쓰레기를 먹어 치우는 착한 수소의 탄생!
수소라고 다 같은 수소가 아니다. 무결점 ‘바이오(Bio, 생물학)수소’ 생산을 현실화하고 있는 SK에코플랜트의 기술 개발 이야기를 확인해 보자.
매일 버려도 버려도 쌓이는 음식물 쓰레기. 도시의 온갖 더러운 것들을 쓸어내고 남겨진 하수 찌꺼기. 쓰레기 중에서도 골칫거리 TOP 자리를 앞다투는 *유기성 폐기물이 전기를 만드는 에너지원으로 변신한다면?
이 마법 같은 이야기가 현실이 되고 있다. 지난 7월, SK에코플랜트는 Water-Energy Tech팀을 주축으로 한국생산기술연구원, 연세대학교와 함께 유기성 폐기물로 수소(H2)를 생산하는 국책과제, ‘미래 수소 원천기술 개발 사업’에 착수했다는 소식을 알렸다. 이들이 만들어 나가고 있는 그 ‘미래 수소’란 도대체 어떤 모습일까?
*유기성 폐기물(有機性廢棄物, Organic waste): 음식물 쓰레기, 하수 오니, 가축분뇨, 농업부산물 등 주로 유기물을 주체로 하는 폐기물.
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하수찌꺼기가 어떻게 수소가 돼?
유기성 폐기물이 수소가 되는 과정은 이론적으로는 매우 단순(?)하다. 우선 폐기물을 미생물(균주)로 분해해 ‘바이오가스’를 먼저 만든다. 이후 메탄(CH4) 60%, 이산화탄소(CO2) 40% 수준으로 구성된 바이오가스를 고질화(高質化, Upgrading), 즉 질을 높이는 공정으로 이산화탄소를 제거한 메탄가스로 만든 뒤(이 자체도 도시가스 등의 연료로 사용 가능하다), 다시 탄소(C)를 제거하는 개질(改質, Reforming) 과정을 거쳐 수소(H2)만 남기면 끝이다. 폐기물을 없애주는 것으로도 모자라, 폐기물로 청정에너지원 수소를 만들 수 있다니! 전 세계에서 *그린수소를 생산하기 위한 시도가 쏟아지는 이때, 이러한 바이오수소에 대한 관심이 커지는 것은 당연한 일이다.
하지만 바이오수소에게도 치명적인 단점이 몇 가지 있다. 여러 단계의 공정을 거쳐야 하는 만큼 수소 생산까지 긴 시간이 소요된다는 것도 그렇지만, 친환경 에너지라고 하기에는 생산과정에서 에너지가 너무 많이 소비된다. 특히 메탄가스를 수소로 전환하는 ‘개질 과정’에서는 1,000도가 넘는 고온 환경을 유지해야 하기에 그에 따른 에너지 소비가 매우 큰 편이다. 무엇보다도 아직까지는 균주나 공정의 안정성이 떨어져 화학적인 방법 대비 생산성이 확보되지 못해 상용화에 어려움을 겪고 있다.
*그린수소: 신재생에너지 발전을 통해 생산된 전기로 물(H2O)를 전기분해해 만들어진 수소로, 이산화탄소 발생이 적다.
정주형 프로(Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): 유기성 폐기물에서 수소를 만들 때 개질 과정 같은 경우에는 높은 온도와 높은 압력, 또 촉매가 들어가기 때문에 에너지를 투입할 수밖에 없습니다. 그 과정에서 당연히 화석연료의 사용을 필요로 하고요. 문제는 그럼에도 불구하고 지금까지의 기술력으로는 아직 이러한 수소 생산 방식의 경제성이 나오지 않고 있다는 거죠. SK에코플랜트가 이번에 개발 중인 기술은 이러한 바이오수소의 단점들을 극복한 새로운 수소 생산 방법이라 할 수 있습니다.
.
폐기물에 ‘이것’만 넣으면 수소가 바로 나온다고?
SK에코플랜트가 개발중인 바이오수소의 특징을 한 마디로 말하자면, One Stop이다. 앞서 간략하게만 봐도 서너 단계의 생산과정을 거쳐야 했던 기존의 바이오수소와 달리, SK에코플랜트 바이오수소가 필요로 하는 과정은 딱 하나. 유기성 폐기물에 미생물을 넣기만 하면 된다.
조금 더 자세히 말하자면, 수소를 생산하는 미생물(균주)이 있는 반응조(하수 처리 시 화학적∙생물학적 반응을 일으키는 장치)에 유기성 폐기물을 직접 투입, 미생물이 유기물을 먹고 분해하는 발효과정을 통해 수소를 바로 생산해내는 것이다.
이처럼 생산 단계가 대폭 축소됨에 따라, 기존 방법 대비 수소 생산까지의 시간을 20배 이상 단축할 수 있는 것은 물론, 37도 정도의 중온에서 발효만 하면 되기 때문에 1,000도가 넘는 고온 환경을 만드느라 CO2를 내뿜을 일도 없게 되는 등 생산성 및 환경적으로 경쟁력을 갖춘 기술이 탄생될 것으로 보인다.
최옥경 프로 (Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): 이번 기술 개발의 핵심은 곧 수소 생산에 적합한 균주(미생물)를 만드는 것입니다. 균주는 ‘단일균주’와, 두 가지 이상의 종류가 섞여 배양되는 ‘복합균주’가 있는데요. 단일균주의 경우 자신과 딱 맞는 폐기물을 만나면 *수율이 좋지만 조금만 다르거나 오염된 폐기물을 만나면 대응이 어렵다는 단점이, 반면 혼합균주는 좀 더 유연한 대처가 가능한 대신 수율이 낮다는 단점이 있죠. 저희는 기존의 장점은 극대화하면서도 높은 수율까지 확보할 수 있는 혼합균주 군집을 만들고, 이를 통해 수소를 생산할 예정입니다.
*수율(收率): 원자재에 어떤 화학적 과정을 가하여 원하는 물질을 얻을 때, 이론상으로 기대했던 분량 대비 실제로 얻어진 분량을 나타낸 비율.
현재 연구 단계에서 SK에코플랜트의 새로운 공정은 50% 미만이었던 바이오수소 생산 수율을 65%까지 끌어올리는 데 성공한 상황. 앞으로 75%까지 수율을 향상시켜(미생물이 자라는 발효 용기의 약 30배에 달하는 수소를 매일 생산하는 수준), 사업화가 가능한 궤도에 올려놓는 것을 목표로 하고 있다.
.
어마어마한 실증 규모! SK에코플랜트가 하니까 가능한 일
올해 착수한 이번 기술 개발 사업은 2024년까지 연구 결과를 기반으로 한 파일럿(Pilot)을 설계하고, 2025~6년 실증을 마쳐 사업화 방안까지 제시하는 대형 프로젝트라 할 수 있다. 최종 목적지가 결국 ‘사업화’에 있는 만큼, 국내 대표 환경∙에너지 기업인 SK에코플랜트의 역량이 전 과정에서 핵심적인 역할을 할 것으로 보여진다. 특히 초대형 환경 플랫폼 기업인 환경시설관리㈜(옛 EMC홀딩스) 등의 자회사를 통해 전국적으로 폐수 처리 시설, 바이오가스 플랜트를 보유하고 있기 때문에 유기성 폐기물에 대한 다양한 정보들을 연구에 제공할 수 있는 것은 물론, 실제 사업시설 현장에서의 실증으로 사업화의 현실성을 더욱 명확하게 검증할 예정이다.
이정준 프로 (Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): 이 연구의 궁극적인 목적은 결국 상용화입니다. 때문에 실제와 같은 실증이 무엇보다 중요한데요. 실험실에서 실험하면 엄청 잘 되다가도, 실증을 하려고 용량을 키워 현장에 가면 잘 안 되는 경우가 부지기수이거든요. 하지만 SK에코플랜트는 관련 사업현장이 많은 만큼 다양한 상황으로 여러 번 생산성을 검증해 기술 안정성을 높일 계획입니다. 현재 하루에 5톤 정도 폐기물을 처리할 수 있는 실증 시설을 계획하고 있는데, 이는 일반적인 실증과 비교했을 때 100배 이상 차이나는 규모라 할 수 있죠.
SK에코플랜트에게 이번 기술 개발은 2050 탄소중립에 기여할 국책 과제를 수행하고 있다는 중요성과 더불어, Waste Zero, Waste to Energy로 완성되는 SK에코플랜트의 순환경제 모델(The Zero City)에 한발짝 더 다가섰다는 점에서도 그 의미가 크다. 유기성 폐기물의 신개념 처리 기술로 SK에코플랜트가 그들의 폐기물 사업 밸류체인(Value-Chain)을 완성하고, 바이오수소 시장의 주도권을 거머쥘 수 있을지 그들의 행보를 앞으로도 기대해 본다.
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Interview_ 정주형, 최옥경, 이정준 프로(Water-Energy Tech 팀)
Q
Water-Energy Tech 팀은 어떤 일을 하고 있나요?
A
정주형 프로(Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): ‘Water Energy Nexus’ 라는 말이 있습니다. 물을 보려면 에너지를 봐야 하고, 에너지를 보려면 물을 봐야 한다는 말인데요. Water-Energy Tech 팀을 가장 정확히 표현하는 말이라고 생각합니다. 물을 처리할 때 발생하는 에너지를 줄이고 회수하는 기술, 물을 처리하고 남은 찌꺼기(슬러지)로부터 에너지를 얻는 방법들을 찾는 것이 저희가 하고 있는 일이죠.
Q
이번 ‘미래 수소 원천기술 개발 사업’이 가지는 의미는 무엇이라고 생각하나요?
A
이정준 프로(Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): 바이오수소 생산을 위한 다양한 연구들이 있어왔지만, 이번 프로젝트처럼 본격적으로 상용화까지 계획하고 있는 프로젝트는 세계적으로도 거의 전무하다는 점에서 남다른 의미가 있다고 생각됩니다. 더불어 기술이 성공적으로 개발된다면, 세계적으로 ESG를 선도하고 있는 SK그룹 중에서도 SK에코플랜트가 그 중심에 서서 유기성 폐기물이라는 전 지구적인 문제를 해결할 원천기술을 확보했다는 기념비적인 의미도 가질 수 있지 않을까 기대하고 있습니다.
Q
앞으로의 바이오수소 전망에 대해 어떻게 생각하시나요?
A
최옥경 프로 (Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): ‘차고 넘치는 폐기물을 처리하면서 에너지까지 생산한다’. 이런 생각을 현실화시키는 방법은 생물학적인 접근, 즉 바이오밖에 없을 거라고 생각합니다. 때문에 앞으로 ‘바이오’라는 말은 우리를 계속 따라올 것입니다. 발전 속도가 더뎌 ‘우린 100을 원하는데 왜 10밖에 못해’라는 비판이 있을지라도요.(웃음) 코로나 바이러스를 통해 작은 미생물이 이 지구에 얼마나 큰 영향을 미치는지 확인했듯, 그 작은 것이 세상을 긍정적으로 바꾸는 데에도 엄청난 일을 해낼 거라고 믿고, 저희가 하고 있는 일에 대해 자부심을 느끼며 꾸준히 나아가겠습니다.
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하수찌꺼기가 어떻게 수소가 돼?
유기성 폐기물이 수소가 되는 과정은 이론적으로는 매우 단순(?)하다. 우선 폐기물을 미생물(균주)로 분해해 ‘바이오가스’를 먼저 만든다. 이후 메탄(CH4) 60%, 이산화탄소(CO2) 40% 수준으로 구성된 바이오가스를 고질화(高質化, Upgrading), 즉 질을 높이는 공정으로 이산화탄소를 제거한 메탄가스로 만든 뒤(이 자체도 도시가스 등의 연료로 사용 가능하다), 다시 탄소(C)를 제거하는 개질(改質, Reforming) 과정을 거쳐 수소(H2)만 남기면 끝이다. 폐기물을 없애주는 것으로도 모자라, 폐기물로 청정에너지원 수소를 만들 수 있다니! 전 세계에서 *그린수소를 생산하기 위한 시도가 쏟아지는 이때, 이러한 바이오수소에 대한 관심이 커지는 것은 당연한 일이다.
하지만 바이오수소에게도 치명적인 단점이 몇 가지 있다. 여러 단계의 공정을 거쳐야 하는 만큼 수소 생산까지 긴 시간이 소요된다는 것도 그렇지만, 친환경 에너지라고 하기에는 생산과정에서 에너지가 너무 많이 소비된다. 특히 메탄가스를 수소로 전환하는 ‘개질 과정’에서는 1,000도가 넘는 고온 환경을 유지해야 하기에 그에 따른 에너지 소비가 매우 큰 편이다. 무엇보다도 아직까지는 균주나 공정의 안정성이 떨어져 화학적인 방법 대비 생산성이 확보되지 못해 상용화에 어려움을 겪고 있다.
*그린수소: 신재생에너지 발전을 통해 생산된 전기로 물(H2O)를 전기분해해 만들어진 수소로, 이산화탄소 발생이 적다.
정주형 프로(Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): 유기성 폐기물에서 수소를 만들 때 개질 과정 같은 경우에는 높은 온도와 높은 압력, 또 촉매가 들어가기 때문에 에너지를 투입할 수밖에 없습니다. 그 과정에서 당연히 화석연료의 사용을 필요로 하고요. 문제는 그럼에도 불구하고 지금까지의 기술력으로는 아직 이러한 수소 생산 방식의 경제성이 나오지 않고 있다는 거죠. SK에코플랜트가 이번에 개발 중인 기술은 이러한 바이오수소의 단점들을 극복한 새로운 수소 생산 방법이라 할 수 있습니다.
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폐기물에 ‘이것’만 넣으면 수소가 바로 나온다고?
SK에코플랜트가 개발중인 바이오수소의 특징을 한 마디로 말하자면, One Stop이다. 앞서 간략하게만 봐도 서너 단계의 생산과정을 거쳐야 했던 기존의 바이오수소와 달리, SK에코플랜트 바이오수소가 필요로 하는 과정은 딱 하나. 유기성 폐기물에 미생물을 넣기만 하면 된다.
조금 더 자세히 말하자면, 수소를 생산하는 미생물(균주)이 있는 반응조(하수 처리 시 화학적∙생물학적 반응을 일으키는 장치)에 유기성 폐기물을 직접 투입, 미생물이 유기물을 먹고 분해하는 발효과정을 통해 수소를 바로 생산해내는 것이다.
이처럼 생산 단계가 대폭 축소됨에 따라, 기존 방법 대비 수소 생산까지의 시간을 20배 이상 단축할 수 있는 것은 물론, 37도 정도의 중온에서 발효만 하면 되기 때문에 1,000도가 넘는 고온 환경을 만드느라 CO2를 내뿜을 일도 없게 되는 등 생산성 및 환경적으로 경쟁력을 갖춘 기술이 탄생될 것으로 보인다.
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*수율(收率): 원자재에 어떤 화학적 과정을 가하여 원하는 물질을 얻을 때, 이론상으로 기대했던 분량 대비 실제로 얻어진 분량을 나타낸 비율.
현재 연구 단계에서 SK에코플랜트의 새로운 공정은 50% 미만이었던 바이오수소 생산 수율을 65%까지 끌어올리는 데 성공한 상황. 앞으로 75%까지 수율을 향상시켜(미생물이 자라는 발효 용기의 약 30배에 달하는 수소를 매일 생산하는 수준), 사업화가 가능한 궤도에 올려놓는 것을 목표로 하고 있다.
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올해 착수한 이번 기술 개발 사업은 2024년까지 연구 결과를 기반으로 한 파일럿(Pilot)을 설계하고, 2025~6년 실증을 마쳐 사업화 방안까지 제시하는 대형 프로젝트라 할 수 있다. 최종 목적지가 결국 ‘사업화’에 있는 만큼, 국내 대표 환경∙에너지 기업인 SK에코플랜트의 역량이 전 과정에서 핵심적인 역할을 할 것으로 보여진다. 특히 초대형 환경 플랫폼 기업인 환경시설관리㈜(옛 EMC홀딩스) 등의 자회사를 통해 전국적으로 폐수 처리 시설, 바이오가스 플랜트를 보유하고 있기 때문에 유기성 폐기물에 대한 다양한 정보들을 연구에 제공할 수 있는 것은 물론, 실제 사업시설 현장에서의 실증으로 사업화의 현실성을 더욱 명확하게 검증할 예정이다.
이정준 프로 (Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): 이 연구의 궁극적인 목적은 결국 상용화입니다. 때문에 실제와 같은 실증이 무엇보다 중요한데요. 실험실에서 실험하면 엄청 잘 되다가도, 실증을 하려고 용량을 키워 현장에 가면 잘 안 되는 경우가 부지기수이거든요. 하지만 SK에코플랜트는 관련 사업현장이 많은 만큼 다양한 상황으로 여러 번 생산성을 검증해 기술 안정성을 높일 계획입니다. 현재 하루에 5톤 정도 폐기물을 처리할 수 있는 실증 시설을 계획하고 있는데, 이는 일반적인 실증과 비교했을 때 100배 이상 차이나는 규모라 할 수 있죠.
SK에코플랜트에게 이번 기술 개발은 2050 탄소중립에 기여할 국책 과제를 수행하고 있다는 중요성과 더불어, Waste Zero, Waste to Energy로 완성되는 SK에코플랜트의 순환경제 모델(The Zero City)에 한발짝 더 다가섰다는 점에서도 그 의미가 크다. 유기성 폐기물의 신개념 처리 기술로 SK에코플랜트가 그들의 폐기물 사업 밸류체인(Value-Chain)을 완성하고, 바이오수소 시장의 주도권을 거머쥘 수 있을지 그들의 행보를 앞으로도 기대해 본다.
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Interview_ 정주형, 최옥경, 이정준 프로(Water-Energy Tech 팀)
Q
Water-Energy Tech 팀은 어떤 일을 하고 있나요?
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정주형 프로(Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): ‘Water Energy Nexus’ 라는 말이 있습니다. 물을 보려면 에너지를 봐야 하고, 에너지를 보려면 물을 봐야 한다는 말인데요. Water-Energy Tech 팀을 가장 정확히 표현하는 말이라고 생각합니다. 물을 처리할 때 발생하는 에너지를 줄이고 회수하는 기술, 물을 처리하고 남은 찌꺼기(슬러지)로부터 에너지를 얻는 방법들을 찾는 것이 저희가 하고 있는 일이죠.
Q
이번 ‘미래 수소 원천기술 개발 사업’이 가지는 의미는 무엇이라고 생각하나요?
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이정준 프로(Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): 바이오수소 생산을 위한 다양한 연구들이 있어왔지만, 이번 프로젝트처럼 본격적으로 상용화까지 계획하고 있는 프로젝트는 세계적으로도 거의 전무하다는 점에서 남다른 의미가 있다고 생각됩니다. 더불어 기술이 성공적으로 개발된다면, 세계적으로 ESG를 선도하고 있는 SK그룹 중에서도 SK에코플랜트가 그 중심에 서서 유기성 폐기물이라는 전 지구적인 문제를 해결할 원천기술을 확보했다는 기념비적인 의미도 가질 수 있지 않을까 기대하고 있습니다.
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앞으로의 바이오수소 전망에 대해 어떻게 생각하시나요?
A
최옥경 프로 (Eco Lab Center, Water-Energy Tech 팀): ‘차고 넘치는 폐기물을 처리하면서 에너지까지 생산한다’. 이런 생각을 현실화시키는 방법은 생물학적인 접근, 즉 바이오밖에 없을 거라고 생각합니다. 때문에 앞으로 ‘바이오’라는 말은 우리를 계속 따라올 것입니다. 발전 속도가 더뎌 ‘우린 100을 원하는데 왜 10밖에 못해’라는 비판이 있을지라도요.(웃음) 코로나 바이러스를 통해 작은 미생물이 이 지구에 얼마나 큰 영향을 미치는지 확인했듯, 그 작은 것이 세상을 긍정적으로 바꾸는 데에도 엄청난 일을 해낼 거라고 믿고, 저희가 하고 있는 일에 대해 자부심을 느끼며 꾸준히 나아가겠습니다.