[스케일업] 케이파워 [2] 국민대 “바이오매스 산업 확산을 함께합니다”

권명관 입력 2023. 2. 7. 18:18
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[스케일업 x SBA] 스케일업팀이 서울산업진흥원(SBA)과 함께 ‘2022년 하반기 스케일업 프로그램’을 진행합니다. 스케일업팀은 이번 프로그램에 참여하는 각각의 스타트업이 현재 진행하고 있는 사업 전반에 대해 소개하고, 다음 단계로 나아가기 위해 도전하고 있는 문제를 해결할 수 있도록 각자의 전문 영역에서 활동하는 여러 전문가를 연결해 도움을 드리고자 합니다.

[IT동아 권명관 기자] 케이파워는 바이오매스 연료 기반의 산업용 스팀 보일러(이하 산업용 보일러)를 연구개발하고 생산하는 제조 스타트업입니다. 산업용 보일러는 일반 가정에서 사용하는 가정용 보일러와 크기와 규모부터 다른데요. 흔히 물을 끊이는 연소로 뒤에 있는 물탱크 용량에 따라 ‘5톤 또는 10톤 산업용 보일러’ 등으로 구분합니다.

산업용 보일러는 5톤, 10톤 규모에 이르는 대용량의 물을 끓여 스팀으로 만듭니다. 이렇게 만든 스팀은 신발 공장, 제직 공장, 타일 공장, 식품/의류 공장 등 다양한 산업 영역에서 사용하는데요. 특히, 제조 영역에서 빠질 수 없는 과정이죠. 하지만, 문제가 있습니다. 물을 끓이기 위해 사용하는 석탄, 석유와 같은 화석연료의 비용이죠. 요즘 같은 고유가 시대에 비용 부담은 더해집니다.

또한, 화석연료를 태우는 과정에서 발생하는 탄소 배출도 무시할 수 없습니다. 화석 연료를 태울 때 발생하는 온실가스, 미세먼지, 오염수 등의 유해 물질은 환경을 파괴하는 주요 원인이죠. 전 세계가 탄소 절감을 목표로 석탄, 석유 등 화석연료의 사용을 자제하고 있기에 산업용 보일러도 이 같은 제재에서 자유롭지 못합니다.

케이파워는 여기에 집중했습니다. 석탄, 석유 대신 친환경 연료(바이오매스)를 사용하는 산업용 보일러를 개발했죠. 벼의 겉껍질인 '왕겨'를 펠릿 형태로 만든 고체연료를 사용하고, 기존 화석연료와 비교해 문제 없는 열 효율 전달을 위한 연소로를 개발했습니다. 화석연료 대비 저렴하며, 왕겨뿐만 아니라, 산을 벌목한 뒤 나오는 부산물을 활용할 수 있도록 준비도 마쳤죠.

케이파워 산업용 보일러 특징, 출처: 케이파워

또한, 화석연료 대신 사용하는 바이오매스 고체연료를 통해 탄소 배출 절감도 증명했습니다. 지난 2021년 11월 UNFCCC(유엔기후변화협약) 사무국에 CDM(Clean Development Mechanism, 청정개발체제) 외부 사업 PoA 등록을 성공, 탄소배출권도 확보했죠. 이러한 장점을 바탕으로 케이파워는 화석연료를 사용하는 산업용 보일러를 대체할 수 있다고 자신합니다.

그리고 최근 케이파워는 국민대학교(이하 국민대)와 탄소중립, 탄소네거티브 산학협력 선도모델의 창출ㆍ확산을 위한 업무협약(MOU)을 체결했습니다. 케이파워는 이번 협약을 바탕으로 국민대와 폐기물/쓰레기 리사이클링 바이오차(biochar), 수소 사업 등으로 분야를 확대해 나갈 계획인데요. 케이파워 김지훈 사장은 “국민대와 바이오매스 산업 확산과 온실가스 감축 등 실질적 성과를 내기 위해 협력하기로 약속했습니다. 국민대와 함께 관련 기술을 개발하고 인력 양성을 위해 노력해 나갈 계획입니다”라며 스케일업팀에게 전해 왔습니다.

케이파워와 국민대학교의 업무협약 체결실 사진, 출처: 케이파워

이에 스케일업팀은 케이파워 김지훈 사장(이하 김 사장)과 함께 국민대 기계공학부의 신동훈 에너지기계공학전공 교수(이하 신 교수)를 만났습니다. 신 교수는 “온실가스를 줄이기 위한 탄소중립(carbon neutral)을 위한 노력은 더 이상 미룰 수 없는 숙제입니다. 케이파워와 함께 탄소중립, 탄소네거티브를 위한 기술을 개발하고, 인재 양성을 위해 지원할 것”이라며 인사말을 대신했습니다.

국민대 신동훈 교수(좌)와 케이파워 김지훈 사장(우), 출처: IT동아
  • 아래 기사는 스케일업팀이 케이파워 김지훈 사장과 함께 국민대 신동훈 교수를 만나 나눈 대화를 정리한 내용입니다.

바이오매스에 대한 인식의 전환이 필요합니다

스케일업팀: 지난 1월 초부터 케이파워 김 사장님을 통해 국민대와 업무협약을 맺었다는 이야기를 많이 들었다. 여러 번 연락을 주셔서 대체 무슨 일인가 싶었었다. 특히, 바이오매스를 활용한 바이오차 제작이라는… 한번에 이해하기 어려웠던 얘기였던 것으로 기억한다. 신 교수님에게 먼저 설명을 좀 듣고 싶은데.

신 교수: 하하. 아무래도 기술적인 내용이 많다 보니 쉬운 내용은 아니다. 음… 현재 개발하고 있는 것은 무화염 연소 기술을 적용한 바이오차 오븐이다. 유기물을 무화염 연소 기술을 적용한 오븐에 넣어 열 분해한 뒤 탄소와 수소를 분리한다. 이렇게 분리한 탄소는 산업소재로 재활용할 수 있고, 수소는 에너지원으로 활용할 수 있다.

(조금 더 쉬운 설명을 부탁하자)

음… 기후 위기에 대응할 수 있는 새로운 에너지 기술이라고 이해해달라. 현 시대를 살아가는 우리들은 심각한 기후 위기를 겪고 있다. 증가하는 온실가스, 특히 이산화탄소 배출로 인해 시간이 지날수록 문제는 심각해지고 있다. 화석연료에 기대어 발전해 온 인류 역사는 미래를 대비해야 하는 시점에 이르렀다.

국민대 신동훈 교수, 출처: K*산학협력 유튜브 채널

이를 해결하기 위해 전 세계가 노력하는 것이 탄소중립(carbon neutral)이다. 탄소중립을 위한 노력 중 하나가 ‘탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture and Storage)’이다. 온실가스 저감 대책 및 자원 활용화의 일환으로, 이산화탄소를 대량 발생원으로부터 포집(Capture)한 후, 압축/수송(Transportation)해 육상 또는 해양지중에 저장(Storage)하거나 유용한 물질로 전환하는 일련의 과정을 말한다.

*탄소중립: 인간의 활동에 의한 온실가스 배출을 최대한 줄이고, 남은 온실가스는 흡수(산림 등), 제거(CCUS, Carbon Capture,. Utilization and Storage, 이산화탄소 포집, 저장, 활용 기술)해서 실질적인 배출량을 0(Zero)으로 만드는 개념이다. 즉, 배출되는 탄소와 흡수되는 탄소량을 같게 해 탄소 ‘순배출이 0’이 되게 하는 것으로, 이에 탄소 중립을 ‘넷-제로(Net-Zero)’라 부른다. 출처: 대한민국 정책브리핑

스케일업팀: 그러니까… 공기 중으로 퍼질 수 있는 이산화탄소를 포집해 저장하거나, 탄소를 활용한 유용한 물질로 만들어 활용한다는 뜻인가.

신 교수: 맞다. 탄소중립을 위한 방법 중 하나다. 하지만, 탄소 배출량을 0로 만들겠다는 것은 어디까지나 목표다. 신재생에너지라고 불리는 태양광, 풍력, 수력 등도 일정량의 탄소를 배출한다. 화석연료를 태우는 과정에서 발생하는 탄소배출량 보다는 적지만, 아예 없지는 않다. 이를 해결하기 위해서는 탄소를 흡수해야 하는데, 자연적이거나 인위적으로 대기중의 이산화탄소를 저장하는 것을 탄소흡수원이라고 말한다. 산림, 해양 등이 탄소흡수원에 해당한다.

국민대 신동훈 교수(좌)와 케이파워 김지훈 사장(우), 출처: IT동아

스케일업팀: 나무를 키우는 산림 자원이 필요하다는 뜻인가.

신 교수: 필요하다. 하지만, 산림도 노령화에 이르면 탄소흡수율은 줄어든다. 다 자란 나무는 한창 성장할 때만큼 탄소를 흡수하지 않는다. 즉, 지금 상황으로는 탄소 중립은 불가능한 상황이다. 어딘가에서 탄소는 배출될 수밖에 없다는 뜻이다. 이에 돌파구를 마련해야 한다고 생각했다. 탄소를 흡수하고, 저장하는 시스템이 필요하다. 가장 좋은 것은 산림을 주기적으로 성장시켜 탄소를 흡수시키는 방법이다. 나무를 자원으로 사용하고, 다시 나무를 키워 탄소를 흡수하는 형태다.

나무 즉, 바이오매스를 연료로 사용하는 것도 방법이다. 환경 선진국으로 불리는 유럽이나 북미 지역에서 바이오매스를 에너지로 사용하는 비율은 높다. 핀란드와 스웨덴 등 북유럽의 바이오매스 사용 비율과 우리나라의 사용 비율 격차는 엄청나다.

바이오매스 에너지 현황, 출처: 국민대학교

이는 인식의 차이에서 온 결과다. 스웨덴, 핀란드는 산림을 개간하고 벌목해서 사용한 뒤, 다시 성장시키는 과정을 거친다. 하지만, 우리나라는 산림을 무조건 보존하는 대상으로만 바라본다. 산림을 개간하고 벌목하는 과정을 부정적으로 생각한다. 만약 나무를 안정적인 바이오매스 에너지원으로 활용할 수 있다면 어떨까? 정기적으로 조정하는 산림을 통해 탄소를 흡수하고, 화석연료로 인해 발생하는 탄소 배출도 줄일 수 있지 않을까?

스케일업팀: 아… 어떤 의미인지 이해했다.

신 교수: 산림을 관리한다는 것을 오로지 보존으로만 보는 것에서 벗어나야 한다. 평균적으로 나무 1톤이 만들어지는 과정에서 흡수하는 이산화탄소량은 1.8톤에 이른다. 그리고 이렇게 만들어진 나무를 바이오매스로 활용한다면, 에너지를 순환시키며 탄소 배출을 줄일 수 있다.

바이오차 오븐으로 탄소 흡수와 저장을 한번에

스케일업팀: 실제로 여러 곳에서 바이오매스를 새로운 에너지로 활용하기 위해 많은 연구개발을 진행하는 것으로 알고 있는데.

신 교수: 현재 국민대가 개발하고 있는 바이오차 오븐도 여기에 속한다. 바이오매스를 새로운 대체자원과 신재생에너지로 활용할 수 있는 시스템이다. 바이오매스로부터 탄소와 수소를 분리해 탄소를 산업 소재로, 수소를 신재생에너지원으로 활용할 수 있다.

국민대학교 신동훈 교수가 개발하고 있는 바이오차 오븐, 출처: IT동아
국민대학교 바이오차 오븐 기술 개요, 출처: 국민대학교

바이오매스로부터 분리된 탄소는 바이오차로 만들어 낸다. 고부가가치 탄소로, 쉽게 말하면 숯이다. 자연에 버려 비료로 사용할 수 있고, 제철 업계에서 철강을 만들 때 부재료로 사용할 수도 있다. 바이오차를 시멘트에 섞어 건설 자재로 사용할 수도 있다. 일반 시멘트만 사용한 건설 자재 대비 강도가 올라가는 특징을 지녔다.

일반 시멘트(좌)와 바이오차를 섞은 시멘트(우), 출처: IT동아

바이오차와 함께 바이오매스에서 추출한 수소는 에너지원으로 사용할 수 있다. 특히, 바이오매스에서 추출한 수소 중 일부는 바이오차 오븐의 연료로도 일부 활용한다. 정리하자면, 바이오매스를 바이오차 오븐에 넣어 열 분해해 탄소와 수소를 추출하고, 탄소는 바이오차로, 수소는 연료로 사용하는 시스템이다.

스케일업팀: 만약 나무를 바이오매스 연료로 사용한다면, 성장시키면서 공기 중 탄소를 흡수하고, 이를 다시 열 분해해 바이오차와 수소로 활용한다는 것인가.

신 교수: 맞다. 탄소 흡수와, 탄소 저장을 같이 하는 시스템이다. 바이오차 오븐에 넣을 수 있는 바이오매스는 나무뿐만 아니라 다양하다. 코팅지, 고무줄, PE, BB탄, 톱밥, 고무 호스, 우드 팰릿, 두부 모래, 갈대, PVC, 커피 찌꺼기 등… 다양한 유기물로 테스트하고 있다. 다양한 바이오매스 연료를 배합하고 추출하며 더 좋은 결과를 얻기 위해 노력 중이다.

바이오차 오븐으로 테스트한 다양한 바이오매스 원료들, 출처: 국민대학교

건조 과정이 필요하지만, 음식물 쓰레기, 사람 또는 동물의 배변 등도 바이오매스 원료로 사용할 수 있다. 가축을 키우며 발생하는 소나 돼지 등 가축분뇨를 바이오차 오븐 원료로 사용할 수도 있다. 가축분뇨를 원료로 활용할 수 있는 기술을 다양한 곳에서 연구개발 중인데, 바이오차 오븐도 이러한 과정에 함께할 수 있다는 뜻이다.

스케일업팀: 바이오매스로부터 추출하는 바이오차와 수소의 경제적 비용을 생각해야겠지만…, 신 교수님 얘기대로 탄소중립을 위한 여러 방안 중 하나라고 생각된다.

신 교수: 바이오차는 일반적인 숯과 같다고 생각하면 된다. 흔히 숯하면 고기를 굽는 연료를 연상하기 쉽지만, 탈취, 제습, 가습, 정수 등 다양한 용도로 활용할 수 있다. 앞서 언급했듯 제철, 건설 업계 등에 재료로 활용할 수도 있고, 유기물을 바이오차로 만들 경우 비료로도 활용할 수 있다.

바이오차의 산업적 활용처, 출처: 국민대학교

케이파워와 국민대가 공감한 바이오매스

스케일업팀: 이렇게 얘기를 듣고 나니, 몇 가지 궁금증이 생긴다. 바이오매스를 활용해 산업용 보일러를 개발한 케이파워와 어떤 협력을 하겠다는 것인지 의아하다.

김 사장: 바이오차 오븐에 활용된 무화염 연소 기술과 바이오매스를 활용할 수 있는 다양한 기회 창출이라는 측면에서 접근했다.

국민대 바이오차 오븐은 바이오매스를 열 분해하기 위해 무화염 연소 기술을 사용한다. 국민대의 무화염 연소 기술은 역방향 공기 주입 방식으로, 연구실 규모부터 산업용 규모까지 실증 운전을 성공해 상용화를 준비하고 있는 기술이다. 연소로 내 균일한 온도를 형성해 가열매체의 내구성을 높이고, 고온 화염 영역이 적기 때문에 ‘질소산화물(NOx)’ 배출이 적다는 것이 장점이다. 이에 다양한 산업용 연소로로 활용할 수 있는 가치를 지녔다.

특히, 무화염 연소 기술은 화염이 발생하는 특정 위치에 온도가 올라가는 것이 아니라 연소로 내 전체를 균일한 온도로 유지한다. 마치 방 전체를 한번에 데우는 것과 같다. 때문에 열 전달 효율이 높아 연소로 효율을 높일 수 있다는데, 이를 산업용 보일러 연소로에 적용할 수 있을지 고민 중이다.

바이오차 오븐 연구실에 함께한 국민대 신동훈 교수와 케이파워 김지훈 사장, 출처: IT동아

신 교수: 바이오차 오븐을 상용화하기 위해서 케이파워와 협력할 수 있다고 생각했다. 우선적으로 안정적인 바이오매스 연료 수급이다. 케이파워는 왕겨뿐만 아니라 산림 부산물부터 가축분뇨 등을 산업용 보일러 연료로 활용하기 위해 노력 중이다. 기존 석탄, 석유 대비 저렴하고 안정적인 연료 수급을 위한 필수 과정이다.

여기에 우리의 바이오차 오븐을 적용할 수 있다고 생각했다. 케이파워와 함께 상용화를 위한 과정을 함께할 수 있지 않을까? 서로가 도움을 주고 받을 수 있다고 판단했다.

김 사장: 무화염 연소는 신 교수님을 만나기 전까지 몰랐던 기술이다. 생소했다. 작년 6월 신 교수님을 박람회장에서 처음 만났고, 이후 주기적으로 연락하며 협력할 수 있는 방안을 찾았다.

탄소중립을 향한 전 세계적 관심은 시간이 지날수록 계속 높아지고 있다. 고유가 시대에 맞춰 대체 연료를 찾으려는 노력도 마찬가지다. 이에 산림 업계와 축산 업계에서 고민하는 폐기물을 처리할 수 있는 방법으로 케이파워와 국민대가 함께 대응할 수 있고, 기술 연구개발을 통해 관련 제품과 서비스를 보다 향상시킬 수 있다고 생각한다.

바이오매스를 새로운 자원과 에너지원으로 생각하고, 탄소중립을 향한 공감대를 통해 국민대와 업무협약을 맺었다. 바이오매스를 더 잘 활용할 수 있는 방법을 찾기 위해 열심히 노력하고 있다. 국민대뿐만 아니라 여러 협력기관과 기술 제휴 등을 준비 중이다. 앞으로도 우리 케이파워에 많은 관심과 응원을 부탁드린다.

글 / IT동아 권명관(tornadosn@itdonga.com)

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