[전문가 칼럼] 청정 바이오수소 개발에 앞장서다

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│그레이 수소보다 청정 수소 생산해야

수소(H₂)는 연소과정에서 온실가스를 전혀 배출시키지 않고, 전기에 비해 저장이 용이하고 전환 효율이 우수하며, 기존의 탄화수소연료보다 약 2.75배 높은 열량(122kJ/g)을 보인다는 점에서 이상적인 에너지 전달체로 평가받고 있다. 수소를 생산하는 기술은 크게 빛 이외의 다른 에너지원의 사용하는지에 따라 물리·화학적인 방법과 생물학적인 방법으로 나뉜다. 현재 95% 이상의 수소는 화석연료를 이용한 수증기 개질법(부생수소 생산) 및 액화천연가스 정제과정에서 얻는 방법(추출수소 생산)에 의해서 생산되고 있다. 문제는 화석연료에 기반한 수소, 소위 그레이 수소(grey H₂)의 사용을 확대하는 것은 기후변화를 가속화할 수 있다는 점이다. 화석연료 중 이산화탄소(CO₂)를 가장 적게 배출하는 메탄을 사용하더라도 1kg의 수소를 생산하는 데 9.3kg의 이산화탄소가 배출되기 때문이다(1kg의 수소와 동일한 에너지량의 가솔린이 연소할 때 이산화탄소 9.1kg이 발생한다). 

탄소중립 관점에서는 그레이 수소에 대비해 이산화탄소 발생량이 일정 기준 이하(EU 4.37kg CO₂/kg H₂, 일본 4.48kg CO₂/kg H₂)인 청정 수소가 필요하다. 청정 수소 중에서 사용하는 에너지원이 재생 가능한 것을 재생 가능 수소(renewable H₂), 소위 그린 수소(green H₂)라고 하고, 에너지원이 재생 가능하지 않은 것을 저탄소 수소(low-carbon H₂), 소위 블루 수소(blue H₂)라고 한다. 

EU를 비롯한 많은 국가에서 수소에 대한 지원은 청정 수소에 한정될 것이고, 청정 수소를 규정하는 탄소 발생량 기준 역시 지속적으로 강화될 것으로 예상된다. 우리나라도 2050년까지 국내에서 생산된 청정 수소를 연간 500만 톤(그린 수소 300만 톤, 블루 수소 200만 톤) 공급하겠다는 「제1차 수소경제 이행 기본계획 2021」을 발표했다.

│유기성 폐기물로 바이오수소 생산

전 세계적으로 청정 수소를 생산하기 위해 다양한 기술들이 활발히 개발되고 있다. 이 중 생물학적 수소생산 기술은 1kg의 수소를 생산할 때 2kg 이하의 이산화탄소를 발생시키며 재생 가능한 에너지만 사용하므로, 현재는 물론 향후 강화될 그린 수소의 요건을 충족한다. 생물학적 수소 생산 방법은 크게 빛에너지를 이용하는 방법(광분해, 광발효)과 빛에너지를 사용하지 않는 혐기성 수소발효에 의한 방법으로 나뉜다. 

특히 혐기성 수소발효 기술은 음식물쓰레기, 농업부산물, 해조류 등 다양한 유기성 폐기물에 폭넓게 적용할 수 있으며, 하수 찌꺼기(슬러지) 속의 균을 수소를 생산하는 데 활용한다는 측면에서 유기성 폐기물 자원화의 핵심기술로 자리 잡고 있다, 혐기성 수소발효는 동일한 유입 기질을 사용하는 바이오가스화에 비해 수소생산성이 월등히 높으며, 혐기성 수소발효의 여액은 유기산처럼 생분해도가 높아진 형태로 다시 후단 바이오가스 생산의 기질로 사용할 수 있어 유기성 폐기물로부터 최대량의 에너지를 추출할 수 있는 장점이 있다. 다만, 사업화를 위해 경제성 있는 큰 규모에서 장기 운전을 보장할 수 있는 기술 완성도를 확보할 필요가 있다.

│국내에서 바이오수소 상용화 연구 시작

최근 들어 국내외적으로 생물학적 수소생산에 대한 상용화 연구가 시작되고 있다. 이를 통해 수소 수율과 안정성 등 기술적 한계들이 극복될 것을 기대한다. 한 예로 한국생산기술연구원, 연세대, SK에코플랜트가 팀을 이루어 올해 7월부터 수행 중인 연구가 주목받을 만하다.

과학기술정보통신부 산하 한국연구재단에서 지원하는 ‘미래수소원천기술개발사업’으로 진행되는 이 연구는 음식물쓰레기를 이용해 세계 최대 생산 규모의 연속식 혐기성 수소발효를 목표로 하고 있다. 이런 목표를 달성하고자 각 연구기관이 보유한 기술을 융합하고 극대화할 예정이다. 한국생산기술연구원은 혐기성 미생물 개량 기술을, 연세대는 수소생산 미생물 군집 형성 촉진 및 고활성 수소발효 공정 설계 기술을, SK에코플랜트는 유기성 폐기물 처리 인프라와 상용화 노하우를 갖고 있다. 해당 연구 결과물은 SK에코플랜트에서 운영 중인 12개소의 바이오가스 생산시설 현장에 접목되어 수소의 정제, 저장 및 수소차 충전 등에 관련된 기술을 통합하는 별도의 실증화 사업을 통해 탄소중립형 수소생산, 충전소 시범 등 다양한 인프라에 활용될 예정이다. 

유기성 폐기물을 바이오수소를 변환하는 미생물 군집 사진. 초록색 부분에 수소를 생산하는 균(Clostridia)이 보인다. ⓒ 연세대

이 같은 상용화 과제의 예에서 봤듯이 혐기성 발효 수소를 포함한 청정 수소를 생산하기 위해서는 다양한 분야 기술의 고도화와 융합이 필수적이다. 한 사람의 연구자가 모든 분야에 통달하는 것은 어렵겠지만, 협업하는 동료의 기술에 대한 이해와 소통 능력은 반드시 필요하다. 또한 전 과정을 분석해 온실가스 발생량을 이해하고 산정하는 능력을 포함한 탄소중립 시대의 기본 소양도 갖출 필요가 있다. 청정 수소는 전 세계적으로 미래 수요가 예상되고 있으며, 한편으로 연구개발에 있어 지속적인 투자가 필요한 분야이다. 정부와 산업체의 지원을 통해 잘 준비되고 훈련된 다양한 분야의 국내 과학자들이 신규 시장인 청정 수소 생산 및 활용에 있어 세계 최고의 기술과 기업을 만들어 낼 미래를 기대한다.

글_김상현 연세대 건설환경공학과 교수

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