보도자료 | [연재] ① 바이오가스 생성 원리와 친환경 효과 미생물 활용, 혐기성 소화 통해 50% 이상의 메탄 생산
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작성자 최고관리자 작성일22-06-09 13:58 조회1,279회 댓글0건관련링크
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[연재] ① 바이오가스 생성 원리와 친환경 효과
미생물 활용, 혐기성 소화 통해 50% 이상의 메탄 생산
가축분뇨, 음식물쓰레기 등 다양한 폐기물, 연료로 쓰여
바이오 LNG 사용시 석유 대비 최대 40%의 온실가스 저감 가능
1800년대부터 연구 시작···덴마크, 바이오가스 선두주자
① 바이오가스 생성 원리와 친환경 효과
덴마크 만손(Mansson)의 바이오플랜트 전경.
[가스신문 = 양인범 기자] 바이오(bio)는 생명, 생물, 인간의 삶과 관련되어 있음을 나타낸다. 바이오가스를 만드는 공정은 주로 혐기(嫌氣: 무산소)상태에서 미생물을 이용하여 폐기물(유기물질)을 분해하는 혐기성소화(anaerobic digestion)로 지칭된다.
이 분해과정에서 주로 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)로 이루어진 가스혼합물이 생성되며, 폐수와 폐기물의 처리 및 바이오에너지 생산에 널리 활용된다.
음식물쓰레기, 가축분뇨, 하수 및 산업 슬러지 등 유기성 폐자원으로부터 바이오가스가 생성될 때, 약 50~75%의 메탄과 25~50%의 CO₂, 소량의 수소, 황화수소, 암모니아 및 기타 미량가스가 만들어진다.
17세기에 로버트 보일(Robert Boyle)과 스티븐 헤일스(Stephen Hales)가 하천과 호수 퇴적물이 가연성 가스를 방출함을 보고하면서 유기물의 자연 분해에 의해 생성된 가스 제조에 대한 과학적 관심이 시작되었다.
1778년 이탈리아의 알레산드로 볼타에 의해 그 가스가 메탄임이 확인되었다. 1808년, 험브리 데이비가 가축 분뇨에서 생성되는 가스에 메탄이 있음을 보고했다. 19세기 후반부터 혐기성 소화를 폐수처리 목적으로 사용하고자 하는 다양한 시도가 시작되어, 1920년대에 가온과 교반을 채택한 슬러지 소화가 시도되고, 1960년대부터 효율적인 연속 공정들이 개발되기 시작했다.
본지는 이번 기획을 통해 바이오가스의 정의와 생성 원리, 친환경 효과 등의 주제로 3회에 걸쳐 연재한다.
유기물에서 메탄 생성
바이오가스를 생성하는 혐기성 소화는 외부 전자수용체 없이 유기물을 분해해 최종적으로 탄소 중 가장 환원된 형태인 메탄(CH₄)으로 전환되는 과정이다. 예를 들어, 대표적인 유기물인 포도당 1mol이 100% 혐기성 소화로 분해된다면, 다음과 같은 반응이 일어난다. 이때, 포도당이 가지고 있는 192g의 COD(화학적 산소 요구량)는 모두 메탄으로 전환된다.
메탄의 COD 등가량은 메탄을 이산화탄소와 물로 산화시킬 때 필요한 산소량이다.
위의 반응식으로부터 메탄 1mol 당 COD 등가량은 64g이 된다. 따라서 <반응식 1>의 우변의 메탄 3mol의 총 COD 등가량은 192g이 되어 좌변의 글루코스 1mol과 일치한다. 표준상태(Standard Temperatur and Pressure, STP, 0℃, 1 atm)에서 1mol의 기체가 차지하는 메탄의 부피는 22.4L이다. 따라서 혐기성 소화 시 메탄으로 전환되는 COD 등가량은 0.35L/g COD가 된다.
한편, 메탄의 저위발열량은 8,580kcal/N㎥(10kWh/N㎥, 35.9MJ/N㎥)이며, 이 값은 혐기성 소화 공정의 에너지 수지를 세우는데 활용된다.
혐기성 소화 과정은 탄수화물, 단백질, 지방 등 유기 고분자가 세균이 분비하는 체외효소에 의해 세균이 체내로 흡수할 수 있는 당, 아미노산, 지방산 등 가용성 물질로 분해되는 가수분해(hydrolysis)로 시작된다. 산 생성균은 당과 아미노산을 이산화탄소, 수소, 암모니아 및 유기산으로 전환한다. 아세트산 생성은 유기산을 추가 암모니아, 수소 및 이산화탄소와 함께 아세트산으로 전환한다. 마지막으로 메탄생성 고세균은 이런 생성물을 메탄과 이산화탄소로 전환한다. <그림1>은 혐기성 소화 시 유기물 분해 단계 개념도를 나타낸 것이다.
<그림 2>는 혐기성 소화 과정에서 대표적인 유기물 구성 성분인 단백질, 탄수화물, 지방의 혐기성 소화 시 분해 단계를 나타내었다. 그림 중의 숫자는 해당 반응을 진행하는 미생물 군집을 의미하며 1, 2, 3, 4는 각각 혐기성 발효균(fermentative bacteria), 수소생성 아세트산 생성균(hydrogen producing acetogenic bacteria, hydrogen producing acetogens), 수소 소모 아세트산 생성균(homoacetogenic bacteria, homoacetgen), 메탄 생성 고세균(methanogenic archaea, methanogens)을 가리킨다. 이러한 군집들이 조화롭게 성장할 수 있는 운전 조건을 제공하는 것이 혐기성 소화의 성공에 가장 필수적인 요소이다.
온실가스 40% 저감
바이오가스는 산업과 생활에서 발생하는 폐기물을 그대로 원료로 활용해서 생산하기에 다른 에너지 투입이 필요하지 않아, 재생에너지로 분류된다.
세계바이오가스협회(WBA)의 보고서에 따르면 한 해에 전 세계에서 1050억톤의 유기성 폐기물이 나오는데, 혐기성 소화 과정을 거쳐 이 폐기물을 처리하면 2030년까지 온실가스(GHG)를 10% 저감할 수 있다고 한다.
즉, 바이오가스를 많이 생산할수록 지구온난화를 막는데 효과적이라는 뜻이다.
바이오가스 생산은 지표수의 낮은 산소 농도를 야기할 수 있는 산소를 필요로 하는 유기물을 변환함으로써 폐수의 오염 가능성을 낮출 수 있다. 질소(N₂)와 인(P)과 같은 영양소는 바이오가스 생산물에 보존되어 농작물 생산에서 비료를 대체하는데 사용될 수 있다.
천연가스와 같은 바이오가스의 연소가 온실가스인 이산화탄소를 발생시키는 반면, 바이오가스의 탄소는 대기 중의 CO₂로부터 고정시킨 식물 물질에서 나온다. 따라서 바이오가스 생산은 탄소중립적이며 온실가스 배출량을 증가시키지 않는다. 게다가 바이오가스로 대체되는 화석연료의 소비는 이산화탄소 배출을 줄일 것이다.
2007년 스위스 연방정부에서 바이오연료의 환경영향을 평가한 결과에 따르면 바이오에탄올, 바이오디젤 등 타 바이오연료에 비해 혐기성 소화로 만든 바이오가스의 온실가스 저감 및 환경적 효과가 월등히 높은 것으로 나타났다.
<그림3>은 2020년 유럽 바이오가스협회의 보고서에서 트럭에 사용하는 연료들의 온실가스 배출량을 비교한 것이다. 바이오가스에서 추출한 바이오LNG는 17%만 혼합해도 디젤 대비 온실가스 배출량을 34% 감소시키는 효과를 보인다. 거기에 바이오LNG를 100% 사용하면, 130% 이상 감소시키는 것으로 나타났다.
EU 의회의 연구에서 경작면적당 얻을 수 있는 에너지량이 가장 높은 바이오에너지는 바이오가스임이 확인되었다.<그림4>
휘발유나 디젤 대신 천연가스를 사용하면, 온실가스를 저감할 수 있다. 예를 들어, 대형 트럭의 연료를 CNG나 LNG로 바꾸면 15~16%의 온실가스가 저감된다. NVGA유럽은 이 천연가스에 20%의 바이오가스를 혼입하면 오일 대비 40%의 온실가스를 줄일 수 있다고 말한다.
바이오가스 연구와 생산에 큰 노력을 기울이는 대표적인 나라는 덴마크다. 덴마크의 바이오가스 생산은 2012년 이래로 빠르게 증가했으며, 2023년까지 재생가스가 가스공급의 30%를 차지할 것으로 예상된다.
덴마크는 정부의 전담 지원 제도를 두고 바이오가스 생산을 관리하고 있다. 화석연료 소비세 부과, 농지에서 질소와 인의 제한적 적용, 쓰레기 매립지 내 유기폐기물 금지, 바이오가스 생산 시 에너지 작물 사용에 대한 제한 등을 관리한다.
출처 : 가스신문(http://www.gasnews.com)
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