폐기물에너지

폐기물에너지(waste energy)는 사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해에 의한 오일화기술, 성형고체연료의 제조기술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조기술 및 소각에 의한 열회수기술 등의 가공· 처리 방법을 통해 고체 연료, 액체 연료, 가스 연료, 폐열 등을 생산하고, 이를 산업생산활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 한 재생에너지이다. 폐기물 에너지는 폐가스, 산업폐기물, 생활폐기물, 대형도시 쓰레기, 시멘트킬른 보조연료, RDF/RPF/TDF RDF/RPF/TDF가 대표적인 분야이다.

폐기물에너지는 감량화(Reduce), 재사용(Reuse), 재활용(Recycle), 에너지회수(Recovery)라는 원칙으로 관리되고 있다. 폐기물에너지의 현황은 생산량이 가장 많은 국가인 미국은 고형폐기물의 소각열을 이용한 에너지 생산이 활성화 되어 있다. 유럽의 경우 소각 시설의 폐열로 증기를 생산하는 다양한 원천 기술을 보유하고 있으며, 폐기물 고형연료 생산을 통해 화력발전소나 시멘트 공장의 보조연료로 사용되는 경우가 많고, 국가 간 고형연료의 거래도 활발하다. 일본 또한 2016년 기준으로 생활폐기물 고형연료화 시설을 약 70개 가동하고 있으며, 90% 이상의 생활폐기물을 소각 시설에서 처리하고 있다. 국내의 경우 폐기물에너지가 신·재생에너지 생산량의 60%를 차지하며, 태양광이나 풍력 등 다른 에너지원에 비해 높은 비중을 차지하고 있다.

폐기물에너지 기술

• 폐기물에너지는 폐기물을 변환시켜 연료 및 에너지를 생산하는 기술
• 사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해에 의한 오일화, 성형 고체 연료의 제조기술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조기술 및 소각에 의한 열회수 기술 등의 가공ㆍ처리 방법을 통해 고체 연료, 액체 연료, 가스 연료, 폐열 등을 생산하고, 이를 산업 생산활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 재생에너지를 생산하는 기술

폐기물 활용방법

소각로 통한 에너지화

고체폐기물 에너지화

고분자폐기물 에너지화

유기성폐기물 에너지화

매립가스 에너지화

폐기물을 활용하는 방법에는 쓰레기 재활용처럼 물질로 재사용하는 방법과 에너지화 시켜 활용하는 방법이 있다. 일반적으로 쓰레기 재활용만 자원 낭비를 막는 것이라 여기지만 반듯이 그렇지만은 않다. 폐기물을 에너지화 하는 것도 화석연료의 사용량을 줄일 수 있기 때문에 환경 친화적인 방법이 된다. 다양한 방법이 있지만 아직까지 폐기물에서 에너지를 얻는 가장 일반적인 방법은 소각로에서 연소시켜 열에너지를 얻는 방법과 석유화학 공정에서 발생하는 부생가스(화학공정에서 부산물로 발생하는 가스. 주로 철강 생산 공정에서 발생하며 주성분은 메탄이나 수소)를 재활용하는 것이다.

폐기물이라고 모두 에너지화 할 수 있는 것은 아니다. 폐기물은 여러 가지 물질들이 뒤 섞인 혼합물이기 때문이다. 그래서 폐기물을 활용하기 위해서는 성분별로 분리해 내는 작업이 필요하다. 분리 후에도 폐기물 종류별로 에너지로 변환하는 방법도 다른데, 성분에 따라 고체, 액체, 기체 상태의 연료로 만든다.

고체폐기물은 분쇄 후 밀도나 자성 등 물질의 특성을 이용해 분리한다. 이렇게 성분별로 분리하여 불에 잘 타는 폐합성수지, 폐지, 폐목재 등의 가연성 폐기물은 폐기물 고형연료(RDF, Refuse Derived Fuel)로 만든다. 고형연료(RDF)는 유리나 금속처럼 불에 잘 타지 않는 성분은 제거한 후 분쇄, 건조, 성형 등의 가공 과정을 거쳐 펠렛(Pellet) 형태로 만든 연료다.

폐타이어나 플라스틱의 경우 열을 가하면 고분자(분자량이 1000이상의 큰 분자) 사슬이 끊어져 저분자 물질로 된다. 이를 열분해 유화 공정이라고 하는데, 저분자 물질이 되면서 고체 물질이 액체 상태의 연료가 된다.

또한 부분 산화나 수증기를 반응시키는 가스화 공정을 거치면 분자량이 작은 일산화탄소(CO)나 수소(H2), 메탄(CH4)과 같은 기체 연료를 생산할 수 있다. 이와 같이 분자량(분자의 질량)이나 물질의 화학결합이 변하면 고체뿐 아니라 액체나 기체 상태의 연료를 얻을 수 있게 된다.

유기성 폐기물의 경우에는 미생물 발효를 이용해 처리하기도 한다. 하수처리장이나 축산 분뇨에서는 미생물 발효를 통해 바이오가스를 얻을 수 있다.

또한 쓰레기를 매립한 매립장에서는 매립가스(LFG, Land Fill Gas)가 발생한다. 매립가스(LFG)는 유기성폐기물이 혐기성 미생물에 의해 분해될 때 발생하는 메탄을 포집한 연료다. 과거 서울에서 발생하는 쓰레기의 대부분은 난지도 매립장에 매립 했는데, 제대로 된 오염방지 시설을 갖추지 않은 탓에 환경을 오염시키기도 했다. 그래서 지금도 매립장 부지 확보가 어려운 것에 대해 주민들의 이기심만 탓할 수 없는 것은 이러한 이유가 있는 것이다.

하지만 위생매립지의 경우에는 환경오염 방지시설을 갖추고 있을 뿐 아니라 메탄가스를 생산하여 발전이나 주택 난방용으로 활용하는 친환경시설이다. 문제는 매립지에서 가스가 발생하려면 미생물의 먹이가 되는 유기성폐기물이 풍부해야 한다는 점이다. 즉 음식물이나 종이, 목재, 섬유와 같은 쓰레기가 많을수록 메탄가스를 얻기 쉽지만 음식물 분리수거 이후 쓰레기에 음식물의 양이 줄었다는 것이다.

이외에도 중금속이나 유해성분이 포함되어 있어 쓸 수 없는 폐유도 재활용할 수 있다. 폐유라고 불리지만 여전히 성분의 대부분은 기름이다. 따라서 황산이나 인산암모늄 등의 화학물질을 첨가하여 불순물을 제거하면 다시 연료로 활용할 수 있다.

또한 폐유를 감압 증류(끓는점의 차이를 이용해 화합물을 성분 별로 분리 하는 방법)하거나 고온열분해(화합물을 열을 이용해 다른 물질로 분해하는 방법) 하여 활용하기도 한다. 폐유는 버리면 환경을 오염시키지만 다시 연료로 사용하면 그만큼 환경을 살리는 일이 된다.

폐기물에너지 원리 및 구조

• 소각로

• 산업폐기물 소각처리

• 보일러

• 보일러에서 냉각 시 스팀 발생(18 ton/hr)

• 스팀공급 배관

• 스팀공급(열원 온도 100-120℃)

• 증발농축시설

• 스팀을 사용하여 폐수를 증발 농축시킴

페기물 신재생에너지의 종류

• 성형고체연료(RDF) : 종이, 나무, 플라스틱 등의 가연성 폐기물을 파쇄, 분리, 건조, 성형 등의 공정을 거쳐 제조된 고체연료
• 폐유 정제유 : 자동차 폐윤활유 등의 폐유를 이온정제법, 열분해 정제법, 감압증류법 등의 공정으로 정제하여 생산된 재생유
• 플라스틱 열분해 연료유 : 플라스틱, 합성수지, 고무, 타이어 등의 고분자 폐기물을 열분해하여 생산되는 청정 연료유
• 폐기물 소각열 : 연성 폐기물 소각열 회수에 의한 스팀생산 및 발전으로의 이용 등

장단점

장점

• 각종 폐기물을 재활용할 수 있어 폐기물 처리 문제를 해소 가능
• 탄소 발생을 줄여 환경 보호에도 효과적
• 고체, 액체, 기체 등 다양한 형태의 에너지원으로 활용 가능 높음

단점

• 위생시설 및 다양한 처리기술이 요구되어 초기 투자비용이 높음
• 폐기물 소각시 배출되는 환경오염 물질 발생 우려

종합폐기물처리장

생활폐기물을 소각 하면서 발생하는 열을 이용하여 난방 및 온수로 사용하는 종합폐기물 처리시설을 말한다.

전망

활용 가치가 높은 에너지원인 만큼 부정적 인식에 대한 원인을 파악하고 해결할 수 있는 기술 개발과 함께 연구부지 제공 및 행정적인 지원을 통해 활성화해야 한다는 것이 전문가들의 견해다. 지난 2018년 한국폐기물협회의 자료에 따르면 건설폐기물이 48%, 사업장배출시설폐기물이 39%, 생활폐기물이 13%로 집계됐다.

폐기물에너지는 다른 신재생에너지에 비해 생산단가가 낮고 투자규모도 작으며, 기후에 따른 발전량 손실이 생기지 않는다. 폐기물을 처리하면서 전력과 스팀 판매 등을 통해 경제성도 확보가 되기 때문에 투자자들의 전망도 밝다. 또 비성형 고형연료제조, 폐자원 가스화 발전 등 고부가가치 에너지로의 전환도 확대되고 있다. 전력 생산을 위한 폐기물에너지가 환경을 위한 폐기물에너지로의 가치로 확장될 것으로 전망된다.

한편 폐비닐·플라스틱 등 고형폐기물을 원료로 하는 비재생폐기물이 2019년 10월부터 재생에너지 대상에서 제외됐다. 비재생폐기물이 제외된 배경은 외국에 비해 국내 신·재생에너지의 기준이 너무 광범위한데 따른 것이다. 그동안은 생활쓰레기는 물론 산업 폐기물, 폐가스 외에도 폐기물 고형 연료(SRF, Solid Refuse Fuel)까지 재생에너지로 분류해왔다. 이에 따라 신·재생에너지 공급의무화(RPS)제도로 폐기물이 국가지원을 받게 됨으로써 폐기물 발전시설을 건립하려는 민간업자와 지역주민 간의 갈등과 분쟁이 계속됐다.

국제에너지기구(IEA,International Energy Agency)는 가정·상업·공공 분야에서 발생하는 폐기물, 즉 생물학적으로 분해 가능한 것들은 재생도시폐기물로 분류하고 있다. 재생 불가능한 산업폐기물과 생물학적으로 분해되지 않는 것들은 비재생 도시폐기물로 분류해왔다. 국내의 경우는 산업폐기물을 시작으로 RDF/RPF/TDF(폐기물 고형연료), 생활쓰레기, 대형도시쓰레기 등 모든 폐기물을 신재생에너지원으로 인정해오면서 많은 비판을 받아왔다.

정부 통계에 따르면 국내 신·재생에너지 비중은 8%가 넘지만, 국제사회 기준으로 분류할 경우 고작 3.5%에 불과하다. 폐비닐 외에도 폐플라스틱·폐타이어 등을 원료로 하는 폐기물 고형연료(SRF) 또한 재생에너지 정의에서 제외되면서 REC 공급인증도 받을 수 없게 됐다.

참고자료

• 〈폐기물〉, 《한국에너지공단》
• 〈폐기물에너지〉, 《녹색에너지연구원》
• 〈(신재생 에너지) 신재생에너지 종류 “폐기물에너지 개념/특징/국내외 현황”〉, 《한국에너지공단블로그》
• 최원석 과학 칼럼리스트, 〈폐기물은 쓰레기가 아니다〉, 《에너지움》
• 박장수 기자, 〈폐기물에너지(waste energy)〉, 《에너지단열경제》, 2020-02-02

같이 보기

• 신재생에너지
• 열분해

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