I.
서 론
향후 우리나라 생활폐기물 관리 정책에 가장 중요한 변곡점으로 2026년부터 수도권 지역에서 시작하여, 2030년에는 그 외 지역까지 생활폐기물 직매립 금지가 확대될 것으로 예상된다. 이는 폐기물매립지에 가연성 폐기물의 반입을 금지하고 불연성 폐기물만을 매립하 도록 하는 것이다. 생활폐기물 직매립 금지는 폐기물매 립지의 매립가스 발생량에도 영향을 미쳐 온실가스인 메탄(CH4)가스 발생량도 2030년 이후에는 점차 감소 될 것으로 예상되기에 2050년 탄소 중립에 기여할 수 있을 것으로 예상되지만, 단기적으로 2030년 온실가스 감축목표 달성에는 생활폐기물 직매립 금지의 기여도 가 미미할 것으로 판단된다.
2030년 우리나라 폐기물 부문 온실가스 배출량 감축 목표를 살펴보면 2018년 17.1백만 톤 CO2eq.에서 2030 년 9.1백만 톤 CO2eq.로 46.8% 배출량 감축을 목표로 하고 있으며, 주요 감축 방안으로 폐기물 발생량 감량, 재활용 비율 증가, 폐기물매립지 및 생물학적 처리시설 에서의 메탄가스 회수 및 활용 확대 등을 제시하고 있 다. 이중 폐기물매립지와 연관된 폐기물매립지 메탄가 스 회수현황을 살펴보면 2019년 기준 운영 중인 매립 가스 자원회수시설은 14개소로 회수된 메탄은 대부분 전력 발전에 활용되고 있으나, 메탄 회수량은 99.9천 톤 CH4(메탄 온난화 지수 21 기준 약 2,097천 톤CO2eq.) 로 매년 점차 감소 중에 있다(Fig. 1 참고)1). 이는 폐기 물 감량화 정책의 일환으로 지속적인 생활폐기물 매립 량이 감소하면서 매립가스 발생량도 감소하여 신규 매 립가스 자원화시설의 설치 한계 및 기존 매립가스 자 원화 시설의 회수량 저하가 일어날 것으로 판단된다.
문제는 메탄 회수량 저하가 단기적으로 폐기물매립 지 메탄 배출량 증가에 일조할 수 있다는 것이다. 매립 가스 발전은 매립가스 메탄함량이 약 35 ~ 40%, 총 매 립가스 발생량이 약 30 ~ 50m3/h 이하로 낮아지면 기 술적·경제적으로 적합하지 않다2). 즉, 매립가스 자원화 는 일정 규모 이상의 매립량을 전제 조건으로 한정된 시간에만 열과 전력을 생산하기에 적합하다. 이에 생활 폐기물 직매립 금지로 인해 메탄 회수량 저하가 더욱 심해질 경우 메탄 회수량 감소로 경제성이 부족해진 자원화 시설의 운영은 중단될 것이며, 회수되던 메탄가 스는 대기 중으로 그대로 배출되게 될 것이기에 별도 의 대안을 마련하지 않으면 폐기물매립지의 온실가스 배출량은 현재보다 더욱 증가할 수 있다.
매립가스 발전이 어려운 폐기물매립지의 메탄 처리 를 위한 방법으로 고온 소각(flare)이 있으며, 이 기술 의 적용 기준은 최소한 메탄함량이 20 ~ 25%, 총 매립 가스 발생량이 약 10 ~ 15m3/h 이상이어야 한다2). 만 일 이러한 기준 이하로 메탄함량이나 매립가스 발생량 이 낮아지게 되더라도 매립가스 처리는 필요하며, 이는 상당 기간 메탄을 함유한 매립가스 발생이 수 년에서 수십 년 지속되기 때문이다. 이에 고온 소각이 어려운 매립가스에 대해 유동층 연소 또는 촉매 산화와 같은 방법을 적용할 수 있으나 비용이 비싸 경제적으로 적용 이 어려운 문제가 있다. 따라서 매립가스 발전 및 고온 소각 이외의 처리 대안 마련이 매우 필요한 실정이다.
일반적으로 매립가스를 포함한 바이오가스의 활용 방안은 전기와 열을 생산하는 열병합발전(combined heat and power, CHP), 바이오메탄(biomethane) 생산, 기타 제품 생산 등으로 구분할 수 있다. 여기서 바이오 메탄은 매립가스 고질화를 통해 생산할 수 있으며, 기 타 제품 생산은 메탄 개질(reforming)로 산화제와 함께 촉매 반응을 통해 메탄을 일산화탄소(CO)와 수소(H2) 로 구성된 합성가스(syngas)로 전환하거나 메탄올 (MeOH) 또는 디메틸에테르(C2H6O)로 전환하는 기술 이다3-6).
이에 본 연구에서는 매립가스 발전의 대안으로 매립 가스 유효활용 방안인 바이오메탄, 합성가스, 메탄올, 디메틸에테르 생산을 위한 연구 동향 및 경제성 검토 사례 등을 분석하고 이러한 기술들의 적용 활성화를 위한 정책 방안 등을 제시하여 향후 우리나라 폐기물매 립지 온실가스 감축 방안 검토에 이바지 하고자 한다.
II.
매립가스 활용 기술
1.
바이오메탄
EU 회원국들은 재생에너지 이용과 관련해 2030년까 지 난방부문에서 연간 1% 증가와 수송 부문의 재생에 너지 비율을 14%까지 도달하는 목표를 달성하기로 합 의했다. 이러한 관점에서 혐기성 조건에서의 생분해가 능 폐기물의 분해는 바이오가스 생산 및 바이오메탄 생산에 필수적인 과정이다. 유럽연합 국가 중 바이오가 스 생산의 선두 국가는 독일(EU 전체 생산 바이오가스 의 46.7%)이며, 다음으로 영국 16.2%, 이탈리아 11.3% 순이다7). 이에 바이오메탄 생산을 위한 바이오가스 고 질화(upgrading)에 대한 관심이 급속히 증가하고 있으 며, 바이오메탄에 의한 화석연료 대체는 바이오가스를 전력 생산으로만 활용하는 것보다 일차(primary) 에너 지를 절약할 수 있다8).
현재 상용화에 적용되는 고질화 공법들은 메탄가스 회수율이 매우 높아 에너지 손실이 5% 미만이며, 바이 오메탄의 메탄 함량 또한 97% 이상으로 도시가스나 차량연료로 사용이 가능하다. 또한, 분리된 기체의 이 산화탄소(CO2) 함량도 95% 이상 되는 경우가 많아 적 절한 후속 공정 설치 시 이산화탄소를 용이하게 포집/ 저장함으로써 추가적인 탄소 저감이 가능하다9). 이러 한 고질화 공법은 흡수법(water scrubbing), 화학 및 물 리적 흡수 공정, 멤브레인 기술, pressure swing adsorption(PSA), 극저온(cryogenic) 기술 등이 있다. 다만 고 질화 공법 적용 시 공정상의 비용 절감, 이산화탄소 제 거 효율 향상 등을 위해 전처리가 필요한 기술들이 있 으며, 이를 Table 1에 나타내었다. 일례로 멤브레인은 공정 이전에 수분, 황화수소, 실록산의 전처리가 필요 하다는 것을 의미한다3). Table 2는 2019년 기준 주요 국가들의 매립가스 고질화 플랜트 시설 운영 현황으로 대부분 도시가스 배관망 주입에 활용되고 있으며, 실제 적용되고 있는 매립가스 정제기술은 흡수법, 흡착법, 멤브레인 등이 적용되고 있는 것으로 나타났다.
Table 1.
Proposed schemes for landfill gas upgrading technologies3)
Table 2.
Landfill gas upgrading plants by countries17)
다만 매립가스를 이용한 바이오메탄 활성화에 경제 성이 주요 한계로 나타났다. 바이오메탄 구매 비용은 규모에 따라 달라지지만 천연 가스 구매 비용보다 2 ~ 3배 정도 높으며10), 이에 소규모 플랜트의 경우 경 제성을 높이기 위해서는 보조금이나 탄소 배출권 등이 필요한 것으로 보고되고 있다11). 또한, 바이오메탄에서 에너지(전력, 열 또는 연료)를 생산하는 것은 천연가스 에서 에너지를 생산하는 것보다 비용이 더 많이 든다. 우리나라에서는 가스 누출 시 냄새로 즉시 감지할 수 있도록 하는 부취제(附臭劑) 운영·관리 어려움, 도시가 스 품질기준 충족을 위한 LPG(Liquefied petroleum gas) 혼합에 따른 경제성 저하, 계절별 바이오가스 생 산량 변동 등의 한계가 있는 것으로 보고되고 있다12). 따라서 매립가스 기반 바이오메탄을 도시가스 배관망 에 주입 시 경제성 확보 여부는 압축 압력과 수송 거리 에 따라 달라지고 천연가스 가격에 영향을 받지만, 바 이오메탄 시장 활성화를 위해서는 국가 차원의 규제 및 인센티브 등 바이오메탄 시장 활성화를 위한 포괄 적인 프레임워크가 필요한 것으로 판단된다13-14).
2.
합성가스
최근 바이오가스 생산물로 고려되는 것 중 하나로 합성가스가 있다. 합성가스는 수소와 일산화탄소를 함 유한 기체 혼합물로 산업적으로는 탄화수소, 알코올 등 을 포함한 화학 물질 및 연료 생성에 필요한 공급 원료 이다15). 전 세계에서 사용되는 합성가스의 약 55%는 비료의 암모니아 합성에 사용되며, 22%는 정유 공정, 12%는 메탄올 생산에 사용되고 나머지는 기타 공정에 사용되고 있다. 천연가스에서 합성가스를 얻을 수 있는 방법은 일반적으로 습식 개질(steam methane reforming, 이하 ‘SMR’이라 한다), 메탄 건식 개질(dry reforming of methane, 이하 ‘DRM’이라 한다), 부분 산화(partial oxidation) 등이 있으며, 각 반응식은 식 (1) ~ (3)과 같다16).
현재까지 대부분의 합성가스는 천연가스 등의 화석 연료 기반 기술인 SMR 공정을 통하여 생산되었으며, 이때 메탄과 스팀(steam)이 반응하여 합성가스를 생산 한다. SMR 공정에서 합성가스의 H2: CO 비율은 3 : 1 로 수소 생산에 적합하며, 이는 SMR의 주된 용도가 암모니아 합성을 위한 수소를 생산하는 것이기 때문이 다18). 이에 천연가스 대신 매립가스를 정제한 바이오메 탄을 SMR 공정의 원료로 사용하는 방안을 고려할 수 있다. Song et al.19)은 바이오가스 메탄 함량 60%, 정 제/고질화 효율 90%로 가정하고 환산인자(3.295 kg CH4= 1 kg H2)를 적용하면 1Nm3의 바이오가스 당 1.3 Nm3의 수소를 이론적으로 생산할 수 있다고 나타 내었다. 다만 바이오메탄을 이용한 수소 제조는 고질화 에 대한 비용 문제로 경제성을 확보하기 어려운 한계 점이 있다.
SMR과 같은 화석연료 기반의 합성가스 생산기술이 산업에서 널리 사용되고 있지만, 온실가스 배출량을 낮 추고 매립가스 등 다양한 원료를 대상으로 하는 새로 운 합성가스 생산기술로 DRM이 부각되고 있다. DRM 은 식 (2)과 같이 온실가스인 이산화탄소와 메탄을 활 용하여 수소와 일산화탄소를 생산하는 기술이다20).
다만, SMR과 비교하여 DRM에서는 역수성가스화 (reverse water gas shift, rWGS) 반응이 동시에 진행되 기 때문에 생성된 H2의 수율이 낮아 합성가스의 H2/ CO 비는 1 : 1로 낮은 단점이 있다. 이에 뒤에서 서술 하겠지만 메탄올 합성에는 H2/CO 비가 1 : 2로 요구되 기에 DRM을 통한 반응에서는 수소비율이 불충분하여 디메틸에테르(dimethyl ether, C2H6O) 또는 탄화수소 생성이 적합하다, DRM은 SMR과 비교하여 낮은 에너 지가 요구되지만 흡열 특성상 대기압에서 700 ~ 1,000 °C의 고온 반응이 선호되기에 높은 에너지가 요구되는 한계가 있다4). DRM 공정에는 일반적으로 비용이 저 렴한 니켈(Ni) 기반의 촉매를 사용하지만, 촉매 표면에 탄소침적(coking)으로 인한 비활성화 문제로 인해 상용 화에 어려움을 겪고 있다. 특히 매립가스의 경우 CO2/ CH4가 1보다 작기 때문에 과잉의 메탄은 탄소로 전환 되어 탄소침적을 심화시킬 수 있다4). 이에 새로운 금속 기반 촉매 개발이 이루어지고 있지만 높은 비용으로 인해 산업 적용에 한계가 있으며21), 촉매 없이 아세틸 렌을 중간체로 하여 DRM 공정을 수행하는 방법이 있 으나 매우 높은 온도(1,400 ~ 1,800°C)가 요구된다22). 이외에도 추가적인 수분(H2O)공급을 통한 수증기 복합 개질 반응(combined steam reforming of methane)이 나23), SMR, DRM, 부분산화를 결합한 메탄의 삼중개 질(Tri-reforming of methane) 기술이 개발되고 있으나 아직 상용화에는 한계가 있다16).
SMR과 DRM은 반응평형 상 반드시 고온 유지를 위 한 상당량의 에너지 공급이 필요하며, 이때 화석연료를 사용할 경우 다량의 추가적인 이산화탄소 배출이 이루 어진다. 이를 줄이기 위한 대안으로는 기존 공정의 폐 열 활용, 신재생에너지를 이용한 에너지 공급 등이 필 요하나, 개질 반응에 요구되는 규모의 폐열원을 찾기가 쉽지 않으며, 신재생에너지 기술은 경제성을 확보하기 어려운 한계가 있다. 식 (3)에서 나타낸 부분 산화는 메탄 산화에 따른 발열 반응으로서 에너지를 줄이는 장점이 있으나, 산소의 공급으로 인한 이산화탄소 추가 발생 문제는 잔존한다24). 따라서 메탄 개질 시 에너지 사용 등으로 인한 이산화탄소 배출의 온실가스 감축 상쇄 효과를 줄이기 위해서는 폐열 활용 가능성 등 다 양한 방안을 종합적으로 분석해 경제성과 이산화탄소 배출 저감을 최적화하는 방안을 찾아야 할 것이다.
3.
메탄올 생산
메탄올은 대체 수송 연료로 사용될 수 있을 뿐만 아 니라 수소 및 올레핀, 프로펜, 포름알데히드 등 화학물 질의 생산에도 사용된다25). 메탄올의 세계 시장 규모는 2020년 279.5억 달러이며, 2021년 287.4억 달러에서 2028년 391.8억 달러(CAGR 4.5%)로 성장할 것으로 전망하고 있다26). 더욱이 최근에는 CCS(carbon capture and utilization) 관점에서 상당한 관심을 얻고 있다27).
메탄올 생산은 아래 식 (4) ~ (6)에 나타낸 바와 같이 수소, 일산화탄소, 이산화탄소를 이용하여 메탄올 (MeOH)을 생산할 수 있다28). 이산화탄소로부터 메탄 올 합성을 위해서는 1몰의 이산화탄소에 3몰의 수소가 필요로 하며, 반응을 용이하게 하기 위해서는 높은 압 력(50 bar)과 240°C 이상의 온도가 필요하다. 다만 rWGS로 인해 높은 함량의 H2O를 생성하게 되며, 이 는 이산화탄소의 평형 전환(equilibrium conversion)을 제한하고 촉매의 활성을 감소시켜 불활성화를 유발하 는 한계가 있다29).
매립가스를 이용하여 높은 메탄올 생산 수율을 확보 하기에는 상기에서 언급한 바와 같이 DRM 공정만으 로는 탄소 분자(메탄 및 이산화탄소)에 비해 수소가 부 족한 한계가 있다30). 이에 Fig. 2와 같이 매립가스를 이용한 메탄올 생산 방법은 2가지로 구분할 수 있다. 첫째는 메탄 개질을 위해 SMR 공정을 적용하고 외부 에서 재생에너지를 통해 생성되는 수소를 공급받는 것 이다. 둘째는 메탄/이산화탄소 분리 후 잉여 이산화탄 소는 배출하고 SMR 공정을 통해 메탄올 생산을 위한 최적 합성가스 비를 맞추는 것이다28-30). Lee et al.30)은 이러한 공정들을 적용할 경우 이산화탄소 배출량이 석 탄 기반 메탄올 생산 공정보다 낮고 천연가스와 유사 한 것으로 보고하였다.
매립가스를 이용한 메탄올 생산의 경제성 확보와 관 련해서는 천연가스를 이용한 메탄올 생산단가까지 낮 추기에 아직 한계가 있는 것으로 나타났다5,31). 타 바이 오매스 기인 메탄올 생산량보다 매립가스를 이용한 메 탄올 생산량이 낮은 것도 경제성 확보에 한계가 있다 32). 또한, 외부에서 수소를 공급받을 경우 수소 단가와 매립가스 구매단가가 경제성 확보 여부에 매우 중요한 요인이다30). 이에 Gao et al.28)은 매립가스를 메탄올로 전환 시 경제성을 확보하는 방안으로 높은 탄소세와 저렴한 수소가 필요한 것으로 나타내었다. 또 다른 경 제성 확보 방안으로는 메탄올 생산 단가를 낮추기 위 해서 개질 반응에 사용되는 촉매 개발이 필요한 것으 로 나타났다33).
4.
디메틸에테르
매립가스 발전은 에너지 이용에 요구되는 화석연료 의 사용량을 줄이는 장점이 있지만, 연소를 통해 메탄 을 이산화탄소로 전환하기 때문에 직접 배출보다 낮지 만 연소과정에서 이산화탄소가 배출된다. 이에 산업화 이전 시대의 대기 중 이산화탄소 농도가 약 270 ppm에 서 2021년 약 414 ppm, 2022년 약 417 ppm으로 급증 하고 있는 것을 고려하면 이산화탄소 배출량에 상관없 이 감축 방안이 필요하다34).
이산화탄소 감축 기술로 최근 수소와 이산화탄소의 반응을 통해 디메틸에테르(C2H6O) 생산 기술이 부각 되고 있다. 특히 발전소, 산업용 배가스, 매립가스 등의 CO2를 이용하여 생산된 디메틸에테르가 CCU(carbon capture utilization)의 새로운 경로로 주목받고 있다. Uddin et al.35)에 따르면 매립가스를 이용하여 디메틸 에테르를 생산할 경우 전 과정 평가를 통한 온실가스 배출량을 추정하였을 때 –33.4 kg CO2eq./MMBTU로 서 온실가스 감축 효과가 매우 큰 것으로 나타났다.
디메틸에테르는 0.5MPa 이상 가압했을 때 액상 형 태로 존재하는 휘발성 물질이기에 일반적으로 액체로 취급되고 저장된다. 디메틸에테르는 오존 파괴로 사용 이 금지된 CFC(chlorofluorocarbon)의 대체물질로 스 프레이 캔에서 에어로졸 추진제와 녹색 냉매로 주로 사용된다. 또한, 디젤 연료 및 LPG와 화학적·물리적 성질이 유사해 대체 수송 연료로 사용할 수 있다36). 디 메틸에테르는 천연가스, 원유, 석탄, 폐기물 등 다양한 원료에서 생산될 수 있으며, 약 35%의 산소를 함유하 고 있기 때문에 일산화탄소, 미연소 탄화수소 배출과 같은 연소 부산물이 천연가스보다 적고 오존 파괴 잠 재력이 제로이기에 미래에는 대체 에너지로 간주될 수 있다37). 이에 따라 디메틸에테르 세계 시장은 2025년 까지 102.6억 유로에 달할 것으로 예상되며, 누적 연간 성장률(cumulative annual growth rate, CAGR)은 10% 에 이를 것으로 예상되고 있다38).
매립가스를 이용한 디메틸에테르 생산 공정으로는 DRM 공정을 통해 생성된 합성가스를 기반으로 하는 직접 방법과 간접 방법을 고려할 수 있다. 그 외 방법 으로는 메탄올 공정과 유사하게 이산화탄소에서 디메 틸에테르를 생산하는 경우 낮은 운영비와 높은 효율을 나타낼 수 있다. 그러나 메탄과 이산화탄소의 분리가 필요하며, 하이브리드(hybrid)/이원 기능성(bifunctional) 촉매의 개발이 요구되고 있다39).
DRM 공정을 통한 직접 방법은 하나의 반응조에서 촉매를 이용해 식 (7) ~ (10)에 나타낸 바와 같이 메탄 올 합성, 메탄올 탈수(methanol dehydration), 수성가스 전이(water-gas shift, WGS)의 연속 반응을 통해 진행 된다6,40). 수성가스전이 반응은 합성가스 내에 일산화 탄소를 이산화탄소로 전환함과 동시에 수소를 생산하 는 공정으로 열역학적 한계를 극복하기 위해서 고온전 이반응(high temperature shift, HTS)과 저온전이반응 (low temperature shift, LTS)의 두 단계 공정으로 진행 되며, 각각 Fe2O3/CrO3, Cu/ZnO/Al2O3 촉매가 상용 촉 매로 사용되고 있다41). 디메틸에테르 반응은 약 50 bar 의 고압과 200 ~ 300°C 사이의 온도 범위에서 진행된 다36). 직접방법은 합성가스를 생산 후 직접적으로 디메 틸에테르를 생성하는 것으로 초기 투자비용이 간접 방 법에 비해 적은 장점이 있으나, 디메틸에테르의 낮은 전환으로 인해 비용이 많이 드는 단점이 있다42).
반면에 간접 방법은 별도의 반응조에서 메탄올을 생 산 후 다른 반응조에서 메탄올을 탈수하여 디메틸에테 르를 합성하는 2단계 공정으로, 메탄올 합성 기술의 성 숙도와 탈수 장치의 단순화로 인해 상업적으로 직접 방법보다 더 경제성이 있다43). 분리된 탈수 장치는 일 반적으로 고정형 촉매시스템으로 기존의 메탄올 생산 시설과 연결된다.
매립가스를 이용한 디메틸에테르 생산에 대한 경제 성 평가 사례는 거의 없다. 다만, Merkouri et al.6)의 연 구에서 영국의 Dunbar 매립지를 대상으로 매립가스를 활용하여 DRM 공정을 통해 합성가스 생산 후 이를 직접방법으로 디메틸에테르(DME)로 제조하는 방안에 대한 기술-경제적 타당성을 평가하였다(Fig. 3 참고). Dunbar 매립지는 2,500m3/hr의 매립가스(메탄 60% 기 준)를 생산하고 있어 DRM-DME 공정에 적합한 것으 로 연구진들은 판단하였다. 경제성 분석결과, 상환기간 (payback time)은 약 10년으로 분석되었다. 다른 연구 에서도 바이오가스를 이용한 디메틸에테르 생산에 대 한 경제성 평가에서 상환 기간은 약 9.5년이 소요되는 것으로 나타났다44). 더욱이 경제성 분석을 기초로 하였 던 2020년 초기 가격에 비해 디메틸에테르와 메탄올의 가격이 2021년 가을에는 거의 2배 이상 올라서 이를 기반으로 경제성을 평가하였을 때에는 상환기간은 약 6년으로 나타나 경제성이 크게 증가하였다. 부가적으 로 온실가스 배출량 196,387톤 CO2eq.을 회피할 수 있 기에 영국 기준 탄소세 약 392.8만 유로의 탄소세(1톤 CO2eq.당 약 20유로)를 절감할 수 있는 것으로 분석되 어, 향후 매립가스를 이용한 디메틸에테르 생산 공정은 경제성이 있는 것으로 제시하였다.
반면 Baena-Moreno et al.45)의 연구에서는 바이오가 스를 이용한 디메틸에테르 생산은 기술적으로 가능하 나 경제성 확보가 어려우며, 매우 높은 수준의 보조금 지급이 필요한 것으로 나타났다. 특히 1,000 m3/h 미만 의 바이오가스 시설에서는 시설 투자비에 보조금을 지 급하여도 경제성이 없었으며, 1,000 m3/h의 바이오가스 시설 용량에서만 투자비의 90% 이상 보조금을 지원하 여야 경제성이 확보되는 것으로 나타났다. 따라서 매립 가스를 이용한 디메틸에테르에 대한 경제성 분석 사례 가 매우 한정적이어서 향후 경제성 분석에 대한 연구 가 지속적으로 이루어져야겠지만, 매립가스 발생량이 많은 대규모 매립지에서만 디메틸에테르 생산에 대한 경제적 타당성을 검토할 수 있을 것으로 사료된다.
III.
매립가스 유효활용 활성화를 위한 정책 지원 방안
상기에서 나타낸 연구결과 뿐만 아니라 다른 바이오 가스 기반 활용기술에 대한 기술-경제적 연구결과를 살펴보면 기술적으로는 가능하나 대부분 경제성 확보 가 어려우며, 이는 화석 연료 기반의 제품보다 몇 배 더 비싸기 때문인 것으로 나타나고 있다46-47). 이에 매 립가스의 유효 활용을 위한 정부 정책 지원방안으로 탄소세 또는 차액지원제도 등의 보조금 도입을 고려할 수 있다. 탄소세 또는 보조금은 매립가스 기반 재생 에 너지 또는 화학제품의 수익성을 높이면서 탄소 배출을 감소시킬 수 있기 때문이다.
Table 3은 2022년 기준 전 세계 탄소세를 도입한 국가들의 탄소세율과 탄소세 적용비율을 나타낸 것이 다48). 탄소세율을 살펴보면 우루과이가 1톤의 CO2eq. 당 137.30달러로 가장 높은 탄소세를 부과하는 것으 로 나타났다. 유럽에서는 스웨덴이 1톤의 CO2eq.당 129.89달러로 가장 높은 탄소세를 부과하고 있으며, 다 음으로 스위스와 리히텐슈타인이 129.86달러 순으로 나타났다. 아시아에서는 일본과 싱가포르가 탄소세를 도입한 것으로 나타났다.
Table 3.
Carbon tax rates, share of covered greenhouse gas emissions, and year of implementation by countries (as of April 1, 2022)48)
탄소세는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 등 온실가스 종류별로 다르게 부과될 수 있으며, 탄소세 적용범위가 국가마다 달라 세금이 적용되는 온실가스 종류별 배출 량에 따라 달라진다. 탄소세 적용범위가 가장 높은 나 라는 리히텐슈타인의 80.6%로 탄소세가 높음에도 불 구하고 대부분의 온실가스에 적용하였으며, 남아프리 카 공화국은 9.84달러로 낮은 탄소세를 부과하나 적용 비율은 80%로 높았다. 일본도 탄소세는 2.36달러로 탄 소세 도입 국가 중 매우 낮았으나 탄소세 적용범위는 75%로 높았다. 그 외에 아르헨티나, 덴마크, 핀란드, 아이슬란드, 아일랜드, 룩셈부르크, 노르웨이 등은 화 석연료 종류에 따라 탄소세를 구분하여 부과하였다.
향후 탄소세 도입 국가와 탄소세율은 지속적으로 증 가할 것으로 예상되기에 기업들은 가급적 탄소세 지불 을 원하지 않지만 온실가스 감축과 관련된 인프라 구 축 및 경제적 문제가 존재한다. 예를 들어 SMR 공정 에서 이산화탄소 배출량을 60%까지 감소시키기 위해 서는 약 43달러/CO2eq.의 비용이 들며, 배출량을 최대 90%까지 감소시키는 것에는 약 64달러/CO2eq.의 비용 이 필요한 것으로 보고되고 있다49). 그러나 Table 3에 서 나타낸 탄소세 도입 국가들의 대부분은 SRM 공정 에 소요되는 비용보다 낮은 탄소세를 부과하고 있으며, 이는 아직 모든 공정의 탈탄소화에 필요한 경제적 인 센티브를 탄소세가 제공한다고 보기 어렵다는 것을 의 미한다.
그럼에도 불구하고 탄소세는 온실가스 감축 기술 투 자비와 수익의 격차를 줄일 수 있기에 기술개발을 위 한 경제적 유인 제도로의 정책적 의미가 있다고 볼 수 있다. 이와 더불어 탄소세를 시설 투자비 또는 재생에 너지나 화학제품에 대한 보조금 지급과 연계하는 방안 을 고려할 수 있다. 녹색 기술에 보조금을 지급하면 긍 정적 외부효과가 발생하여 기술 도입을 촉진시킬 수 있고50), 이를 통해 온실가스 배출량을 줄일 수 있기에 탄소세율을 높이지 않아도 된다. 예를 들어 매립가스 활용 또는 감축 시설을 도입하지 않은 매립지에는 탄 소세를 부과하는 동시에 매립가스 활용 또는 감축 시 설의 적용을 촉진시키기 위한 방안으로 활용 또는 감 축 기술에 대해 보조금을 지급하는 것이다. 또한, 탄소 세를 통해 얻어지는 수익은 탄소 감축 기술 개발을 목 표로 하는 R&D 자금 지원에 활용될 수 있어 향후 다 양한 산업분야 온실가스 감축 기술 개발에 이바지 할 수 있다.
결론적으로 우리나라는 2030년까지 2018년 기준 메 탄 배출량의 30% 감축 목표를 제시하였으나 아직 메 탄배출량이 가장 많은 폐기물매립지에 대한 구체적 이 행 방안이 부족한 실정이며, 매립가스 발전만으로는 한계에 부딪히고 있다51). 그러나 상기에서 살펴본 바 와 같이 매립가스를 기반으로 다양한 유효 활용 방안 을 모색하면서 경제성을 확보하려는 다각적인 기술 개 발이 이루어지고 있다. 따라서 우리나라도 국외 사례 와 같이 탄소세 도입을 통해 매립가스 유효활용 기술 에 대해 경제적 인센티브를 제공하는 방안을 고려할 필요가 있다. 다만 탄소세 도입은 산업 전반에 영향을 미치기에 사회 전반의 합의 도출에 어려움이 있을 수 있기에 폐기물매립지 매립가스 활용 기술에 대한 보조 금 지원제도도 고려할 수 있다. 일례로 독일 및 덴마 크의 경우 폐기물매립지 메탄 감축 기술인 호기성 공 법과 생물학적 메탄 산화 기술 적용 시 보조금 지원 제도를 운영하고 있다. 따라서 폐기물매립지의 메탄 감축 목표 달성을 위한 기술 적용이 시급한 현 시점에 명확한 경제적 지원 제도가 마련되어야 할 것으로 판 단된다.
IV.
결 론
수도권은 2026년부터, 그 외 지역은 2030년부터의 생활폐기물 직매립 금지는 매립대상 폐기물의 무기화 (無機化)를 의미하며, 이는 온실가스 감축 방안으로서 의 매립가스 발전은 더 이상 확대가 어렵다는 것을 뜻 한다. 따라서 기후변화 대응과 관련하여 2030년까지의 메탄 감축 목표 달성을 위해서는 폐기물매립지에서의 온실가스 감축을 위한 정책 및 기술 대안 마련이 매우 시급한 실정이다. 이에 본 연구에서는 매립가스 유효 활용을 통한 온실가스 감축 방안을 검토하였으며, 활용 방안으로는 바이오메탄, 합성가스(수소 이용) 변환 또 는 이를 기반으로 메탄올, 디메틸에테르 생산 등이 있 는 것으로 나타났다. 더욱이 이들 기술들은 매립가스 내 메탄 및 이산화탄소의 활용을 통해 CCU로서의 가 치가 있었으며, 저탄소 사회로 나아가는데 기여할 수 있는 것으로 나타났다. 이에 매립가스 유효활용 기술들 의 적용은 앞으로 매립가스 발생량 감소를 고려할 때 매립가스 발전에 대한 효과적인 대안이며, 기존 선형 경제에서 순환형 경제로의 전환을 달성하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
다만 이들 기술을 상용화하기 위해서는 경제적·환경 적 비용과 같은 실질적인 측면을 고려해야 한다. 아직 까지는 이들 기술들의 경제성 확보에 다양한 제약조건 (재생에너지 기인 수소 공급여부, 수소 및 매립가스 구 매단가, 매립가스 발생량, 촉매 비용 등)들이 있으며, 시장에서도 화석연료인 천연가스와 비교하였을 때에도 경제성에 한계가 있는 것으로 나타났다. 이러한 원인 중 하나는 화석연료를 기반으로 제품을 생산할 때 온 실가스 배출과 같은 부정적인 외부 효과가 가격에 반 영되지 않기에 이들 제품들이 가격 경쟁에서 우위를 차지하기 때문이다. 따라서 매립가스 유효활용 기술이 비용 효과적인 대안이 되고 2030년 폐기물매립지 메탄 감축 목표 달성을 위해서는 탄소세 또는 해당 기술에 대한 보조금 제도 등의 명확한 경제적 지원제도 도입 이 필요한 것으로 판단된다.
