인류의 생존을 위협하는 기후위기 시대, 환경공학은 더 이상 ‘사후 수습’을 위한 학문이 아니다. 과거의 환경공학이 인간이 배출한 오염물질을 어떻게 하면 깨끗하게 처리할 것인가에 집중했다면, 오늘날의 환경공학은 자원의 순환을 설계하고 탄소 배출을 원천적으로 차단하는 ‘선제적 방어선’ 역할을 요구받는다.
국제사회가 ‘2050 탄소중립(Net-Zero)’을 공동 목표로 설정하고 발 빠르게 움직이는 가운데, 우리나라 역시 연간 약 6억 톤에 달하는 이산화탄소 배출량을 2050년까지 현재의 1% 수준으로 감축해야 하는 거대한 과제를 안고 있다. 특히, UNEP에 따르면 전 세계 도시에서 배출되는 이산화탄소는 지구 전체 배출량의 약 75%에 달한다. 결국 도시를 구성하는 에너지, 물, 폐기물, 교통 등 모든 분야에서 탄소중립이 실현되지 않는다면 전 지구적 탄소중립 달성은 불가능하다는 뜻이다.
이 거대한 패러다임 전환의 최전선에 서울시립대학교 환경공학부 김현욱 교수가 있다. 김 교수는 물을 깨끗하게 처리하는 기술을 뛰어넘어, 수처리 과정 전체를 디지털화하고 이를 통해 도시 에너지 생산/관리 기지로 활용하는 ‘역발상 솔루션’을 제시하며 학계와 산업계의 주목을 한 몸에 받고 있다.
◆도시의 ‘에너지 하마’, 탄소중립 최전선의 발전소로 변모하다
하·폐수 처리장은 현대 도시의 필수 시설이지만, 동시에 대표적인 기피 시설이자 막대한 전력을 소비하는 ‘에너지 하마’다. 방대한 양의 물을 집수하고, 생물공정을 가동하며, 침전물을 걸러내는 모든 과정에 상당한 수준의 전력과 비용이 소모되기 때문이다. 이 과정에서 발생하는 온실가스 역시 무시할 수 없는 수준이다. 반대로 생각하면, 도시 물관리 시스템의 최적화만으로도 온실가스 배출량을 최대 17%까지 감축할 수 있다는 연구 결과가 이를 증명한다.
김현욱 교수의 연구는 바로 이 지점에서 시작된다. 김 교수는 하·폐수 처리시설을 단순한 정화 장치가 아닌, 하나의 ‘거대한 친환경 발전소이자 에너지 관리 플랫폼’으로 바라본다.
“지금까지의 수처리는 수중 오염물질을 기준치 이하로 낮추는 데만 급급했다. 그 과정에서 전기가 얼마나 소비되는지, 탄소가 얼마나 배출되는지는 차순위 문제였다. 하지만, 탄소중립이 생존 공식이 된 지금은 수처리 패러다임이 완전히 달라져야 한다. 수처리 과정에서 발생하는 유기성 잔재물을 이용하여 에너지를 생산하고, 공정 자체의 효율을 극대화해 하·폐수 처리장 스스로 에너지를 자급자족하는 모델을 완성해야 한다. 더 나아가서, 도시 에너지의 안정적 공급을 위한 에너지 수요관리 역할이 요구된다”
김 교수 연구팀이 개발 중인 차세대 고도 수처리 공정은 오염물질 제거 효율을 기존 대비 20% 이상 향상시키면서도, 운영 에너지는 획기적으로 줄이는 것을 골자로 한다. 특히 버려지는 찌꺼기(슬러지)에서 고순도 에너지를 회수하는 기술은 이미 실증 단계에 접어들었다. 환경을 살리기 위해 또 다른 환경 비용(에너지)을 지불해야 했던 모순의 고리를 끊어내겠다는 구상이다.
◆세계가 주목하는 독보적 기술력... 단위공정 자동화 넘어 ‘통합 최적화’ 시대 개막
최근 글로벌 물산업 분야는 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 디지털 트윈(DT) 등 첨단 ICT 기술이 융합되면서 지능형 물관리 시대로 진입하고 있다. 하지만 현재 전 세계적인 기술 수준은 응집, 막여과, 오존공정 등 일부 단위공정의 자동화에 머물러 있을 뿐, 시설 전체를 통합적으로 제어하는 지능형 통합 운영 기술은 글로벌 선진국조차 아직 상용화 단계에 이르지 못했다. 세계적인 기술 공백이 존재하는 이 지점에서 시장의 판도를 바꿀 핵심 ‘게임 체인저’로 등판한 이들이 바로 김현욱 교수 연구팀이다.
김 교수 연구팀은 국가 물관리 패러다임을 바꿀 메가 프로젝트인 「수요맞춤형 물관리 시설 수요자원화 기술개발 및 실증 연구」에 참여하며, 글로벌 기술 격차를 단숨에 뛰어넘고 있다. 이 연구의 핵심은 AI와 디지털 트윈을 기반으로 실제 물관리 시설을 ‘능동적인 에너지 수요자원’으로 전환하는 플랫폼을 개발하는 것이다. 이는 물산업과 에너지산업의 경계를 허무는 초융합 기술로, 국내에서 실제 물관리 현장에 복합적인 지능형 플랫폼을 설계하고 실증까지 리드할 수 있는 독보적인 역량을 갖춘 곳은 김현욱 교수팀이 유일하다는 것이 학계의 중론이다.
“우리 연구팀이 개발 중인 플랫폼은 물관리 시설이 도시의 전력 계통 안정화에 기여하는 ‘스마트인프라’ 역할을 하도록 만든다. 전력 수요가 집중되는 피크 시간대에는 시설의 에너지 소비를 스스로 줄이고, 재생에너지 발전량이 높은 시간대에는 가동률을 높여 유연하게 운영하는 획기적인 모델이다”
김 교수 연구팀의 이 같은 행보는 국내 지자체의 하수처리 고도화 사업은 물론, 미래형 스마트시티 구축을 위한 핵심 인프라 기술로 발전하고 있다. ‘실험실 안의 학문’에 갇히지 않고, 현장에 즉각 적용가능한 원천 기술을 확보해 낸 연구팀의 집념이 대한민국 스마트 워터 솔루션을 세계적 수준으로 끌어올리고 있다.
◆국경 없는 환경 문제, 대한민국 기술로 ‘글로벌 표준’을 세우다
김 교수의 연구 성과는 이제 전 세계가 직면한 기후위기의 해법을 향해 뻗어나가는 중이다. 기후변화와 수자원 고갈은 국경이 없는 인류 공통의 과제이기 때문이다. 그는 글로벌 환경 규제가 강화되는 흐름을 위기가 아닌 ‘거대한 기회’로 보고 있다. 유럽이나 미국 등 환경 선진국이 세운 기준을 뒤쫓아가는 추격자(Fast Follower)에 머무는 것이 아니라, 대한민국 김현욱 교수팀이 개발한 스마트 환경 기술을 세계적인 ‘표준(Standard)’으로 만들겠다는 포부다.
그 일환으로 김 교수 연구팀은 해외 유수의 대학, 연구기관 및 글로벌 기업들과의 공동 연구를 활발히 전개하고 있다. 특히 수자원 인프라가 부족한 개발도상국에 적은 비용으로 고효율을 낼 수 있는 ‘콤팩트형 스마트 수처리 시스템’을 보급하는 프로젝트에도 깊은 관심을 쏟고 있다. 적정 기술과 첨단 기술의 조화를 통해 지구촌 전체의 환경 불평등을 해소하겠다는 복안이다.
◆탄소중립 특성화대학원, 경계를 허무는 융합 교육으로 '미래 도시 설계자' 육성
연구자로서 독보적인 궤적을 그리고 있는 김현욱 교수이지만, 교육자로서 강단에 설 때의 무게감은 또 다르다. 김 교수는 현재 서울시립대학교 '탄소중립 특성화대학원'을 이끌며 미래 환경 사회를 선도할 인재 양성에 총력을 기울이고 있다. 이 대학원은 ‘자원순환경제 기반 탄소중립 도시환경 구축’을 비전으로 삼고 있다.
“2050 탄소중립은 특정 산업이나 기술만으로 달성할 수 있는 목표가 아니다. 도시를 구성하는 모든 시스템이 함께 변화해야 한다. 특히 물관리와 자원순환 분야는 탄소중립 도시 구현의 핵심 축이다. 이제 환경공학자는 생물학뿐만 아니라 컴퓨터 공학을 알아야 하고, 경제학과 법의 테두리까지 이해해야 한다. 환경 문제는 결코 한 가지 학문으로 풀 수 없는 일종의 ‘종합 예술’이기 때문이다”
김 교수 연구실의 원동력은 수평적인 토론과 거침없는 실험에 있다. 학제 간 장벽을 깨고 에너지, 자원, 디지털 기술을 아우르는 ‘초융합형 인재’를 키워내는 것이 그가 강단에 서는 이유다. 오염을 지우던 공간에서 에너지를 창조하는 공간으로. 하·폐수처리장의 역할을 새롭게 정의하려는 그의 기후 역발상은 이제 거스를 수 없는 시대적 흐름이 되었다. 물과 디지털 기술이 만난 스마트 도시의 청사진을 그리며, 어두운 기후위기의 터널을 밝히는 김현욱 교수의 연구실은 지금 이 순간에도 인류의 내일을 새로 쓰고 있다.
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