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버려지는 바이오가스, 수소연료로 재탄생되나

국내 연간 바이오가스 총생산량 중 20%는 미이용
산업부, 바이오가스 기반 수소융복합충전소 시범사업 추진
바이오가스 미이용분, 연간 수소전기버스 약 2,000대 공급량
CNG·전기차 충전소 및 연료전지 발전시설 연계 비즈니스 모델 개발


[월간수소경제 이종수 기자] 지난 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’이 발표됐다. 로드맵이 차질 없이 추진되면 오는 2022년까지 총 320개소, 2040년까지 1,200개소(누적)의 수소충전소가 보급된다.  


현재 국내 구축된 수소충전소에는 대부분 석유화학 공정 등의 부산물인 부생수소가 공급되고 있다. 2017년 기준 국내 수소생산 능력은 약 192만 톤(울산 50%, 여수 34%, 대산 11%, 기타 5%)으로, 실제 생산량은 약 164만 톤(자체 소비 141만 톤, 외부 활용 23만 톤)으로 집계된다. 여유생산능력은 약 5만 톤으로 수소전기차 연료로 사용이 가능하다. 이는 수소전기차 약 25만 대가 사용할 수 있는 양이다. 


이와 함께 추출 수소가 보급될 예정이다. 전국 LNG 공급망을 활용해 거점형 중·대규모 수소생산기지와 함께, 도심지 LPG·CNG 충전소나 CNG 버스 차고지 등을 활용한 소규모 추출형 수소생산·충전소를 구축한다는 게 정부의 계획이다.


장기적으로는 재생에너지 잉여전력을 활용한 그린 수소 생산을 확대하는 한편 해외 재생에너지 및 갈탄 등에서 생산한 대량의 수소를 국내로 들여온다는 전략이다.     


정부는 이러한 수소생산 방식 중 부생수소는 수소경제 준비 물량으로 활용하고, 추출 수소를 초기 수소경제 이행의 핵심 공급원으로 삼았다.


이에 따라 최근 추출 수소가 뜨거운 이슈가 되고 있다. 우선적으로 올해 수요처 인근 도심지 LPG·CNG충전소 또는 CNG 버스 차고지 등에 300N㎥/h급(1일 수소 생산량 500kg) 수소 추출기를 설치하는 ‘분산형 소규모 수소생산기지’ 3기가 구축될 예정이다.


이와 함께 바이오가스에서 수소를 생산해 수소충전소 연료로 사용하는 국가 실증과제도 나와 관심을 끌고 있다. 정부는 추출수소 생산 방식의 다양화를 위해 하수슬러지·생활폐기물 등 바이오매스에서 수소를 생산하는 기술개발을 수소경제 활성화 로드맵에 반영했다. 


바이오가스 수소융복합충전소 시범사업
산업통상자원부는 지난 3월 22일 바이오가스를 이용한 수소융복합충전소 시범사업 신규과제 지원계획을 공고하고, 지난달 22일까지 이번 과제를 수행할 사업자를 모집했다.   


향후 3년간 약 95억 원을 지원해 바이오가스 이용 수소융복합충전소를 구축하고, 수소전기버스 보급사업과 연계한 비즈니스 모델을 제시·운영한다는 계획이다. 올해 예산은 15억 원이다.


이번 과제는 버려지는 바이오가스를 에너지화하는 바이오가스 정제 및 고품질화 기술과 정제된 바이오가스에서 수소를 생산하는 추출 시스템을 개발하게 된다. 또한 생산한 수소를 활용해 수소전기버스를 충전할 수 있는 수소융복합충전소를 구축·실증하고 경제성 있는 운영을 위한 비즈니스 모델 개발이 목표다.


선정된 시범사업자는 지속적인 충전소 활용을 위해 성과활용기간(과제 종료 다음해부터 5년간) 동안 충전소 운영 실적을 제출해야 한다.


향후 비즈니스 모델로는 CNG 충전소, 연료전지 발전시설 및 전기차 충전소와의 연계 방안이 제시되고 있다. 단순하게 수소전기버스 충전용으로 사용하는 충전소가 아닌 수익성을 제고할 수 있는 융복합 충전소 모델로 개발하겠다는 복안이다.   


산업부는 이번 시범사업 공고에 앞서 지자체 대상 설명회를 통해 수소전기버스 시범사업과 연계해 추진하는 방안과 향후 CNG 충전소, 연료전지 발전시설 등과의 연계 방안을 설명한 바 있다.




바이오가스 생산·이용 및 기술개발 현황
바이오매스는 화학적 에너지로 사용 가능한 식물·동물·미생물 등의 생물체, 즉 바이오에너지의 에너지원을 의미한다. 바이오매스의 종류로는 곡물과 식물, 폐목재, 식물 줄기와 같은 목질계, 해조류, 동물의 분뇨나 음식물 쓰레기, 유기성 폐수 등이 있다.


이러한 바이오매스는 그냥 버려지는 것이 아니라 에너지자원으로 재활용할 수 있다. 바이오매스를 열분해 또는 발효 과정을 거쳐 바이오에너지로 채취하거나 퇴비 및 사료, 각종 플라스틱과 같은 제품으로 전환해 사용한다. 바이오매스로부터 얻어지는 에너지는 그 용도나 형태에 따라 바이오가스, 바이오 에탄올, 바이오 디젤, 메탄올, 수소 등이 있으며, 이는 난방의 원료나 자동차 및 발전의 연료, 산업용, 도시가스 등으로 이용할 수 있다.


환경부는 ‘폐자원 및 바이오매스 에너지대책(2008년 10월)’과 ‘실행계획(2010년 7월)’에 따라 폐자원 에너지화 정책을 추진해 왔다. 이의 일환으로 전국 지자체에 유기성폐자원(음식물쓰레기, 음폐수, 가축분뇨 등) 바이오가스화 시설 설치 등을 지원해 왔다. 



2016년 말 기준 바이오가스를 생산·이용하는 시설은 90개소로 총 처리용량은 5만 9,204톤/일, 처리량은 1,894만 9,000톤/년이다. 연간 바이오가스 총생산량은 3억 429만 3,000㎥로, 이 중 약 80%(2억 4,055만 7,000㎥)가 발전 연료 등으로 이용되고 있다.


대표적인 사례로 수도권매립지관리공사(이하 SL공사)는 지난 2006년 12월 세계 최대 규모의 50MW급 매립가스발전소를 준공하고 지금까지 상업운전을 하고 있다.


SL공사는 지난 2011년 6월 수도권매립지의 음식물 폐수로 생산한 바이오가스를 자동차 연료로 공급하는 ‘자동차연료화시설’을 준공한 바 있다. 천연가스(CNG)와 바이오가스를 혼합(77:23 비율)해 자동차 연료로 제조, 인근 시내버스·청소차 등에 바이오가스 연료를 공급하는 시설이다.


이와 관련해 SL공사는 한국화학연구원, 한국종합기술 등과 함께 바이오가스 정제공정기술을 개발했다. 고분자 멤브레인과 PSA를 이용해 매립지가스 중 이산화탄소, 질소, 산소를 분리하고 악취 물질인 황화수소를 제거해 메탄을 고순도로 농축하는 정제공정기술은 매립가스 중 메탄함량을 순도 95% 이상으로 최대 88%까지 회수가 가능한 기술이다.


이 외에도 서울시 서남하수처리장, 강릉시 하수처리장, 강원도 바이오메탄 시설 등에서 바이오가스 자동차연료화 사업이 진행됐다.



한국환경공단은 지난 2009년부터 포항산업과학연구원, 포스코건설, 나스텍이엔씨 등과 함께 ‘바이오가스를 활용한 고효율 연료전지 패키지화 발전시스템 개발’ 연구사업을 추진해 왔다. 그 결과 ‘바이오가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템(5kW) 및 그 제어방법’을 개발하고, 지난 2011년 1월 특허 등록했다.


한국가스기술공사는 ‘삼단 배열 흡착식 공정과 분리막 기반 메탄농도 제어 공정을 적용한 바이오가스 정제기술’을 확보했다.


한국에너지기술연구원 등에서는 생활폐기물 및 하수슬러지 합성가스 생산에 관한 연구를 수행하고 있다.


버려지는 바이오가스에서 수소 생산
국내에서 연간(2016년 기준) 생산된 바이오가스 중 약 20%(6,373만 6,000㎥)는 미활용되어 방출이나 연소를 통해 처리하는 실정이다. 이는 약 1만 5,000톤의 수소 생산이 가능한 양(연간 수소전기버스 약 2,000대 공급량)이다. 이렇게 버려지는 바이오가스를 활용해 수소융복합충전소 사업모델을 개발하겠다는 것이 정부의 계획이다.


바이오매스를 이용해 수소를 생산하는 방식은 크게 두 가지로 구분된다.


먼저 유기성폐기물(음식물류폐기물, 가축분뇨, 하수 슬러지)을 혐기성 소화 공정에 투입하면  주성분이 메탄(CH4, 40~60%)인 바이오가스(바이오메탄)가 발생한다. 이 바이오가스가 수소전환·정제 공정을 거치면 수소로 재탄생된다. 


또 하나는 가연성 폐기물(종량제 봉투 등 생활폐기물)을 가스화 공정에 투입하면 합성가스(CO+H2)가 생산되고, 이 합성가스가 수소전환·정제 공정을 거치면 수소가 나온다.


전문가들은 도시(인구 50만 명 기준)에서 발생한 폐기물(생활폐기물 230톤/일, 음식물 폐기물 100톤/일, 하수슬러지 75톤/일)을 이용할 경우 하루에 10톤의 수소 생산이 가능할 것으로 예상하고 있다. 




이미 국내에는 바이오가스 기반 수소충전소 구축 기술이 확보된 상태이다. 서울 상암수소충전소는 세계 최초로 매립가스를 활용한 바이오가스 기반 수소충전소이다.


바이오가스 기반 수소충전소 분야 기업으로는 개질형 수소제조장치 설계 및 제작능력을 보유한 제이엔케이히터와 매립지가스·하수처리가스 등 바이오가스 정제기술을 갖고 있는 에코바이오홀딩스가 가장 적극적이다. 이 두 회사는 수소충전소 SPC ‘하이넷’에도 참여하고 있다.


에코바이오홀딩스는 SL공사의 50MW 매립가스발전소와 서울 상암수소충전소를 위탁운영하고 있어 운영 측면에서도 경험을 갖고 있다. 서울시 서남하수처리장 및 강릉시 하수처리장 바이오가스 자동차연료화 시설도 직접 시공했다.




특히 에코바이오홀딩스와 제이엔케이히터는 지난해 수소사업 공동개발 및 추진에 대한 업무협약(MOU)을 체결한 바 있다. 에코바이오홀딩스는 바이오가스의 정제를 통한 바이오메탄 생산을, 제이엔케이히터는 바이오메탄에서 수소를 추출하는 방식의 On-Site형(현장 생산방식) 수소충전소설비 구축을 담당하기로 했다.


제이엔케이히터는 지난해 캐나다의 바이오가스 정제 기업인 제벡(Xebec)과 협약을 체결하고 바이오가스 정제 관련 기술을 확보했다.


최근 상암수소충전소 승압 사업을 수주한 제이엔케이히터는 바이오가스로부터 일일 150kg의 수소를 생산할 수 있는 수소추출기와 현재 350bar인 수소전기차 충전압력을 700bar로 승압한 압축 및 충전 설비를 구축할 예정이다. 


천연가스 개질기 및 연료전지 분야 전문기업인 에이치앤파워도 바이오가스 기반 수소충전소에 관심을 보이고 있다. 에이치앤파워는 지난해 에너지플랜트 전문기업인 발맥스기술과 ‘수소충전소 건설 및 원천기술 확보를 위한 업무협약’을 체결하고 수소충전소 건설사업에 적극 참여하기로 했다.


이번 바이오가스 기반 수소융복합충전소 시범사업은 하수처리장 등을 운영하고 있는 지자체의 협조가 필수적이다. 안정적인 바이오가스 확보를 위해서다.


바이오가스에서 생산한 수소를 활용해 수소전기버스를 충전할 수 있는 수소융복합충전소를 구축·실증한다는 점에서 올해부터 수소전기버스 시범보급에 나서는 지자체들이 이번 과제 유치에 도전했을 것으로 보인다. 올해 수소전기버스는 서울, 부산, 광주, 울산, 창원, 아산, 서산 등 7개 도시에서 총 35대가 실제 시내버스 노선에서 운행될 예정이다.


수소전기버스 시범보급 지자체가 아니어도 이번 과제에 도전한 지자체가 있어 눈에 띈다.


충남도는 논산시, 논산계룡축협, 에이치앤파워 등이 업무협약을 맺고 이번 시범사업 유치에 나섰다. 강원도는 제이엔케이히터, 에코바이오홀딩스 등과 함께 시범사업 참여 신청서를 제출한 것으로 확인됐다.    

 
산업통상자원부의 관계자는 “이번 시범사업을 통해 바이오가스 기반의 수소융복합충전 인프라를 구성해 미활용 바이오가스의 이용 확대 및 경제성 확보와 해당 기술의 확산에 기여할 것으로 예상된다”고 밝혔다. 



해외 바이오가스 기반 수소사업 사례
해외에서는 일본이 바이오가스 기반 수소충전소 및 연료전지 발전기술 개발에 적극 나서고 있다.  


충전소 분야에서는 현재 미쓰비시화공기, 후쿠오카 시 중부 수처리센터, 규슈대학, 도요타통상 등이 ‘후쿠오카 시 수소 리더 도시 프로젝트’를 진행 중이다. 중부 수처리센터에서 하수를 처리하는 과정에서 발생하는 바이오가스로부터 수소를 생산해 수소전기차에 충전한다. 수소충전소는 2015년 3월 완공되었다. 일일 약 65대의 수소전기승용차를 충전할 수 있다.


한편 수소제조를 위해 바이오가스에서 뽑아낸 이산화탄소는 액화 형태로 회수한 다음 하우스 재배 등에 시범적으로 활용하고 있다.


도요타자동차의 북미사업체인 Toyota Motor North America(TMNA)는 미국 퓨얼셀에너지와 미국 캘리포니아 주 롱비치 항구에 2.35MW급 MCFC 타입 연료전지 발전소와 수소충전소를 병설한 ‘Tri-Gen’을 설치했다. Tri-Gen(Tri-Generation)은 물, 전기, 수소를 생산한다고 해서 붙여진 이름이다. 캘리포니아 주의 가축분뇨나 하수 등에서 발생하는 바이오가스에서 수소를 분리해 수소충전소와 연료전지에 투입하는 시스템이다.


‘Tri-Gen’의 일일 발전량 약 2.35MW는 미국 일반 가정 약 2,350세대의 일일 전력소비량에 해당한다. 생산되는 수소 1.2톤은 수소전기차 약 1,500대를 충전할 수 있는 양이다.


아사히그룹홀딩스는 일본 규슈대학 차세대 연료전지 산학연계 연구센터와의 공동 연구를 통해 맥주 공장의 하수 처리 공정에서 발생하는 바이오가스를 SOFC(고체산화물 연료전지) 발전에 적합한 고순도 바이오가스로 정제하는 프로세스를 개발했다.




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