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1. 폐기물 열분해와 가스화
1.1. 폐기물 열분해 메커니즘
폐기물 열분해는 산소가 차단된 고온의 환경에서 이루어지는 열분해 과정이다. 폐기물을 1,000~1,300℃의 고온으로 가열하면 석탄가스, 가스경유, 가스액, 콜타르 등의 휘발성 물질이 발생하고, 그 나머지는 코크스 형태의 고형물이 된다. 이러한 폐기물의 열분해 과정을 건류라고 한다.
석탄의 주성분인 유기물이 열분해되면서 가지부분과 가교부분이 분해되어 메탄이나 일산화탄소와 같은 가스 물질이 생성된다. 또한 열적으로 안정된 방향족 화합물이 생성되는데, 이는 탈수소, 환화, 축합 등의 반응을 통해 형성된다. 그 외에도 석탄의 구조 부분은 열적으로 안정된 상태를 유지한다.
열분해 과정에서 온도에 따른 특성을 보면, 약 300℃ 이하에서는 수분과 이산화탄소가 분리되고, 300~500℃에서는 메탄가스와 타르가 발생하면서 석탄이 연화되어 굳는다. 500℃ 이상에서는 1차 열분해가 종료되며, 750~850℃에서는 1차 열분해 성분이 2차 반응을 거쳐 수소와 일산화탄소를 생성한다.
이러한 석탄의 열분해 메커니즘은 오늘날 코크스 제조, 도시가스 생산, 화학공업 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 특히 고온에서의 열분해는 유해물질 배출을 줄이고 에너지 효율을 높이는 데 기여하고 있다.
1.2. 석탄 연료 특성
석탄 건류는 공기를 차단하고 석탄을 가열하여 코크스, 콜타르, 석탄가스 등을 획득하는 과정이다. 온도에 따른 건류의 특성은 다음과 같다. 첫째, ~ 300 ℃에서 수분이나 이산화탄소로 분리되고, 둘째 300 ~ 500 ℃에서는 메탄가스와 타르가 발생되어 연화되면서 굳는다. 셋째, 500 ℃에서는 해면상이 되면서 1차 열분해가 종료되고, 넷째, 750 ~ 850 ℃에서는 1차 열분해 성분이 2차 반응하면서 H2 및 CO를 생성한다.
석탄 건류의 종류는 저온 건류와 고온 건류가 있다. 저온 건류는 500 ∼ 700℃에서 생성되며, 원료는 비점결탄이고, 생성물은 반성 코크스(콜라이트)이다. 저온 건류의 특징은 내열식(가열가스 통과)으로써 생성가스가 낮으며, 발열량 (7,000 kcal/m3)인 타르 생성량은 높다. 한편, 고온 건류는 1,100 ∼ 1,200℃에서 생성되며, 원료는 강점결탄 (50-60%), 약점결탄, 무연탄이며, 생성물은 고온타르, 고온 코크스이다. 고온 건류의 특징은 외열식(외부 가열)에 의해서 생성가스량이 높으며, 발열량은 5,000 kcal/m3이다.
따라서 석탄 건류는 온도에 따라 다양한 특성을 나타내며, 저온 건류와 고온 건류로 구분되어 각각의 고유한 특징을 가지고 있다고 볼 수 있다. 석탄의 건류 과정을 통해 코크스, 가스 등 다양한 에너지원을 확보할 수 있다.
1.3. 천연가스 시장과 거래 가격
천연가스는 석유와 달리 지역별로 분할되어 시장이 형성된다. 주요 수요처는 유럽, 북미, 동북아 지역이며, 이는 지역별 수급 특성과 계약조건의 차이로 인한 것이다. 특히 LNG의존도가 높은 동북아 지역이 가장 높은 가격을 보이는데, 이는 유가연동계약과 높은 수송비 때문이다.
비전통가스 생산이 증가하면서 시장 변화가 일어나고 있다. 미국의 셰일가스 생산이 2013년 320bcm에서 2040년 560bcm으로 늘어날 것으로 전망되며, LNG 수출 프로젝트도 활성화되고 있다. 그러나 다른 국가에서의 비전통가스 개발은 지질구조와 용수부족 등의 이유로 제한적이다. 중국의 경우 2020년 세일가스 생산목표를 60-100bcm에서 30bcm으로 하향 조정하였다.
한편 동북아 시장의 천연가스 수요가 감소하고 있다. 한국, 중국, 일본 모두에서 수요 정체 내지 감소 추세를 보이고 있으며, 향후 중국의 수요 변화가 천연가스 시장에 중요한 요인이 될 것으로 보인다.
1.4. 천연가스 활용의 장단점
천연가스는 석탄 대비 훨씬 낮은 온실가스 배출량을 보이므로 장점이 있다. 이에 따라 석탄의 비중이 정체되거나 감소될 것으로 전망되며, 미국에서는 이미 석탄에서 가스로의 배출 저감 양상이 나타나고 있다. 또한 천연가스는 재생가능에너지로서 그 경쟁력이 급성장하고 있으며, 지속적인 투자와 수요 확대로 인해 규모의 경제 효과가 나타나고 있다. 이에 미국, 중국, 유럽 등지에서 천연가스의 grid parity 달성 또는 근접이 이루어지고 있어 앞으로 천연가스에 대한 가격경쟁력이 더욱 강화될 것으로 보인다.
그러나 천연가스의 단점으로는 미래의 불확실성을 들 수 있다. 하지만 기후변화 대응 노력은 천연가스 활용에 있어 기회가 되며, 현재 많은 국가에서 석탄 발전의 대안으로 천연가스를 선호하고 있다. 또한 미세먼지 등 지역 오염원 저감에 기여하는 장점도 있다.
다만 향후 경쟁 에너지원의 비용 하락에 따른 조기 대체 가능성이 보이면서, 이 경우 천연가스 수요에는 치명적일 수 있다. 한국의 경우, 천연가스가 주요 에너지원으로서 다양한 역할을 기대할 수 있지만 상대적으로 높은 가격에 의한 제약이 존재할 우려가 보인다.
1.5. 국내 LPG 산업 현황
국내에서 LPG는 주요 에너지원이지만 그 비중이 점점 감소하고 있는 추세이다. 현재 LPG는 국내 1차 에너지의 3.5%를 차지하고 있다. 또한 국내 LPG 공급의 2/3 이상을 수입에 의존하고 있으며, 주로 중동 산유국으로부터 LPG 공급을 충당하고 있다.
그러나 최근 국제적인 LPG 수급 사정이 완화되면서 국내 LPG 소비의 증가 가능성이 예측된다. 저유가와 세일가스 개발 확대로 인해 LPG 가격이 하락할 것으로 보이며, 이에 따라 산업용 수요와 도시가스 미사용 개발에서의 LPG 수요가 확대될 것으로 예상된다.
1.6. 신재생에너지 관련 법률
신에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜서 이용하거나 수소·산소 등의 화학반응을 통해서 전기 혹은 그 열을 이용한 에너지로써 수소에너지·연료전지·석탄을 액화·가스화한 에...
