독일 UNSICHT, 바이오배터리 공정 기술 개발

 하수 슬러지·발효 찌꺼기·유기물을 고품질 바이오차로 전환
석유·가스·바이오매스 등 생산…에너지 효율 75% 이상 변환


하수 슬러지, 녹색 폐기물, 식품산업에서 발생하는 생산 잔여물, 짚이나 동물 배설물 등 보다 범위가 확대된 바이오배터리(biobattery) 기본단위 개념 덕분에 바이오매스(biomass)는 이전보다 더 많은 에너지 회수에 활용될 수 있게 됐다.

독일의 환경안전에너지기술연구소(UMSICHT)인 프라운호퍼(Fraunhofer)는 유기 잔여물을 전기, 열, 정제한 가스, 엔진 오일 및 고품질 바이오차(biochar)로 전환하는 기술을 개발했다. 바이오가스 플랜트는 에너지의 공급을 분산시키는 데 중요한 요소이며, 재생자원에서 전기를 생산해내고 불안정한 풍력 및 태양 에너지 공급을 보완할 수 있다.

이미 독일은 총 3.75GW의 전기를 생산하는 규모의 플랜트가 8천 개에 달하며, 이는 대략 원자력 발전소 3개 수준에 해당한다. 그러나 이 플랜트들은 단점 역시 가지고 있다. 오직 제한된 범위의 유기물질로만 처리될 수 있으며, 식용작물 재배와 경쟁해야 한다.

바이오배터리로 전기, 오일, 가스, 바이오차 생산 가능

이러한 상황에서 UMSICHT의 과학자들은 바이오가스 플랜트의 효율을 큰 폭으로 향상시키는 데 성공했다. 연구진이 개발한 바이오배터리 공정은 전기와 열뿐만 아니라 가스, 오일, 식물성 탄소와 같은 높은 품질의 제품을 생산한다.

예를 들어 필요에 따라 해양이나 항공 연료로 전기를 생산하거나 연료 혼합물이나 비료로 유용하게 사용할 수 있다. 만약 더 많은 공정을 거친다면 화학산업에 사용이 가능한 기반 재료를 제공할 수 있다.

바이오배터리는 모듈식이며, 바이오가스 플랜트나 열 저장소, 기화기 및 전기 생산 엔진 등 환경친화적 기술의 종합으로 구성된다. 이러한 개념의 핵심은 열 촉매 개질(TCR, thermo-catalytic reforming)이다. 전문가들은 바이오가스 공장 및 바이오에탄올 생산 과정에서 발생한 발효 찌꺼기, 산업용 바이오매스 폐기물, 하수 슬러지, 짚, 나무 조각, 동물 배설물과 같은 탄소를 유기재료로 전환한다.

▲ 바이오배터리는 모듈식이며, 바이오가스 플랜트나 열 저장소, 기화기 및 전기 생산 엔진 등 환경친화적 기술의 종합으로 구성된다.


그 결과로 석유, 가스, 바이오매스, 코크스를 얻을 수 있다. “바이오 배터리는 종종 폐기를 위해 높은 비용을 들여서 처리해야 하는 많은 재료를 활용할 수 있다는 점에서 특별하다”고 Sulzbach-Rosenberg에 있는 UMSICHT의 책임자인 Andreas Hornung 교수는 말했다.

시범 플랜트에서 바이오 잔여물 공정 증명해

또한, 연구진은 매시간 대략 30㎏의 발효 찌꺼기를 활용해 이 반응이 시범 플랜트에서 실제 작동하는지 여부를 증명했다.

원재료는 처음에 산소 없이 연속 회전 스크류로 통로를 통해 지나가는데, 재료가 가열되면 바이오차(biochar)와 휘발성 증기로 분류된다. 증기는 재가열된 후 다시 냉각되며, 가스는 공정 과정에서 바이오 오일과 물을 포함하는 액체로 응축된다. 연구진은 이를 재사용하기 위해 고품질 오일을 분리하고, 남은 가스를 정화해 수집했다.

액체 및 기체, 고체 제품은 다양한 방법으로 다시 이용될 수 있다. 오일은 해양 및 항공 연료로 사용될 수 있으며, 열병합 발전소에서 전기와 열을 생산하는 데도 사용된다. 분리된 공정수는 많은 단사슬(shout-chain) 생분해성 탄소 화합물을 포함하고 있으며, 메탄의 수율을 향상시키기 위해 바이오 가스 플랜트에 재공급될 수 있다.

바이오차(biochar)는 토양 개량 조성물로 이상적인데, 바이오배터리가 효율적으로 작동하는가에 대한 검토가 필요하다. 공장은 강력한 연속 공정에서 고품질의 에너지원으로 에너지 효율의 75% 이상을 변환한다.
“동적인 잠열 축열기가 사용된다면 효율은 더욱 향상될 수 있다”고 Hornung는 설명했다. 바이오배터리는 시스템이 점점 확장될 수 있다는 특별한 장점을 가진다.

UMSICHT의 스핀 오프 회사인 Susteen Technologies는 “이는 작동자가 경제적인 관점에서 매우 흥미를 가지는 부분이며, 이익 분석이 제공하는 것처럼 초기에 큰 투자가 필요하지 않다”라고  말했다. 이미 독일을 비롯한 외국 주요 시범 플랜트와 협력해 바이오배터리의 개념을 구현하고 있는 상태이다. 

출처 = KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑』 2014년 2월 4일 / 원문출처:http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2015/january/pilot-plant-processes-biogenous-residues.html]


[『워터저널』 2015년 3월호에 게재]

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