바이오가스의 도시가스 연료화
바이오가스의 도시가스 연료화
  • 이종규 포항산업과학연구원 책임연구원
  • 승인 2008.11.21
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

바이오가스 ‘도시가스 연료화’ 각광

▲ 이종규 포항산업과학연구원 책임연구원.
■ 세계적으로 바이오가스 ‘주목’

전 세계적인 고유가와 지구온난화로 인해 지속적인 발전이 가능한 청정에너지원 확보에 많은 전문가와 기업이 투자를 하고 있으며 그 중에서 가장 많은 관심을 받고 있는 것이 신재생에너지원이다. 신재생에너지원 중 천연가스업계에서 접근하기 쉬운 것이 수소, 석탄가스, 바이오가스 등의 가스연료가 있다.

이러한 연료 중에서 일반인이 사용하기 쉬우면서 국내에서 원료를 조달할 수 있는 것이 바이오가스이다. 바이오가스는 가축분뇨, 음식물쓰레기 등의 유기성폐기물과 같은 바이오매스 자원의 전환에 의해 생성되는 에너지이면서 대기 중의 이산화탄소를 흡입했다가 에너지 사용에 의해 배출되는 탄소순환 사이클, 즉 탄소 중립적 에너지원이다.

바이오가스는 주성분이 메탄과 이산화탄소 그리고 미량의 불순물 등을 포함하고 있는 가스로 지구온난화를 유발하는 온실가스이면서 에너지원인 메탄을 포함하는 양면성을 가지고 있는 가스이다. 바이오가스는 오래 전 인류가 난방 등의 연료로 활용돼 왔던 가스로 우리에게는 예전 농촌에서 인분, 음식물쓰레기 등을 이용한 비료와 가정용 난방과 조명 연료로 활용한 사례가 많은 친근한 에너지원이다.

그러나 도시화, 현대화 과정을 거치고 값싼 화석연료인 석탄, LPG, 석유 그리고 천연가스 등의 에너지가 가정에 보급되면서 바이오가스는 우리 기억속으로 사라져갔다. 그러나 인구가 증가하고 소득이 높아지면서 농작물 생산량이 증가함에 따라 우리가 남기는 음식물쓰레기 등과 같은 유기성 폐기물 양도 증가하고 있다.  이에 대한 처리방안을 고민하다가 정부는 사료화, 퇴비화 정책을 추진했다.

▲ 바이오가스의 자원순환 시스템.


최근 에너지가격 상승과 국제환경규제인 런던협약에 의해 2012년부터 유기성폐기물의 해양투기를 금지하는 조약에 의거 유기성폐기물로부터 바이오가스 생산을 통한 ‘에너지화’와 ‘온실가스 감축’이라는 두 마리 토끼를 잡으려는 정책이  추진돼 바이오가스가 다시 세상 사람들의 주목을 받고 있다.

바이오가스는 일반적으로 유기성폐기물의 혐기성소화(Anaerobic digestion)를 통해 생성되며 다른 바이오연료인 바이오디젤 및 바이오에탄올에 비해 단순한 공정을 통해 만들어진다. 바이오가스 제조를 기술별로 분류하면 액상 바이오매스인 슬러지의 혐기성소화 또는 혐기성 미생물에 의한 메탄발효를 통해 만들어진 바이오가스를 ‘제1세대 바이오가스’라 하며, 고상 바이오매스인 폐기물, 목질 등의 가스화를 통해 만들어진 바이오가스를 ‘제2세대 바이오가스’라고 한다. 바이오가스의 생성원료는 음식물쓰레기, 축산분뇨, 하수슬러지 등의 유기성폐기물과 정원폐기물(나무, 꽃), 작물계(보리, 밀 등), 매립지가스 등 다양하여 다른 바이오연료와 달리 곡물가격 폭등과 연동되는 것이 매우 적다.

특히 바이오가스는 메탄 함량이 천연가스에 비해 거의 절반 수준으로 낮고 불순가스가 많아 그 자체로는 주로 발전용, 보일러연료 등의 제한된 용도로만 사용돼 왔다. 그런데 최근 유럽을 중심으로 바이오가스의 단순 이용보다는 고급화를 위해 메탄함량을 높이고 불순가스를 제거한 깨끗한 바이오메탄이라는 연료로 이용하려는 경향이 확대되고 있다.


바이오메탄은 메탄농도가 97%이상, 산소·질소 농도가 3%이하 그리고 H2S, 실록산 등이 제한 수준 이내로 포함된 가스로 열량이 국내 천연가스의 85%수준이지만 현재 가정에서 사용하는 가스레인지, 보일러 등에 그대로 사용할 수 있다. 또 천연가스자동차, 천연가스철도, 천연가스선박 그리고 연료전지, 마이크로가스터빈, 가스엔진발전 등 기존 천연가스가 사용되는 곳에 바이오가스를 사용할 수 있다.

특히 유럽, 미국 등의 선진국에서는 기존 천연가스배관망에 바이오가스를 혼합해 공급하기도 하며, 최근 일본의 가스회사도 이러한 경향에 맞춰 올해 4월부터 바이오가스 구매요령을 자율적으로 정해 각 지역 내 바이오가스·바이오메탄 제조자로부터 가스를 구매해 자기 권역내의 배관을 통해 소비자에게 공급하고 있다. 바이오가스를 폭넓게 사용할 수 있도록 하는 기술이 바로 바이오가스 정제기술로 국내에서는 한국에너지기술연구원에서 파일럿으로 개발했으나 상업화는 아직 달성되지 못했고 대부분의 정제기술은 외국으로부터 도입, 설치 운영하고 있다.

바이오가스 정제는 바이오가스에 함유된 불순물인 황화수소, 실록산 및 기타 불순물을 제거하는 전처리기술과 이산화탄소를 제거하는 업그레이딩 기술로 분류된다. 정제시스템을 통해 생성되는 바이오메탄을 어떤 이는 바이오천연가스라고도 부르며, 주로 압축가스(CBG) 형태로 사용하거나 미국에서는 매립가스가 나오는 대규모 매립지 사이트나 바이오가스 생산지에서 이를 다시 액화(LBG)해 저장, 운송 및 LNG자동차와 산업체연료로 사용하기도 한다.

바이오가스 전처리기술은 바이오가스에 포함돼 있는 H2S, 실록산 등의 제거를 의미하며 이를 제거하지 않은 경우에는 바이오메탄 기기의 부식이나 플러깅(plugging: 막힘현상)을 유발해 기기 수명을 단축시킴과 동시에 고장의 원인이 된다. H2S는 주로 가성소다 흡수탑이나 산화철흡착탑 등으로 제거하고 실록산은 활성탄에 의해 주로 제거한다. 실록산이 생기는 원인은 우리가 사용하는 샴푸, 주방세제 등 생활용품에 실리콘화합물이 포함돼 있기 때문이며  이의 발생량은 지속적으로 증가될 것으로 예상되고 있다.

바이오가스를 바이오메탄으로 정제하는 기술은 상업화된 기술과 현재 개발돼 상업화를 진행하는 기술 등 다양한 기술이 국제적으로 개발돼 있으며 국내적으로 아직 미개발돼 있다. 상업화된 기술은 흡수법, 흡착법, 멤브레인법이 있으며 상업화 진행 중인 기술은 심냉법, 초저온법 등이 있다.


전처리와 정제기술로 제조된 바이오메탄은 선진외국에서는 부가가치가 높아 온실가스 저감이 필요한 분야와 안정적인 수요처인 자동차, 철도 등의 수송용 분야 및 기존 천연가스 배관망과 연계해 바이오메탄과 천연가스를 혼합해 공급하는 용도로 사용하고 있다. 이를 위해 선진국에서는 연구개발을 통해 바이오메탄에 대한 국가 품질기준을 규정·운영하고 있으며 각 바이오메탄 제조자는 이 품질기준에 맞춰 가스를 제조하고 지역 천연가스사업자는 바이오메탄을 사용한 것만큼 정부와 지방자치단체로부터 신재생에너지를 사용한 것으로 인정받고 있다.

국내에서는 주로 바이오가스 생산을 위한 메탄균 활성 증대, 혐기소화에 의한 가축분뇨처리, 메탄가스 생산시설 구조개선 등의 다양한 연구가 진행됐으나 소화조 운전 노하우 부족과 기술체계 미비, 그리고 정부정책지원 미흡으로 2000년 이전에는 대부분 국내 정착에 실패했다. 2000년 이후 부터는 에너지화에 대한 선진국투자 증대, 국제 해양환경규제로 기존의 유기성폐기물 처리정책인 사료화, 퇴비화와 유기성폐기물을 해양에 투기하지 않고 유기성폐기물을 바이오가스·바이오메탄 제조 및 이용이라는 에너지화 정책으로 전환되고 있다. 최근 지방자치단체에서는 지역에서 발생한 폐기물의 바이오가스화 사업을 추진하는 사례가 증가하고 있다.

바이오가스의 또 하나인 매립가스를 에너지로 활용하는 곳은 국내 매립시설의 매립가스 자원화 시설 중 14개소로서 전체 매립장의 5% 수준으로 매우 낮은 상황이다. 14개 중에서 발전사업이 10개, 중질가스 등의 연료공급이 4개이며, 대부분이 매립가스를 그대로 사용해 수익성이 높지 않은 편이다. 선진외국과 같이 바이오가스를 바이오메탄으로 전환해 연료로 활용한 사례는 2003년, 2004년에 한국가스공사가 환경관리공단의 연구비를 받아 수행한 실적이 전부이다.

그런데 최근 국내기업들이 선진외국으로부터 기술을 도입해 여러 개의 프로젝트를 추진하고 있다. △서울특별시 서남 맑은물재생센터 바이오가스 차량연료화(에코에너지홀딩스, Flotech기술 도입) △강원도 바이오메탄의 자동차연료화(스웨덴 Swedish Biogas International 기술도입) △울산광역시 음식물쓰레기 자원화(스웨덴 Scandinavian Biogas 기술 도입) △수도권매립지공사 잉여매립가스 자동차연료화(정제설비 추가설치 추진) 프로젝트가 바로 그 것이다.

한편 세계적으로 바이오가스 시장은 매년 20~30% 증가하고 있으며 국제에너지기구(IEA)에서도 바이오에너지 연구의 일환으로 작업반(Task 37,
http://www.iea-biogas.net/)을 구성해 바이오가스와 매립가스에 대한 유기성폐기물의 혐기성소화 처리 등에 대한 연구와 정보교류를 실시하고 있다. 이 연구회는 전 세계적으로 바이오가스를 정제해 에너지원으로 사용하고 있는 실태자료를 갖고 있다.


■ 스웨덴 동향

바이오가스와 바이오메탄 분야에서 가장 앞서가는 국가는 스웨덴으로 현재 천연가스자동차의 50%가 바이오메탄으로 운영되고 있다. 스웨덴에서 천연가스자동차는 자동차연료의 0.5%를 차지하고 있으며 매년 시장에서 35% 성장하고 있다. 2010년에는 전체 자동차 연료 시장에서 2%를 차지할 것으로 전망되고 있다.

바이오메탄은 천연가스자동차 연료 중에서 현재 50%를 점유하고 있으며 그 비율은 지속적으로 증가할 것으로 전망된다. 스웨덴은 2020년 석유제로 국가를 선언하면서 석유를 제외한 신재생에너지원 개발에 매진하고 있는데, 석유제로에 가장 중요한 에너지원으로 바이오가스를 지목하고 있다. 이것을 뒷받침하는 것으로 스웨덴 내에 바이오가스 관련 연구개발 기관과 사업화 기업(Malmbergs Water, Flotech Ltd, , YLT, Scandinavian Biogas Ltd, SBI etc.)들이 활동하고 있다.

스웨덴에서 바이오가스는 음식물쓰레기, 하수슬러지, 매립장 등에서 생산되며 생산된 바이오가스는 전처리과정과 정제설비를 거쳐 고순도 메탄을 생산해 자동차연료, 가스배관망, 보일러 연료 등에 사용하고 있다. 특히 바이오가스의 정제기술은 PSA(흡착법), 흡수법(주로 water scrubber) 등을 주로 사용하고 있으며 대부분의 기업들은 skid-mount 타입의 한 패키지 안에 정제가 되도록 시스템을 구성하고 있다.

스웨덴 - 바이오메탄, 천연가스車 연료 중 50%
日 - ‘바이오가스 구입요령’ 발효…수요처 확보

■ 일본 동향

일본도 지구온난화 대책 중 하나로 잠재적인 이용가치가 높은 바이오가스 이용에 많은 관심을 갖고 바이오가스 고급화를 위한 연구개발을 수행하고 있다.

일본의 도쿄가스는 해조류로부터 바이오가스를 생성하는 기술을 개발해 실용화에 나서고 있고 일본가스협회도 바이오가스촉진센터를 설립해 가스사업자의 이러한 대응에 전면적으로 지원하는 등 바이오가스 이용기술 개발에 적극 나서고 있다.

도쿄가스는 최근 해조에서 추출한 바이오가스를 활용하는 실증사업을 종료하고 실용화를 위한 작업에 들어갔다. 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 보조금을 받아 2002~2006년까지 5년간 개발에 착수해 지금까지 기술적으로 확립되지 않았던 해조 바이오가스를 활용해 소형열병합으로 열·전기를 발생시키는 시스템을 실증한 것으로 지자체 등에 제안해 나갈 방침이다.

오사카가스와 야마하발동기는 2007년 4월부터 오는 2010년을 목표로 음식물 쓰레기 등에서 나오는 메탄가스를 사용하는 자동차의 공동 개발을 진행하고 있다. 오사카가스는 쓰레기에서 메탄가스를 효율적으로 채취하는 자사의 노하우를 활용하는 데 집중하고 야마하발동기는 메탄가스 연소기술 개발에 주력할 방침이다. 두 회사 측은 우선 2010년 골프 카트 등 업무용 차량을 만든 뒤 오토바이 등 이륜차나 트럭, 버스업체와 생산 협상을 벌일 계획으로 연구개발을 진행하고 있다.

일본가스업계는 바이오가스 제조자로부터 바이오가스를 구매해 자사 배관망에 가스를 혼합하는 ‘바이오가스 구입요령’을 2008년 4월 1일부터 발효해 바이오메탄의 안정적인 수요처를 확보하도록 했다.

▲ 볼보社의 MULTI-FUEL 자동차의 옆모습.

■ 바이오메탄의 배관망 혼합 동향

유럽 등의 선진국 일부 국가에서는 바이오가스로부터 생산한 바이오메탄을 천연가스 배관망에 주입해 공급하고 있으며 일부 국가에서는 바이오가스를 ‘Green Gas’라고 부른다.

유럽에서는 천연가스 배관망 관련 규정인 EU Directive 2003/55/EC발효에 의해 배관망에 바이오메탄 공급을 허용하는 것을 목표로 하고 있으며 5개 국가(네덜란드, 스위스, 오스트리아, 독일, 스웨덴)가 바이오메탄을 배관망에 주입하고 있다. 또한 6개국(프랑스, 네덜란드, 오스트리아, 독일, 스웨덴)은 배관망에 바이오메탄을 주입하는 규정을 가지고 있다. 스웨덴에서는 바이오메탄을 배관망에 주입하는 경우 열량을 보전하기 위해 일정비율 프로판을 혼합하고 있다. 예를 들면 Laholm시는 바이오메탄 500㎥/hr를 주입(배관망 압력 4bar)하고 프로판을 혼합하고 있다.

유럽 -  천연가스 배관망에 바이오메탄 주입
천연가스보다 싼 가격 공급 ‘최대 선결과제’

유럽 5개 국가에서 바이오메탄을 천연가스 배관망에 주입하는데 있어 문제가 발견된 사례가 없었고 3개 국가에서는 매립지에서 생성된 매립가스에 할로겐 화합물 등이 포함돼 있어서 천연가스 배관망에 바이오메탄을 주입하는 것을 금지하고 있다.

그리고 ‘BONGO 컨소시엄’을 구성해 바이오메탄의 배관망 주입 시 박테리아, 할로겐탄화수소 등의 영향에 대한 조사를 실시 중에 있다. BONGO(Biogas and Others in Natural Gas Operations) 프로젝트에는 영국의 Advantica(repr. Transco), North Energy, Universiy of Warwick, 벨기에의 European Environmental Cons, Synergrid,  그리스의 DEPA S.A., Nat. Techn. Univ. Athens, 스페인의 GasNatural, Enagas, 덴마크의 DGC, 프랑스의 Gaz de France, 폴란드의 TAGUS Gas, ISQ, 네덜란드의 Gasunie, EnergieNed, 독일의 E.ON-Ruhrgas, DVGW, 스위스의 SVGW, 유럽의 Marcogaz, GERG가 참여하고 있다.

■ 도시가스 연료화 필요

지금까지 살펴본 선진외국의 바이오가스 사용은 단점보다 장점이 많아 정부지원과 기업들의 적극적인 참여가 활발하다. 그러나 국내에서는 아직 바이오가스가 발전용 연료로만 인정받고 있고 가스연료로는 인정되지 않고 있다. 이는 바이오가스가 혐오시설인 유기성폐기물 처리설비와 매립장에서 주로 생성돼 여러 민원의 대상이었고 연료로 인정받기 위한 여러 이해당사자들간의 토론과 기술적 시험, 그리고 경제성에 대한 연구를 수행하지 않아 선진외국과 다른 상황에 놓여 있기 때문이다.

▲ 해외의 한 주유소에서 운전자가 바이오메탄을 자동차에 주유하고 있다.

그러나 최근 국내 전문가와 기업, 민간환경단체 등을 중심으로 바이오가스를 연료로 활용하는 것을 건의하고 있으며 정부도 저탄소 녹색성장의 핵심사항으로 바이오가스가 부합되는 것을 인지해 에너지정책에 바이오가스를 반영하는 것을 고려하게 됐다. 바이오가스를 연료로 인정하게 된다면 국내 유기성폐기물의 에너지화의 가속화로 폐기물 문제해결에 크게 기여할 수 있으며 가스공사가 해외로부터 수입해야 하는 LNG 스팟(spot) 물량을 감소시켜 국가의 외화절감과 국내의 온실가스 저감에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

또한 바이오메탄은 지속가능한 에너지원이면서 폐기물을 사용하므로 세계 곡물가와 연동이 적다는 등의 장점을 가지고 있지만 바이오메탄 제조장소가 가스수요처와 거리가 있고 바이오가스 생산량이 대규모 수요처에 단독으로 공급될 수 없다는 점 등의 단점도 있는 것이 사실이다.

그리고 바이오메탄을 둘러싼 이해당사자인 제조자, 소비자, 가스공급자(가스회사)등 많은 이해당사자간의 충분한 기술적 토의와 실험을 통해 바이오메탄이 연료로 인정받아야 하며, 특히 고유가 상황에서 천연가스보다 저렴한 가격으로 바이오메탄을 생산·공급하는 것이 향후 최대 선결과제가 될 것이다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

해당 언어로 번역 중 입니다.