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올해 농사 잘 지은 박사님들의 솔직 토크! 2023년 국가연구개발 우수성과 100선에 오른 KIER의 2가지 기술은?🎉 | 키워드N인터뷰

수소연구단의 조현석 책임연구원은 물을 원료로 삼아 깨끗한 수소를 생산하는 기술을 집중적으로 연구하고 있습니다. 이 기술은 전 세계적인 과제인 탄소중립을 달성하기 위해, 전력화가 어려운 산업 분야에 청정수소를 에너지 캐리어로서 공급하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 화석 연료 중심의 기존 에너지 체계를 수소 중심으로 전환하게 되면, 에너지를 활용하는 모든 과정에서 오염 물질 대신 물만 배출되기에 매우 친환경적입니다. 이는 미래의 지속 가능한 에너지 자립 체계를 확립하는 데 있어 가장 기본적이면서도 필수적인 기술이라 할 수 있습니다. 청정수소는 단순히 에너지를 생산하는 것을 넘어, 국가와 국가 사이에서 청정 전력을 안전하고 효율적으로 교역할 수 있게 만드는 수단이 됩니다. 재생에너지가 풍부한 지역에서 생산된 전기를 먼 거리까지 직접 운송하기에는 물리적인 한계가 존재하기 때문에, 이를 수소 형태로 변환하여 저장하고 이동시키는 전략이 필요합니다. 이렇게 운송된 수소는 다시 열이나 전기 등 사용자가 원하는 다양한 형태의 에너지로 변환되어 무궁무진하게 활용될 수 있습니다. 이러한 변화는 과거의 자원 외교 패러다임을 기술 중심의 에너지 독립으로 바꾸는 중대한 전환점이 될 것입니다. 한편, 청정연료연구실의 라호원 연구원은 현대 사회의 골칫거리인 폐플라스틱을 새로운 에너지원으로 탈바꿈시키는 가스화 공정 개발에 매진해 왔습니다. 우리가 편리한 생활을 지속하기 위해 매일같이 사용하는 플라스틱은 폐기 시 심각한 환경 문제를 야기하지만, 이를 가스화하면 합성가스나 수소와 같은 귀중한 화학 원료로 재탄생시킬 수 있습니다. 이러한 자원순환 경제 모델은 환경 오염 문제를 기술적으로 해결하는 동시에 자원 고갈 문제에 대한 실질적인 대안을 제시합니다. 사회적 현안을 연구 현장에서 직접 해결한다는 점에서 기술의 가치는 더욱 빛을 발합니다. 현재 연구팀이 확보한 1톤 규모의 폐플라스틱 가스화 플랜트는 그 자체로 독보적인 기술적 완성도를 자랑하며 다양한 산업 분야로의 확장을 준비하고 있습니다. 이러한 연구 성과는 단순히 실험실 안에 머물지 않고, 연구 인프라나 기획 인력이 부족한 중소 및 중견 기업들이 새로운 사업 영역을 창출할 수 있도록 돕는 든든한 밑거름이 됩니다. 연구진이 오랜 시간 인내하며 일구어낸 공정 기술은 국가연구개발 우수성과 100선에 선정되는 등 대외적으로도 큰 인정을 받았습니다. 이는 연구원들에게 성취감을 주는 동시에 더 높은 수준의 기술 개발을 향한 강력한 동기부여가 되고 있습니다. 2050년 탄소중립이라는 거대한 목표를 달성하기 위해서는 수전해 기술과 폐플라스틱 처리 기술처럼 에너지와 환경을 동시에 아우르는 통합적 기술들이 더욱 활발히 개발되어야 합니다. 기술을 통해 에너지를 직접 '캐내는' 새로운 시대가 열림에 따라, 우리나라는 에너지 수입국에서 에너지 기술 선도국으로 도약할 기회를 맞이하고 있습니다. 에너지와 환경의 융합은 지속 가능한 사회를 만들기 위한 가장 확실한 방법이며, 다음 세대에게 깨끗한 지구를 물려주기 위한 필수 과제입니다. 연구진의 끊임없는 도전과 헌신은 대한민국의 기술 경쟁력을 강화하고 인류 공통의 미래를 밝히는 핵심 원동력이 될 것입니다.

올해 농사 잘 지은 박사님들의 솔직 토크! 2023년 국가연구개발 우수성과 100선에 오른 KIER의 2가지 기술은?🎉 | 키워드N인터뷰
한국에너지기술연구원
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  • 공학·기술

#가정로152 버려진 플라스틱으로 수소 생산? 이게 가능해?

대한민국은 1인당 연간 약 88kg의 폐플라스틱을 배출하며 세계적으로도 매우 높은 배출량을 기록하고 있습니다. 그동안 폐플라스틱은 주로 소각이나 매립을 통해 처리되어 왔으나, 이 과정에서 발생하는 유독가스와 환경 오염은 심각한 사회적 문제로 대두되었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근에는 폐플라스틱을 단순히 폐기하는 것이 아니라, 열화학적 전환 기술을 활용해 유용한 자원으로 재생산하려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 특히 폐플라스틱을 열분해하여 얻은 기름을 다시 수소로 변환하는 기술은 탄소 중립 시대를 앞당길 핵심적인 대안으로 큰 주목을 받고 있습니다. 폐플라스틱의 재활용 방식은 크게 세 가지 유형으로 나뉩니다. 먼저 물질 재활용은 플라스틱의 화학적 구조를 유지한 채 분리 정제하여 다시 사용하는 기술이며, 열적 재활용은 폐플라스틱을 태워 발생하는 열에너지를 회수하는 방식입니다. 반면, 화학적 재활용은 플라스틱의 분자 구조를 근본적으로 변화시켜 새로운 원료로 전환하는 고도화된 기술을 의미합니다. 그중에서도 열분해 가스화 기술은 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 탈바꿈시키는 핵심적인 공정으로 평가받으며, 이를 통해 합성가스를 생산하고 최종적으로 수소를 추출할 수 있는 기반을 마련해 줍니다. 고부가가치 수소를 생산하기 위해 활용되는 분류층 가스화 공정은 매우 정밀한 과정을 거칩니다. 폐플라스틱 열분해유에 산소와 스팀을 공급하고 약 1,300도의 고온과 20바의 압력을 가하면 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스가 만들어집니다. 이후 정밀한 후단 정제 공정을 거치게 되면 산업 현장에서 즉시 사용 가능한 고순도의 수소를 얻을 수 있습니다. 기존에는 열분해유를 보일러 연료나 카본 블랙의 원료로 사용하는 데 그쳤지만, 이제는 가스화 공정 덕분에 단순한 연료를 넘어 미래 청정 에너지원으로 활용할 수 있는 길이 넓게 열리게 된 것입니다. 성공적인 가스화 공정을 구축하기 위해서는 세 가지 핵심 기술이 뒷받침되어야 합니다. 첫째는 대량 처리가 가능하도록 규모를 키우는 반응기 설계 기술이며, 둘째는 연료의 특성과 운전 조건에 최적화된 독자적인 버너 설계 기술입니다. 특히 버너는 반응기의 성능과 효율에 직접적인 영향을 미치는 만큼 고도의 정밀함이 요구되는 부품입니다. 마지막으로는 전체 공정을 안정적으로 제어할 수 있는 숙련된 운영 노하우가 필수적입니다. 이러한 운영 기술은 단기간에 습득하기 어려운 높은 진입 장벽을 형성하고 있으며, 우리나라 연구진은 독자적인 기술력을 바탕으로 상용화를 위한 연구에 매진하고 있습니다. 폐플라스틱 가스화 기술은 환경 문제를 해결하는 동시에 자원 순환 경제를 구축하는 중요한 기반이 됩니다. 가스화 공정을 통해 수소를 대량으로 생산할 수 있게 되면, 우리가 지향하는 수소 사회로의 진입 시기를 훨씬 앞당길 수 있을 것으로 기대됩니다. 특정 기술 하나가 모든 플라스틱 문제를 완벽히 해결할 수는 없겠으나, 친환경성과 경제성을 갖춘 재활용 기술들이 지속적으로 개발된다면 폐플라스틱은 더 이상 골칫덩이가 아닌 소중한 자원이 될 것입니다. 일상 속에서 무분별하게 버려지던 플라스틱이 깨끗한 수소 연료로 재탄생하는 미래는 이제 우리 곁으로 성큼 다가오고 있습니다.

#가정로152 버려진 플라스틱으로 수소 생산? 이게 가능해?
한국에너지기술연구원
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[플라스틱 환경이슈 포럼] 폐플라스틱의 열화학적 재활용 기술 (노선아, 한국기계연구원)

열화학적 재활용은 폐플라스틱을 단순히 잘게 부수거나 녹여서 재사용하는 물질 재활용의 한계를 넘어서는 기술입니다. 이는 플라스틱의 온도를 높여 분자 구조를 끊어내거나 물질의 상을 변화시킴으로써 새로운 원료나 에너지로 전환하는 과정을 의미합니다. 과거에는 폐기물을 단순한 에너지원으로 활용하는 데 그쳤으나, 최근에는 이를 다시 석유화학 공정의 기초 유분이나 원료로 되돌리는 방식에 큰 관심이 쏠리고 있습니다. 이는 플라스틱의 탄생부터 소멸까지의 전 과정을 하나로 연결하는 핵심적인 고리가 됩니다. 대표적인 열화학적 재활용 기술로는 열분해, 소각, 가스화 공정을 꼽을 수 있습니다. 열분해는 무산소 상태에서 적절한 고온을 가해 고체 플라스틱을 오일로 되돌리는 기술이며, 가스화는 산소를 제한적으로 공급하여 수소와 일산화탄소 같은 유용한 기체를 생성하는 방식입니다. 반면 소각은 높은 온도로 산소를 충분히 공급해 폐기물을 감량하면서 동시에 발생하는 열에너지를 스팀 등으로 회수합니다. 이들 공정은 온도와 산소 공급량을 정밀하게 조절하여 각기 다른 형태의 유용한 자원을 만들어낸다는 공통점이 있습니다. 우리가 흔히 접하는 물질 재활용은 분리배출된 플라스틱의 순도가 낮고 색상이 섞여 있어 고품질의 제품을 다시 만들기에 어려움이 많습니다. 실질적인 시장 경제 체제 안에서 모든 플라스틱을 완벽하게 재질별로 분류하는 것은 사실상 불가능에 가깝기 때문입니다. 실제로 재활용된 플라스틱은 여러 색이 섞여 어두운 무채색을 띠게 되며, 이는 의류나 전자제품 같은 고부가가치 제품의 원료로 사용하기에 부적합한 경우가 많습니다. 이러한 한계를 극복하고 폐기물을 다시 원료 수준으로 정화하기 위해 열화학적 재활용이 반드시 필요합니다. 폐플라스틱 처리를 위한 시설은 최근 기술의 발달과 함께 지역사회의 랜드마크로 변모하고 있습니다. 과거에는 혐오 시설로 인식되던 소각로와 재활용 센터들이 이제는 열병합 발전과 연계된 친환경 융복합 시설로 건설되어 스키장이나 공원 같은 시민 휴식 공간을 제공하기도 합니다. 이러한 시설들은 폐기물의 안정적인 처리를 보장할 뿐만 아니라, 에너지 회수 효율을 극대화하여 도시의 자원 순환 시스템에서 중추적인 역할을 담당합니다. 이는 시민들의 수용성을 높이면서도 폐플라스틱 문제를 현실적으로 해결하는 가장 효과적인 대안이 되고 있습니다. 플라스틱은 나무나 동물의 천연 자원을 보호하는 역할도 수행해 왔기에, 무조건적인 퇴출보다는 체계적인 관리가 중요합니다. 에코백이나 텀블러 같은 대체재가 플라스틱보다 환경에 덜 부담을 주려면 수백 회 이상 사용해야 한다는 점을 고려할 때, 플라스틱 자체를 친환경적으로 관리하고 순환시키는 기술에 집중해야 합니다. 눈에 보이는 현상에만 치중하기보다 실제 데이터와 기술력을 바탕으로 환경에 실질적인 도움이 되는 스마트한 친환경 정책을 수립해야 합니다. 이것이 미래 세대를 위해 우리가 지향해야 할 진정한 자원 순환의 방향입니다.

[플라스틱 환경이슈 포럼] 폐플라스틱의 열화학적 재활용 기술 (노선아, 한국기계연구원)
한국생명공학연구원
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KIER Fischer-Tropsch Synfuel Technology for Waste Plastic Recycling

합성 연료 기술은 인류가 직면한 에너지 고갈과 환경 오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 혁신적인 열쇠입니다. 한국에너지기술연구원이 12년에 걸쳐 독자적으로 개발한 피셔-트롭슈 기술은 석탄뿐만 아니라 폐플라스틱과 바이오매스를 고부가가치 합성유로 전환하는 놀라운 성능을 자랑합니다. 해외 기술 의존도가 매우 높은 이 분야에서 우리만의 원천 기술을 확보했다는 점은 국가 경쟁력 차원에서도 큰 성과입니다. 현재 연구진은 파일럿 규모의 검증을 성공적으로 마쳤으며, 이제는 실제 시장에 적용할 수 있는 대규모 상업용 공장을 건설할 준비를 완벽하게 마친 상태입니다. 생산의 핵심인 가스화 공정에서는 투입된 원료가 산소와 만나 일산화탄소와 수소로 분해되며, 이후 가스들은 공정을 거쳐 액체 연료로 변환됩니다. 기포탑 반응기 시스템은 다양한 조성을 가진 기체를 직접 연결하여 공급함으로써 초기 설비 투자 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 효율적인 구조를 갖추고 있습니다. 연구팀은 대량으로 제조되는 촉매를 매번 테스트 반응기에서 철저히 검증하고 있으며, 슬러리 방식의 안정적인 운전을 통해 현재 매일 약 15배럴의 석유를 꾸준히 생산하고 있습니다. 이는 기술의 신뢰성을 입증하는 중요한 지표가 됩니다. 이 시스템의 가장 큰 장점 중 하나는 공정 유연성입니다. 운영자가 반응 온도와 조건을 미세하게 조절함에 따라 왁스부터 엔진 오일까지 시장이 필요로 하는 다양한 제품군을 맞춤형으로 생산할 수 있습니다. 또한 공정 중 발생하는 미반응 가스는 가스 엔진의 연료로 재투입되어 추가적인 전력을 생산함으로써 전체 시스템의 에너지 효율을 극대화합니다. 전체 액화 공정은 오염물질 배출을 최소화하도록 설계되어 있어, 환경 보호와 경제적 수익 창출이라는 두 가지 목표를 모두 달성할 수 있는 미래지향적이고 지속 가능한 기술이라 할 수 있습니다.

KIER Fischer-Tropsch Synfuel Technology for Waste Plastic Recycling
한국에너지기술연구원
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신기술 | 에너지기술 | 친환경 합성석유 생산기술 | 한국에너지기술연구원

인류의 미래를 밝힐 친환경 에너지 기술 중 하나인 합성석유 기술은 석탄이나 폐플라스틱과 같은 자원을 석유로 전환하는 혁신적인 공정입니다. 이 기술은 자원 재활용의 측면에서 매우 중요한데, 특히 환경 오염의 주범인 플라스틱 폐기물을 원료로 사용하여 고부가가치의 액체 연료로 되돌릴 수 있다는 점이 특징입니다. 과정은 원료 물질을 고온에서 가스화하는 단계부터 시작됩니다. 가스화기 내에서 산소와 반응한 원료는 불순물이 제거된 합성가스로 분리되며, 이는 다음 단계인 액화 공정을 위한 기초 토대가 됩니다. 분리된 합성가스는 특수 제작된 촉매를 통해 실제 액체 연료로 전환됩니다. 한국에너지기술연구원에서 독자적으로 개발한 철계 액화 촉매는 대량 생산이 가능할 뿐만 아니라, 장시간 반응에도 성능이 안정적이고 강도가 높다는 장점이 있습니다. 이 촉매를 슬러리 버블 컬럼 반응기에 투입하면 복잡한 가스 조성을 효율적으로 처리할 수 있어 공정의 경제성을 크게 높여줍니다. 반응기 내부에서 촉매와 기체가 상호작용하면서 왁스나 증류유, 정제유 등 다양한 형태의 액체 연료가 생성되며, 이는 곧바로 실생활에 사용 가능한 에너지원이 됩니다. 합성석유 공정은 온도 제어만으로 생산되는 제품의 종류를 자유롭게 조절할 수 있어 소규모 폐기물 처리부터 대규모 상용 생산까지 최적화되어 있습니다. 현재 하루 15배럴 규모의 파일럿 설비를 넘어, 반응기의 직경을 확장함으로써 즉각적인 상용화가 가능한 수준에 도달했습니다. 또한, 공정 과정에서 발생하는 미반응 가스는 가스 엔진을 통해 전기로 재활용되며, 최종적으로 배출되는 가스에는 유해 물질이 거의 없어 전체 시스템이 매우 친환경적입니다. 자원 순환과 환경 보호라는 두 마리 토끼를 동시에 잡는 이 기술은 탄소 중립 시대를 이끌 핵심 동력이 될 것입니다.

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