지난 9월 농림축산식품부는 축산분야 온실가스를 저감해 ‘2050 탄소중립’ 이행에 일조하기 위해 ‘가축분뇨 에너지화 사업’을 확대한다고 밝혔다. 골칫거리로 여겨져 온 가축분뇨를 고체연료, 바이오가스 등 다양한 방식으로 처리해 온실가스 배출을 줄인다는 것이다. 조선대학교 환경공학과 김태영 교수는 농촌진흥청이 주관하는 ‘가축분뇨 바이오가스 이용 수소 생산 그린화 기술 연구’에 참여하며 가축분뇨의 에너지화에 힘을 싣는다.

 

물-에너지-환경 넥서스(Water-Energy-Environment Nexus) 중심에 두고 환경문제 해법 찾아

김태영 교수가 이끄는 수처리 및 환경에너지 실험실은 융합학문을 활용해 각종 환경 문제들을 해결하기 위한 방법을 찾아간다. 이를 위해 현재까지 여러 국책사업을 통해 생물전기화학 기술을 이용한 폐수처리와 에너지 생산, 물리화학적 폐수처리, 바이오에너지 생산, 이산화탄소 저감, 미생물 특성파악, 바이오에너지 정책 수립 등의 연구를 수행해왔다. 김 교수는 최근 이슈가 된 물-에너지-식량 넥서스(Water-Energy-Food Nexus)라는 용어를 변형시킨 물-에너지-환경 넥서스(Water-Energy-Environment Nexus)라는 키워드에 걸맞은 연구들에 집중하고 있다고 소개했다.

수처리 및 환경에너지 실험실의 대표적인 연구로 그간 오염된 물속에 포함되어 있는 유기물을 다양한 융합 기술을 이용하여 전기 혹은 바이오가스와 같은 에너지 형태로 전환함과 동시에 수처리하는 연구, 물속에 부영양화를 일으킬 수 있는 영양염류를 생물학적 혹은 물리화학적 방법으로 상업적 가치가 있는 화학물질로 전환하는 연구, 미생물 분리 및 특성파악을 통한 바이오에너지 생산 효율 향상 연구 등이 있다. 김 교수는 지구온난화에 따른 기후변화에 대응하기 위한 친환경에너지 보급, 지속가능한 수처리 기술 개발 등의 연구를 지속하고, 관련 분야의 인재들을 양성 및 배출하며 국제적인 환경문제 해결에 이바지하고자 한다고 말했다.

“탄소경제에서 수소경제로의 에너지 패러다임 전환은 전 세계적 움직임입니다. 우리 정부 또한 본격적인 수소경제 활성화에 나서고 있죠. 이러한 변화는 지구온난화로 인해 발생하는 여러 환경 문제들을 해결하기 위한 노력이라 할 수 있습니다. 저 또한 이러한 움직임에 발맞춰 친환경 에너지인 바이오수소 생산 관련 연구와 정책에 주목하고 있습니다.”

국내외 환경, 물, 신재생에너지, 생물공정 분야의 다양한 학회에 소속되어 정회원 및 이사와 다양한 저널 리뷰어로 활동하고 있는 김 교수는 이외에도 지역사회 발전을 위해 지역연구개발위원회에 참가하는 등 다양한 활동을 이어가고 있다. 그는 이밖에도 여러 기관에서 회의, 세미나 등을 통해 환경문제 해결을 위한 연구는 물론 다양한 영역에서 소통하며 환경문제에 대한 답을 찾아갈 것이라 전했다.

 

매우 높은 에너지 전환 잠재성을 지닌 바이오매스, 가축분뇨

김태영 교수팀은 지난 4월부터 2025년까지 농촌진흥청이 주관하는 2021년 농업과학기술 연구개발사업의 일환으로 ‘가축분뇨 바이오가스 이용 수소 생산 그린화 기술 연구’에 참여한다. 해당 연구는 정부의 기후변화에 대응하는 로드맵과 수소경제로의 이행 계획에 따라 농업기술 분야 관련 대응을 위해 추진됐다. 이를 통해 가축분뇨를 블루수소화 기술과 생물전기화학시스템, 산발효조가 결합된 하이브리드형 공정을 이용해 수소로 전환하는 기술 개발이 완료되면 오염 부하가 높은 유·무기성 복합물질인 가축분뇨로부터 고효율·고순도의 그린수소를 생산할 수 있게 된다. 향후 음식물쓰레기나 하·폐수 등 유기오염물질의 그린수소화에도 적용이 가능할 것이라는 기대가 나온다.

“농축산 분야에서 가축분뇨는 상당한 골칫거리였습니다. 국내 육류 소비문화로 인해 가축사육두수가 증가함에 따라 가축분뇨 발생량 또한 매해 증가하고 있죠.”

2012년부터 런던협약으로 가축분뇨 해양투기금지로 인해 국내 모든 가축분뇨는 육상에서 처리해야 하며, 현재는 대부분 위탁처리를 하거나, 액체 및 고체 비료로 전환하여 자원화하는 방식으로 처리하고 있다. 이 과정에도 문제점이 있다. 가축분뇨 중 가장 문제시되는 돼지분뇨의 경우 유기물과 부영양화를 일으키는 영양염류의 함량이 매우 높아 액비 형태로 전환시켜 농작지에 뿌렸을 때, 비점오염원으로 작용하여 수질환경 악화 등 환경문제와 악취를 발생시킬 수 있다. 축산폐수처리 시설 역시 어려움은 마찬가지다. 고농도의 오염물질을 포함하고 있는 가축분뇨를 처리하는데 막대한 에너지가 필요한 데다 기피시설이기에 신설에도 어려움이 따른다.

그러나 매우 높은 에너지 잠재성을 지닌 바이오매스인 가축분뇨는 친환경 에너지 시대의 새로운 자원이 될 수 있다. 김 교수는 가축분뇨에 포함된 유기물은 높은 비율의 에너지로 전환할 수 있으며, 모두 에너지로 전환 시 국내에서 생산되는 전체 바이오매스의 48.7%를 차지할 수 있는 에너지 잠재량을 갖고 있다고 설명했다. 이는 국내 1차 에너지 공급량의 5.1%에 해당하는 높은 에너지양이다. 그는 이러한 장점에도 가축분뇨의 에너지 전환은 일부 시설에서만 이루어지고 있어 전체 발전량은 매우 적은 상황이라며, 향후 경제성 있는 기술 개발로 이러한 상황을 타개해가고자 한다고 전했다.

“가축분뇨의 그린에너지화 및 농업에의 활용을 통해 가축분뇨 처리 및 바이오 수소 생산 기술을 확보하는 것은 물론 농업의 탄소중립화에 기여하고자 합니다. 또한, 비즈니스 모델의 하나로써 에너지 자립을 통해 농가에서 생산되는 에너지를 판매하게 된다면, 농가 소득 증대에도 보탬이 될 수 있죠. 새로운 가축분뇨 처리방식은 해당 산업 발달과 경제적 측면에서도 기여도가 상당할 것이라 예상합니다.”

김 교수는 생물전기화학 응용 기술이나 새로운 균주 개발 관련 유전공학 기술, 핵심재료 개발 등 새로이 등장하고 있는 기술들이 실제 산업에 적용되기까지는 극복해야 할 여러 문제들이 있다며, 그중 가장 중요한 것이 바로 경제성이라 말했다. 신기술의 경제성이 확인된다면 산업에의 적용 시기도 빨라지는 만큼, 경제성을 갖춘 연구 성과를 창출하는 데 집중하겠다고 전하는 그다. ‘가축분뇨 바이오가스 이용 수소생산 그린화 기술 연구’ 또한 이러한 시각의 연장선상에 있다. 수소경제시대로 진입하는 만큼 가축분뇨에서 수소생산이 가능해진다면, 상당한 파급효과를 미칠 것이라는 기대다. 김 교수는 가축분뇨로 인해 발생하는 여러 환경적 문제에 대응하는 것은 물론 가축분뇨의 에너지 자원화를 통해 경제성을 창출하는 일거양득의 효과를 누릴 수 있을 것이라 내다봤다.

김 교수는 이외에도 풍력이나 태양광 발전 등으로 만들어진 잉여 전력을 활용해 수소에너지를 만드는 수전해 기술에 관심을 갖고 있다고 설명했다. 특히 보다 효율적인 수소 생산을 위한 공정과 소재연구에 집중하며 새로운 기술의 경제성 확보에 집중하는 모습이다. 그는 신재생에너지 중에서도 친환경적으로 지속 가능하며 미래에 선제적으로 대응할 수 있는 새로운 에너지 생산에 집중하겠다는 포부를 전했다.

 

장기적 관점에서 새로운 에너지 시대 준비해야 할 때

“온실가스 감소 및 신에너지 생산의 선순환 구조는 한 사람의 힘으로 해결할 수 없는 문제입니다. 결코 짧은 시간 내에 해결될 수 없다는 데에도 많은 분들이 공감하실 거예요. 그런 만큼 중장기적 관점에서의 지속적인 관심과 기술지원 정책이 필요합니다.”

오래전부터 기후변화 등 환경문제에 관심을 기울여온 김태영 교수는 새로운 시대에 대비하기 위해서는 100년 이상을 바라보는 거시적 관점이 필요하다고 힘주어 말했다. 탄탄하게 기초를 다지며 차근차근 미래를 준비해야 한다는 것이다. 이를 위해서는 단기적인 연구개발 사업 형태로 이루어져 있는 지원보다는, 중단기성 기술지원이 필요함을 강조했다. 특히 우리나라가 R&D에 대한 투자가 적지 않은 편이긴 하지만 에너지 분야에의 다양한 투자가 집중되어야 함을 피력했다. 그는 현재처럼 태양광과 풍력에 집중하기보다 꾸준히 생산할 수 있고, 이미 많은 양이 확보된 바이오매스를 이용해 바이오에너지를 생산하는 데에도 초점을 맞춰야 할 것이라 강조했다.

“농축산업에서 쓸모없다고 버려지는 부산물들은 에너지원으로 활용할 수 있는 유용한 바이오매스입니다. 이러한 자원들을 높은 효율로 에너지화할 수 있다면 사회적·경제적으로 큰 가치가 창출될 것입니다. 앞으로도 여러 기술을 융합해 버려지는 자원들을 에너지로 전환하기 위한 연구를 이어갈 것입니다.”

 

새로움을 창출하는 연구로 환경문제에 기여할 것

고등학생 때부터 기후변화와 같은 환경문제를 해결하여 인류사회에 공헌하겠다는 꿈을 품었다는 김태영 교수는 여러 경험과 가족의 신뢰, 지도교수님의 서포트, 선·후배와 동료 간의 협력 등 주변의 여러 도움으로 자신은 이러한 일들을 평생 할 수 있게 된 운이 좋은 사람이라 말한다. 연구를 수행하며 어려움도 많았지만, 점점 목표에 다가서면서 할 수 있다는 믿음이 커졌다는 그다. 그 과정에서 느낀 성취감은 김 교수가 계속해서 연구에 전념하게 만드는 원동력이었다. 김 교수는 학부 시절 신재생에너지를 주제로 공모전에 당선되어 팀원들과 유럽에 간 경험이나 대학원생 때 힘들게 작성한 논문이 학술지에 게재된 경험 등이 기억에 남는다며, 제자들에게도 자신만의 꿈과 다양한 경험을 가질 것을 강조하고 있다고 전했다. 급하게 목표를 설정하기보다 미래를 내다보며 자신의 꿈이 무엇인지 고민하고 중간에 흔들리지 않게 폭넓은 목표를 세우라는 것이다. 그는 급할수록 돌아가라는 말이 있듯 다양한 경험을 통해 자신만의 가치관을 확립하며 자기 자신과 목표에 대해 고찰하는 시간을 가져야 한다고 힘주어 말했다.

“물과 에너지 관련 문제를 동시에 해결할 수 있는 방법을 찾고 싶다고 생각해왔어요. 그러다 물 산업, 농업과 관련된 신재생에너지 분야의 다양한 학문을 배우게 되었죠. 이러한 경험들이 그간 세워온 가치관 아래 모여 현재의 연구주제로 이어졌습니다. 학생들 또한 자신만의 확고한 가치관이나 철학을 바탕으로 다양한 경험을 쌓아가길 바랍니다.”

김 교수는 연구자로서 환경문제로 인해 고통 받는 다수의 사람들에게 희망이 될 수 있는 연구 성과를 내고 싶다는 꿈을 전했다. 이를 위해 창의적인 아이디어로 학계에 크게 기여할 수 있는 원천기술을 개발하는 것은 물론, 그 과정에 여러 학생들이 참여하며 각자 학계와 산업계 등 다양한 영역에서 독립된 연구자로서 환경 분야에 기여했으면 한다는 바람이다. 그는 남들이 생각지 못하던 기발한 아이디어를 구현시키는 것이야말로 좋은 연구라며, 우리가 몰랐던 사실을 발견하거나 기술적·과학적 측면에서 새로운 결과를 이끌어내는 등 새로움을 창출하는 연구자가 될 것을 다짐했다.

“후손들에게 좋은 환경을 물려주기 위해서는 보다 많은 사람들이 환경문제에 관심을 가져야 할 것입니다. 이런 측면에서 전 세계적으로 부는 친환경 바람은 아주 고무적인 변화죠. 다양한 만남과 협력을 통해 현재의 환경문제를 해결하는데 기여하고 싶습니다.”