[인사이트코리아=노철중 기자] 탄소중립의 시대를 맞아 산업계 전반에서 이산화탄소를 포함한 온실가스 배출을 줄이기 위한 노력이 계속되고 있다. 재생에너지 사용을 늘리는 것도 이러한 노력의 일환이다.

태양광, 풍력, 지열, 수력 등과 같은 재생에너지자원 중 하나인 바이오가스는 열·전기뿐 아니라 화석 유래 차량용(수송용) 액체연료인 가솔린·디젤과 새로운 차량용 에너지인 수소 등을 생산하는데 사용되기도 한다.

전 세계적으로 바이오가스 활용도가 높아지는 추세다. 2018년 국제에너지기구(IEA) 발표에 따르면, OECD 국가 재생에너지원별 전력 생산 연평균 증가율은 태양광 34.8%, 풍력 21.2%, 바이오가스 12.2%로 나타났다. 바이오가스가 전체 재생에너지 중 세 번째로 큰 비중을 차지하고 있는 것이다.

가솔린·디젤·수소 등 연료 생산 이외에도 바이오가스는 100% 재생에너지만을 사용하는 친환경타운 모델을 개발하는 데도 활용되고 있다. 독일의 펠트하임(Feldheim)이라는 마을이 대표적인데, 전기와 난방에 폐목재에서 얻은 바이오매스 열에너지와 분뇨에서 추출한 바이오가스 재생에너지를 100% 사용하고 있다.

양정일 한국에너지기술연구원(KIER) 청정연료연구실 책임연구원(박사)은 이렇게 다양한 바이오가스 활용 기술을 집중적으로 연구하고 있다. 2005년 고려대에서 화학공학 박사학위를 취득했으며, 1997년부터 KIER에 몸담아 온 그는 2016년 무렵 쓰레기 매립지에서 발생하는 혼합가스의 바이오연료 개질 기술에 관심을 가졌다. 2017년에는 ‘CO2가 포함된 바이오가스를 이용한 액체연료 생산 기술 개발’로 한국공학한림원의 ‘미래 100대 기술과 그 주역’에 선정됐다. 최근에는 ‘바이오가스 수송용 연료화 기술 개발 연구 융합클러스터’의 융합클러스터장을 맡기도 했다. <인사이트코리아>는 양정일 박사와 지난 5월 27일 서면 인터뷰를 통해 국내 바이오가스 기술 현황과 향후 연구 방향에 대해 자세히 들어봤다.

바이오가스를 이용한 액체연료 생산 기술 연구는 언제, 어떻게 시작됐나.

“천연가스로부터 가솔린과 디젤 등의 액체연료를 생산하는 기술 개발을 국제 유가가 배럴당 50달러 이상으로 급격히 상승했던 2006년부터 시작했으며 2008년에는 촉매·반응기 등에 대한 핵심 원천기술을 확보했다. 이후 천연가스 자원이 부족한 우리나라에 저희가 개발한 기술의 적용 가능성을 고민하다가 국내 가용 천연가스 자원인 바이오가스를 알게 됐다. 2012년에 미국 기업 Sustainable Conservation의 ‘Upgrading Dairy Biogas to Biomethane and Other Fuels’ 자료를 접하고 천연가스에 비해 소규모로 생산되는 바이오가스에 대해 원료 바이오가스 공급량에 연동할 수 있는 모듈형 액체연료 생산 기술인 저희 기술의 적용 가능성을 확인했다. 이후 추가 연구 개발을 진행해 2013년 우리나라, 2018년 미국과 유럽에서 원천기술 특허를 확보했다.”

바이오가스는 주로 어디에서 얻을 수 있나.

“바이오가스는 크게 소규모로 축산 분뇨나 음식 폐기물, 대규모로 하수 처리와 쓰레기 매립지 등에서 발생하고 있다. 자료에 따르면 국내에서 바이오가스가 생산되는 매립지와 하수 처리장은 7기가 가동되고 있으며, 평균 바이오가스 생산량은 일간 약 1만 노멀입방미터(Nm³/일)다. 또 축산 분뇨와 음식물 처리장에서도 바이오가스가 생산되는데, 25기가 가동되며 평균 바이오가스 생산량은 시간당 약 80노멀입방미터(Nm³/h)다. 국내에서 추가로 적용 가능한 바이오가스 생산 시설은 매립지 약 200개, 하수처리장 약 4000개소, 공공 축산분뇨처리 시설 약 1만3000개소, 음식폐기물 처리 시설 약 250개소 이상 가능할 것으로 파악된다.”

바이오가스 생산과 포집을 어떻게 하는지 궁금하다.

“이산화탄소 포집 기술은 공기 중에 이미 배출된 이산화탄소를 포집하는 기술로서 매우 중요한 기술이며, 바이오가스는 이것과 달리 혐기성(무산소성·anaerobe) 소화조로 알려진 대형 탱크에서 발생한다. 소화조 내부의 박테리아는 생물학적 폐기물을 바이오가스로 전환하는데, 바이오가스는 소화조 내부의 혐기성 소화 또는 생분해성 폐기물의 발효에 의해 생성된다. 축산 분뇨나 음식 폐기물, 하수 처리 등은 이러한 혐기성 소화조를 통해 생산과 포집이 이루어지며, 쓰레기 매립지의 경우 매립지에서 발생하는 바이오가스는 가스 포집공을 통해 포집이 가능하다.”

바이오가스를 이용한 수소·가솔린·디젤 생산 기술 연구는 현재 어디까지 진행됐나.

“수소는 바이오가스를 정제해 얻어지는 바이오메탄을 통해 생산할 수 있으며 현재 충주에 수소 융복합 충전소가 있다. KIER에서는 바이오가스의 또 다른 주성분인 CO₂를 포함하는 바이오가스를 이용한 그린 수소 생산 기술을 개발하고 있으며, 현재 실험실 규모의 연구를 마치고 시작품 제작 단계 기술 개발을 준비하고 있다. 유럽연합(EU)의 FCH(Fuel Cells and Hydrogen joint undertaking)에서는 CO₂ 포함 바이오가스(raw biogas)에서 얻어지는 수소를 태양광과 풍력의 전기 에너지에서 얻어지는 수소와 같이 그린수소(green hydrogen)로 인정하고 있다. 천연가스를 이용한 가솔린과 디젤 생산 기술 개발은 한국화학연구원에서 파일럿(pilot) 규모의 기술 개발을 마쳤으며, 저희는 바이오가스에 적용 가능한 모듈형 금속 구조체 촉매와 열교환 반응기를 개발해 벤취(bench) 규모의 연구개발을 마치고 현재 파일럿 규모의 기술 개발을 기획하고 있다. 다만, 이러한 가솔린과 디젤 기술 개발은 국제 유가에 따라 기술 개발의 경제성과 당위성이 크게 영향을 받는다.”

수소 생산과 관련해 기업과는 어떤 협력 체계를 형성하고 있나.

“2019년 11월부터 국가과학기술연구회의 지원을 받아 2년간 ‘바이오가스 수송용 연료화 기술 개발 연구 융합클러스터’를 조직해 바이오가스의 고품위화를 통한 수송용 연료 생산 기술 개발 기획 연구를 진행했다. 바이오가스 수송용 연료는 고순도 바이오메탄 연료로서 CNG와 LNG, 바이오가스 고품위화 연료 수소, 휘발유와 디젤을 연구 대상으로 했다. 융합클러스터는 저희와 한국기계연구원을 주축으로 바이오가스 시장 수요와 원료 및 제품 수급 동향을 자문할 수 있는 깨끗한바이오(주), ㈜스칸디나비안바이오가스 코리아, 캐나다의 ALC Bio Innovations사가 참여했다. 수송용 연료 제조 판매를 위해 정유회사인 현대오일뱅크와 SK이노베이션, 수소 생산 기업인 에이치앤파워와 협력 체계를 구축했다. 또 융합클러스터 기획 연구를 바탕으로 현재 CO₂ 포함 바이오가스로부터 그린수소 생산을 위한 선행 융합연구를 진행하고 있는데, 특히 현대오일뱅크가 여기에 많은 관심이 많다.”

가솔린이나 디젤은 어떻게 만드나.

“메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)의 바이오가스를 물(H₂O)과 700℃ 이상 고온에서 촉매를 이용해 리포밍(reforming) 반응을 하면, 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 이뤄진 합성가스(synthesis gas)를 얻을 수 있다. 합성가스를 정제하면 고순도 수소연료를 생산할 수 있다. 더욱이 이러한 합성가스를 원료로 해 이후 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch synthesis) 반응을 거치면 탄화수소 화합물((-CH₂-)n)인 가솔린(주로 C₈H₁₈)과 디젤(주로 C₁₆H₃₄)을 생산할 수 있다. 이 기술은 1920년대 독일 카이저 빌헬름 연구소의 과학자인 프란츠 피셔(Franz Fischer)와 한스 트롭쉬(Hans Tropsch)가 개발했으며 이들의 이름을 따서 피셔-트롭쉬 합성 반응으로 불린다. 당시 독일은 석유 자원이 부족해 이를 석탄으로 대체하기 위해 석탄을 물과 산소에 반응시켜 얻은 합성가스를 촉매로 사용해 연료를 생산했다.”

융합클러스터 비전에는 ‘분산 발전 기술’이 포함돼 있는데, 이는 정확히 어떤 것인가.

“분산 발전 기술(distributed generation)이란 기존의 대규모 중앙집중형 발전과 달리 소규모로 수요지 주위에 분산 배치해 에너지를 생산하는 발전 방식이다. 각 지역에서 배출되는 축산 분뇨와 음식폐기물, 하수 처리 등에서 발생하는 바이오가스를 이용하는 기술은 온실가스 배출 저감과 지역별 에너지 자립이 가능한 친환경 기술이다. 독일의 펠트하임(Feldheim)은 150여명의 주민이 37가구를 이루고 있는 마을로 전기와 난방에 폐목재에서 나온 우드칩(wood chip)으로 얻는 바이오매스 열에너지와 분뇨에서 추출한 바이오가스의 재생에너지를 100% 사용하고 있다. 우리나라도 가축 분뇨 등에서 얻은 바이오가스를 이용해 전기나열 에너지를 생산하고, 미활용 열을 목욕탕 등 주민 편의시설에 활용하고 있다. 바이오가스 생산 부산물인 액비나 퇴비 등은 친환경 사료나 친환경 농산물의 생산에 사용되는 ‘친환경 에너지순환형 모델’을 개발하고 있다. 경남 양산 친환경에너지타운은 하루 50톤 규모의 축산 분뇨를 처리하는 동시에 하루 135kWh(키로와트시)의 전기를 생산하고, 목욕시설과 농산물 판매장, 족욕시설 등을 갖추고 있다. 홍천 친환경에너지타운은 가축의 분뇨와 버려지는 자원을 활용해 에너지를 만들어 운영되는 마을로서 바이오가스로부터 도시가스를 생산해 가구 난방에 사용하고 부산물로 얻어지는 퇴·액비 등을 판매해 부가수익을 창출하고 있다.”

국내 재생에너지 사용 현황은 다른 나라에 비해 어떤 수준인가.

“재생에너지는 대체로 풍력, 태양광, 지열, 바이오매스, 바이오가스로 구분된다. 독일과 프랑스는 바이오매스와 바이오가스로 세분화해 재생에너지 지원 정책을 펴고 있다. 우리나라는 재생에너지원으로 바이오매스와 바이오가스를 바이오로 통합해 관리한다. 유럽 국가들은 대체로 바이오가스 종류와 설비 용량 기준으로 지원금을 차등화해 바이오가스 발전을 지원하고 있다. 바이오가스 이용 기술은 기존의 열과 전기 생산 외에 CBM(Compressed BioMethane·압축메탄가스), LBM(Liquefied BioMethane·액화 메탄가스), 수소 등을 생산하는 데 사용되고 있으며, 메탄올과 연료 생산에 대한 다양한 연구도 진행되고 있다. 우리는 바이오가스를 통해 주로 열과 전기를 생산해왔지만, 최근에는 친환경 기술로서 수소 생산 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 충주에 바이오가스 이용 수소융복합 충전소, 서울 상암에 매립가스를 활용한 수소 충전소가 있다. 전주에서는 바이오가스 기반 수소 융복합사업, 대구에서는 바이오가스를 활용하는 탄소 자원화 실증 사업이 진행되고 있다.”

향후 연구 방향이나 계획은.

“현재 CO₂ 포함 바이오가스를 이용한 그린수소 생산 기술을 개발하고 있으며, 실험실 규모의 연구 결과를 바탕으로 향후 시작품 제작 단계 기술 개발을 계획하고 있다. 특히 이 기술은 세계 최초로 실험실 규모의 고정층 촉매 반응기에 전기장을 부과해 수소 생산과 촉매 안정성에 대해 우수한 촉매 반응 활성을 확보했다. 앞으로 시작품 규모의 연구 결과에 큰 기대를 걸고 있다. 향후 국제 유가 상승으로 가솔린과 디젤 등 액체연료 생산 기술에 대한 경제성이 확보되면 탄소 자원화를 위해 바이오가스 내에 포함된 CO₂도 반응 원료로 이용해 소규모 바이오가스로부터 액체연료를 생산할 수 있는 파일럿 규모의 기술 개발도 계획하고 있다.”

박사님 연구로 인해 변화될 미래 사회의 모습은 어떨 것이라 고 생각하나.

“EU의 FCH는 바이오가스를 통한 그린수소 생산 기술이 값싸고 유망한 친환경적 기술이라고 발표했다. 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서도 조기 수소전기차(FCEV) 상용화를 위해서는 바이오가스 유래 그린수소 생산 기술이 반드시 필요하다고 언급하고 있는데, 이처럼 바이오가스를 이용한 에너지 생산의 전 세계적인 흐름에 저희 연구가 큰 변화를 줄 것으로 생각하지 않는다. 다만, 국내 가용 자원인 소규모 바이오가스를 원료로 지역별 에너지 자립과 비상시 에너지원의 다양성을 통한 국가 에너지 안보 확립에 기여 할 부분이 있으면 좋겠다.”