한 눈에 쏙! 에너지 그래픽

S-OIL이 친환경 에너지 화학 기업의 미래를 그리며 정보 탐색을 이어갑니다. 인포그래픽으로 정리된 에너지 관련 정보를 살펴보세요.

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쓰레기와 폐기물로 골치를 썩이는 도시를 위한 솔루션으로 바이오 수소 사업이 주목받고 있습니다. 바이오 수소는 음식물 쓰레기, 하수찌꺼기, 가축 분뇨 등을 처리할 때 발생하는 바이오가스를 이용해 수소를 생산하는 방식입니다. 탄소중립 및 자원순환 정책에 부응하고 수소경제 및 분산 에너지 활성화 정책에도 이바지할 수 있을 것으로 기대됩니다.

S-OIL과 함께 바이오가스로 만드는 친환경 수소 이야기를 자세히 알아봅니다!

1. 바이오 연료와 바이오 수소

매일 매일 쌓이는 쓰레기를 처리하기 위해서는 많은 양의 탄소가 발생하게 됩니다. 바이오가스는 음식물 쓰레기, 하수 및 산업 찌꺼기, 가축 분뇨, 농업 부산물 등 유기성 폐기물을 처리하는 과정에서 발생합니다. 무산소 상태에서 탄소와 수소로 이루어진 유기물을 미생물로 분해하여 얻어지는 가스로, 메탄이 주요 성분입니다. 분해 과정에서 주로 메탄과 이산화탄소로 이루어진 가스혼합물이 생성되며, 폐수와 폐기물의 처리 및 바이오 에너지 생산에 널리 활용되고 있습니다.

바이오가스는 산업과 생활에서 발생하는 폐기물을 그대로 원료로 활용해서 생산하기에 다른 에너지 투입이 필요하지 않아, 재생에너지로 분류됩니다. 세계바이오가스협회(WBA)의 보고서에 따르면, 매년 전 세계에서 1,050억 톤의 유기성 폐기물을 바이오가스 생산 과정을 통해 처리하면 2030년까지 온실가스를 10% 저감할 수 있습니다.

놀라운 것은 이 바이오가스를 개질(Reforming)과 고질화(Upgrading)를 거쳐 친환경 에너지인 수소도 생산할 수 있다는 것입니다. 이것이 바로 ‘바이오 수소(Bio-hydrogen)’입니다. 바이오가스를 이용한 수소 생산 기술은 탄소중립 공정으로, 그린수소의 생산이 가능합니다. 생산 과정에서 이산화탄소가 배출되기는 하지만, 반응물인 유기물이 자라면서 이산화탄소를 흡수하여 결과적으로 탄소배출은 ‘0’이 되기 때문에 바이오 수소는 탄소중립성을 가지는 친환경 수소라고 할 수 있습니다.

2. 바이오가스로 수소를 만드는 원리

바이오가스를 수소로 만드는 방법은 의외로 복잡하지 않습니다. 먼저 유기성 폐기물을 미생물(균주)로 분해해 바이오가스를 생산한 뒤 메탄 60%, 이산화탄소 40% 수준으로 구성된 바이오가스의 질을 높이는 고질화 공정을 거쳐 이산화탄소를 제거합니다. 이때 남은 메탄가스에서 탄소를 제거하는 개질 과정을 거쳐 수소만 남기면 바이오 수소를 생산할 수 있습니다.

3. 습식메탄개질과 건식메탄개질의 시너지

바이오가스의 주요 성분이 메탄이기는 하지만, 그 함량이 50~75%가량으로 천연가스보다는 낮고, 불순물이라 할 수 있는 일부 유기가스가 포함되어 있어 촉매 자체에 데미지를 입혀 반응성이 떨어질 수 있습니다.

그러나 바이오가스 정제 공정의 발전으로, 적은 메탄을 농축하여 그 함량을 높이고 불순물을 제거하여 천연가스와 동일한 ‘습식메탄개질’ 반응을 통해 수소를 생산할 수 있게 되었습니다. 습식메탄개질은 메탄에 물을 촉매로 활용해 일정 조건에서 합성가스를 생산하는 화학반응입니다.  

최근에는 메탄에 주요 온실가스인 이산화탄소를 반응시켜 수소를 생산해 냄과 동시에 이산화탄소를 상쇄하는 ‘건식메탄개질’이 주목을 받고 있습니다. 습식메탄개질과 더불어 건식메탄개질의 상용화가 가능해지면, 바이오 수소 생산과 이산화탄소 저감에 기여하여 시너지를 기대할 수 있을 것으로 보입니다.

4. 우리나라의 바이오 수소 생산

특히 바이오가스 플랜트는 다른 신재생에너지원인 풍력, 태양광 등에 비해 설치와 운영이 간단합니다. 이러한 특성에 따라 우리나라에서는 바이오가스의 생산·사용 활성화와 바이오 수소 생산을 위해 다양한 노력을 펼치고 있습니다. 지속적으로 증가하고 있는 국내 유기성 폐자원을 효과적으로 처리하면서 친환경 에너지도 생산하는 두 마리 토끼를 잡기 위해서입니다.

2020년 기준 국내 바이오가스 생산 시설은 총 110개가 운영되고 있으며, 2030년까지 150곳 이상으로 확대한다는 방침입니다. 폐기물의 처리와 동시에 에너지를 생산할 수 있는 친환경적 장점 때문에 바이오가스 시설은 지속적으로 증가하고 있으며, 이미 바이오 수소를 만들기 위한 재료는 충분한 상황입니다. 연구기관과 기업을 중심으로 유기성 폐자원에서 바이오 수소를 직접 생산하는 기술 개발도 활발하게 진행 중입니다.

5. 바이오 수소에 대한 미래 전망

이처럼 바이오가스를 활용해 생산하는 바이오 수소는 환경성과 경제성을 모두 갖춘 친환경 에너지로 주목받고 있습니다.

우선 공정 과정에서 발생하는 이산화탄소 대부분이 생물 기원으로, 탄소 중립적 에너지 기술에 가깝습니다. 분산형 에너지 공급 기반을 구축해 지역자립형 수소차 생태계 구축과 바이오가스 활용처 다변화를 통한 자원순환에도 기여할 수 있을 것으로 보입니다.

또한, 이를 통해 에너지 인프라 소외지역을 보완할 수 있고, 해당 지역에서 수집되는 유기성폐기물 처리 부산물에 기인하므로 수소 생산시설과 지역 수요처 간 거리를 가깝게 유지할 수 있어 저렴하고 효율적으로 수소를 지역사회에 공급할 수 있을 것으로 기대됩니다. 무엇보다 천연가스 대신 바이오가스를 이용하기 때문에 국제 에너지 가격변동 영향이 적다는 것이 장점입니다.

2023년 바이오가스 법 시행을 통해 향후 국내에서의 바이오가스 생산과 활용이 대폭 늘어날 예정입니다. 환경부와 한국환경공단은 가칭 ‘에코하이’ 사업을 추진 중으로, 2051년까지 바이오가스 기반 청정수소 생산시설 6개소와 수소연료공급시설 15개소 구축을 목표로 하고 있습니다.

바이오 수소 분야에 대한 기술은 국내 수요 창출과 해외에서의 생산에 함께 적용할 수 있기에 유망할 수밖에 없다는 것이 지배적인 의견입니다.

특히 수소 시대로 나아가는 데 있어, 천연가스 등 주요 에너지를 수입에 의존하고 있는 우리나라에서 바이오 수소는 미래 자원 안보를 위한 훌륭한 대안이 될 것으로 전망됩니다.

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참고 · energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=201868
          news.skecoplant.com/plant-tomorrow/10502
          gasnews.com/news/articleView.html?idxno=112431
          gasnews.com/news/articleView.html?idxno=104792
          gasnews.com/news/articleView.html?idxno=104938
          gasnews.com/news/articleView.html?idxno=105036
          k-biofuels.or.kr/front/kor/bio/bio-gas
          electimes.com/news/articleView.html?idxno=335034
          news.skecoplant.com/for-earth/7503