정보 ‘살아있는’ 수소의 탄생! 바이오수소 생산 기술 A to Z

‘살아있는’ 수소의 탄생! 바이오수소 생산 기술 A to Z

화석연료로 만드는 수소는 친환경 에너지라 할 수 있을까? 기존 수소 생산 방식의 한계를 해결할, 진정한 의미의 친환경 수소로 떠오르고 있는 ‘바이오수소’의 생산기술을 알아보자.

박세원

서울기술연구원 자원순환 기술분야 전문 연구원

음식물쓰레기로 만드는 수소, 바이오수소 에너지!

최근 주위를 둘러보면, 전세계적으로 경제산업 구조가 화석연료 중심에서 수소(H₂) 중심으로 전환되고 있음을 느낄 수 있다. 현재 주로 차량이나 연료전지의 연료 등으로 활용되고 있는 수소는, 화석연료의 주요 성분인 탄소(C)가 이산화탄소(CO₂)로 전환되어 온실효과를 일으키는 것과는 달리, 산소(O₂)와 만나 물(H₂O)을 만드는 청정연료다.

이러한 수소는 다양한 기원(Origin)으로 만들어지는데, 석유산업 기반의 부산물 혹은 화석연료인 천연가스의 화학 반응을 이용해 생산하는 방법이나, 물을 전기분해시켜 생산하는 방법 등이 있다. 석유산업 부산물과 천연가스의 화학반응을 통한 수소 생산은 비교적 적은 비용이 들지만 생산 과정에서의 이산화탄소 배출이 문제이며, 물의 전기분해를 통한 수소 생산은 친환경적이지만 생산 비용이 높아 경제성이 떨어진다는 한계를 가진다. 이러한 상황에서 경제성과 환경성, 이 두 가지 장점을 모두 가진 수소 생산 방법이 최근 주목받고 있는데, ‘바이오가스’를 활용해 생산하는 ‘바이오수소’가 바로 그것이다.

미래의 수소는 바이오가스로부터, 바이오수소!

일반적으로 ‘바이오(Bio-)’가 단어 앞에 붙으면 ‘살아있는’의 의미를 가지게 된다. 예를 들어 ‘Biological’은 ‘생물학’을 의미하고, 기록의 뜻을 가지는 그리스어 graphia와의 합성어로 탄생된 ‘Biography’는 한 인물의 생애를 기록한 ‘전기’ 라는 뜻을 가지고 있다. 그렇다면 ‘바이오수소(Bio-hydrogen)’는 무엇을 의미할까?

수소 생산 현황 (출처: IEA(International Energy Agency), 2020)

*습식메탄개질(SMR, Steam Methane Reforming): 메탄(CH₄)에 물(H₂O)을 촉매로 활용해 일정 조건에서 합성가스(H₂+CO)를 생산하는 화학반응 중 하나로, 현재 수소를 생산하는 가장 일반적인 반응이다.

*석유/석탄 산업 부생가스: 석유를 만들어내는 정유 과정 또는 석탄 산업에서 발생하는 가스로 대부분 탄화수소류 가스(CxHy)가 주 성분이며, 메탄도 이에 해당한다.

바이오수소의 탄소중립성

바이오수소는 어떻게 만들까?

그렇다면 바이오수소를 만들기는 쉬울까? 앞서 언급한 것처럼 전세계의 수소 생산 절반 이상을 차지하는 기술은 아직까지도 천연가스의 개질이다. 쉽게 생각하면, 개질 공정에서 재료인 ‘천연가스’만 ‘바이오가스’로 교체하면 될 것 같지만, 실상은 그렇지 않다.

*피독현상: 반응물 이외에 기타 불순물로 인해 촉매 자체에 데미지를 입혀 반응성이 떨어지는 현상이다.

이처럼 낮은 메탄 함량과 일부 불순물이 포함 되어있는 단점에도, 바이오수소 생산 기술 수준은 지속해서 높아지고 있다. 바이오가스 ‘정제(purifying) 공정’의 발전 덕분이다. 정제 공정에서는 바이오가스의 적은 메탄을 농축하여 그 함량을 높이고, 불순물인 수분, 황화수소 등을 제거하게 되는데, 정제 공정 이후에는 천연가스 개질과 동일한 방식의 습식메탄개질반응을 통해 수소를 생산할 수 있다.

*건식메탄개질(DRM, Dry Reforming of Methane): 습식메탄개질 반응과 달리 물이 반응에 참여하지 않는 개질 반응으로 일반적으로 메탄에 이산화탄소를 활용하여 합성가스를 생산하는 반응이다.

* 촉매코크: 반응을 돕는 촉매 표면에 탄소(carbon)가 쌓여 반응성이 떨어지는 현상을 뜻한다.

습식/건식 메탄 개질 반응의 비교

우리나라에서 만드는 바이오수소!

전 세계가 수소 경제로의 전환되고 있는 이때, 화석연료에 기반한 에너지 수입에 의존하고 있는 우리나라에게 바이오수소는 훌륭한 대안일 수 있다. 바이오수소가 우리나라의 에너지 해외 의존도를 낮추고 수소 시대로 나아가는 터닝포인트가 되기를 기대해본다.