바이오가스

바이오가스(Biogas)는 음식물 쓰레기, 가축 분뇨, 하수 슬러지 등 유기성 바이오매스를 공기와 접촉하지 않는 완전 밀폐형 혐기성 발효 과정을 거쳐 생산된 수소, 메탄 등 연료용 가스를 통틀어 말한다.

개요

바이오가스는 신재생에너지로서 바이오에너지로 분류되는 한 부분이며 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래 에너지원이다. 바이오가스는 주로 메탄과 이산화탄소의 혼합물이며 메탄은 전력을 생산하는 데 사용된다. 조건에 따라 바이오가스는 소량의 수증기, 황화수소, 암모니아, 수소(H2), 질소(N2) 및 휘발성 지방산과 알코올도 포함한다. 바이오가스의 핵심 공정 변수는 기온과 발효조에서 원료가 소비한 시간이다. 대부분의 농업용 바이오가스 플랜트는 중온성 온도 (35-42°C)에서 작동하며 체류 시간은 투입하는 원료에 따라 다르며 20일에서 70일까지 다양하다. 먼저 하수구, 축산분뇨, 음식물 쓰레기 등 유기성 물질을 유입하고 협기성 소화를 통해 메탄가스를 생성한다. 협기성 소화는 산소가 없는 상태에서 메탄을 생성하는 미생물들이 유기물을 분해하는 것을 말한다. 협기성 소화를 거친 후 생성된 메탄 가스를 이용해 발전기의 연료로 사용한다. 혐기성소화(Anaerobic Digestion)는 200여전에 발견된 기술로서 1920년에 개발된 혐기성소화 공법이 하수처리장의 슬러지 처리에 최초로 상업적으로 적용되었다. 현재 상용화된 공정은 주로 1970년대 이후 개발된 공법으로 낙농업과 축산업이 발달된 유럽을 중심으로 발전되어 왔다. 우리나라는 1990년대 이후 주정공장, 하수처리장 등에 개량된 혐기성소화 공법이 보급되어 주로 유기물농도를 낮추는 폐수처리의 전처리 공정으로 활용되고 있으며 바이오가스의 에너지로의 활용은 부족한 실정이다.

지구상에서 생산되는 바이오매스는 1억 8,000만 t으로 알려져 있는데 이것을 바이오 프로세스로 메탄 가스 또는 수소 가스로 바꿀 수 있다면 석유 소비의 일부를 보충할 수가 있다. 바이오가스에는 수소를 생산하는 미생물도 많이 알려져 있다. 여기에는 통성(通性) 또는 절대 혐기성 미생물과 광합성 미생물이 있다. 전자는 대장균 등 유기물을 바탕으로 수소를 만드는 미생물이다. 이들 균 속에는 공기가 존재하므로 생육이 저지되는 것들도 있다. 광합성 미생물은 빛에너지를 이용한 바이오매스로부터 수소를 생산하는 균이다. 이 밖에 남조(藍藻)도 알려져 있는데 이것은 물을 분해해서 수소를 생산하는 미생물이다. 이들도 역시 연속적으로 수소를 생산한다. 바이오가스는 석유 소비의 일부를 대신할 수 있을 것으로 기대되어 미래 에너지원으로 주목받고 있다. 전 세계적인 고유가와 지구온난화로 인해 지속적인 발전이 가능한 청정에너지원 확보에 많은 전문가와 기업이 투자를 하고 있으며 그중에서 가장 많은 관심을 받고 있는 것이 신재생에너지원이다. 신재생에너지원 중 천연가스업계에서 접근하기 쉬운 것이 수소, 석탄가스, 바이오가스 등의 가스연료가 있다.

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 생성 원료는 음식물 쓰레기, 축산분뇨, 하수슬러지 등의 유기성 폐기물과 정원 폐기물(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 불순 가스가 많아 그 자체로는 주로 발전용, 보일러 연료 등의 제한된 용도로만 사용돼 왔다. 그런데 최근 유럽을 중심으로 바이오가스의 단순 이용보다는 고급화를 위해 메탄 함량을 높이고 불순 가스를 제거한 깨끗한 바이오메탄이라는 연료로 이용하려는 경향이 확대되고 있다.

역사

바이오가스에 대한 인식 및 사용은 기원전으로 알려져 있지만, 실질적으로 1900년대 초 혐기성 소화 공법을 통해 바이오가스 생산에 대한 연구가 시작되었다. 1930년대 생물학적 반응조 형태로 발전하였지만, 그 당시만 하여도 바이오가스에 대한 경제적 가치는 크게 주목받지 못하였다. 하지만 2차례의 오일쇼크와 오일파동으로 인해 에너지안보에 대한 중요성이 부각되면서 1970년대부터 본격적으로 에너지원으로서 바이오가스 공정연구가 진행되었으며, 1980년대 고효율 혐기소화 연구, 2000년대부터는 고유가 상황과 온실가스에 의한 지구온난화 및 폐기물 해양투기 금지 등으로 인해 유기성 폐기물로부터 에너지화 방안으로 발전되었다. 현재에는 메탄이 지구온난화의 요인으로 알려지면서 혐기성 소화에 의한 메탄을 회수하기 위한 목적으로 설치된 플랜트와 폐기물, 폐수조 처리를 통해 에너지를 부수적으로 얻을 목적으로 연구가 많이 진행되고 있다.

재료

• 가축 분뇨, 인분뇨, 동물 사체 유기물, 도축장 폐기물 등.
• 음식물 쓰레기.
• 주정공장, 맥주공장, 유가공장 폐수.
• 농축수산물 가공폐수, 볏짚, 옥수수대 등 농업부산물 등.
• 제지공장, 제당 공장, 의약품 제조공장폐수.
• 하수슬러지, 매립장 침출수 등.
• 기타 농도가 높은 유기물질.

생성과정

혐기성소화과정은 가수분해, 산생성, 메탄 생성 단계로 이루어지며 각 단계를 거치며 미생물이 유기물을 순차적으로 분해한다.

• 가수분해(hydrolysis) : 발효공정의 첫 단계로서 복잡한 구조의 유기화합물(탄수화물, 단백질, 지질)이 가수분해균과 발효균의 가수분해효소에 의해 분해되는 과정으로 다당류, 탄수화물, 단백질, 지방, 리그닌, 셀룰로오스 등의 복잡한 유기물이 용해성의 당, 알코올, 지방산, 아미노산, 폴리펩타이 등으로 분해된다. 고형물이 크고 많은 폐수인 경우 가수분해 단계가 전체 공정의 처리시간에 중요한 요소가 되기 때문에 유입 고형물의 크기를 미세화 시키면 효율 향상이 가능하다.
• 산생성(acidiogenesis 또는 fermentation) : 아미노산, 당류, 일부 지방산은 더 분해되어 수소, 이산화탄소와 함께 아세트산, 프로피온산, 부틸산과 소량의 발레르산이 생성된다. 프로피온산과 부틸산은 더 분해되어 메탄 생성의 전구물질인 수소, 이산화탄소, 아세테이트를 생성한다.
• 메탄생성(methanogenesis) : 메탄미생물(methanobacterium)은 아세트산, 수소, 이산화탄소, 포름산, 메탄올을 직접 기질로 이용하고 그 외의 지방산과 알코올 등은 비 메탄 미생물과 메탄 세균의 협력하에 메탄과 이산화탄소로 전환된다.

바이오가스 고질화 기술

• 흡습법(absorption)

흡습법은 액체 상태의 용매에 혼합물 형태의 바이오가스를 통과시킴으로서 용매에 잘 용해되는 물질을 제거하는 고질화 기술 중의 하나이다. 일반적으로 흡수액으로는 물과 아민(amine)을 많이 사용하며, 물리 흡수 기술은 용매인 물에 용질인 이산화탄소가 용해되는 메커니즘을 보이는 반면, 화학 흡수 기술은 용질이 용매에 용해 및 화학반응을 통해 제거되는 메커니즘을 보인다. 고압수흡수법(water scrubbing)은 실제 공정에서 많이 사용되는 흡습법으로써 바이오가스의 압력을 높여 흡수액인 물과 효과적으로 접촉시킴으로써 바이오가스 내 이산화탄소를 제거하는 기술이다.

• 흡착법(adsorption)

흡착법은 특정 성분이 흡착제의 표면에 물리, 화학적으로 흡착되는 성질을 이용하여 분리하는 방법으로 바이오가스 고질화에 보편적으로 사용되는 흡착법 중에서 PSA (Pressure Swing Adsorption)는 메탄에 비해 이산화탄소의 선택흡착능이 우수한 활성탄(activated carbon), 분자체탄소(carbon molecular sieve, CMS) 및 제올라이트(zeolite)와 같은 흡착제를 충진한 흡착탑에서 특정 성분의 흡착과 탈착 과정을 반복함으로써 바이오가스 내 특정 불순물을 선택적으로 분리하는 기술이다.

• 막분리법(membrane separation)

고분자막이나 무기막 등을 이용하여 바이오가스 내의 이산화탄소를 선택적으로 투과시켜 분리하는 방법으로 분리막의 재질 또는 구조변경을 통해 특정 성분을 분리하는 기술이다.

• 심냉분리법(Cryogenic separation)

바이오가스인 메탄은 불순물 형태인 이산화탄소에 비해 끓는점과 녹는점이 매우 낮다. 따라서 높은 압력에서 온도를 낮추면 이산화탄소가 먼저 액화되며, 액상 형태의 이산화탄소를 메탄으로부터 쉽게 분리할 수 있다. 하지만 기존 바이오가스 고질화 기술에 비해 경제성이 낮기 때문에 실제적으로 공정에 사용되는 데에는 아직까지 한계가 있다.

참고자료

• 〈바이오가스〉, 《위키백과》
• 〈바이오가스〉, 《네이버 지식백과》
• "Biogas", Wikipedia
• 한국에너지공단, 〈음식물 쓰레기가 에너지가 된다고? 바이오가스의 활용〉, 《네이버 블로그》, 2021-04-14
• 김애경, 〈가축분뇨·매립쓰레기 바이오가스로 청정연료 생산한다〉, 《헬로디디》, 2017-07-15
• 〈바이오가스란 무엇인가?〉, 《㈜HC(에이치씨)에너지》
• 이종규, 〈바이오가스의 도시가스 연료화〉, 《투데이에너지》, 2018-11-21
• 임영관&이정민&정충섭, 〈신재생에너지로서 바이오가스 현황〉, 《화학공학소재연구정보센터(CHERIC)》, 2012-03-06

같이 보기

• 바이오에너지
• 바이오매스
• 수소
• 메테인

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