바이오 수소란 유기물을 분해하여 생산하는 수소입니다. 유기물이란 지구 환경에서 발견되는 탄소 기반 화합물이죠. 즉 식물, 동물, 생물, 음식 폐기물 등에서 나오는 유기 화합물로 구성된 물질이며, 여기에서 수소를 추출하여 에너지로 사용할 수 있습니다.
바이오 수소생산기술 종류
1. 바이오매스 가스화 방식
바이오 매스(유기물)를 고온에서 가열하여 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등으로 분해, 포집하여 그중 수소를 생산하는 방식입니다. 여기에서 바이오 매스는 볏짚, 폐목재, 음식물 쓰레기, 하수 쓰레기 등이며 바이오매스를 가열하게 되면 다양한 배출물이 나오기 때문에 분해하고 포집하는 기술이 중요합니다.
생산과정
- 단계 : 바이오 매스 공급 – 가스화 반응 – 가스 정제 – 수소 생산
가스화 반응은 약 700~900도씨의 무산소 조건이나 적은 양의 수소 환경에서 가열해야 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등의 가스를 분해하고 생산할 수 있습니다.
- C6H10O5 + 3H2O -> 3CO + 3H2 + CO2(셀룰로스 가스화 반응)
이처럼 수소(H)가 포함되어 있기 때문에 정제 환경을 만들어 H(수소)만 뽑아낼 수 있습니다. 정제 방법은 흡착이라던지, 액체질화, 막분리 등 다양한 방법을 사용할 수 있습니다.
다만, 가스화 과정에서 에너지 손실이 크고 정제 과정이 복잡합니다. 특히 타르가 발생하기 때문에 추가적인 정제 과정이 필요하죠.
2. 생물학적 수소 생산 방식
미생물(세균, 조류)을 이용하여 유기물을 분해하는 과정에서 수소를 생산하는 방식입니다. 즉, 광합성 박테리아, 암모니아 산화 박테리아, 수소 생성 박테리아 등을 이용하여 화학반응을 통해 자연에서 나오는 수소를 포집하여 생산하는 방식이죠.
이때도 수소뿐만이 아니라 이산화탄소 기타 부산물이 생성되기 때문에 기술적으로 분리하여 정제해야 하는 과정이 필요합니다.
광합성 박테리아
- 태양열을 이용하여 유기물을 분해함으로써 수소를 얻을 수 있는 박테리아입니다. 이 박테리아가 햇빛을 받으면 화학반응을 하는 과정에서 수소를 추출할 수 있죠.
암모니아 산화 박테리아
- 암모니아를 산화하여 수소와 질산염을 생산하는 박테이라입니다. 즉, 폐수 처리 과정에서 발생하는 암모니아를 활용하여 수소 생산이 가능하기 때문에 안정적으로 수소를 얻을 수 있죠.
수소 생성 박테리아
- 유기물을 분해하여 수소 생산을 할 수 있습니다. 상대적으로 비용이 저렴한데 메탄이 같이 발생되기 때문에 억제할 수 있는 기술이 필요합니다.
이와 같이 생물학적 수소 생산은 미생물 등이 필요한데, 배양 및 유지 관리가 다소 어렵기 때문에 지속적으로 바이오매스 확보가 어려울 수 있습니다.
3. 바이오 전기화 방식
유기물을 전기화 과정을 통해 수소와 이산화탄소로 분해하는 방식입니다. 전기화한다는 말은 유기물을 음극에 공급하고 양극에 이산화탄소를 공급하여 전기를 가하면, 그 과정에서 유기물은 산화되면서 이산화탄소가 환원되는 과정을 거쳐 수소를 얻는 방식이죠.
- 2CH3COOH + 2H2O -> 4H2 + 2CO2 + 2e- (아세트산 전기화 반응)
생산 과정
- 단계 : 유기물 공급 – 전기화 반응 – 수소 정제 – 수소 생산
상대적으로 에너지 효율이 높지만 시스템 구축을 위한 비용이 상대적으로 높은 편에 속하며, 범용적인 상용화에는 이르지 못한 기술입니다.
바이오 수소의 장점과 단점
바이오 수소는 여러 면에서 장점과 단점이 있죠. 지속 가능하고 친환경적인 에너지원의 역할을 할 수 있지만 규모의 경제를 위해 수소 생산 단가를 낮추기 위한 기술 개발, 투자, 바이오매스 확보가 지속가능해야 합니다.
| 장점 | 단점 |
| 화석연료 생산이 아니기 때문에 친환경적입니다. | 화석 연료로부터 생산되는 수소보다 고비용입니다. |
| 바이오매스는 재생 가능한 자원입니다. | 바이오 매스 자원을 지속 확보가 어려울 수 있습니다. |
| 폐기물 처리가 가능합니다. | 바이오 매스를 수소로 변환하는 과정의 에너지 손실 |
| 화석 연료 의존도를 낮출 수 있습니다. | 기술적 상용화에 대한 어려움 |
전 세계적으로 기후 변화 대응을 위해 탄소중립 목표 달성에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 그중 미국, 유럽, 일본, 한국 등에서 규모의 수소경제를 통해 화석연료 에너지를 대체하고자 하는 국가 단위의 움직임들이 있죠. 특히 미국의 경우 수소 허브 지역 선정 완료, 수소 충전소, 인프라 구축, 보조금 지원 등 많은 영역에서 수소 경제를 위해 구체적인 정책을 제시하고 있습니다.
그중 바이오수소는 CCUS, 그린 수소, 블루수소 등과 같은 수소 경제의 일부 기술로 알려져 있죠. 결국 수소 경제를 구축하기 위한 하나의 수소 생산 방식이며, 친환경적으로 수소를 생산하는 바이오수소 기술이 일부 수소경제에서 자기의 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다.