 시설의 소화슬러지 3.5톤과 산림 부산물 7.5톤을 혼합하고, 펠릿화 한 뒤 반탄화(Torrefaction)하여 고형연료를 생산하였다. 생산한 고형 연료는 바이오 고형연료제품(Biomass-Solid Refuse Fuel, Bio-SRF)[자원재활용법 별표 7]의 발열량, 염소 등의 연료 품질 기준을 만족하였으며, 2~3 cm 크기의 펠릿으로 제작되어 연료 이송이나 보관이 용이한 장점을 보였다(그림 2). 남동발전 삼천포발전본부 540 kW급에서 전체 혼소율 2% 수준으로 2시간 동안 혼소한 결과, 발전기 출력은 시험 전과 후에 차이를 보이지 않았다. SOX와 먼지(Outlet dust)는 미세하게 감소하였고 NOX는 약소하게 증가하였으나 오차범위 수준이라 바이오매스 혼소와 석탄 전소에서 큰 차이를 보이지 않았다. 석탄 혼소에 충분한 발열량을 보였으며, 대기환 경규제기준 역시 만족하였을 뿐만 아니라 다이옥신도 검출 되지 않았다. 이를 통해 유기성폐기물 기반 고형연료의 혼소는 석탄화력발전소의 운전에 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 마치며 유기성 폐기물 기반의 고형연료는 석탄화력발전소에서 혼소 연료로 활용이 가능한 탄소중립적 대안으로서의 잠재력을 지니고 있다. 매년 발생량이 증가하는 유기성 폐기물에 대한 친환경적 처리 방법을 제시함과 동시에 자원의 효율적 이용을 통한 에너지 회수를 가능하게 하며, 발전소에서 연료 유연성을 높이는 데 기여할 수 있다. 이러한 연구와 실증은 국내외 에너지 정책과 맞물려, 지속 가능한 에너지 소비 구조로의 전환을 촉진하는 핵심 요소로 작용할 수 있다. 이를 통해 탄소중립 목표 달성에 필수적인 전략으로서 바이오매스 혼소 기술의 중요성을 더욱 강조할 수 있다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 에너지경제연구원(2023), 2023 에너지통계연보. • Verma et al., (2017) Drying of biomass for utilising in co- firing with coal and its impact on environment – A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews v. 71, pp. 732-741. 환경연구본부 게시일2024-11-22 조회수 2195
• 탄소중립 시대 자원순환 연구 개발 전략 탄소중립 시대 자원순환 연구 개발 전략 ▲ 이재엽 KICT 환경연구본부 수석연구원 들어가며 탄소중립이란 기후변화를 막기 위해 대기로 순배출하는 온실가스의 양을 ‘0’이 되도록 하는 것이며, '넷제로(Net-Zero)' 라고도 한다. 순배출은 산업활동에서 유래한 온실가스 배출량에서 인류의 노력에 의한 흡수량을 뺀 것으로, 두 양을 같게 하면 배출량이 제로(0)가 되는 셈이다. 유럽연합(EU)을 비롯한 미국, 일본 등은 2050년까지 탄소 배출량을 ‘0’으로 하겠다는 ‘2050 Net Zero’의 탄소중립 달성 목표 기후법안에 잠정 합의하였다. 탄소중립은 국가 간의 협약을 넘어 경제 제재까지 이어지고 있다. 2021년 7월 EU와 미국은 약속이나 한 듯 탄소국경세 제도를 발의하였다. 탄소국경세로 인해 자국의 기업이 철강·알루미늄·시멘트·비료·전기 등 온실가스 배출이 많은 산업에 속한 외국 기업과 무역을 할 경우, 수입량에 따라 인증서 형태의 세금이 부과된다. 과세액은 수입품의 생산과정에서 발생한 탄소배출량이 된다. 따라서 생산과정부터 탄 소배출량을 엄격하게 관리할 뿐 아니라 재활용 자원의 적극 사용을 통해 그 양을 줄여야 한다. 바이오매스 전환 기술 바이오매스는 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 흡수하기 때문에, 이를 원료로 하여 생산된 바이오연료의 연소는 배출량에 가산되지 않는다. 이에 따라 정부에서는 바이오연료의 사용을 적극 장려하고 있다. 2022년 10월 산업통상자원부는 친환경 바이오연료 확대 방안에 의해 2030년 바이오디젤 의무혼합비율 목표를 5%에서 8%로 상향하였다. 바이오디젤은 팜유, 대두유, 포도씨유 등 트리글리세라이드(Triglycerides)가 포함된 유지와 메탄올을 합성하는 에스테르 교환 반응(Transesterification)에서 얻는다. 바이오매스뿐 아니라 폐식용유, 동물성유지, 음식물폐기물의 폐유에서도 같은 방법으로 바이오디젤을 얻을 수 있다. 바이오에탄올 또한 차세대 바이오연료로 주목받고 있다. 에탄올을 그대로 사용할 수도 있지만 휘발유와 혼합하여 사용할 수 있기 때문이다. 바이오에탄올을 비교적 쉽게 얻는 방법은 식량자원을 활용하는 방법이다. 사탕수수와 옥수수 등으로부터 글루코스를 추출하고, 해당 과정(Glycolysis)을 거쳐 에탄올을 생산한다. 비식량자원인 목질계 원료로부터도 에탄올을 생산할 수 있다. 리그닌을 분리한 셀룰로스에서 가수분해와 당화 (hydrolysis and saccharification) 과정으로 글루코스를 얻는 것이다. 다만 식량자원에 비해 생산과정이 까다로워 상용화가 어렵다. 목질계 원료에서는 퓨란계 화합물인 FDCA(2,5-furandicarboxylic acid), GVL(γ-valerolactone), LA(levulinicacid) 등의 고부가가치 화합물을 추출하는 방법을 고려할 수 있다. 한편 식량자원을 바이오연료의 원료로 사용하는 방법은 인플레이션을 유발한다는 지적이 있다. 에너지용으로 전환된 식량자원으로 인해 식량의 공급량이 줄고, 연계된 식자재 비용의 증가를 초래하기 때문이다. 최근의 설탕 감축 캠페인과 그로 인한 감미료 관련 산업의 성장으로 인해 식자재 비용 증가 추세는 가속화될 수밖에 없다. 따라서 식량자원을 이용한 바이오연료 생산은 경제적인 검토가 뒷받침되어야 한다. 폐플라스틱 정책 2020년 조사 결과에서 생활계 폐비닐 재활용은 소각형이 80%인 반면, 화학적 재활용은 20%에 불과하였다. 이를 개선하기 위해 2023년부터 환경부는 열 회수와 연료 활용 중 심의 소각형 재활용을 고부가가치의 화학적 재활용(열분해) 으로 전환하고자 다음의 정책을 추진하고 있다. ① 2022년부터 폐플라스틱의 원료·연료화 기술 개발을 지원하며, 화학적 재활용 업체에 대한 지원금 단가를 상향 ② 공공열분해시설을 지속적으로 확충하며 열분해유를 활용한 플라스틱 제품도 폐기물부담금을 감면받을 수 있도록 재활용 실적 산정방법 및 감면 기준 마련 ③ PET 1만 톤/년 이상 플라스틱 생산 업체의 재생원료 사용 을 2030년까지 30%로 의무화하고, 재생원료 사용 표시제도와 공공기관의 재생원료 사용제품 구매 촉진 지침 마련 2024년에 발표한 주요업무 추진계획에서도 국가 전략산업 내 석유화학 부분을 지원하기 위해 폐플라스틱을 소각 처리하는 대신 열분해와 같은 화학적 재활용을 활성화하도록 방향을 설정하고 있다. PET의 화학적 재활용 기술과 PEF 일회용 음료병으로 많이 사용되는 PET는 회수된 병을 분쇄하여 작은 조각(Flake)으로 만들고 녹여서, 다시 음료병으로 성형하는 물리적인 방법으로 재활용된다. 그러나 재생산 과정에서 연결구조가 짧아져 품질이 저하된다는 단점이 있다. 반면 해중합(Depolymerization) 기술은 품질 저하를 막기 위해 폐PET에서 원료를 흡수하는 화학적인 재활용 방법이다. 해당 반응(Glycolysis)이나 메탄 분해(Methanolysis)로 PET의 원료인 BHET 또는 DMT를 회수한다. 롯데케미칼은 울산2공장을 기존의 PET 생산 공정을 2024년 11만 톤 규모의 화학적 재활용 방법으로 PET를 생산하는 설비로 개조할 계획을 발표했다. PEF(Polyethylene furandicarboxylate)는 PET를 대체하는 친환경 플라스틱 소재로 주목받고 있다. 석유 원료를 사용하지 않을 수 있고, 생분해성이 높다. PEF는 황산(H2SO4) 촉매 및 고온(100~250℃) 조건에서 글루코스와 같은 당으로부터 HMF, FDCA 등으로 전환하며, 에틸렌글리콜을 합성하여 생산한다. 한국화학연구원에서는 키토산을 이용하여 2,5-FDCA를 얻는 고효율 촉매를 개발하였다(ACSSustainable Chemistry&Engineering, 2019). 자원순환 연구개발 전략 바이오매스나 폐플라스틱을 보편적으로 재활용하는 방법으로는 열분해(Pyrolysis) 또는 가스화(Gasification) 기술이 있다. 무산소 조건에서 높은 열(600~850℃)을 가하여 환원시키는 기술이다. 해당 기술은 다른 재활용 공정에서 적용이 어려운 원료까지 접근이 가능하다. 그러나 열분해와 가스화는 열을 사용한 공정이기 때문에 운영이 까다롭고 에너지 소비가 많다. 에너지 관점에서는 상대적으로 열 소모가 적은 공정의 재활용 처리를 우선해야 한다. 위에서 살펴보았던 것과 같이 바이오매스와 폐플라스틱을 화학적으로 전환하는 기술은 대부분 비열처리이거나 높은 열이 필요하지 않다. 따라서 자원순환에서 연구 개발이 중점돼야 할 과정은 바이오매스와 폐플라스틱 원료의 선별 및 폐유지의 정제 등 전처리 과정에 있다. 전처리 과정은 원료의 안정적인 공급 과 불순물로 인한 운영 손실과 품질 저하를 방지하며, 재활용 공정의 종착점이라고 볼 수 있는 열분해와 가스화, 소각 등 가열 공정의 부하를 덜게 하는 방법이다. ――――――――――――――――― 참고자료 • Long, F. et al., 2021. State-of-the-art technologies for biofuel production from triglycerides: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 148. • 에너지신문(2022, 8월 23일) 롯데케미칼, 화학적 재활용 페트 (C-rPET) 시생산 돌입. https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=83626 • 환경부, 2024년 주요업무 추진계획 “민생과 함께하는 환경복지, 미래로 나아가는 녹색강국”, 2024. 01. • 환경부, 생산·소비·재활용 전 과정에 순환경제 전환 박차: 2023년 환경부 자원순환분야 업무계획 중점 추진과제, 환경부 보도자료, 2023년 1월 31일. 환경연구본부 게시일2024-05-20 조회수 1718
• 자연기반 탄소 흡수원 현황 및 확보 자연기반 탄소흡수원 현황 및 확보 ▲ 윤상린 KICT 환경연구본부 수석연구원 들어가며 기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC) 5차 보고서에 따르면기후변화에 따른 기온과 해수면 상승으로 생명과 재산 피해, 식량과 물 부족, 공공서비스 기능 상실, 생물 다양성 및자연환경 훼손 등 주요 4대 위험이 증가할 것으로 전망하였다. 이에 대하여 각 국가는 온실가스 배출 규제를 강화하였다. 세계 7위의 온실가스 배출국가인 대한민국은 수정된‘2030 국가 온실가스 감축 목표(NDC, Nationally DeterminedContribution, 2021)’를 발표하였고 산업계를 포함한 사회 전반적으로 탄소 감축을 위한 노력이 요구되는 시점이 도래하였다(Takahiko H. et. al., 2014). 전 세계적으로 이산화탄소 증가에 따른 기후변화에 대비하기 위해서 탄소저감 및 중립을 위한 많은 정책적·기술적 노력이 진행되고 있다. 2016년 파리협약에서는 120여 개 국가가 2050년까지 이산화탄소 배출량을 줄이고, 배출한 이산화탄소를 흡수해 배출량을 제로로하는 탄소중립 목표를 공유하고 이를 발효했다. 우리나라에서도 ‘2050 탄소중립 시나리오’를 발표했다. 탄소중립을 실현하기 위해서는, 온실가스의배출량을 줄이는 것이 일차적으로 중요하겠지만, 그것만큼중요한 것이 이미 배출된 온실가스를 흡수해서 탄소배출을상쇄하는 데 있다. 이에 자연기반 탄소흡수원이 중요한 역할을 한다. 자연기반 탄소흡수원 탄소는 자연상태에서 저장환경에 따라 브라운카본(화석연료기원의 온실가스), 블랙카본(불완전 연소에 의한 그을음), 그린카본(육상식물의 광합성 작용으로 저장되는 탄소), 블루카본(해양 및 연안의 식물에 의해서 격리 및 저장되는 탄소)으로 분류되고 있다. 여기서 그린카본(Green carbon)과 블루카본(Blue carbon)이 대표적인 탄소흡수원의 의미를 갖는다.육상의 산림에서 흡수하는 탄소인 그린카본은 식물의 생체량이나 삼림, 열대 및 아열대 지역의 대규모 경작지(플랜테이션), 농경지, 목축지 등의 토양에 저장된 육상의 탄소를 의미한다. 산림환경은 지구 전체 광합성량의 약 75%를 차지하고 육상생태계에서 고정하는 탄소량의 80%와 토양에서 고정하는 탄소량의 40%가 산림생태계에서 고정되고 있으며대기와의 탄소 교환량이 매우 크고 기후변화 및 지구 탄소순환에 민감하게 작용한다(윤영한 등, 2022). 연안 또는 연안 습지에 분포하는 식물과 퇴적물을 포함하는 생태계가 격리 및 저장하고 있는 탄소를 블루카본이라고 한다. 연안지역은 강이나 호수, 바다를 따라 잇닿아 있는육지로 우리나라의 대표적인 블루카본 흡수원으로는 갯벌이 이에 속한다. 연안습지의 식물과 퇴적물에는 어패류, 잘피(seagrass), 염생식물 등 바닷가에 서식하는 해양생물과 맹그로브숲, 염습지와 잘피림 등이 포함된다. 이러한 요소들은모두 지속적으로 대기 중 이산화탄소를 흡수하여 저장하는역할을 한다. UN의 ‘블루카본-건강한 해양의 탄소 포집 역할’ 보고서에 따르면 연안 지역은 탄소 흡수 속도가 육상 생태계보다 최대 50배 이상 빠르고 수천 년 동안 탄소를 저장할 수 있어 지구온난화가 심각한 문제로 떠오른 현재, 크게주목받고 있다(UN, 2009). 국내 탄소흡수원의 여건과 전망 그린카본의 대부분은 산림환경에 의해 탄소흡수가 이루어진다. 국내 산림의 이산화탄소 순흡수량은 약 4,050만 톤(’20년)으로 국가 배출량(656백만 톤)의 6.2%가 상쇄되는 것으로 조사되고 있다. 그러나 2008년 이후부터는 감소 추세의 경향을 나타내고 있다(그림 1). 이는 31~50년생 숲이 전체산림의 2/3를 차지하는 불균형한 나이 분포와 산불, 산사태, 병충해 등 산림재해가 대형화·빈번화되고 있어 탄소흡수량은 감소하고 있다.우리나라의 대표적인 블루카본 흡수원은 연안 지역의 갯벌이대표적이다. 우리나라 갯벌의 총 면적은 국토 대비 2.5%를 차지하며, 그 넓이가 무려 2,482 ㎢에 달한다. 우리나라의 갯벌은 약 1,300만 톤의 탄소를 저장하고 있으며, 연간 최소 26만톤에서 최대 49만 톤의 탄소를 흡수하는 것으로 보고되고 있다(Jong Seong Khim et. al., 2021). 이는 자동차 20만 대가 내뿜는 양에 해당하며 최대치 기준으로 30년 된 소나무 약 7,340만 그루가 한 해 동안 흡수하는 이산화탄소와 비슷한 양으로 보고되고 있다. 그러나 갯벌이 간척 사업, 개발 등의 이유로점점 소실되거나 오염되고 있으며 2018년에 조사한 갯벌 면적(2,482 ㎢)은 1987년에 비해 약 20% 정도 줄어들고 있다(그림 2). 육상/연안 연계형 탄소흡수원 확보 습지는 지역적으로 육상 및 연안 지역에 존재하는 탄소흡수원으로 지구 지표면의 약 6%를 차지하고 있다. 습지는 밀물 때 잠기고 썰물 때 드러나는 연안습지(갯벌 포함)와 하천, 호수, 산지 등에 발달한 내륙습지 그리고 인공적으로 만든인공습지로 분류할 수 있다.습지 환경은 수초류, 어류, 조류, 육상동물 등 다양한 생명체들이 생태계를 이루고 서식 환경을 제공해 생태계적 가치를가지고 있다. 그리고 다양한 미생물들로 탄소흡수를 위한 식물의 식생에 큰 영향을 미친다.일반적으로 식물이 생명을 다하면 육상에서는 미생물에 의해 분해돼 다시 이용 가능한 물질순환으로 이어지지만, 습지에서는 분해가 잘되지 않아 퇴적물(이탄, 泥炭)로 남게 된다. 이탄층에서는 분해속도가 늦어 다량의 탄소를 저장할 수있어 탄소흡수량은 숲에 비해 약 50배가 뛰어나다고 알려져있다(이재원, 2021). 습지는 지역/지형학적인 관점에서 볼 때 탄소흡수원으로 매력적이다. 먼저 물과 육지가 만나는 지점에 위치해 다양한생물종의 서식처가 되고, 육지로부터 퇴적물을 공급받기 좋으며 육지의 홍수 등 재난의 파괴력을 순화함과 동시에 연안지역의 침식 방지에 효과가 있다. 또한 습지 지역 일대의 관점에서 볼 때도 온도와 습도 등 국지적인 기후 조절 기능으로 기후변화 완화효과가 있다.이런 이점에 있어 습지는 탄소흡수원으로 매력적이다. 또한육상과 연안의 탄소흡수원을 연결하는 생태축 역할로 기존탄소흡수원 감소에 대한 완화 효과를 기대할 수 있다. 맺음말 탄소중립 실현은 미래세대에게 대한 현재를 살아가는 모든인류의 과제이다. 이에 우리는 급격하게 파괴되어 가는 탄소흡수원의 생태학적 복원 및 신규 탄소흡수원 확충을 통해 탄소 중립 실현의 기반을 만들어 가야 할 것이다. ――――――――――――――――― 참고자료 • Takahiko H., Thelma K., Kiyoto T., Nalin S., Baasansuren J.,Maya F., and Tiffany T. (2014) 2013 Supplement to the 2006IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories:Wetlands, IPCC Publishing, Switzerland. • 윤영한, 윤상린(2022) 하천습지의 탄소흡수원 조사를 위한 산업용 드론기반의 지형조사 방법론 연구. • UN(2009) 블루카본-건강한 해양의 탄소 포집 역할. • 산림청(2023) 제3차 탄소흡수원 증진 종합계획 (2023~2027). • Jong Seong Khim et al. (2021). The first national scaleevaluation of organic carbon stocks and sequestration ratesof coastal sediments along the West Sea, South Sea, andEast Sea of South Korea, Science of The Total Environment. • Jongseo Yim. et al. (2018) Analysis of forty years long changesin coastal land use and land cover of the Yellow Sea: Thegains or losses in ecosystem services. • 이재원(2021) 탄소중립 실현, 그리고 습지의 역할과 중요성. 환경연구본부 게시일2024-03-22 조회수 4167
• 미세먼지 걱정 없어요! 안전하고 조용한 교실 실내 환경 구축 미세먼지 걱정 없어요! 안전하고 조용한 교실 실내 환경 구축 - 교실 실내 소음을 해결한 중앙공급 냉난방·청정·환기장치 개발 - 세계 최초 식물 토양 정화장치 및 실내 기류제어 기술 등을 수덕초에 적용 한국건설기술연구원(이하 KICT)은 학생들을 위한 미세먼지로부터 안전하고 조용한 교실 환경 유지 관리 시스템을 개발했다. 개발된 시스템은 안전하고 청정한 공기를 교실에 공급할 수 있으며, 동시에 공기 조화기 소음을 최소화하여 40 dB이하로 상시 유지할 수 있다. 세계보건기구(이하 WHO)에서는 2013년 미세먼지를 1군발암물질로 분류하였다, 미세먼지는 학생들의 몸에서 염증반응을 일으켜 천식, 호흡기, 심혈관계 질환 등을 유발할 수 있다. 또한, 질병관리본부에 따르면 미세먼지 입자크기가 2.5 ㎍/㎥ 이하인 초미세먼지(PM2.5)는 농도가 10㎍/㎥ 증가할 때마다 폐암 발생률이 9% 증가한다.이에 교육부는 2018년 4월에 학교 고농도 미세먼지 대책을 발표한 바 있다. 학교에 초미세먼지 기준을 신설하였고(직경 2.5 μm 이하 먼지 24시간 평균 35 ㎍/㎥이하), 2021년까지 전국 모든 학교에 공기 정화 장치를설치하였다. 그러나 초미세먼지 농도는 활동이 많은 학생들에게는 최대한 줄이는 것이 필요하며, WHO에서는24시간 평균 15 ㎍/㎥로 2021년에 강화된 권고기준을 제시하고 있다. 일반적인 교실에는 미세먼지 저감을 위한 공기청정기를비롯하여 별도의 냉난방기가 각각 설치되어 있다. KICT환경연구본부 연구팀은 공기 청정, 냉난방 및 환기 기능을 모두 수행할 수 있는 고성능 공기 조화기와 기류 제어 시스템을 개발했다. 개발된 공기 조화기는 산화아연코팅을 통한 항균·항바이러스 필터를 포함하고 있어, 교실에 살균된 안전한 공기를 공급할 수 있다. 또한, 개발된 기류 제어 시스템은 교실로 공급되는 청정 공기를실내에 균일하게 분포시킬 수 있도록 환기 디퓨저(배기구)의 위치를 최적 설계하였다. 낮은 에너지를 사용하면서 교실 내부의 미세먼지를 상시로 저감할 수 있는 식물 토양 정화 장치 또한 포함하고 있다. 식물 토양 정화 장치는 식물의 잎뿐만 아니라 토양 자체도 미세먼지를 제거하는 필터로 이용된다. 특히 토양층사이로 실내 공기를 통과시켜 미세먼지를 고성능으로 포집하는 방식은 세계 최초로 시도되었다. 토양층을 공기 정화 필터로 사용하면, 약 40%의 탁월한 미세먼지 정화 효과를 나타낸다. 건조한 겨울철에는 토양의 수분 함수량 덕분에 쾌적한 실내 습도도 유지할 수 있다. 식물 토양 정화필터를 학교 중앙공급 방식의 냉난방, 청정 공기정화 및환기장치 시스템 일체에 적용한 것은 세계 최초다.KICT 연구팀은 개발된 기술의 성능평가를 위해 2개 교실과 복도를 포함한 학교 실 환경 실증 테스트 베드를 구축하여 약 2년간 성능평가를 진행했다. 공기 조화기 및 기류 제어 시스템 적용 후 미세먼지가 얼마나 감소하였는지 측정했다. 기존 방식인 환기 디퓨저 위치가 교실 천장 상부에 설치되는 경우, 미세먼지 농도 개선을 위해20분이 필요했다. 기류개선 연구를 통하여 교실 복도 측면 바닥에 환기 디퓨저를 설치하였으며, 13분 만에 초미세먼지 나쁨(65 ㎍/㎥)에서 좋음(15 ㎍/㎥)의 상태로 변화하는 것을 확인하였다. 기존 교실에는 공기청정기 등에서 평균 55 dB 이상의높은 소음이 발생한다. KICT는 조용한 학습 환경을 유지하기 위해 소음저감 기술을 개발하였고, 실내 소음을40 dB 이하로 유지할 수 있었다.이에 테스트 베드를 통하여 개발 성능이 확인된 시작품을 충남 예산군 소재의 수덕초등학교 2개 교실에 적용하였다. 개발된 중앙공급 방식의 시스템은 초등학교 외에도 다중이용시설, 사무실 등 공기 정화 장치를 사용하는다양한 시설에도 활용될 수 있다.본개발 성과는 국제학술지인 A t m o s p h e r i cEnvironment(2022년), International Journal ofEnvironmental Research and Public Health(2022년)등에 게재되었다. 또한, 본 연구는 과학기술정보통신부및 교육부의 국가연구개발사업(’19년~’24년)의 예산을지원받아 수행 중이다. 환경연구본부 게시일2024-02-22 조회수 634
• 나노소재를 이용한 수소가스 저장 기술 나노소재를 이용한 수소가스 저장 기술 ▲ 백소영 KICT 환경연구본부 수석연구원 들어가며 수소를 저장 및 운송하는 방법은 몇 가지가 있는데, 대표적으로 ①기체 상태의 수소를 약 700 bar로 압축해 고압가스로 저장하는 방법, ②-253℃로 냉각해 액화상태로 저장하는방법, ③고체 금속상에 화학적으로 흡수시키는 방법, ④암모니아 또는 액상유기화합물(LOHC, Liquid Organic HydrogenCarrier)로 저장하는 방법이 있다. 첫 번째 방법은 고압가스의 수용성과 함께 큰 저장탱크가 필요하며, 수소가스의 부피가 크기 때문에 높은 압축에너지가 필요하다. 두 번째 방법은 극저온 액체이기 때문에 많은 금전적 투자가 필요하고, 리필 과정에서 보일오프(boil-off) 등 다양한 손실 발생 과정이 항상 존재한다. 현시점에서 수소를 이용할 때 가장 큰문제는 수소의 저장과 운송 문제이다. 고압으로 압축한 기체수소는 폭발위험성과 함께 저장 및 운반에 각별한 주의가 요구되며, 수소는 560℃ 이상의 열이 공급되었을 때 자연적으로 폭발하기 때문에 위험에 대한 관리가 중요하다. 또한 비용적으로 보면 천연가스 개질을 통한 수소의 생산원가는 kg당 2,500원 정도인데 수송과 저장에 드는 비용은 kg당5,000원으로 2배 이상 높다. 따라서 최근에는 수소 저장 및운송의 경제성과 안전성 측면으로 인해 재료/합금에 대한흡착 또는 흡수를 통한 소재 내 가스 저장을 향한 관심이 증가하고 있다. 기존 가스 저장 방법 수소를 저장 및 운송하는 방법은 몇 가지가 있는데, 대표적 으로 ①기체 상태의 수소를 약 700 bar로 압축해 고압가스 로 저장하는 방법, ②-253℃로 냉각해 액화상태로 저장하는 방법, ③고체 금속상에 화학적으로 흡수시키는 방법, ④암모 니아 또는 액상유기화합물(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)로 저장하는 방법이 있다. 첫 번째 방법은 고압가스 의 수용성과 함께 큰 저장탱크가 필요하며, 수소가스의 부 피가 크기 때문에 높은 압축에너지가 필요하다. 두 번째 하나 이다. 인구의 증가와 생활양식의 변화로 인해 세계적으로 에 너지 수요가 증가하고 있으나, 한정된 자연 자원이 급속하 게 고갈되고 있는 동시에 지구온난화 등 환경 문제가 심각해 져 에너지 위기가 가속화되고 있다. 실제로 전 세계 화석연 료 비중은 82%이며, IEA(국제에너지기구)는 향후 10년 이내 에 화석연료 사용량이 정점에 도달하고 신재생에너지 역할 이 커질 것으로 전망하였다. 이러한 상황에서 수소는 에너지 요구를 충족시키기 위한 수단으로 대두되고 있다. 수소를 태워서 에너지를 발생하게 될 때 가솔린의 세 배에 달하는 열량을 방출할 수 있으며 연료 전지 방법을 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 만약 재생 가능한 에너지원인 수력, 태양, 풍력과 같은 자원을 활용하여 수소를 생산할 수 있게 된다면, 수소는 재생 연료로도 사용될 수 있다. 또한, 수소는 환경적으로도 이산화탄소 배출이 없어 현재의 화석연료나 원자력과는 비교할 수 없는 장점이 있기 때문에, 수소에너지 는 미래의 궁극적인 대체 에너지원 또는 에너지 운반체로 간 주하고 있다. 소재 내 가스 저장 방법 수소를 소재 내에 저장하는 방법은 크게 물리적 흡착 (Physisorption)과 화학적 흡수(Chemisorption)로 구분되어 결 합할 수 있다. 우선 화학적 흡수 방법 중 금속수소화물은 고 체를 금속상에 화학적으로 흡수시키는 방법으로 금속 원자 사이사이에 수소를 이온화하여 저장하게 된다. 이러한 금속 수소화물 중에서 가장 잘 알려진 유형은 표 1과 그림 1에 표 시된 AB5, AB2, A2B 및 AB 타입이며 압축가스 및 극저온 액 화 수소 저장 방법에 비해 높은 부피 밀도로 저장할 수 있다. 수소를 소재 내에 저장할 수 있는 또 다른 방법은 활성탄, 흑 연, CNT(탄소 나노튜브)와 같은 다양한 탄소 물질을 통해 저 장하는 물리적 흡착 방법이다. 위와 같은 탄소 소재들은 높 은 비표면적과 밀도가 낮은 다공성 미세 구조로 인해 높은수소 저장량을 갖는다(표 1, 그림 1). 물리적 흡착과 화학적 흡수 방법을 에너지 측면에서 비교해 보면, 화학적 흡수의 경우 수소와 저장물질의 결합에너지 는 100 kJ/mol 이상인 반면, 물리적 흡착의 경우 에너지는 10 kJ/mol 혹은 그 이하의 값을 갖는다. 다시 말하면, 화학적 흡수 방법은 수소와 금속 간의 결합력이 높기 때문에 650℃ 이상의 고온을 사용해야 수소를 탈착하여 이용할 수 있고, 반대로 물리적 흡착은 수소와 고체 표면이 물리적인 힘, 즉 반데르발스 힘에 의해서 흡착이 되어있기 때문에 수소를 탈 착하는 데 높은 온도와 많은 에너지가 필요하지 않다. 물리적 결합은 흡/탈착 속도가 빠르게 되어 수소의 저장 과 탈착을 신속하게 할 수 있다는 장점이 있으며, 이 때문 에 화학적 결합에 비해 물리적 결합을 가지는 수소저장이 저장 및 활용에 에너지 측면에서 많은 장점을 갖게 된다. 또 한 화학적 결합 중 높은 엔탈피가 방출되는데 이는 소재의온도를 상승시켜 수소의 효율적인 방출을 방해하여 수소저장의 가역성을 방해할 수 있다. 다공성 나노소재 내 수소저장 물리적 흡착 방법을 이용한 소재 내 수소 저장에 있어 가장 큰 핵심은 비표면적이 얼마나 넓으냐 하는 것이다. 물리적 결합 을 하는 대표적인 소재는 활성탄, 탄소 나노튜브, 활성 탄소 섬 유, 탄소 나노섬유와 같은 다양한 탄소 나노구조물질이 있으 며 수소 흡착량은 소재의 기공 크기에 따라 달라진다. 나노소 재의 기공은 마이크로(micro, <2 nm), 메소(meso, 2~50 nm), 매 크로(macro, >50 nm) 기공으로 나누어지며 물리흡착 기반의 수소저장량은 일반적으로 미세한 기공 구조나 표면에 수소 분 자가 흡착되는 과정을 말한다. 문헌에 따르면 0.6~0.7 nm 크 기의 마이크로 미세 기공을 가지고 있는 재료가 수소 분자를 높은 비율로 흡착하는 것으로 알려져 있다. 이는 흡착재료의 메시 구조나 표면 특성에 기인한 것으로 수 소 분자가 물질 표면에 흡착하고 상호 작용하여 저장되게 된다. 또한 흡착소재의 수소 저장량은 미세기공의 비표면적 (SSA, Specific Surface Area)에 따라 결정된다고 알려져 있 다. 탄소 물질과 수소 사이의 결합은 비교적 약하며, 흡착 에 너지가 낮기 때문에 나노튜브와 같은 좁은 틈새 채널에 수소 가 흡착될 가능성은 배제된다. 즉, 소재의 표면적이 높을수 록 수소 저장 용량이 높아진다는 것을 의미한다. 많은 문헌 에서 수소 흡착은 작동 온도 및 탄소 재료 유형에 관계없이 소재의 비표면적(SSA)에 선형적으로 의존한다고 결론지었 으며, 다공성 탄소소재의 기공크기를 조절한 후 높은 압력조 건에서 수소를 저장할 경우 미국 에너지부(DOE)의 수소저장 목표를 달성할 수 있는 것으로 보고되었다. 맺음말 수소는 앞으로 어떠한 방법으로든 활용될 것이라고 누구나 예상하며, 특히 수소 저장 소재는 미래의 깨끗한 에너지 공 급과 탄소 중립을 위한 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 향후 소재 제조 연구에서는 친환경적이며 탄소발자국 을 줄이는 방법으로 바이오매스를 활용하여 소재를 제조하 는 연구가 활발해질 것이며, 현실에 더욱 적합한 결과를 도 출할 수 있는 연구가 지속해서 진행될 것이다. 그뿐만 아니 라 수소 저장 소재의 생산 및 제조 비용을 줄이는 경제성 개 선과 같은 지속적인 연구와 혁신을 통해 더 효율적이고 경제 적인 솔루션을 개발하는 노력이 계속되어야 할 것이다. ――――――――――――――――― 참고자료 • Mohan, M., Sharma, V. K., Kumar, E. A., & Gayathri, V. (2019). Hydrogen storage in carbon materials—A review. Energy Storage, 1(2), e35. • Prabhukhot Prachi, R., Wagh Mahesh, M., & Gangal Aneesh, C. (2016). A review on solid state hydrogen storage material. Adv. Energy Power, 4(11). 환경연구본부 게시일2023-12-18 조회수 3370
• 지속가능한 도시 조성을 위한 물순환 관리 방향 지속가능한 도시 조성을 위한 물순환 관리 방향 ▲ 박윤경 KICT 환경연구본부 수석연구원 기후변화로 인한 도시 물순환 문제 심화 홍수, 가뭄과 같은 물순환 문제는 예전부터 발생하고 있지만, 최근에는 규모가 커지고 빈도가 증가하고 있다. 2022년 한 해 동안 세계 곳곳에서는 홍수와 가뭄으로 인한 피해가 증가하였다. 유럽 전역과 미국 서부에서는 폭염과 가뭄이 일어났지만, 파키스탄에서는 같은 해 6월에 시작된 장마로 국토의 3분의 1이 물에 잠겼으며, 약 3,300만 명이 넘는 이재민이 발생하였다. 호주 뉴사우스웨일스주 역시 호우로 인해 도로와 집이 침수되어 수만 명에 달하는 이재민이 발생한 것으로 조사되었다. 우리나라 역시 기후변화로 인해 홍수 및 가뭄피해가 심화되고 있다. 서울을 비롯한 중부지방에는 기록적인 강우로 인해 침수 피해가 발생하였으며, 호남권에서는 가뭄으로 인해 물 부족 문제가 발생하여 제한 급수를 실시하고 가뭄피해를 최소화하기 위한 다양한 노력을 추진하였다. 이처럼 기후변화로 도심지에 다양한 물순환 문제가 발생함에 따라 사람들의 관심이 꾸준히 증가하고 있다. 네이버 검색 트렌드에 따르면 기후변화에 대한 키워드가 꾸준히 검색되었으며, 2019년 말 이후부터는 ‘기후위기’라는 키워드가 등장하여 최근에는 ‘기후변화’와 검색량이 비슷한 수준으로 증가한 것을 알 수 있다(그림 1). 많은 사람이 기후위기에 관심을 가지는 만큼 이에 대응하기 위한 다양한 노력과 연구들이 수행되고 있다. 지속가능한 도시 조성을 위한 물순환 관리 방향 기후위기로 인한 물순환 문제가 심화되기 이전에는 도시화로 인해 교란된 도시 물순환 문제를 해결하기 위한 정책과 연구들이 수행되고 있다. 도시화로 인해 불투수율이 높아지면서 빗물이 토양으로 침투되거나 저류되는 것을 막아 강우유출수 양이 증가하고 하수도 및 하수처리의 부하 증가, 비점오염물질의 하천 유입이 증가하는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해서 저영향개발(Low Impact Development, LID) 기술이 적용될 수 있다. LID 요소기술은 도시화 이전의 물순환 상태로 최대한 가깝게 만들기 위한 것으로서 옥상녹화, 식생체류지, 식생수로, 나무여과상자, 투수성포장, 침투통, 침투측구 등의 기술이 도시 곳곳에 적용된다(그림 2).도시화로 인한 영향을 포함하여 기후위기 속에서 지속가능한 도시 조성을 위해서는 자연기반해법(Natural-based Solution, NbS)의 개념에서 도시 물순환 관리를 수행할 필요가 있다. NbS는 생태계를 보호하고 지속가능하게 관리 및 복원을 통해 기후변화, 식량, 물 재해위험, 건강, 생물다양성 등 사회문제를 효과적으로 해결하고자 하는 개념으로서 구조적, 비구조적 대책이 모두 적용될 수 있다. 도시 물순환 관리 측면에서 NbS는 강우유출지점에서 적극적인 저류·관리 및 용도에 적합하게 이용할 수 있는 기술이 적용되는 것을 고려할 수 있다. 앞서 도시화의 영향을 최소화하기 위해 적용되는 LID 기술을 포함하여 도시계획단계에서 배수시스템과 직접적으로 연결된 불투수 면적을 최소화하고, 강우유출수를 분산 배수시킬 수 있도록 하는 방안 등이 포함될 수 있다. 기후위기로 인해 발생하는 도시 물순환 문제, 특히나 홍수, 가뭄에 대응하기 위한 방안을 NbS 관점에서도 탐색할 필요가 있다. 인구가 과밀화된 대도시에는 물순환 관리를 위한 새로운 공간을 확보하는 것이 사실상 불가능에 가깝다. 따라서 기존에 구성된 도시 인프라를 활용할 수 있는 비구조적 방안 마련이 필요하다. 또한 기후위기로 인해 발생하는 물순환 문제는 특정 재해 하나로 발생하는 것이 아니라 동시 복합적으로 발생하기 때문에 유기적인 관점에서 방안 마련을 탐색할 필요가 있다. 홍수에 대응하기 위해서는 갑자기 불어난 빗물을 저류할 수 있는 공간을 마련하는 것이, 가뭄의 대응 방안으로는 수돗물을 대신할 수 있는 수자원의 확보가 중요하다. 즉, 빗물을 저류할 수 있는 공간 확보를 비롯하여 빗물이 토양으로 침투 및 저류할 수 있는 방안을 적용하여 홍수에 대비하고, 저류된 물을 다양한 곳에서 활용할 수 있는 방안을 통해 가뭄에 대비할 수 있다. 기존 도시 인프라를 활용한 도시 물순환 관리 도시 내에서 빗물을 저류할 수 있는 공간으로는 빗물이용시설, 하수저류시설, 비점오염저감시설, 우수유출저감시설이 존재한다. 해당 시설들은 설치 목적이 서로 다르나 빗물을 일시 저류한 뒤 방류하는 시설들이다. 해당 시설로 유입되는 빗물의 양을 산정하고, 이를 얼마나 활용할 수 있는지 이용률을 적용한다면 개략적인 빗물 이용잠재량을 확인할 수 있다. 이를 위해 서울 기상관측지점의 최근 10년 일 강우자료(2012~2021)를 활용하여 전국에 위치한 빗물이용시설, 하수저류시설, 우수유출저감시설, 비점오염저감시설 1,416개를 대상으로 빗물 이용잠재량을 확인하였다. 이 때, 저류조를 활용할 수 있는 기간은 홍수기(6월 21일~9월 20일)와 동절기(12월~2월)를 제외한 나머지 기간으로 일 년에 173일을 사용할 수 있는 것으로 가정하였다(그림 3). 빗물이용잠재량 분석 결과, 빗물저류시설 1,416개에 유입된 빗물을 전량(이용률 100%)을 활용한다면 연간 약 1억 8천만㎥ 용수를 확보할 수 있는 것으로 산정되었다(표 1). 이는 2020년 서울시 6개 자치구(종로구, 중구, 용산구, 성동구, 광진구, 동대문구)의 연간 상수도 사용량과 비슷한 양이다. 그러나 빗물저류시설로 유입되는 빗물을 전량 이용하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에 현실적이고 정확한 이용량을 파악하기 위해서는 저류된 빗물을 활용하고자 하는 수요처 및 강우-유출-필요수량- 이용가능량을 연계한 물수지 분석의 수행이 필요하다. 뿐만아니라 도시 내 빗물저류시설을 다목적으로 활용하기 위해서는 제도적 정비도 함께 이루어져야 할 것이다. 실제로 빗물이용시설 이외에 나머지 시설의 설치 목적은 치수 또는 수질관리를 목적이기 때문에 기존의 운영관리로는 시설을 다목적으로 활용하는 것이 적절치 않다. 치수 목적으로 하수저류시설을 운영할 때, 평상시에는 5시간 이내에 저류조를 비워야 하며 홍수기에는 1시간 이내에 저류조를 완전히 비우는 것을 하수저류시설 설치 및 운영관리 매뉴얼에서 명시하고 있다. 우수유출저감시설은 과거의 설계 빈도 이하 또는 하천의 계획빈도에 따라서 방류규모를 결정하며, 비점오염저감시설은 발생 강우 1일에서 3일 후에 강제적으로 저류된 빗물을 배수하는 것으로 시설을 운영하고 있다. 따라서 기존에 시설이 목적하는 바를 훼손하지 않고 저류조를 이용할 수 있는 방안에 대한 검토도 함께 수행되어야 할 것이다. 도시 내 위치한 빗물저류시설은 기후위기에 대응하기 위한 잠재성을 충분히 가지고 있으나, 이를 현실적으로 활용하기 위해서는 강우 유출-이용량을 연계한 분석, 수질 분석, 제도 정비 등의 추가적인 노력이 필요하다. 그러나 기후위기에 대응하고 지속가능한 사회를 만들기 위해서는 NbS 개념에서의 도시 물순환 관리가 반드시 이루어져야 할 것이다. 참고자료 환경부 (2013) 하수저류시설 설치 및 운영관리 매뉴얼 행정안전부 (2018) 우수유출저감시설의 종류·구조·설치 및 유지관리 기준 환경부 (2020) 비점오염저감시설의 설치 및 관리·운영 매뉴얼 환경연구본부 게시일2023-08-25 조회수 2447

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