전 세계적으로 지구온난화 문제 해결 및 지속가능한 발전을 위한 관심과 노력이 뜨겁다.
작년에는 파키스탄에서 기록적인 홍수 피해로 무려 국토 3분의 1이 물에 잠기는 재해가 발생하더니, 올해는 캐나다에서 초대형 산불로 인해 우리나라 면적 3분의 1 이상이 피해를 봤다.
또한, 히말라야나 알프스 뿐만 아니라 칠레와 파타고니아 등지에 존재하는 대규모 빙하 또한 과거와는 다르게 빠른 속도로 녹아내리고 있다. 이제는 더 이상 지켜만 볼 수 없는 상황에서 기후변화를 저지할 수 있는 탄소중립 기술의 빠른 개발과 적용이 절실한 상황이다.
기후변화 문제를 해결할 수 있는 탄소 중립 방안으로는 대표적으로 태양광이나 풍력, 바이오매스 그리고 수소와 같은 신재생에너지 활용이 있다. 다양한 기술 개발과 상용화가 이뤄지는데, 각자 역할을 하는 요소기술 개발 뿐만 아니라 통합적인 관점에서 기술 개발 또한 중요하다.
각 요소 기술이 아무리 좋은 성능을 낼지라도 이를 뒷받침하는 다양한 기술이 함께 존재해야 할 것이며, 이들이 잘 융합돼야만 비로소 원하는 목표와 성능을 달성할 수 있기 때문이다.
이렇게 성공적인 통합 시스템 구성을 위해 활용될 수 있는 여러 기술 중에서 대표적인 기술 분야는 바로 공정 시스템 공학(PSE)이 있다.
공정시스템공학은 물리적인 시스템에 대해 이론적인 모델링을 수행하며 각종 설계, 제어 및 데이터 분석과 최적화 등으로 해당 시스템 구성요소를 효율적으로 통합하는 공학 분야다.
쉽게 말해 공정 시스템 공학은 다양한 기술이 잘 통합되고 동작할 수 있는 '가교' 역할을 하며 특히 우리가 직면한 에너지 및 환경 문제를 해결하기 위해 필수적인 기술 중 하나다.
이런 공정시스템공학이 적용될 수 있는 예를 들면, 재생에너지를 활용해 수소를 만들어내는 그린 수소 시스템이 있다. 이 시스템은 물을 전기분해하는 수전해 스택이 핵심 요소 설비라고 할 수 있으며, 이에 적용되는 핵심 구성품은 분리막, 전극 등이 있고 관련 기술 개발이 활발히 수행되고 있다.
그런데 이런 핵심 요소 설비와 구성품 외에도 다른 중요한 시스템 또한 존재한다. 수전해 스택을 통해 생산되는 수소는 내부에 포함됐을 수 있는 산소와 물 등을 제거하기 위해 각종 분리 시스템이 수반돼야 한다.
수전해 과정에서 압력 조절 실패 시 수소 생산 파트로 산소가 대량 유입돼 폭발 위험성도 있기 때문에 이에 대한 운전 제어 또한 중요하다. 그리고 수소를 저장하거나 압축한 후 공급하는 시스템도 필요하다.
이렇게 각각 역할을 하는 단위 시스템은 결국 잘 조합해야만 전체 시스템이 제대로 된 성능을 내고 안전성을 보장할 수 있을 것이며, 더 나아가 상용화를 위한 경제성을 확보할 수 있다.
공정시스템공학은 바로 이러한 통합을 위해 활용될 수 있는 기술이다. 아울러, 공정시스템공학 기술을 활용하면 대단히 복잡한 플랜트 공정도 컴퓨터 시뮬레이션을 활용해 현상을 예측하고 더 나아가 에너지 효율과 경제성을 극대화할 수 있다.
뿐만 아니라 공정의 안전성을 높여 혹시 발생할 수 있는 위험한 사고를 줄이고 요즘 기후변화의 주범으로 지적되는 온실가스 배출을 최소화할 수 있는 방안을 도출해 낼 수 있다.
또 요소 기술을 상용화하기 위해 필수적으로 필요한 체계적인 기술 패키지화 및 스케일업에는 관련 공정 시스템 공학 연구결과가 반드시 필요하다.
과학과 공학 분야에서 많은 연구자들의 노력으로 우수한 에너지 및 환경 관련 요소 기술이 개발되고 있다. 이런 요소 기술이 성공적으로 통합되고 활용되기 위해 '플랫폼' 기술인 공정시스템공학 기술이 적극적으로 활용되길 바라며, 향후 탄소중립사회 실현에 있어 중요한 역할을 할 수 있길 기대한다.
박정호 한국에너지기술연구원 책임연구원 jhpark222@kier.re.kr
