고려대세종 연구진, 하수도에서 ‘탈탄소 길’ 찾는다
고려대세종 연구진, 하수도에서 ‘탈탄소 길’ 찾는다
  • 신상두 기자
  • 승인 2021.07.30 14:56
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김성표 교수팀, ‘NH3→수소·전기’시스템 개발 나서

‘제거 대상’하수 암모니아, 고효율 에너지로

수요 맞춤형 에너지 공급

공공하수시설 에너지 운용 고도화

질소기반 자원순환 모델 구축

저탄소사회 전환 주도 기대감

고려대세종 공동연구진이 하·폐수 속 암모니아를 수소·전기 등 고효율 에너지로 전환하는 시스템 개발에 나서 관심이 쏠리고 있다.(굿모닝충청=세종 신상두 기자)
고려대세종 공동연구진이 하·폐수 속 암모니아를 수소·전기 등 고효율 에너지로 전환하는 시스템 개발에 나서 관심이 쏠리고 있다.(굿모닝충청=세종 신상두 기자)
김성표 교수(사진, 고려대세종 환경시스템공학과)공동연구진이 하·폐수 속 암모니아를 수소·전기 등 고효율 에너지로 전환하는 시스템 개발에 나서 관심이 쏠리고 있다.(굿모닝충청=세종 신상두 기자)
김성표 교수(사진, 고려대세종 환경시스템공학과)공동연구진이 하·폐수 속 암모니아를 수소·전기 등 고효율 에너지로 전환하는 시스템 개발에 나서 관심이 쏠리고 있다.(굿모닝충청=세종 신상두 기자)

[굿모닝충청=세종 신상두 기자] 고려대세종 연구팀이 하·폐수 속 암모니아를 수소·전기 등 고효율 에너지로 전환하는 시스템 개발에 나서 관심이 쏠리고 있다.

특히, 질소기반 자원순환 모델이어서 기후변화 시대에 절실한 ‘탈탄소’를 촉진할 것으로 기대된다.

김성표 교수(환경시스템공학과)공동연구진은 최근 ‘환경기초시설기반 기술혁신형 암모니아-무탄소 재생에너지 연구실’로 ‘2021 기초연구실지원사업’(한국연구재단 주관)에 선정됐다.

연구진은 향후 3년간 ▲기능성 분리막을 활용한 암모니아 회수 기술 개발 ▲전기투석 기반 저에너지 암모니아 분리농축기술 개발 ▲암모니아 기반 선택적 에너지(수소, 전기)생산기술 개발 ▲질소기반 공공하수처리시설 에너지 선진화 플랫폼 구축 등의 과제를 수행하게 된다.

이를 통해 공공하수처리시설 공정수로부터 암모니아를 회수하고 분리·농축해 전기·수소를 선택적으로 생산하는 시스템을 구축할 예정이다.

김교수 팀의 아이디어가 주목받는 이유는 발상의 전환 때문이다. 그 동안 악취 주범으로 ‘제거 대상’이었던 하수 암모니아(NH3)를 ‘유용한 자원’으로 설정해 활용하는 ‘신선함’이 돋보인다.

이와 관련, 공동연구팀의 한창석 교수(인하대 환경공학과)는 “그동안 대부분의 수소 생산 연구가 물분해 중심으로 이루어졌고, 환경쪽에서는 메탄을 중심으로 이루어졌다. 암모니아로 옮겨 가는데는 생각의 전환이 많이 필요했기 때문에 이런 접근법을 고안하지 않았던 측면이 있었다”며 “하수가 돈이 되는 시대가 오거나, 발전소와 별도로 에너지를 생산하는 하수처리장이 될 수도 있다고 생각한다”고 설명했다.

암모니아는 주로 비료로 이용된다. 하지만, 토양 내 생물 종 다양성을 감소시키고 수계의 부영양화를 유발하는 악영향을 미치기도 한다.

또, 미세먼지 유발과 질소계 온실가스 배출 등 대기질 악화에 관여하는 물질로 알려져 있다.

이 때문에 지금까지는 물속 암모니아를 오염물질로 인식해 하수처리시설 등을 통해 줄이는 노력을 이어왔다.

그러나 암모니아를 제거하는 과정에서 전기에너지 등이 투입된다는 점은 더 큰 문제로 지적돼 왔다.

김성표 교수 연구팀이 확보한 환경부 자료에 따르면, 2016년 하루 처리용량 500 m3 이상의 국내 633개 공공하수처리시설에서 소비된 전력사용량은 약 3.2 TWh로 이는 기준년도 산업용 전력사용량의 1%에 해당한다.

이 가운데 절반 이상이 생물공정 내 미생물 활성을 유지해 고효율 질산화(암모니아를 질산이온으로 전환)를 달성하기 위한 외기 공급에 사용됐다.

더욱이, 하수 슬러지의 농축·소화·탈수 과정에서 파생되는 반류수는 하수유입량 대비 1~3%의 적은 유량임에도, 암모니아성 질소가 하수처리장 질소유입 질량부하의 최대 50%나 되는 것으로 알려졌다.

따라서 다수의 처리장이 본류 하수처리공정 합류 이전에 별도의 에너지 투입을 통한 질소처리를 진행하고 있다.

고효율 에너지로 환원할수 있는 양질의 원재료(암모니아)를 산화시키기 위해 막대한 양의 화석에너지가 소비되는 아이러니가 벌어지는 셈이다.

이 같은 상황에서 연구팀은 하수처리시설 공정수로부터 암모니아를 회수한 뒤, 분리·농축해 연료전지 등에 공급하는 시스템을 고안중이다.

이를 통해 탄소제로 에너지 기술 확보는 물론, 환경기초시설의 에너지 선진화 플랫폼도 마련한다는 구상이다.

김성표 교수는 “암모니아를 수소나 전기로 선택 생산하는 것이 가능해지면 수요자 맞춤형 에너지공급 뿐만 아니라, 환경기초시설 산업의 패러다임을 바꿀 수도 있다”며 파급효과를 예측하고 “국내 10만 톤 이상의 하수처리장에 (연구성과가)적용될 경우 연간 30여만 톤의 탄소 저감효과도 기대된다”고 말했다.

아울러, 기술구현 가능성에 대해 공동연구위원인 김영진 교수(고려대세종, 환경공학과)는 “암모니아를 얼마나 경제적으로 회수할 수 있는지가 관건인데, 기술적으로 봤을 때 효율 향상에는 큰 문제가 없을 것으로 생각한다”고 전했다.

그는 (연구성과를)하수처리장 뿐만 아니라 고농도 암모니아가 발생되는 축산폐수에도 적용할 수 있을 것으로 보고, 축산업의 지속가능성 향상에 도움이 될 것으로 전망했다.

한편, 암모니아를 수소나 전기로 전환하는 것은 큰 장점을 갖는다. 암모니아는 액화수소에 비해 상대적으로 높은 에너지밀도를 갖고 있기 때문에 운송·저장 이 안전하고 용이하다.

그린암모니아 전환비용을 현실화할 경우, 탄소제로 에너지의 저장·보급 능력을 크게 향상시켜 수소경제 개념의 도래를 앞당길 수도 있다.


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