바이오가스란?

혐기적 소화작용으로 바이오매스에서 생성되는 메탄과 CO₂의 혼합형태인 기체를 말한다. 이러한 혼합기체로부터 분리된 메탄 (CH₄)을 바이오메탄가스라고 한다. 바이오가스의 형태는 퇴비가스, 습지가스, 폐기물 등의 자연적으로 생성되는 것과 인공적으로 제조된 가스도 있다.

혐기적 소화는 폐수, 분뇨처리에 있어 산소와의 접촉을 차단하고 혐기성 세균에 의해 분비되는 효소의 작용을 통하여 유기물을 소화시키는 것으로서 과정을 크게 나누면 액화와 가스화 과정으로 진행된다. 바이오가스가 생성되는 과정을 [그림 1]에 나타내었다. 액화과정에서는 혐기성 세균 외에 분비되는 효소에 의해 유기물은 가수분해가 이루어져 탄수화물은 단당류로, 단백질은 아미노산으로, 지방은 지방산으로 분해된다. 가스화 과정에서는 액화과정에서 생성된 지방산을 메탄과 CO₂로 분해하여 유기물을 무기물로 바꾼다.

바이오가스 고질화 기술

바이오가스는 주로 메탄과 CO₂로 이루어져 있으며, 불순물로서 황화수소 (H₂S), 수분 (H₂O), 암모니아 (NH₃), 질소 (N₂), 산소 (O₂) 등을 포함하고 있다. 황화수소 등의 불순물과 CO₂를 제거하는 분리 공정을 통하여 95% 이상의 고순도 바이오 메탄가스를 생산하면 도시가스나 CNG 차량용 연료로 사용될 수 있으며, 흡수 (Absorption), 흡착 (Adsorption), 분리막 (Membrane) 공정을 이용한 바이오가스 고질화 기술이 상용화 되어 유럽, 미국, 일본, 한국 등에서 활용되고 있다. 아래 표에 요약하였듯이 각 기술들의 장단점이 있으므로 활용 지역의 상황에 맞게 적용 기술을 결정하여야 한다.

바이오가스의 고질화 기술의 특징 및 현황

국제동향

유럽 바이오가스 협회, EBA (European Biogas Association)의 2015년 연례 보고서 (Biogas Report 2015)에 의하면 유럽에서는 바이오가스 산업이 기록적으로 성장하고 있으며, 특히 2015년 11월 30일 파리에서 개최된 COP21 (Conference of the Parties) 회의 이후에는 이러한 바이오가스 산업에 대해서 국제적인 수준의 정책 개발이 기대되고 있다.

글로벌 전략 경영원, GABI (Global America Business Institue)의 최근 보고서 (Issue No. 292)에 의하면, 바이오가스는 점차 폐기물 (Waste)에서 에너지원 (Resources)으로 인식되고 있으며 신재생에너지 중의 하나인 바이오가스는 환경적, 경제적으로 탁월한 효과가 있는 것으로 분석되고 있다. 바이오가스 플랜트는 이탈리아, 독일, 스위스 등 유럽 국가에 가장 많이 설치되어 있고, 미국 또한 13,500여 가지의 잠재적 설비 기술을 보유하고 있으며, 설비 증설을 위해 대규모 자본 투자를 준비하고 있다. 특히, 미국 캘리포니아에서는 유기성 폐기물 처리를 위한 해결책으로 바이오가스 프로젝트를 추진 중에 있는데, 2014년 기준 캘리포니아 주의 유기성 폐기물을 2020년까지 50% 정도, 2025년까지는 75% 정도를 처리할 예정이다.

글로벌 에너지 시장에서 바이오가스는 차세대 주요 대체 에너지원으로 여겨지며, 친환경적 에너지원으로서 바이오가스 산업의 성장은 현시대에 크게 기대되고 있다. 더욱이 2016년부터 2026년까지 글로벌 바이오가스 시장의 연평균 성장률 (CAGR; Compound Annual Growth Rate)은 6.5%로 높게 평가되며, 2016년 기준 서유럽의 바이오가스 시장 규모는 14,373.2백만$로 전 세계적으로 가장 크다.

바이오가스 이용기술

미국 EPA (Environmental Protection Agency)에 따르면 글로벌 1차 에너지 소비는 석유가 37%, 석탄 25%, 천연가스 23%, 원자력 6%, 신재생외 기타 에너지가 9%를 차지하는데, 업그레이드 (upgrade) 바이오가스는 기존 천연가스의 대체 에너지원으로 사용 가능하다. 또한 글로벌 온실가스 (Greenhouse gas) 배출에 있어서도 CO₂와 메탄이 온실가스 배출량의 각각 77%, 14%를 차지하고 있는데, 따라서 메탄과 CO₂가 주성분인 바이오가스의 연료 사용은 이러한 온실가스 배출 감축에도 큰 도움이 된다. [그림 3]에 나타낸 바와 같이, 바이오가스는 열이나 전기 생산에 사용 가능하며, 최근 기술 선진국인 서유럽에서는 업그레이딩 (Upgrading)을 통해 차량 연료나 기존 천연가스 망에 공급하고 있다.

그린수소 생산기술

대기 중으로 방출되는 바이오가스의 주요 성분인 메탄과 CO₂는 온실가스로서 이러한 CO₂ 포함 바이오가스를 이용한 H₂ 생산 기술은 [그림 4]에 나타낸 바와 같이 탄소 중립 (CO₂ neutral) 공정으로서 그린 수소 생산 기술이다.

2015년 유럽연합 FCH (Fuel Cell and Hydrogen) 보고에 의하면, 재생 에너지인 풍력, 태양광, 지열, 바이오매스, 바이오가스 등에 의해 생산되는 H₂는 CO₂ 배출이 없는 그린 수소 (Green Hydrogen)로 인정되고 있다.

특히, CO₂ 포함 바이오가스를 이용한 수소 생산 기술은 그린 수소 생산 기술 중에서 저렴하고 유망한 기술이며, 기술적 경제적으로 타당한 기술이고 환경 친화적인 기술로 분석되고 있다 (L.B. Braga et al., 2013). 최근, 유럽 연합 FCH (Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking)의 BIONICO (Biogas membrane reformer for decentralized hydrogen production) 프로젝트([그림 6])와 호주 HAZER 공정에서도 그린 수소 생산 기술로서 바이오가스를 이용한 H₂ 생산 기술이 개발되고 있다.

국내에서도 한국에너지기술연구원에서 그린 수소 생산 기술로서 원료로서 CO₂ 포함 바이오가스를 이용하는 전기장 부과 촉매 반응 기술을 연구 개발하고 있으며, 기술 개발 완료시에 기존 리포밍 반응 공정 대비 47% 에너지 절감과 그린 수소 생산 비용 $3.4/kg이 기대된다.

액체 연료 생산기술

CO₂가 포함된 바이오가스를 이용한 액체연료 생산 기술은 비싼 업그레이딩 비용도 절감하고, 온실가스 CO₂ 배출 저감을 위한 CCU (Carbon Capture & Utilization) 신기술로 평가된다. 바이오가스로부터 연료 생산 기술에는 압축천연가스 (CBM; Compressed BioMethane), 액화천연가스 (LBM; Liquefied Biomethane), 메탄올, 수소 생산 기술 등이 가능한데, 특히 CBM에 비해 LBM의 장점은 액체연료로서 연료 분배가 용이하고 가솔린의 70%에 해당하는 단위 부피당 높은 에너지 용량 (84,000 Btu/gallon)이다. 따라서, 바이오가스로부터 합성가스를 생산하여 액체연료인 가솔린이나 디젤을 직접 생산할 수 있는 기술의 우수성을 크게 기대할 수 있다. 더욱이, CBM과 LBM 등의 연료는 업그레이딩 바이오가스로부터 연료 변환을 위해 각각 고압과 저온 유지를 위한 송풍기 (booster blower)나 냉동기 (chiller) 등이 필요하며, 연료 이송을 위해서도 파이프 라인 설치와 고가의 이송 차량이 요구된다. 또한 CNG (Compressed Natural Gas)나 LNG (Liquefied Natural Gas)의 연료를 이용하는 특수 차량에만 연료 공급이 가능하다는 한계가 있다. 하지만, 바이오가스를 원료로 이용하여 가솔린이나 디젤을 생산하면, 상온 상압 하에서 액체연료로서 기존 연료분배 인프라를 통해 연료 이송이 가능하고 또한 기존 모든 차량에 연료 공급이 가능하다는 큰 장점이 있다. 더욱이 2005년 미국 캘리포니아 sustainable conservation 협회에 따르면 바이오메탄가스로부터 가솔린 생산하는 기술은 10여 년 전부터 그 기술에 대한 수요가 있었지만, 그 당시에는 소규모 바이오가스에 적용하여 액체연료 생산이 가능한 모듈형 (modular) 피셔-트롭쉬 (F-T; Fischer-Tropsch) 합성 반응 기술이 불가능하였고, 만약 모듈형 F-T 합성 반응 기술이 가능하였다면, 바이오메탄가스로부터 가솔린 생산기술은 2005년 당시에도 유가 $45/배럴을 기준으로 유가 $50/배럴에서 경제성이 있는 것으로 분석되었다.

국내 기술개발 현황

충주 바이오수소융복합 충전소 (2022년 ~)

• 음식물 유래 바이오가스를 원료 이용 로 직접 수소를 생산하는 제조식 충전소
• 전국 수소충전소 평균 단가인 8,326원/kg보다 7.5% 가량 낮은 7,700원/kg으로 수소를 공급을 목표

창원시 수소질화 시범사업 (2021~2025년)

• 바이오가스 고질화 설비 (25,000N ㎥ 일 이상)
• 바이오가스 활용 수소개질화 설비 수소 3.5 톤 일 이상
• 수소저장 , 이송 , 운반설비 수소 3.5 톤 일 이상
• 마을 수익형 주민편의 시설 설치

전주시 수소개질화 시범사업 (2021~2024년)

• 20 MW급 연료전지 발전설비 설치
• 바이오가스를 개질하여 연료전지를 통한 발전사업을 목표

주요이슈 및 향후 전망

화석연료 고갈과 기후 변화, 그리고 기술발전 등으로 인해 바이오가스 산업은 앞으로 크게 성장할 것으로 전망된다. 2018년 Global Biogas Market Research Report에 따르면, 전 세계적으로 바이오가스 생산량 증가율은 5%이며, 이러한 바이오가스는 주로 전기와 가스 생산에 소비되는데 각각 64%, 31%를 차지하고 있다. 자동차 연료로서 바이오가스 소비는 4.9%로서 아직은 낮지만, 매년 12~15%로 크게 증가하고 있다. 더욱이, 스위스나 독일 등의 유럽 국가는 정부 주도로 바이오가스 시장은 커지고 있다. 우리나라는 에너지 소비량에 있어서 세계 8위로서 에너지를 많이 소비하고 있으며, 바이오가스 생산은 세계 13위이고, 생산량 증가율도 연평균 8%로 상당히 높다. 향후, 에너지 패러다임 전환 및 온실가스 감축 정책에 따라 바이오가스 산업은 앞으로 크게 성장할 것으로 기대된다.

2021년 1월 유럽의 천연가스 가격은 17.89 €/MWh에서 같은 해 12월 180.34 €/MWh로 10 배 증가하여 바이오가스를 포함하는 재생에너지 확대 필요성이 대두되었고, 최근에는 러-우 전쟁 여파로 인하여 EU 집행위원회는 러시아 에너지 의존도를 줄이기 위해 에너지 안보 향상과 지속 가능한 에너지 공급방안 마련을 목표로 하는 행동계획인 ‘REPowerEU 입법문서’를 발표하였는데, 여기에는 재생에너지 보급 확대, 바이오가스 및 그린수소 개발 촉진 등의 주요 방안이 포함되어 있다.

2022년 6월 환경부에서 발표한 바이오·물 에너지 확대 로드맵에 따르면 바이오가스 시설 수는 2020년 기준 110개에서 2026년까지 140개 이상으로 확대하고 가스 생산량은 2020년 기준 3.6 억m3/년에서 2026년 5 억m3/년으로 확대할 예정이다. 이는 국내 도시가스 국내 도시가스 공급량 (250 억 Nm3/년) 의 2% 수준이며 연간 1,812 억원 LNG 수입대체 효과와 폐기물 기원 메탄 감축으로 연간 총 110 만톤 온실가스 추가 감축이 기대된다.