2022.10.31 (월)

FOCUS

지구촌 골칫거리 해양쓰레기, 수소선박이 해결한다

국내외 해양쓰레기 급증, 80% 정도가 ‘플라스틱’
정부, 2,500톤급 해양쓰레기 수거‧처리 선박 개발・실증 착수
LNG-수소 연료 기반 친환경 하이브리드 선박 건조
LNG 냉열 이용해 선상서 해양쓰레기 동결 분쇄
플라즈마 가스화 통해 합성가스서 수소생산・활용

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[월간수소경제 이종수 기자] 최근 TV를 보면 해양쓰레기의 심각성을 알리고, 이런 쓰레기를 줄이는 데 함께 노력하자는 내용의 캠페인 광고가 나오고 있다. 전 세계 해양쓰레기의 80%로 추정되는 플라스틱은 해양생물의 생명을 위협하고 있고, 특히 미세 플라스틱은 인간에게도 잠재적인 위험요소가 될 수 있다는 우려를 낳고 있다. 미세 플라스틱은 의도적으로 제조되었거나 기존 제품이 조각나서 미세화(1㎛~5㎜ 미만)된 합성 고분자화합물을 말한다.


국제사회는 지난 2월 28일부터 3월 2일까지 진행된 ‘제5차 유엔환경총회’ 2부 회의에서 해양환경에 막대한 영향을 미치는 플라스틱 오염(플라스틱 쓰레기의 전주기 관리)에 관한 법적 구속력이 있는 국제협약을 마련하기로 합의하는 등 해양플라스틱 문제를 해결하기 위해 공동의 노력을 펼치고 있다.  

 


이렇게 전 세계적으로 큰 문제가 되는 해양쓰레기 처리에 ‘수소연료전지 선박’이 힘을 보태게 된다. 정부가 다부처 협력사업으로 ‘2,500톤급 해양쓰레기 수거·처리 선박 개발・실증’ 사업에 착수했다. 이 선박에는 LNG 폐냉열을 활용한 해양쓰레기 동결파쇄, 플라스틱 열분해(플라즈마) 가스화를 통한 수소생산, 연료전지, 이산화탄소 포집 등 다양한 기술이 융합된다. 


이번 사업은 국내 해양쓰레기 문제를 해결할 뿐만 아니라 ‘한국형 해양쓰레기 수거·처리 수소선박’을 해외에 수출까지 할 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.  
 
해양쓰레기 문제 심각하다
해양쓰레기는 고의・부주의로 인해 해안에 방치되거나 해양으로 유입・배출되어 해양환경에 악영향을 미치는 고형물로 정의된다. 국내뿐만 아니라 전 세계적으로도 해양쓰레기가 급증하고 있어 지구촌의 큰 골칫거리가 되고 있다. 


해양수산부가 지난 2021년 3월 10일 보도자료를 통해 밝힌 최근 3년간(2018~2020년) 해양쓰레기 수거량과 국가 해안쓰레기 모니터링 결과에 따르면 2020년에 전국 연안에서 해양쓰레기를 2018년(9만5,000톤)보다 약 45% 많은 13만8,000톤을 수거했다. 그중 플라스틱이 평균 83%(개수 기준)로 가장 많은 비중을 차지했다. 


3년간(2018~2020년)의 해양쓰레기 수거량(평균)을 보면 우선 수거된 장소를 기준으로 바닷가의 해안쓰레기가 약 7만8,000톤(69%)으로 가장 많았고, 바닷속에 쌓여 있는 침적쓰레기가 약 2만9,000톤(25%), 바다 위에 떠다니는 부유쓰레기가 약 7,000톤(6%)이었다. 

 

 

또 3년간(2018~2020년)의 ‘국가 해안쓰레기 모니터링’ 결과를 보면 해안쓰레기 중 평균 83%로 가장 많은 비중을 차지한 플라스틱 쓰레기의 유형(개수 기준)은 음료수병, 뚜껑 등 경질형이 26.2%로 가장 많았고, 스티로폼 부표 등 발포형이 20.7%, 어업용 밧줄 등 섬유형이 17.1%, 비닐봉투 등 필름형이 11.8%를 차지했다. 


외국발 해안쓰레기는 개수 기준으로 전체 해안쓰레기의 1.3%, 무게 기준으로 4.1%이며, 중국에서 온 쓰레기가 95%로 대부분을 차지했다. 


정부는 해마다 늘어나는 해양쓰레기 문제를 해결하기 위해 지난 2019년 5월 ‘제79차 국정현안점검조정회의’에서 발생원별 저감・예방체계 구축, 해양 플라스틱 수거·운반체계 개선 등 4대 분야 12개 추진과제를 담은 ‘해양 플라스틱 저감 종합대책’을 심의·확정해 추진해왔다. 

 


또 정부는 해양폐기물과 해양오염퇴적물에 대한 독자적인 관리체계를 구축하기 위해 지난 2021년 5월 ‘해양폐기물 및 해양오염퇴적물 관리법’을 제정·시행(2020년 12월)함에 따라 해양폐기물・오염퇴적물 분야 5대 추진전략 및 29개 추진과제를 담은 ‘제1차 해양폐기물 및 해양오염퇴적물 관리 기본계획(2021~2030년)’을 발표했다. 이를 통해 해양플라스틱 쓰레기의 발생량을 2030년까지 60% 저감하고, 2050년까지 제로화하는 것을 목표로 하고 있다. 


아울러 정부는 플라스틱이 대부분인 해양폐기물의 특성상 생산부터 사용, 수거, 처리 및 재활용 등 전주기에 걸친 범부처 관리가 필요하다는 판단으로 해양폐기물 관리법에 따라 해양수산부 장관을 위원장으로 하고, 해양폐기물 관리와 관련된 9개 부처의 차관급 공무원, 관련 공공기관장 및 전문가로 구성된 ‘범부처 해양폐기물관리위원회’를 운영하고 있다. 
 
해양쓰레기 처리 수소선박 개발 착수
특히 정부가 해양쓰레기를 해상에서 수거・처리하기 위한 수소선박 개발에 나서 큰 관심을 끌고 있다.  


해양수산부는 지난 5월 22일 해양쓰레기의 One-stop 해상처리를 위해 해양쓰레기 동결파쇄, 플라즈마 열분해 처리 기능을 탑재한 2,500톤급 해양쓰레기 수거·처리 선박을 개발하고 실증하는 사업에 착수한다고 밝혔다.


해수부와 지자체는 해안가 쓰레기 수거, 청항선 운영, 연근해 침적폐기물 수거 등을 통해 연간 약 12만 톤(2021년)의 해양폐기물을 수거하고 있다. 그러나 수거된 해양폐기물은 오염도가 높고, 수분과 염분을 포함하고 있어 처리를 위한 시간과 비용이 많이 소모되는 특성 때문에 재활용이 어렵고, 소각 과정에서 오염물질이 발생할 우려가 있어 효율적인 처리방안을 마련하기 어려운 상황이다.


이에 따라 해수부는 산업통상자원부, 지자체(부산, 울산, 경남)와 함께 총 450억 원을 투입해 친환경적이고 연료를 태우는 과정에서 에너지 손실을 최소화하는 수거·처리용 선박을 개발해 해상 시험 운영을 추진할 예정이다. 


이번 사업은 지난 2021년 ‘제11회 다부처협력특별위원회’에서 선정된 다부처 공동사업으로, 사전 기획을 포함한 2년의 준비 기간을 거쳤다. 해수부는 109억 원을 투입해 ‘해양쓰레기 선상 처리를 위한 핵심 모듈 개발’을 총괄한다. 산업부는 ‘LNG-수소 기반 친환경 에너지시스템 개발 및 실증’을 총괄한다. 

 

 

수도권 중심에서 벗어나 지역의 성장동력 확보를 위한 새로운 국가균형발전 모델로 ‘부울경 메가시티’ 구축을 추진하고 있는 부산・울산・경남은 ‘부울경 메가시티’ 대표 추진사업으로  이번 사업에 참여하게 됐다. 


기존에는 바다에서 해양폐기물을 수거한 후 육상으로 운반해 매립 또는 소각했으나 이번 사업을 통해 개발한 선박을 이용하면 해상에서 폐기물 수거부터 처리까지 한 번에 가능하다. 해수부는 이 사업을 통해 기존 해양쓰레기 수거·처리 방식보다 시간과 비용이 줄어들 뿐만 아니라 선박 이동량이 최소화되어 온실가스 발생도 줄어들 것으로 기대하고 있다. 


신재영 해양수산부 해양보전과장은 “이 사업을 통해 해양쓰레기 문제에 대한 친환경적인 해결방안과 함께 해양쓰레기 자원화를 통한 탈탄소화 핵심기술을 확보할 것으로 기대된다”라며 “앞으로도 해양폐기물과 해양플라스틱 오염을 효과적으로 줄이는 데 필요한 기술을 지속 개발해 나가도록 하겠다”고 말했다.
 
연구개발 세부 내용 
주관연구개발기관으로 선정된 부산대학교 수소선박기술센터는 삼성중공업 등 17개 연구기관과 함께 본격적인 기술개발에 착수했다.


한국수소산업협회는 지난 10월 17일 울산 롯데호텔에서 ‘수소추진선박 기술 표준화 및 안정성 구축’ 세미나를 개최한 바 있다. 이날 세미나에서 ‘해양쓰레기 수거·처리 선박 개발・실증’ 사업에 참여하는 한국생산기술연구원의 임동하 박사는 이번 연구개발 계획을 발표해 주목을 받았다. 


임 박사의 발제 자료에 따르면 ‘해양쓰레기 수거·처리 선박 개발・실증’ 사업은 올해 4월부터 2026년 12월까지 56개월간 추진되는 과제이다. 


선박은 LNG-수소 연료 기반의 친환경 하이브리드 선박으로 건조되고, LNG 연료 사용 과정에서 발생하는 폐냉열을 이용해 선상에서 수거한 해양쓰레기를 동결 분쇄한다. 분쇄된 분말은 플라즈마 가스화 기술을 이용한 합성가스 생산의 원료로 투입되며, 합성가스로부터 생산된 수소는 선내에 탑재된 수소연료전지로 연결되어 선내 전력 공급과 추진용 보조동력으로 활용하는 게 이번 과제의 핵심 내용이다.  

 

 

이번 사업은 크게 ‘해양쓰레기 선상 One-stop 처리시스템 개발 및 선박 실증’과 ‘온실가스 저감용 LNG-수소 하이브리드 시스템 개발 및 선박 실증’으로 구분된다.


해수부가 총괄하는 ‘해양쓰레기 선상 One-stop 처리시스템 개발 및 선박 실증’은 △해양쓰레기 선상 처리(파쇄) 모듈 개발 △전기화학적 오염물 처리 모듈 개발 △해양쓰레기 열분해 에너지 생산 모듈 개발 △해양쓰레기 처리시스템 환경 영향성 평가 △해양쓰레기 수거・처리시스템 통합 및 선박 탑재・운항 실증 등 세부 5개 과제로 진행된다.   


먼저 ‘해양쓰레기 선상 처리(파쇄) 모듈 개발’ 과제를 통해 LNG 냉열을 활용하는 하루 20톤급 동결파쇄용 모듈(챔버・냉매순환 모듈, 용량 5㎥, 내부 온도 –40℃)과 파쇄 입자 활용 기술을 개발하게 된다.  


LNG 냉열은 162℃의 초저온으로 냉각되어 있는 LNG를 기화하는 단계에서 방출되는 냉열(냉각된 에너지)을 말한다. 


수거된 해양쓰레기는 오염도가 높고, 수분과 염분을 포함하고 있기에 이러한 유해성분을 제거할 필요가 있다. 두 번째 과제로 ‘전기화학적 오염물 처리 모듈’을 개발하는 이유다. 이 과제를 통해서는 하루 20톤급 BDD 전극 기반 탈염 모듈과 탈염 처리수 여과 모듈(오염물 제어효율 99% 이상 달성)을 개발하고, 염소 함유량 폐기물 기준(0.5% 이하)을 만족하도록 할 예정이다.   


세 번째 ‘해양쓰레기 열분해 에너지 생산 모듈 개발’ 과제는 폐기물 열분해 수소생산 및 연료전지 기술을 개발하는 것으로, 플라즈마 가스화 기반 열분해 모듈, 합성가스를 이용한 수소생산 모듈, 수소 저장・공급 모듈 시스템, 50kW 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 모듈을 개발하게 된다.  


플라즈마 가스화 기술은 폐기물을 초고온(1,300℃ 이상)으로 가열해 유기물들을 열분해하고 단위 분자인 수소・일산화탄소 등으로 쪼개어 가스화하는 기술로, 기존 폐기물 소각방식 대비 대기 환경 오염물질이 발생하지 않는 친환경 기술로 평가된다. 


한편 환경부는 지난 2021년 6월 ‘폐플라스틱 열분해 활성화 방안’을 통해 폐플라스틱 열분해 처리 비중을 현행 0.1%에서 2030년까지 10%로 높여 순환경제 및 2050년 탄소중립 실현을 선도할 계획임을 밝힌 바 있다.  


환경부는 ‘폐플라스틱 열분해 활성화 방안’ 중 하나로 폐플라스틱으로 만든 합성가스(일산화탄소・수소 혼합기체)를 원료로 메탄올, 암모니아 등을 생산하거나 수소를 개질·추출해 수소차 충전, 연료전지 발전에 활용하는 것도 지원할 계획임을 밝혔다. 


네 번째 ‘해양쓰레기 처리시스템 환경 영향성 평가’ 과제는 처리공정 및 입자・처리수 오염원 평가기술을 개발하는 것으로, 공정별 유해가스・해양플라스틱・중금속 등 유해물질 검출, 해양생태계 대상 독성시험, 처리수・해양쓰레기 기반 환경 등을 평가하게 된다.  


마지막으로 ‘해양쓰레기 수거・처리시스템 통합 및 선박 탑재・운항 실증’ 과제에서는 해양쓰레기 수거・선별・상온파쇄・압축・저장 모듈을 제작하고, 제작품 및 세부기술 개발품을 시스템에 통합한다. 이러한 해양쓰레기 통합 처리시스템(하루 20톤급)을 실증선에 탑재해 연속 12시간 이상 실증운전을 통한 운용 안정성을 확보할 계획이다. 

 

 

또한 산업부가 총괄하는 ‘온실가스 저감용 LNG-수소 하이브리드 시스템 개발 및 선박 실증’은 △LNG 냉열 활용 동결기술 △선상 친환경 수소생산 기술 △LNG-수소연료전지 추진시스템 △선박 건조・실증 및 위험도 분석 등 세부 4개 과제로 진행된다. 


먼저 ‘LNG 냉열 활용 동결기술’ 과제에서는 LNG 냉열 회수 시스템을 포함한 해양쓰레기 동결파쇄를 위한 열교환 냉각시스템, 해양쓰레기 동결장치의 냉매 회수・순환장치, 냉열 회수를 위한 연료공급시스템 등을 개발하게 된다.      


‘선상 친환경 수소생산 기술’ 과제에서는 LNG 개질 수소 운용을 위한 소형 선박용 수소 저장・공급 시스템을 개발하고, 선상 LNG 개질 수소 추출기, 선박용 이산화탄소 포집 및 저장・하역 시스템, 350bar 수소저장 모듈 등을 설계할 예정이다. 


‘LNG-수소연료전지 추진시스템’ 과제에서는 선박용 연료전지・배터리(ESS) 전력공급모듈 개발, 300kW급 선박용 연료전지 스택 설계, 하이브리드 추진 선박 전력관리시스템 개발 및 실선 탑재・적용, 선박 운항조건에 따른 소요 전력 분석 및 하이브리드 시스템용 LNG발전기 엔진 선정 등을 진행할 예정이다. 


마지막으로 ‘선박 건조・실증 및 위험도 분석’ 과제에서는 선내 데이터 활용 모니터링 서비스 개발 환경 구축, 선내 장비에서 다양한 프로토콜로 전송되는 정보 수신 기능 개발, 선내에서 수집된 데이터를 표준화해 실시간 데이터 활용 및 변환 기능 개발, 극저온 액화가스 취급 모듈의 누출・화재・폭발 모델 개발 등을 진행하게 된다.  

 

 

이번 사업은 온실가스를 발생시키는 쓰레기처리 공정을 수소생산으로 대체하는 혁신기술로, 선박에 필요한 에너지를 저비용・친환경적으로 제공하는 동시에 선내 적재용량 제한으로 인해 수거한 해양쓰레기를 수시로 귀항해 하역하는 기존의 해양쓰레기 수거·처리방식의 비효율성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.


또 극저온 동결파쇄를 통해 해양쓰레기 부피를 10배에서 최대 50배까지 줄일 수 있어 제한된 공간이라는 선박의 특성도 고려한 효율적인 해양쓰레기 처리가 가능함은 물론 선상에서 직접 생산한 에너지를 직접 활용하기에 장기간 작업도 가능하다.  


임동하 한국생산기술연구원 박사는 “이번 사업은 대통령실까지 보고된 아이템”이라며 “해양쓰레기를 선상에서 수거・처리할 수 있는 수소선박을 개발해 해외 진출을 통해 국제적 환경 이슈인 해양쓰레기 문제 해결에 기여함으로써 기술선진국 위상을 제고할 수 있을 것”이라고 말했다. 


임 박사는 “이번 사업은 부산・울산・경남을 중심으로 하고 있지만 다른 지역에서도 해양쓰레기 수거・처리 수소선박 도입 움직임이 일고 있다”라며 “동해・남해・서해권에서 각 1대씩 건조・운영할 계획인 것으로 알고 있다”고 설명했다. 


이번 사업의 주관기관인 부산대학교의 이제명 조선해양공학과 교수는 <월간수소경제>와의  인터뷰에서 “인구 변화 추세와 국가별 쓰레기처리 실태 등을 고려했을 때 2025년 총 1억7,000만 톤의 플라스틱 쓰레기가 전 세계 해양을 떠다닐 것으로 예상된다”라며 “해양쓰레기는 선박 추진기에 엉키거나 냉각수 배관에 들어가 엔진 부하를 증가시키는 등의 선박 사고를 유발할 뿐만 아니라 어업 생산성 저하 등의 문제를 일으킨다. 가장 큰 문제는 인위적인 행위나 자연 풍화로 마모되고 쪼개진 플라스틱 파편이 해양 생태계에 악영향을 미친다는 점이다. 유엔환경계획(UNEP)은 매년 바다새 100만 마리와 고래・바다표범 등 해양 포유동물 10만 마리가 해양쓰레기로 인해 죽임을 당하는 것으로 발표했다”고 설명했다. 


이 교수는 “이에 따라 해양쓰레기 수거・처리용 친환경 선박 개발・실증 사업을 기획하게 됐다. 해양쓰레기라고 하는 사회적 문제를 해결함과 동시에 산업계가 요구하는 기술적 난제인 수소선박 실증도 동시에 수행하는 의미 있는 사업”이라고 밝혔다.





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