지속가능산업발전을 위한 모델중의 하나인 생태산업단지(Eco-Industrial Park)는 산업생태학의 개념 을 산업단지에 도입하여 산업단지자체가 청정생산이 되도록 단지를 설계, 개발, 운영함으로써 높은 환경적, 경제 적, 사회적 편익을 추구하는 산업단지를 의미한다. 즉, 지속가능발전은 경제성장을 위한 사회적, 환경적 희생을 지양하고 사회통합, 환경보전과 유기적인 조화와 균형을 이루는 각 부문간의 균형을 기하는 것으로 정의할 수 있다. 이러한 노력의 일환으로 석유화학단지내에서는 기업간 부산물·폐기물·유틸리티 등의 네트워크 체계를 구축하여 재활용 가능한 자원의 부가가치 증대를 통한 경제적·환경적 상생을 도모하는 한편, 청정생산기술 개 발을 활성화하고 자원의 효율적 사용과 환경오염물질 배출의 최소화를 위해 청정생산기술의 이용·보급을 확대 함으로써 생태산업단지를 구축해 나가고 있다.
본고에서는 이러한 생태산업단지를 구축하는데 있어서 국가, 지역 및 산업내의 물질흐름을 정량적으로 분석 하고 자원의 생산성을 향상시켜 자원 순환형 시스템을 구축하는데 유용하게 활용되는 기법인 물질흐름분석 (Material Flow Analysis, MFA)의 이론적 배경 및 해외 연구동향을 소개한다. 이어서 생태산업단지의 부산물 교환(By-Product exchange, BPX)의 하나인 이산화탄소의 원료물질 재활용 방안에 대한 기술과 국내외 현황 및 최신 연구동향을 살펴본다. 세번째 글에서는 철강단지의 에너지절약과 관련한 포항 EIP 사업내용을 간략히 소개하고, 마지막으로 생태산업개발의 대표적인 한 유형이자 성공적인 사례로서 떠오르고 있는 영국의 국가산업 공생프로그램(National Industrial Symbiosis Programme, NISP)의 주요 특징을 살펴 보면서 우리나라 생태산 업단지에 주는 시사점을 찾아 보고자 한다.
특별기획
(II)
한 종 훈
서울대학교 화학생물공학부, chhan@snu.ac.kr
■ 기업간 네트워크 구성으로 청정생산 효과 극대화
■ 청정생산을 통한 실질적 지역균형발전 달성
■ 지속가능 산업발전 달성을 위한 핵심기반 조성
■ 지역 소득증대 및 경제 활성화
■ 지역사회의 이미지 개선
■ 지역 주민의 삶의 질 향상
■ 물질, 에너지 효율증대 등 생산비용 저감, 경제효율 증대
■ 국내외 환경규제 돌파기술 등의 습득
■ 기업이미지 개선
그림 1. 생태산업단지 기대효과.
특·별·기·획(Ⅰ)
오늘날 국가 산업내 자원 및 에너지의 효율적 사용 을 통해 생태순환형 시스템으로 최적화시킴으로써 장 기적으로 지속성장을 위한 기반을 재구성할 필요성이 근자에 대두되고 있다. 경제 및 사회적 가치를 풍요롭 게 누리는 동시에 자원의 사용 및 배출을 저감시킴으 로써 생태계의 한계용량을 유지시키려는 노력은 유럽 을 위시한 많은 국가들이 동참하고 있다. 그러나 이들 주요 유럽국가의 지속가능한 자원의 소비는 기술의 발전에 힘입어 효율적으로 사용되고 있는 반면 경제 적인 성장에 따른 자원의 절대사용량은 증가하고 있 다[그림 1].
이 과정에서 이들 대상지역 내 산업간 물질흐름의 정량적인 분석을 통해 효율적인 자원관리, 환경문제 와 관련한 정책적 대안 수립 및 환경성 평가를 위한 분석도구가 필요하다. 그러나 국가, 지역 및 산업단지 와 같이 여러 물질 및 제품이 복잡하게 얽혀있는 지역 의 물질흐름을 분석 및 평가를 위한 기존의 평가도구 (예: LCA, EIA)는 적용에 많은 한계가 있다.
물질흐름분석(MFA: Material Flow Analysis)은 국가, 지역 및 산업내의 물질흐름을 정량적으로 분석 하고 자원의 생산성을 향상시켜 자원순환형 시스템을 구축하는데 유용하게 활용되는 기법으로 자원 및 폐 기물 관리, 지역산업단지를 구축할 때 유용한 정보로 활용되고 있다. 특히 최근에는 WEEE 및 RoHS와 같은 특정 유해물질관련 법규와 맞물려 일선 기업에 서 제품생산 공정 및 공급망을 통한 유해물질의 투입/
산출량을 정량화하기 위한 수단으로도 사용되고 있다.
이번 논고에서는 최근 녹색계정(green accounting), 지속가능성 연구, 탈물질화(dematerialization)와 같 은 논의와 함께 유럽 및 일본을 중심으로 활발하게 연 구되고 있는 물질흐름분석의 이론적 배경 및 해외 연 구동향을 소개한다.
MFA 개요 1) MFA 정의
MFA 기본개념은 경제계가 환경의 하위시스템에 물리적으로 속해있다는 개념에서 출발한다. 원료물질 (무생물 및 생물자원), 수계 및 대기는 투입물로 자연 계에서 경제계(산업단지)로 유입되고 경제계 내에서 제품으로 생산 및 소비되며 최종적으로 자연계로 배 출된다[그림 2].
질량보전의 법칙에 따라 전체 투입물은 전체 산출 물과 대상 시스템 내에서 물질의 순 축적량(Net accumulation)과 같다. 이러한 개념은 국가, 지역 및 기업 등의 하위 그룹에서도 동일하게 적용된다.
MFA 산정을 위해 경제계와 환경계 사이를 구분하 는 시스템경계에 대한 정의가 우선적으로 고려되어야 한다. 경제계의 경우 경제계 모든 흐름은 경제활동의 3가지 형태, 생산, 소비 및 스탁(stock)변화와 밀접한 김 상 용
한국생산기술연구원 환경에너지본부/반월시화생태산업단지구축사업단, sykim@kitech.re.kr
Iron (100Mt) cement (100Mt) aluminum (Mt) plastics (10Mt)
year
Production
25
20
15
10
5
0
1850 1900 1950 2000
그림 1. 년도별 전세계 자원생산량(‘Mineral Commodity Summaries’ U.S. Department of the Interior, U.S.
Geological Survey).
특·별·기·획(Ⅰ)
관련이 있다(United Nations, 1993, 2001). 환경계의 경우는 제품이 아닌 모든 자원(resource)으로 구성된 다. 이외에도 다른 경제계에 투입 또는 산출되는 가공 원료(생산제품)의 경우는 수입(import) 또는 수출 (export)로 고려된다.
국민경제수준에서부터 산업 및 기업수준에 이르기 까지 서로간의 수준과 분석목적의 차이점에도 불구하 고 이들 MFA들은 어떤 시스템을 정의하여 물질의 흐름을 전과정에 걸쳐 분석한다고 하는 공통점을 지 니고 있다.
2) MFA 분류
MFA는 목적 및 시스템경계에 따라 ① 범지구적 및 국가단위의 시스템 내에서의 물질순환분석
(macroscopic), ② 도시 및 지역을 경계로 투입/산출 되는 물질 분석(mesoscopic), ③ 특정 공정 및 기업 내에서의 물질흐름 분석(microscopic) 등 거시적인 관점에서부터 미시적인 관점의 분석에 이르기까지 여 러 가지로 나눌 수 있다. 또한 고려되는 flow의 범위에 따라 ① bulk MFA, ② modified bulk MFA, ③ SFA(Substance Flow Analysis)로 구분한다[그림 3].
프로세스 중심 MFA(Microscopic)
Tischner and Schmidt-Bleek(1993), Schmidt- Bleek(1994) 등의 Material Intensity per Service unit(MIPS)연구는 Wuppertal institute를 위시하여 독일어권 국가들에서 많이 사용되고 있다. 그 방법론적 근간은 전과정평가(LCA: Life Cycle Assessment)와 비슷한데 환경오염물질과 그에 따른 환경영향을 정량 화하는 대신 물질흐름을 정량화하는데 초점을 두고 있다는 점이 다르다. 결과는 특정 제품 또는 서비스를 생산하는데 소요되는 물질의 총 질량으로 표현된다.
이때 어떠한 mass flow를 고려하는가가 중요한데 예를 들어 TMR(Total Material Requirement)을 사용하는 경우 실제 사용되는 물질의 질량뿐만 아니라 생산을 위해 인위적으로 이동된 물질들의 질량, 예를 들면 광 산에서 생산된 경석 및 overburden까지도 계산에 포 함된다. 정의되는 범위에 따라 고려하는 flow를 정의 할 수 있다(예: Williams et al., 2003; van Berkel, 2005; Ritthof et al., 2002).
Add. Air and Water
Water Vapoar
Exports
DPO DMO
TDO DMI
TMR
Imports
Hidden flow
Domestic Environment Economic Processing
Stock Demostic
Extraction
Demostic Hidden Flows
Demostic Hidden Flows Demostic Processed Outputs (to Air, Land and Water)
그림 2. MFA 기본모형(출처 : WRI(2000)).
Geogra phical scope
MFA (Microscopic)
MFA (Macroseopic) (Mesoscopic)
Top down Bottom up Hybrid
Bulk-MFA SFA
구분,
물질흐름 범위,
데이터 수집, 국가간, 지역 및 산업, 중심,
프로세스, 모든 투입/산출물,
자원 및 에너지 소비 저감, 정책 수립,
모든 투입/산출물,
한가지 물질(Substance)/물질그룹,
한가지 물질/물질그룹, 기업, 산업 및 도시지역 내 특정물질, 흐름 분석 및 대안방안 수립(예, 반월, 시화공단 악취저감 대책 수립)
국가정책 수립(특정유해물질관린), (예, 스웨덴 PVC, 네덜란드 카드뮴, , 서부유럽 염소 연구사례) 국가정책 수립/국가통합지표,
(예, 유럽국가별 MFA 지수 , 비교)
기업, 산업 및 도시지역 자원,, 에너지 및 배출물에 대한 , 물질흐름 규명,
그림 3. MFA 분류.
특·별·기·획(Ⅰ)
지역 중심 MFA(Messoscopic)
특정 지역으로 유입, 유출되는 물질에 초점을 맞춘 다. 특정 지역의 지속가능성, 물질 흐름을 측정하는 것 이 주요 목적이다. 적용되는 indicator는 특정 제품, 특 정 물질, 총 물질량, TMR 등 여러 가지가 쓰일 수 있 다(예: Baccini, 1992; Kytzia, 2003). Baccini and Bader의 경우는 도시 또는 지역의 물질대사(material metabolism)를 바탕으로 특정 지역이 외부와 갖는 물 질 측면의 관계를 중시하고 있다. 산업단지내 물질흐 름분석을 수행할 경우 이 경계에 해당된다.
산업 중심 MFA(Mesoscopic)
Kratena et al.(1990), Kratterl and Kratena(1992), Stahmer et al.(2003) 등은 산업연관표(또는 투입산 출표: input-output table)를 이용하여 산업간 물질흐 름 및 물적 산업구조(physical industrial structure)를 연구하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 연구는 종래 의 가격모델(price model)과 대비되는 수량모델 (quantity model)로써의 산업연관분석이라고 볼 수 도 있고 국가를 경계로 한 MFA 모델을 산업별로 세 분화한 하나의 MFA 방법으로도 볼 수도 있다. 마찬 가지로 적용되는 indicator는 특정 제품, 특정 물질, 총 물질량, TMR 등 여러 가지가 쓰일 수 있다(예:
Moriguchi et al., 2004; Suh, 2004).
국가 간 MFA(Macrolevel)
국가 간 물질흐름을 파악한다. 무역을 통한 산업생 산의 흐름 및 대기 및 수계를 통한 국가 간 오염물질 의 이동 확산에 초점을 맞춘다(예: Moriguchi, et al., 2005; Metthews et al., 2003). Moriguchi 경우 국가 간 자원의 배분, 자원이용의 남북문제를 다루고 있다.
이 밖에도 국가 간 물질 사용량 비교, 자원효율성 비교 와 같은 연구들이 국가 및 지역을 범위로 삼고 있다.
3) MFA 수행절차
MFA는 연구대상, 목적, 수행자, 이해관계자 및 연 구성과 활용 등에 따라 다양한 방법으로 수행된다. 또 한 물질흐름분석을 수행하기 위해선 광범위한 데이터
및 처리작업을 요구한다. 산업단지의 MFA 수행을 위 해 일반적인 수행절차를 [그림 4]에 나타내었다.
연구목적
대상 시스템 내의 자원의 흐름을 분석하는 목적이 이에 해당된다. 이들 연구목적에 따라 대상시스템의 경계, 연구대상 물질, 데이터 수집범주 및 지수산출 방 법이 결정된다. 예로, 대상지역내의 자원의 흐름을 통 한 폐기물관리 정책의 수립을 위한 정보제공을 목적 으로 MFA를 수행하는 경우에는 정책 대상지역의 결 정(시스템경계), 폐기물 발생의 원인이 되는 투입물 인 자원(resource), 원자재(raw material) 및 부자재 (ancillary material)와 산출물인 제품(product), 부산 품(by-product) 및 폐기물을 고려해야 한다.
시스템경계 설정
연구대상 지역 및 시간 등에 대한 범위가 어디인가 를 결정하는 단계이다. 따라서 시스템경계는 국가, 지 역, 도시 및 기업 등이 될 수 있고 시간적 경계는 과거 10년 이후 또는 전년도 및 현재 등으로 표현될 수 있다.
데이터 범주 및 수집
데이터 범주에는 크게 투입물 및 산출물로 구분할 수 있다. 투입물은 일반적으로 자원, 원자재, 부자재 및 에너지로 구분되며, 연구목적에 따라 세분화된다.
산출물은 생산제품, 부산물, 대기 및 수계 배출물과 폐 기물로 구분할 수 있다. 이들 데이터 범주가 결정되면 데이터 설문서를 작성하여 대상 업체의 현장데이터를
목적 및 범위정의,
시스템결정, 물질선택,
시스템경계 결정, 공정선택 및 결정,
제품의 선택 및 결정, 물질흐름결정, 제품 물질수지 검증, 제품내 포함된 물질 결정,
물질수지 검증, 데이터 불확실성 분석,
MFA 지수 산출, 물질흐름 및,
Stock 결정,
만족?
Yes
No
2단계, Eco-effciency 지수도출,
평가 및 해석,
환경성 지수 산출, (eco-effciency) 1단계 , MFA 지수산출,
그림 4. 일반적 MFA 수행절차(Practical Handbook of MFA, 2004).
특·별·기·획(Ⅰ)
수집(bottom up) 또는 관련 문헌 및 통계데이터(top down)를 수집한다.
데이터 분석 및 물질수지 계산
각 대상 업체, 문헌 및 통계자료를 통해 수집된 데 이터는 공정 단위별 투입 및 산출데이터로 가공한다.
또한 전체 또는 단위공정별 물질수지 계산을 토대로 투입 및 산출물에 대한 인과관계를 규명한다. 만약 물 질수지가 기준이하의 결과값을 나타내면 정밀분석을 통해 문제점을 규명하고 다시 재계산한다. 이들 반복 과정을 통해 대상시스템의 물질수지가 계산되고 MFA지수 산출을 위한 토대가 된다.
MFA 지수 산출
물질흐름을 토대로 산정된 지수(indicator)는 환경 에 영향을 주는 사회경제활동의 형태를 규명하고 설 명하는 자료로 이용된다. 이들 지수는 크게 투입, 산출 및 소비지수로 그룹화 될 수 있다. Eurostat(2001)에 서 발간한 각 그룹별 주요지수를 다음 [표 1]에 나타 내었다.
해외사례 연구
현재까지 MFA와 관련한 많은 방법론이 연구 개발
되었고 이들 방법을 통해 산업생태, 환경관리 및 보호, 자원관리 및 폐기물관리 분야에 유용한 정보를 제공 하여 왔다. 최근에는 폐기물관리를 중심으로 경제성을 고려한 자원순환형 사회를 위한 효율적 방안으로 MFA가 적용되고 있다. 이렇듯 MFA는 지금까지 지 속적으로 발전되고 있고 적용분야도 다양화되고 있다.
물질대사와 물질수지에 근거한 MFA를 통해 자원 의 흐름 및 국민경제를 분석하려는 시도는 이미 1960 년대 말에 있었지만(Ayres & Kneese(1969)), 이러 한 시도가 본격적으로 이루어진 것은 1990년대 들어 서이다. 1992년에 오스트리아와 일본에서 국가수준의 물질흐름계정(MFA)을 작성하려는 시도가 최초로 시도되었고, 1995년에는 독일통계청이 물질흐름계정 의 일종인 물질·에너지흐름계정을 공식적으로 발표 하였다. 한편 세계자원연구소(WRI: World Resources Institute)는 선진국 연구소들과의 공동 작 업을 통해 주요 선진국에 대한 물질흐름계정을 비 교·분석한 보고서인 Resource Flows(1997)와 The Weight of Nations(2000)를 발간하여 MFA의 국제 적 표준화에 기여하였다. 나아가 유럽통계국은 2001 년에 국가적 차원의 물질흐름계정에 대한 핸드북인
DMI(Directed Material Input) = Domestic Extraction + Imports TMI(Total Material Inputs) = DMI + Unused Domination Extraction Domestic TMR = TMI - Imports
TMR(Total Material Requirements) = DMI + Imports + Unused Domestic Extraction + Indirected Flow Associated to Imports
DPO(Domestic Processed Output to Nature) = Emission & Waste + Dissipative Use of Product & Losses DMO(Direct Material Output) = DPO + Exports
TDO(Total Domestic Output to Nature) = DPO + Disposal of Unused Domestic Exrtraction TMO(Total Material Output) = TDO + Exports
DMC(Domestic Material Consumption) = DMI - Exports
TMC(Total Material Consumption) = TMR - Exports - Indirect Flow Associated to Exports NAS(Net Addition to Stock) = TMR - TMO
PTB(Physical Trade Balance) = Imports - Exports 표 1. 물질흐름관련 지수 계산방법
투입지수(Input Indicator)
산출지수(Output Indicator)
소비지수(Consumption Indicator)
특·별·기·획(Ⅰ)
‘Economy-wide Material Flow Accounts and Derived Indicators’를 발간하여 표준화된 가이드라인 을 제시하였다. [그림 5]에 국내외 MFA 연구동향을 나타내었고 해외지역 MFA 수행사례를 요약하였다.
1) 비엔나
Daxbeck et al.(1996) 및 Obernosterer et al.(1998) 는 1991년 도시 지역인 비엔나에 대한 MFA를 적용 하였고 적용방법은 기본적으로 Eurostat 가이드라인 을 기초로 하였다. 비엔나 도시 내의 주요 물질흐름 및 축정량을 정량화하고 규명하는 것을 연구목적으로 한다. 또한 비엔나 주변지역인 Hinterland에서 제공하 는 자원의 의존도를 조사하였다. 주요 고려 대상 물질 흐름은 크게 공급(재화의 생산 및 분배), 소비(가정) 및 처분(폐기물 및 폐수 처리)으로 구분하였다. 물질 수지는 비엔나의 시스템경계로 수입 및 수출되는 재 화와 파라미터(탄소, 질소, 납, 철 등)에 대한 자료를 수집하였다.
산출결과 비엔나 각 거주자는 약 150톤의 물, 2톤의 화석연료 및 12~18톤의 건설자재와 소비재를 소비하 고 있었다. 인구당 4~10톤 정도가 건설자재로 축적 되고 있고, 인구당 3톤은 수출로 산출된다. 또한 물질 투입은 같은 해에 폐기물 및 배출물로 산출된다.
Hinterland와 관련한 조사에서는 Hinterland에서 배 출된 탄소의 약 60%가 비엔나의 거주자들의 생활에
영향을 주고, 주로 운송관련 활동에 소비되는 것으로 조사되었다.
2) 스위스 MFA 사례연구
Brunner et al.(1994)과 Hendriks et al.(2000)은 스위스 두 지역에 대한 MFA연구를 수행하였다. 연 구목적은 대상지역에서 생물자원흐름(biophysical flow)의 제어를 위한 가장 효과적인 방법을 규명하는 것이다. 이 연구에서 데이터 수집은 대상 지역 내 기 업 및 가정의 개별 인터뷰를 통해 수집되었다. 지역 MFA연구를 위해 가정, 서비스, 생산, 공공서비스 및 농업의 5가지 주요 공정이 결정되었다. 또한 납 및 인 산염과 같은 단일 파라미터에 중점을 두었다. 생산공 정 부분에서는 지역적 경계 외부에서 투입되는 수입 의 평가는 통계 데이터 수집의 어려움으로 계산 및 추 정방법을 따랐다. 물질수지는 수입 및 폐기물 흐름을 포함한 수출에 한정하여 수행하였고 추가로 내부흐름 이 조사되었다. 이 연구에서는 연구대상 지역의 데이 터 수집이 어려워 모든 공정에 대한 분석을 수행하지 못하였고 따라서 포괄적이고 합리적인 지수산정이 부 족하였다.
3) 아마존 MFA 사례연구
Amann et al.(2002)은 볼리비아, 콜롬비아 및 브 리질 3지역에 대한 MFA 연구를 수행하였다. 이들 연구는 국가차원의 거시적 MFA(bulk MFA) 방법 론을 따르지 않고 주요 투입 및 축정량에 중점을 두어 연구하였다. 따라서 직접물질투입(DMI) 및 총물질요 구(TMR)와 같은 지수는 산정되지 못하였다. 주요 분석대상 물질흐름은 음식소비, 가정 화석연료 소비, 지역 환경계에서 추출된 생물자원, 가정에서 사용된 재화 및 수입된 소비재화이다. 이 연구에서는 분석대 상 그룹, 지역의 특성 및 시스템경계를 각 지역마다 다양하게 결정하였고, 주로 음식 및 소비에너지원의 분석에 중점을 두었다.
(Bulk-MFA)
구분, 국내외 동향,
해외, 과거,
최근,
국내,
1992년 오스트리아 및 일본에서 국가수준의 물질흐름계정(Bulk-MFA), 작성 최초시도,
1995년 독일통계청에 의해 물질·에너지흐름계정 공식발표, 세계자원연구소(WRI)에서 1997년 주요 선진국에 대한 MFA 비교 , 분석발표,
유럽통계국(Eurostat)에서 Bulk-MFA 핸드북 발간, ,2002년부터 2004년까지 독일 및 오스트리아 세 지역내에 지역, MFA 수행 및 산업간 물질흐름 분석,
2004년 4월 21일 OECD에서 MFA의 개발 및 사용을 장려하는 , 권고안 채택,
2004년 6월 헬싱키에서 개최한 OECD 회의에서 MFA관련 Working , 프로그램 결정,
,환경부 2001년 9월 "환경경제통합계정(녹색GDP 도입) 추진 10개년 , 계획(2001~2010)" 수립,
현재 1단계 사업 완료 및 2단계 사업 진행 중,
2005년 10월 환경부 '국가지원순환 기본계획 마련을 위한 연구' 수행 , (MFA 방법론 적용),
그림 5. 국내외 MFA 연구동향.
특·별·기·획(Ⅰ)
4) 오스트리아의 ASTRA 프로젝트
ASTRA는 ‘evaluation of different scenario for waste treatment in Austria’이라는 뜻의 독일 약어 로, 오스트리아에서 폐기물 처리를 위한 최적의 시나 리오를 선택하기 위해 시행된 프로젝트이다. 이 연구 가 수행된 배경은 유기탄소에 대한 규제(2004년부터 적용)로 인해 폐기물의 매립 전 처리가 요구되고, 이 에 따라 연소 가능한 폐기물 처리 및 관리가 필요하게 된었다. 임계 공기 부피 및 폐기물에 포함된 에너지 이용율, 처리과정을 거친 폐기물 부피 감소율, 매립된 폐기물의 총 유기성 탄소 등을 시나리오 평가 방법 및 기준으로 삼아 최적의 시나리오를 도출해내었다. 선 택된 최적의 시나리오에 따르면 소각되는 폐기물의 양이 140%까지 증가했음에도 불구하고 임계 공기 부 피는 43%까지 감소하였으며, 폐기물에 포함된 에너 지 사용 효율은 150%까지 증가하였고, 매립 부지 면 적 또한 80%까지 감소, 매립 잔재물중의 TOC는 3%
이하로 감소하는 등의 결과를 보여주었다.
5) 핀란드
EU 국가들이 보이는 공통적인 특징과 같이 핀란드 역시 1980년에서 2000년까지 천연자원의 국내 추출이 적은 폭으로 증가하거나 감소한 반면, 원료물질과 제 조업 원료의 수입은 크게 증가하였다. 이에 따라 GDP 대비 직접물질투입이 크게 감소하였으며, 폐기물 발 생 동향은 직접 물질 투입 동향을 따르나, GDP의 동 향만큼 증가하지는 않는 것으로 가정되었다. 핀란드 의 경우 폐기물 발생 통계가 이런 가정을 뒷받침하고 있다. 핀란드에서는 핀란드 통계청이 지난 20여 년간 폐기물 관련 데이터를 구축해왔고, 1997년부터는 환 경부가 이 업무를 담당하고 있다. 또한 C&D 관련 데 이터는 1991년부터 종합되어 왔다. 그리고 물질투입 량(DMI)과 잠재적 흐름(HF)데이터 등도 함께 정리 되어 있기 때문에 물질흐름분석을 활용한 분석이 용 이하다. 폐기물정책의 가장 중요한 목표는 폐기물 발 생의 예방이다. 핀란드에서는 해외로부터 많은 자원
을 수입할 필요가 없는 기계, 장비, 무역, 서비스 산업 이 국내총생산에서 점차적으로 큰 부분을 차지해 오면 서 경제규모는 꾸준히 성장했지만 물질투입량(DMI) 는 오히려 감소하는 디커플링 현상이 유도되었다.
이상에서 살펴본 MFA의 특징과 의미를 종합하면 다음과 같다.
MFA는 경제시스템과 타시스템 그리고 시스템 내부의 물질흐름을 보여줌으로써 경제활동의 물 적 성격을 이해할 수 있게 해준다.
MFA는 물적흐름에 대한 정보만이 아니라 국가 단위에서 기업단위에 이르기까지 지속가능성과 관련된 다양한 지표들(MFA 지수)을 제공한다.
MFA는 경제활동의 물적 관계에 기초하여 경제 활동이 자연환경에 주는 잠재적 혹은 실제적인 부담을 분석할 수 있게 해준다.
MFA의 정보와 지표는 정책과정에 다양하게 활 용될 수 있으며, 정책시행 이후에는 정책결과의 모니터링에도 활용될 수 있다.
물론 MFA가 지닌 약점, 이를테면 이론상 물리적 단위가 갖는 한계에서 방법론상의 미정립과 각 통계 데이터 간의 호환성 및 부재와 같은 데이터 질의 문제 등은 여전히 해결해야 될 과제이다. 그러나 아직 ‘초 기단계의 도구(young tool)’라는 점, 그 동안 자연환 경이나 자원에 대한 자료미비가 지속가능성문제의 대 처에 장애로 작용하고 있다는 점을 감안한다면 경제 활동과 연관하여 제시되는 물적 정보 그리고 이에 기 초한 다양한 지표와 정책 활용의 잠재력은 매우 높다 고 할 수 있다.
사사
본 조사는 산업자원부 지원 청정생산기술개발사업 생태산업단지구축사업의 일환으로 수행되었으며 자 료제공과 자문을 통해 지원한 ㈜에코아이에 고마움을 전합니다.
특·별·기·획(Ⅱ)
이산화탄소 전환의 필요성
교토의정서에 따르면 기후변화협약 체결 국가들은 2008~2012년의 기간 중 자국 내 온실가스 배출총량 을 1990년대 수준대비 평균 5.2% 감축해야 함에도 불 구하고 국내의 온실가스 총 배출량은 1990년에 84,738 천TC(Ton of Carbon Equivalent：탄소환산톤), 2001년에 148,038천TC를 배출하여 연평균 5.2%의 증가율을 기록하고 있으며 특히, 온실가스배출량의 대부분을 차지하는 이산화탄소는 1990년 이후 연평균 5.8% 증가하였으면 2001년 131,178천TC가 배출되어 총 배출량의 89%를 차지하고 있다. 이산화탄소 배출 의 부문별 추이를 살펴보면 2001년 현재 산업 부분에 서 41.9%로 가장 높은 배출량을 기록하고 있으며 한 국은 주요국가 중 1인당 이산화탄소 배출량 6위로 일 본, 영국, 이탈리아, 프랑스 등을 앞지르고 있는 상황 이다. 이러한 상황에서 교토 의정서가 발효되고 우리 나라에 대한 의무감축부담이 현실화될 경우 경제의 근간인 철강, 석유화학 등 에너지 다소비형 소재산업 이 온실가스 배출저감으로 인하여 경쟁력이 약화될 우려가 있다. 이러한 문제에 대응하기 위하여 국내뿐 만이 아니라 국제적으로도 이산화탄소 배출저감을 위 한 대책으로 정책적 대응과 기술적 대응 방안을 병행 하여 시행하고 있으며 특히 C1 화학에 대한 연구가 활발히 진행되고 있어 이산화탄소를 이용하여 합성가 스, 메탄, 에틸렌, 메탄올, 폴리카보네이트 등을 합성 하는 연구가 진행되고 있다.
최근 국내외에서 각광 받고 있는 산업단지내의 부 산물 절감을 위한 생태산업단지(이하 EIP:Eco- Industrial Park) 사업은 한 사업장에서 발생하는 부
산물을 제2의 사업장에서 원료물질로 재활용할 수 있 도록 사업장 간의 부산물 네트워크를 구축하는 사업 이다. 이산화탄소를 EIP 사업의 대상물질로 선정하여 재활용 할 수 있도록 석유화학산업에서 이산화탄소가 대량으로 발생하는 공정에 대해 소개하고 발생되는 고순도 혹은 저순도의 이산화탄소를 원료물질로 재활 용할 수 있는 방안에 대해 알아본다. 또한 이러한 이 산화탄소 고정화 혹은 재활용 기술에 대한 국내외 연 구결과 등을 소개하며 앞으로 사업성을 높이기 위하 여 필요한 기술 등에 대해 논의하고자 한다.
고순도 이산화탄소의 발생 공정
화석 연료의 연소에 의해 발생하는 저순도의 이산 화탄소는 분리, 정제하는데 추가의 비용이 들기 때문 에 현재의 기술로는 원료물질로의 활용이 어렵다. 반 면에 화석 연료의 연소 이외에 화학반응을 통하여 부 산물로 발생하는 이산화탄소를 분리공정을 거쳐 최종 제품과 분리할 경우 고순도의 이산화탄소를 얻을 수 있어 원료물질로의 활용 가능성이 높다하겠다.
수소 및 암모니아 합성 공정의 경우 천연가스와 LPG(Liquefied Petroleum Gas), 나프타를 합성가스 (수소/일산화탄소/이산화탄소 혼합가스)로 변환하는 수증기 개질 반응을 포함하고 있다. 증기 개질 방법은 아연 산화물을 통한 황 제거, 천연가스의 개질 반응, 수성가스 반응 등으로 이루어진다. 증기가 천연가스 와 혼합되어 예열되며 이를 원통형 개질기에 주입시 킨다. 탄화수소에서 수소, 일산화탄소, 이산화탄소로 의 전환은 니켈 계열의 촉매상에서 이루어진다. 수성 가스 전환 반응은 일산화탄소와 수증기가 반응하여 송인협·박제훈·임영섭·한종훈
서울대학교 화학생물공학부, {perrys1, pjh7891, s98thesb, chhan}@snu.ac.kr
특·별·기·획(Ⅱ)
이산화탄소와 수소를 생산하는 것으로 발생한 혼합가 스는 PSA(Pressure Swing Adsorption)에서 95%
이상의 수소 흐름과 이산화탄소 과량의 가스로 나누 어진다. 이 과정에서 발생하는 이산화탄소는 순도가 높은 편이다.
Ethylene Glycol(EG) 제조 공정에서도 다량의 고 순도 이산화탄소가 발생한다. 에틸렌을 선택적으로 산화시켜 Ethylene Oxide(EO)를 제조할 수 있는데 현재 상업적으로 이용하고 있는 은 기반 촉매는 선택 도가 80% 정도이므로 기타 비선택적 산화에서 이산 화탄소가 발생한다. 필요한 제품인 EO를 얻기 위하여 분리공정을 거치고 난 후 순도 99% 이상의 이산화탄 소가 부산물로 발생한다.
또한 산업공정에서 발생한 산성 폐수를 중화시키는 공정에서 산과 탄산칼슘이 반응하여 이산화탄소가 대 량으로 발생한다.
이산화탄소의 원료물질 전환
대부분의 화석연료가 연소하여 이산화탄소가 되는 것에서 짐작할 수 있듯이 이산화탄소는 열역학적으로 상당히 안정적인 물질이다. [표 1]에 제시한 몇 가지 일반적인 화합물의 Gibbs Free Energy를 보면 이산 화탄소를 반응물로 이용하여 새로운 물질을 얻기 위 해서는 상당한 에너지가 필요함을 알 수 있다.
촉매반응을 통해 이산화탄소를 화학적으로 전환 가 능한 주요 몇 가지 화합물들을 제시하면 다음과 같다.
메탄은 이산화탄소와 수소를 반응시켜서 얻을 수 있다. 다양한 금속촉매가 이용가능하며 세라믹 화이 버 상에서Ni-La2O3-Ru 촉매를 이용하는 것이 빠르 고 효율적인 것으로 알려져 있다.
합성가스는 기본적으로 수소와 일산화탄소의 혼합 물로써 천연가스, 석탄, 바이오매스 및 석유 유도 코크 와 같은 환경오염물질로부터 생산되어 화학원료와 에 너지의 대체원료를 제조하는 친환경 공법을 제공한다.
메탄올/디메틸에테르 등 각종 액체연료를 만드는 원 료로서 사용되며 기타 물질 생성공정 중 많은 공정이
반응 중간과정으로 CO/CO2/H2가 섞인 합성가스 제 조 공정을 포함하고 있다. 현재 합성가스는 수증기 개 질공정을 통하여 합성되나 이산화탄소의 개질을 통한 이산화탄소 개질(DMR：Dry Methane Reforming) 이나 이산화탄소의 역수성가스변환 반응을 통하여 합 성이 가능하다.
메탄올/디메틸에테르(DME)는 가장 간단한 에테 르 형태인 CH3OCH3의 분자구조로 이루어졌으며, 온 화한 조건하에서 액체로 존재하는 화학물질이다. 현재 연료로 사용되고 있는 디젤, LPG, 가솔린, 천연가스와 DME의 연소의 경우, 지구온난화에 영향에 미치는 배 출 가스를 상대적으로 비교해 보면 DME 연료가 다른 연료에 비해 지구환경 보전에 더 적합한 것으로 밝혀 졌다. 상업화된 DME 제조 공정은 메탄의 개질, 메탄 올 합성, 그리고 메탄올의 탈수반응의 3단계 반응공정 으로 되어 있어 DME의 생성단가가 높은 반면 합성가 스로부터 DME를 직접 합성하는 방법은 이러한 상용 공정에 비해 경제성이 높다는 장점을 가지고 있다.
이산화탄소를 이용한 탄화수소(-CHn-)의 합성은 화력발전 등으로부터 주로 배출되는 이산화탄소를 농 축, 분리, 회수한 다음 이를 접촉 수소화하여 메탄올, 에탄올 등의 함산소화합물로 변환하고, 이것을 보다 고성능 탄화수소계 연료 또는 고가치 화합물 원료로
Acetylene C2H2(g) +209
Benzene C6H6(g)+130 +130
Methane CH4(g) -51
Carbon Mono-oxide CO(g) -137
Methanol CH3OH(g) -162
H2O(ℓ) -237
Acetic Acid CH3COOH(ℓ) -374 Carbon Dioxide CO2(g) -394 Dimethyl Carbonate DMC(s) -492 Silicon dioxide SiO2(s) -805 Calcium Carbonate CaCO3(s) -1129 표 1. Free Energy of Formation for CO2 & Other Chemicals
∆G。298(kJ/mole)
특·별·기·획(Ⅱ)
변환하려는 노력이다. 이산화탄소로부터 특정 범위의 탄화수소를 선택적으로 합성하여 액화천연가스 (C2~C4)혹은 가솔린(C5+)을 얻는다면 이산화탄소 의 순환 싸이클에 도움을 주고자 하는 환경 보전의 측 면은 물론 생성물의 부가가치를 높이는 공업경제성의 측면에서도 유리한 기술이 될 것이다.
디메틸카보네이트(이하 DMC)의 경우 환경문제가 대두되면서 포스겐(Phosgene, COCl2) 사용에 대한 우려가 커지고 있다. 포스겐으로부터 합성된 경우 이 산화탄소를 근원으로 합성한 것에 비해 환경에 미치 는 악영향이 4배가 넘는다. DMC는 용매나 자동차 연 료 옥탄 부스터 등으로 이용된다. 이산화탄소를 이용 하여 합성할 경우 주로 에스테르 교환법이나 메탄올 산화법을 이용해서 생산한다.
이러한 이산화탄소의 촉매를 이용한 화학적 전환 연구는 탄화수소를 환원제로 사용한 합성가스 제조 즉, 이산화탄소 개질 반응을 제외하고는 수소를 환원 제로 접촉 수소화에 의한 메탄올, 탄화수소류, 디메틸 에테르 등의 화합물 제조가 주류를 이루고 있다. 그 동안 이산화탄소 수소화 공정에 많은 연구가 진행되 어 왔던 것은 수소가 이산화탄소 환원에 가장 좋은 환 원제였기 때문이다. 그러나 접촉 수소화에 의한 이산 화탄소 전환 방법들은 값비싼 수소를 환원제로 사용 하기 때문에 경제성을 맞추기가 어려운 것이 사실이 다. 이러한 이유 때문에 1990년대 후반부터 이 분야 연구에 대한 관심이 크게 감소하게 되었으며 이에 대 한 대안으로서 이산화탄소를 산화제로 사용하는 방법 이 새롭게 등장하였다. 이산화탄소는 산소처럼 강하 지는 않지만 수증기처럼 약한 산화력을 갖기 때문에 이러한 특성이 산화제 활용으로서의 가능성을 뒷받침 해주고 있다.
현재 상업적으로 가장 널리 사용되고 있는 에틸벤 젠 탈수소에 의한 스티렌 모노머 제조공정은 수증기 를 희석제로 사용하는 전형적인 에너지 소모성 공정 으로 과량의 수증기 사용에 의한 에너지 손실이 심각 하여 원가의 10% 가까이 차지하고 있다. 또한 흡열
공정으로 열역학적인 제한에 의한 평형 전환률이 제 한되어 600~660℃의 고온에 운전되고 있어 반응기 균열의 위험성이 문제가 되고 있다.
수증기 대신 이산화탄소 산화제의 에틸벤젠 탈수소 공정에의 적용은 에너지 절약형 탈수소 공정의 창출 을 가능하게 하며, 평형제한을 개선하고 이산화탄소 화학적 활용에 값비싼 수소를 사용하는 대신 이산화 탄소 자신이 산화제로 자원화되는 장점을 갖는다.
이산화탄소를 이용한 합성가스 제조
이산화탄소로부터 유도된 다양한 화합물 중에서 그 사용처가 가장 다양한 물질인 합성가스의 제조에 대 해 자세히 알아보면, 이산화탄소를 이용한 합성가스 는 H2, CO, 이산화탄소 그리고 H2O로 이루어져 있는 데 이 합성가스는 부탄올 합성공정과 같은 CO 또는 CO+H2를 필요로 하는 공정의 원료로 이용된다.
1) 이산화탄소 개질
경질의 탄화수소와 이산화탄소를 원료로 하여 합성 가스를 만드는 공정으로 이산화탄소를 원료로 재활용 할 수 있다는 측면에서 연구가 진행되고 있는 방법이 다. 또한 이산화탄소와 경질의 탄화수소를 이용하기 때문에 원료의 가격이 싸다는 장점이 있다. 원료로 사 용되는 탄화수소는 천연가스 또는 메탄 등이 사용되 는데 메탄을 원료로 사용하는 경우 기존의 수증기 개 질(steam reforming)과 반대되는 개념이다.
CO2/CH4개질 반응의 열역학적 분석에 따르면, 상 업적 관심이 있는 폭넓은 반응조건에서 반응기 내의 coking의 가능성이 항상 존재 한다. CO2/CH4와 수증 기/CH4반응이 동시에 일어날 수 있도록 하는 기술이 개발되기는 하였지만, 현재까지 상업적 응용의 주목 은 받지 못하고 있다. 지금에는 1:1의 H2:CO 비를 가 지는 합성가스로부터 화학물질과 연료를 생산하는 C1-화학에서 새로운 관심을 보이고 있다. 수증기 /CH4 개질반응 없이, CO2/CH4반응을 일으키게 되 면 태양에너지 같은 신재생에너지의 전달과 열역학적
특·별·기·획(Ⅱ)
저장을 위한 대체 화학반응으로서의 장점들이 있으며 따라서, 미래에는 점차 중요한 상업적 반응이 될 가능 성이 있다. 적절한 지지체에 환원상태로 담지된 VIII 그룹 금속들이 이 반응에 효과적인 것으로 나타났다.
로듐이 가장 적합한 촉매로 등장하였으나 상대적인 재료 비용을 고려하면, 니켈 촉매가 가장 유리하다 하 겠다. 후자 촉매의 개발에 있어 강조되는 점은 실제 반응조건에서의 무탄소 생성 조작이 가능한 촉매를 개발하는 것인데 지금까지 조사된 다양한 지지체 중 알루미나와 마그네시아 혹은 이들의 조합으로 이루어 진 지지체가 가장 유망하다. 반응기구 분석에 의하면, CH4로부터 C를 포함하는 CHx 잔류물로 해리시키고, 동시에 이산화탄소를 활성화하여 CO와 촉매표면에 흡착된 산소종을 생성시키는 금속-지지체 조합의 촉 매가 효과적이다. 여기에 생성된 산소종은 CHx와 C 의 CO 전환에 소모된다.
또한 위 반응에서 볼 수 있듯이 이산화탄소가 직접 반응하여 H2/CO2의 비율이 1:1인 합성가스를 생산한 다. 기타 DMR을 대체할 수 있는 방법들에 비해 H2/CO2의 비율이 매우 낮은 특징을 갖는데 이러한 합성가스는 산화처리 생산공정(oxo synthesis)의 원 료로 적합하다. 그러나 대부분의 CO를 원료로 이용하 는 공정들은 높은 농도의 H2를 원료로 같이 필요로 하기 때문에 DMR을 상업적으로 이용하기 위해선 H2/CO2의 비율을 맞춰주기 위한 촉매의 개발과 최적 화가 필요하다.
2) 역수성가스변환(RWGS：Reverse Water-Gas Shift) 이산화탄소를 재활용하기 위한 기존 DMR 방법은 공정 효율이 매우 떨어지기 때문에 이를 극복하기 위 하여 이산화탄소와 수소를 반응시켜 CO 합성가스를 만드는 역수성 반응이 연구되고 있다.
이 반응은 현재까지 상업적으로 개발된 바 없는 공 정으로 이산화탄소를 저감시키려는 특수한 목적으로 개발되었으며 고에너지 형태인 수소가 반응의 원료로 첨가되는 독특한 반응으로 수소가 원료로 사용되기
때문에 부산물로 수소가 생산되거나 값싸게 공급받을 수 있어야 한다. 상기 반응은 열역학 평형에 지배를 받는 흡열반응이며 400℃에서 평형상수가 0.1 정도에 불과하고 400℃ 이상의 온도에서도 그 값이 한자리에 그치기 때문에 정반응이 진행되기가 매우 어렵다. 결 론적으로 충분한 반응성을 가지기 위해서는 500℃ 이 상의 고온에서 작동되어야 하고, 따라서 그 이상의 온 도에서도 안정적으로 작동하는 촉매를 필요로 한다.
역수성가스 반응은 수성가스반응과 비교해 볼 때 고온에서 반응이 이루어지고 강한 환원분위기(이산화 탄소의 전환율을 올리기 위해 과량의 H2를 사용)에서 진행되기 때문에 촉매의 안정성이 크게 달라진다. 이 로 인해, 촉매의 중심 금속 산화물이 환원되고, 이렇게 환원된 금속 표면에서 과량의 탄소 침적이 일어나게 되어 촉매의 수명이 급격하게 감소되는 현상을 보인 다. 그러므로 역수성가스 반응공정 개발에서 가장 시 급한 부분은 고온 및 강한 환원 분위기에서 안정성을 가지는 고효율 촉매를 개발하는 것이다.
이산화탄소 전환 공정의 연구 및 상용화 사례 전술한 바와 같이 이산화탄소의 열역학적 안정성 때문에 이산화탄소를 원료물질로 전환하는 데는 높은 에너지 비용이 소모되며, 수소를 이용한 이산화탄소 의 환원의 경우 수소의 가격 상승으로 추가비용이 투 입된다는 단점을 가지고 있다. 그러나 2013년부터 시 작되는 교토의정서의 제2차 공약기간부터 이산화탄소 배출 규제에 따른 탄소세 부과가 현실화될 경우 충분 한 경제성을 갖게 될 것이다.
1) 국내사례
한국과학기술연구원(KIST)에서 수소화에 의한 메 탄올 및 DME합성연구가 진행되었고, 한국에너지기 술연구원(KIER) 역시 합성가스 개질 후 수소화를 거 치는 2단계 반응을 통해 DME제조공정을 연구하였 다. 이 연구결과를 토대로 KIST/KIER/삼성엔지니 어링/한국가스공사(KOGAS)/두합크린텍이 협의하
특·별·기·획(Ⅱ)
여 한국가스공사 인천LNG기지 내에 자체 연구개발 촉매(KRICT-19,39)를 이용한 50kg/day의 DME를 제조할 수 있는 파일럿 플랜트를 건설, 운영하여 한국 가스공사 연구개발원에서 2003년 과학기술부로 보고 서를 제출한 바 있다.
KAIST에서는 FTS 경유법을 이용한 탄화수소제 조를 위하여 촉매반응공정에 필요한 촉매 기초연구를 진행하였으며 현대석유화학에서는 80% 탄화수소 선 택성 촉매공정을 실험실 규모로 개발하였다. 또한 KIST에서는 에스테르 교환법을 이용하여 DMC를 합 성하는 연구를 실험실 규모로 연구를 진행하였다.
에틸벤젠탈수소화를 이용한 스티렌 모노머 제조에 대하여 한국화학연구원(KRICT), KAIST, 포항공대, KIST, KIER 등 국내 여러 기관에서 연구 중이다.
KIER는 스티렌 모노머 250kg/day 파일럿 플랜트를, KRICT와 삼성토탈은 100kg/day 파일럿 플랜트를 건설 중이다.
2) 국외사례
일본 RITE 연구소에서 직접전환방식으로 메탄올 및 DME를 50kg/day 제조하는 파일럿 플랜트를 설 치하여 운전한바 있으며 일본 오사카 국립연구소 및 교토 대학에서 메탄올 경유법을 이용한 탄화수소 제 조를 연구했으나 C2~4가 주로 생성되어 부가가치는 낮은 것으로 알려졌다. 일본 자원환경연구소 및 미쯔 비시 케미칼 등에서 에틸벤젠탈수소화를 이용한 스티 렌 모노머 제조에 대한 촉매 제조 및 상업화 연구가 진행 중이며 기타 여러 나라에서 연구 중이라고 알려 져 있다.
유럽 및 미국의 경우 독일 Karlsruhe 대학에서 FTS경유제조법을 이용하여 Fe/Cu/K/Al2O3촉매사 용공정을 개발 중이며, 미국 EXXON에서도 FTS 경 유제조법을 이용하는 촉매공정을 개발 중이다.
상업화된 공정으로는 DMC 제조의 경우 일본은 연 간 3,000톤을 생산하는 공정을 이미 상업화하였으며, 프랑스(SNPE) 및 이탈리아(메탄올 산화법 이용) 역
시 DMC 공정을 상업화하였다. 또한 독일 Bayer 사 에서도 상업화 중으로 알려져 있다. 합성가스 제조 공 정으로는 일본 치요다 사가 소량의 수증기를 투입하 는 메탄 개질공정을 상용화하였으며 독일의 Caloric 사에서도 메탄 개질 공정을 개발하였으나 경제성 문 제 때문에 생산량에 한계가 있다.
이산화탄소를 원료물질로 사용하여 최종제품으로 폴리카보네이트를 생산하는 non-phosgene PC공정 이 일본의 아사히-케세이 케미컬에서 2002년 6월부터 상용화되었다. [그림 1]에서 알 수 있듯이 EG 제조 공정에서 발생하는 고순도의 이산화탄소를 원료 물질 로 재활용하여 폴리카보네이트를 생산하는 공정으로 기존에 운전 중인 EG 제조 공정에 설비를 추가하는 방식이다. 현재 국내 기업 중 삼성토탈과 호남석유화 학에서 이 공정을 도입하여 폴리카보네이트를 생산할 계획에 있다.
이산화탄소의 재순환
이산화탄소를 이용한 원료물질의 전환은 원유와 수 소, 생성되는 물질의 단가, 이산화탄소 배출에 따른 규 제 등 복잡한 외부적 요인에 의하여 결정된다. 예를 들어 역수성가스변환 반응의 경우 수소의 단가가 높 을 경우 경제성을 기대하기 어렵기 때문에 DMR이 경제성이 높아지게 되며 이산화탄소를 환원제로 사용 하는 스티렌 모노머 제조가 유리해질 수 있다.
고순도 이산화탄소의 발생량 또한 수소 플랜트의 설치를 위한 수증기 개질기 설치가 증대할 경우 증가 할 것으로 기대되어 원료물질로서의 공급량은 충분해 질 수 있다. 그러나 이산화탄소를 원료물질로 활용하 여 대기 중으로의 배출량을 획기적으로 감소시키기
EG
EC
DMC
MeOH
PhOH PC
DPC Bis-A EO
CO2
: Raw Material : Intermediate : Product
그림 1. 이산화탄소를 이용한 non-phosgene PC 제조법.
특·별·기·획(Ⅲ)
위해서는 이산화탄소를 분리/포집하는 분리기술의 개 발이 절실히 요구된다. 발생한 이산화탄소를 저장하 는데 소요되는 비용과 원료물질로 전환하는데 필요한 비용을 종합적으로 고려하여 그 경제성을 고려할 필 요가 있다.
각 사업장 간의 이산화탄소 재순환 네트워크는 현재
국내외적으로 전무한 현실로 적절한 촉매와 분리공정 의 개발이 관건이다. 이산화탄소를 이용한 폴리카보네 이트 제조 공정은 기업간의 부산물 순환이라는 EIP사 업의 취지와는 부합하지 않으나 국내에서 시도되고 있 는 유일한 이산화탄소 재활용 사업이라 하겠다.
포항공단 개요
포항공단은 약 2천만m2의 부지에 230여 업체가 입 주해 있는 철강산업단지로서 포스코를 비롯한 5개의 단지(1, 2, 3단지·청림단지·농공단지)로 이루어져 있으며, 산업부산물은 우리나라 전체의 약 60%, 에너 지는 약 3%를 배출 혹은 사용하는 거대 국가산업단 지이다. 포항공단은 철강업을 중심으로 철강 생산에 필요한 원료, 부원료 및 조업 자재를 공급하거나 철강 재 또는 부산물을 원료로 하여 제품을 생산하는 금속 산업, 세라믹산업, 화학산업 등 다양한 제조 업종이 주 류를 이루고 있다. 이러한 철강제조업 중심의 산업 활 동은 제품생산과 함께 대량의 원료와 제품을 가공하 는 공정에서 오염물질, 부산물, 폐열 등의 발생시키게 되는데, 개별 기업에서 이러한 문제점을 줄이고 해결 하는 데는 한계가 있다. 따라서 기업 간 재활용 네트 워크를 구축함으로써 자원 및 에너지 이용 효율을 극 대화시켜 생산비용을 최소화하고, 폐기물 및 용수 등 의 재활용을 통한 오염물질의 원천적 감소와 환경부 하를 억제할 수 있는 친환경적 생태산업단지(EIP)의 조성은 포항공단과 같은 다량의 에너지와 공업용수를 사용하고 부산물을 발생시키는 공단을 지속가능한 공
단으로 발전시키기 위해 필수적이라 하겠다.
포항공단은 포스코를 중심으로한 철강제품 생산 및 2차 가공업체가 이미 상당한 수준으로 먹이 사슬 형태 의 부산물 순환시스템이 갖추어져 있다. 포항공단에서 는 우리나라 전체 에너지 사용량의 약 3% 정도를 사 용하고 있는 바 에너지 절감이 가장 중요한 이슈 중의 하나이다. 포항 EIP사업에서는 핵심추진방향의 하나 로서 철강/소재 및 에너지 중심으로 공단이 필요로 하 는 사업내용에 역량과 자원을 집중하고 있다.
본 고에서는 철강단지의 에너지절약과 관련한 포항 EIP 사업내용을 간략히 소개하고자 한다.
철강공단 에너지현황
포항 철강공단에는 일관제철공정인 포스코와 전기 로 메이커인 현대제철을 중심으로 철강제품 가공 및 이와 관련한 여러 가지 제품들을 생산하는 업체들로 구성되어 있다. 철강공단 내 입주 업체들의 에너지 사 용 현황을 살펴보면, 포스코가 국가 전체에너지의 3%
이상을 차지하는 많은 양의 에너지를 사용하고 있으 며, 그 다음으로 전력을 많이 사용하는 현대제철, 동국 제강 등이 있다.
- EIP
문승재*,**·조길원*,***·전희동*,***
*포항생태산업단지구축사업단, **(주)알씨씨, ***포항산업과학연구원(RIST) sjmoon@rcc-posco.co.kr, kwcho@rist.re.kr, hdchun@rist.re.kr
특·별·기·획(Ⅲ)
포항 철강공단 내 입주업체들의 에너지 사용량은 포스코를 제외하고는 전력과 석유류, 도시 가스류를 주로 사용하고 있으며, 환경규제 강화 등에 의해 석유 류가 점차적으로 줄어드는 반면 도시 가스류 사용은 증가하고 있어 에너지 비용은 상대적으로 증가 추세 에 있다. 포항철강공단은 대부분 자체 보일러를 가동 하여 증기를 생산하고 있는 상태로서 경제성 있는 증 기의 안정적 공급이 가능하다면 대부분의 회사에서 공급증기의 수용을 희망하고 있다. 비료 제품이나 슬 래그를 이용하여 고형화 제품을 만드는 업체에서는 연료를 연소시켜 열풍을 만들어서 제품을 건조시키는 데 인근지역의 고온 연소가스 등의 배열이 있으면 이 의 이용을 희망하고 있는 상태이다.
일관제철공정은 투입되는 석탄이 고로, 코크스, 전 로공정에서 반응하는 과정에서 발생하는 부생가스가 각 공정의 열원으로 활용되어지고, 나머지는 발전소 로 보내져 발전용 보일러에서 전력과 추기증기를 생 산하고 있다. 또한, 선철을 제조하는 고로공정이나 제 조된 선철을 정련하는 제강공정에서 다량의 산소가 필요로 하여 이를 충당하기 위한 자체 산소공장을 운 영하는 등 다양한 종류의 2차 변환에너지를 사용하고 있다. 아울러, 제철공정은 업종의 특성상 전후공정 간 에 가열과 냉각이 반복되어지면서 고온을 다루는 공 정이 많기 때문에 공정별로 발생되고 있는 많은 배열 (투입열량의 약 40%)을 회수하여 이용하기 위한 지 속적인 노력을 경주하고 있다. 대부분의 공정에서 연 소설비가 사용되기 때문에 가열로나 열처리로 등에서 는 연소가스를 자체공정의 연소용공기를 예열하여 사 용한 이후에도 일부 요로에서는 약 200~450℃ 정도 의 배가스가 대기 중으로 배출되어, 비교적 많은 현열 을 보유한 상태로 배출되고 있다. 제철소에는 기술적 으로나 경제적인 측면에서 저압증기를 생산할 수 있는 이러한 배열원이 다수 존재하고 있으나, 증기 수급상 잉여문제 및 이용처의 제약으로 추가적인 증기의 회수 이용이 곤란한 실정이다. 따라서 배열의 타 용도 이용, 증기 및 전기로의 변환 이용 등이 고려되고 있다.
한편, 청림지역에 위치한 동양제철화학에서는 카본 블랙의 생산과정에서 발생하는 부생가스와 생산공정 에서 발생되는 발열반응열을 이용하여 증기를 생산하 여 이용하고, 잉여분은 발전을 하고 있는데 경제성 증 대를 위한 부생연료 및 부생증기의 이용방안이 검토 되고 있다. 현대제철 등의 전기로 업체는 사용에너지 의 대부분이 전력으로서 전기로의 효율 향상이 에너 지 효율을 높일 수 있는 주된 방안이지만, 전기로 공 정 이외의 압연 가열로 설비에서 발생하는 폐열을 회 수하여 이용하는 방안도 고려될 수 있다. 가열로에서 발생하는 폐열을 자체적으로 회수하여 이용하는 방안 이 가장 경제적이지만, 중저온 영역의 폐열을 자체적 으로 이용하기에는 기술적, 사용처 제약 등에 의해 어 려움이 있으므로 이러한 가열로 배가스 현열을 공단 내 인접한 타 사업체에 직접 또는 간접적인 회수에 의 해 공급하는 방안이 검토되어질 수 있다.
포항공단 에너지 재이용 사례 1) 잉여 증기의 활용
포항 철강공단에서는 현재 일부 업체 간에 에너지 의 공동이용이 이루어지고 있다. 즉 포항제철소에서 현대제철로, 그리고 동양제철화학에서 포스렉으로 배 관을 통하여 증기를 공급하고 있다. 포스코에서 현대 제철로는 연간 38,000톤, 동양제철화학에서 포스렉으 로는 연간 약 18,000톤의 증기가 공급되고 있다. 또한, 동양제철화학에서는 시간당 50톤 이상의 증기를 외부 로 공급할 수 있는 여력이 있어서 잉여 증기를 활용하 기 위한 다각적인 방안을 검토중에 있다.
2) 지역난방용 온수공급
포항제철소에서는 소결광 냉각기에서 나오는 약 300℃의 폐열을 이용하여 온수를 제조하여 포스코 주 택단지 등의 난방용 열원으로 활용하고 있다. 공급용 량은 최대 50Gcal/h이다. 제철소로부터 약 8km 떨어 진 주택단지의 난방용으로 열을 공급함으로서 주택단 지의 기존 보일러에서 사용하던 도시가스나 경유, B-
