미세조류를 이용해 신재생 에너지를 생산하는 세계 최초의 건물, BIQ(BIo Intelligent Quotient)

 

 

미세조류를 이용해 신재생 에너지를 생산하는 세계 최초의 건물,

World’s first algae-powered building by splitterwerk

 

 

 

 '지속가능한 건축물, 에너지 저소비형 건축물'은 기후변화와 에너지고갈이라는 위기를 해결하기 위해 반드시 고려해야 하는 건축개념이다. 인류가 소비하고 있는 에너지 중에서 건축물이 차지하는 비중은 대단히 높다. 따라서 지속가능한 건축을 위해 에너지 소비를 줄이는 것은 에너지 고갈 문제 해결을 위한 기초 작업이라 할 수 있다. 따라서 보다 많은 건물들을 지속가능한 방식으로 짓기 위한 시도들이 많이 이루어져 왔다. 그 결과로 태양열, 태양광, 풍력, 지열 등을 활용한 건축물들이 연구되어왔지만, 지금부터 소개할 건물은 좀 특별하다. 바로 조류를 이용해 친환경적인 시스템을 가진 건물이다.

 <출처: commons.wikimedia.org>

 

 2013년 3월 24일. IBA(International Building Exhibition) 전시회가 독일의 함부르크에서 열렸다. 이 전시회에서 주목할 만한 것은 세계 처음으로 조류 바이오매스로 운영되는 건물이었다. 'BIQ(BIo Intelligent Quotient)-House'라고 불리는 이 건물은 4월 24일에 오픈하였으며, 특히 이 날에는 녹색 미세조류가 건물앞면을 타고 흐르는 이벤트가 열렸다.

 

 BIQ는 SPLITTERWERK(스플리터베르크) 팀이 설계한 건물로 특히 건물의 기술적인 디자인과 조류 바이오매스 입면은 Arup Deutschland GmbH, Bollinger and Grohmann, 그리고 Immosolar 팀과 함께 설계하였다. 이 건물은 정육면체 형태를 띠고 있으며 두개의 서로 다른 입면 디자인을 가진 4층짜리 패시브 하우스로, 15 가구가 살 수 있도록 구성되었다. 특히 남쪽 입면은 발코니가 설치되어 있어 이 건물의 거주자들은 조류의 바이오작용을 쉽게 관찰할 수 있도록 하였다.

 

 건물의 남서쪽과 동남쪽 방면의 입면에는 건물이 두 개의 외피를 가지게 되는데 바깥쪽 외피가 조류반응을 하는 부분이다. 미세조류는 바이오매스와 열을 생산해낼 수 있도록 물로 채워진 유리패널 속에서 자라게 된다. 엘베강의 지류에서 얻어지는 미세조류는 이 유리패널 속에서 에너지를 만들어낼 목적으로 키워지게 된다. 조류는 광합성작용을 통해 바이오매스를 만들어내며 이 때 발생한 열은 열 변환기를 통해 건물로 전달된다. 광합성작용을 통해 얻어진 바이오매스 에너지는 건물 내에 쓰이기도 하며 남은 에너지는 버퍼에 저장되거나 다른 곳에 쓰일 수도 있다.

 

 유리패널 속의 가스 거품이 증가한다는 것은 입면에서 조류들의 끊임없는 활동이 이루어지고 있다는 것을 의미한다. 그리고 이러한 활동은 입면의 색깔을 계속 변화시킨다. 다시 말해서 미세조류는 자신만의 에너지를 건물에 전달해줄 뿐만 아니라 건물의 미적인 외관까지도 좋게 만드는 역할을 하는 것이다. 그 뿐만 아니라 조류의 광합성 작용은 햇빛을 차단해주는 역할도 하게 된다. 햇빛은 조류의 광합성 과정에 쓰이기 때문에 바이오매스를 만드는 과정이 빨리 이루어지는데 쓰이게 되고 이로 인해 햇빛을 차단함과 동시에 에너지를 만들어내는 것이다.

 

 조류로 된 입면을 가진 남쪽과는 달리 동북쪽은 밝은 녹색의 플라스터 재료로 입면을 형성하고 있다. 동북쪽은 햇빛이 통하지 않아 광합성 작용이 이루어지지 않기 때문에 조류 입면을 형성할 필요가 없기 때문이다.

 

 <출처: espermasters.org>      <출처: www.treehugger.com>

 

(좌) 미세조류: 미세조류는 박테리아보다 크지 않지만 육상식물이 생산해내는 바이오매스의 5배의 에너지를 만들어낼 수 있다. 사진 출처: espermasters.org.

(우) 바이오매스를 생산해내는 유리패널 속 조류. 사진출처: www.treehugger.com.

 

 

 조류가 아닌 바이오매스 에너지는 이미 건축적인 용도로 다양하게 이용되어왔다. 독일, 일본, 미국, 오스트리아 등 해외 각지에서는 '바이오에너지 마을'을 형성하고 발전시키고자 노력해 왔으며 실제로 '바이오 에너지마을'에서는 바이오매스로 에너지를 자급하고 친환경적인 자원을 생산하는 등 신재생에너지를 이용하고 에너지를 보존해오고 있다. 그러나 위의 언급했던 건축물은 재생 가능한 에너지 개념을 가지고 세계 처음으로 건축물 입면에 조류 바이오매스 개념을 도입했다는 점에서 주목할 만한다. 실험적이면서도 최첨단이라 할 수 있는 이 프로젝트는 친환경이라는 분야가 얼마나 건축에 잘 적용될 수 있는 가에 대한 가능성을 열어주었다고 할 수 있다. 또한 이로써 기후변화의 시대에서 건축물이 어떠한 방향으로 나아가야 할지에 대한 중요한 메시지를 전달해주고 있다고 볼 수 있다.

 

 

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바이오매스 기술의 발전과 미세조류 기반의 바이오에너지 기술 전망

  지금까지 살펴본 BIQ(BIo Intelligent Quotient) 건물에 쓰이는 바이오매스에 대해 좀 더 살펴보기로 하였다. 바이오매스 에너지는 과연 얼마나 친환경적이며 신재생에너지로서 어느 정도의 가능성을 가지고 있을까. 바이오매스, 그리고 바이오매스 기술의 전망에 대해 알아보자. 아래 글은 KAIST 양지원 교수가 Insight of GS Caltex에 기고한 '바이오매스 기술의 발전과 미세조류 기반의 바이오에너지 기술 전망'을 요약한 글입니다.

 

   산업혁명을 통하여 물질적인 풍요를 얻은 인류는 100여년이 지난 현재 에너지고갈과 기후변화에 따른 기상이변 및 지구온난화와 같은 환경위기에 직면해 있다. 화석연료는 유한하여 고갈될 것이고 이를 사용할수록 지구온난화는 가속될 것임에도 불구하고 인구의 증가와 산업화에 따라 화석연료에 대한 사용량은 증가추세에 있다는 것이 딜레마이다. 따라서 화석에너지를 대체할 수 있는 신재생에너지에 대한 관심이 지속적으로 높아지고 있다.

   그러나 풍력, 지열, 조력, 태양열 에너지 등은 아직 여러면에서 보완할 점을 나타내고 있다. 한편 생물자원인 바이오매스는 지구상에 풍부하게 존재하여 고갈될 염려가 없으며 그 생산 및 이용 공정이 환경 친화적이므로 궁극적인 차세대 대체 에너지원으로 각광을 받고 있다. 이에 따라 최근 바이오매스에 대한 관심이 다시 높아지고 있다.

 

화석연료의 대체, 바이오매스

   화석연료인 원유는 고생대의 식물성 바이오매스가 오랜 기간 땅속에서 고온/고압에 의하여 만들어진 것이다. 따라서 원유 기반의 연료 및 화학물질은 최근 각광받고 있는 바이오매스 기반의 바이오연료 및 바이오소재와 물리화학적 특성이 거의 동일하다. 바이오매스는 생물체로부터 유래한 유기물을 의미하며, 동식물과 미생물 그와 관련된 부산물 및 폐기물 등이 포함된다. 이러한 바이오매스는 물리, 화학 및 생물학적 전환과정을 거쳐 다양한 형태의 바이오연료 및 바이오소재로 활용될 수 있다.

 

바이오매스의 장점

 차세대 대체 에너지 자원으로서 바이오매스가 가지는 장점은 다음과 같다.

1) 바이오매스는 생물체의 생장이나 재배를 통해 지속적으로 생산이 가능하므로 고갈 염려가 없는 지속 가능한 자원이다.

2) 바이오매스는 생산과 소비과정에서 탄소 중립적이기 때문에 대기 중의 이산화탄소 증가를 억제하여 지구온난화 문제를 해결할 수 있다.

3) 가까운 미래에 산업적으로 활용이 가능한 경쟁력이 높은 재생에너지를 생산할 수 있다.

4) 바이오연료뿐만 아니라 바이오소재의 생산도 가능하므로 석유 기반의 화학소재(합성섬유, 산업용 플라스틱, 의약 및 미용용품, 식품 첨가물 등)를 대체할 수 있다.

  바이오매스로부터 생산된 바이오연료는 화석연료 기반의 인프라에 직접 적용될 수 있어 추가적인 설치비용이나 설치기간 없이 기존의 인프라들을 그대로 활용하면서 석유연료를 대체할 수 있을 뿐 아니라 세계 에너지 사용량에 큰 비중을 차지하는 수송용 연료로 바로 활용될 수 있다. 또한 바이오매스에서 만들어진 바이오소재의 생산 및 수요는 지속적으로 증가하는 추세이며, 이러한 흐름 속에 세계적인 화학회사들도 기존의 석유 기반의 화학 산업에서 지속 가능한 바이오매스 기반의 바이오 산업(bio-refinery)으로 재빠르게 변화하고 있다.

 

1세대부터 3세대까지의 바이오매스

  바이오연료 및 바이오소재의 생산 원료인 바이오매스는 1, 2, 3세대로 진화하고 있다.

 

1세대 바이오매스 – 식량과의 경쟁 및 삼림 훼손으로 인한 환경 파괴

  1세대 바이오매스는 곡물과 식물유이다. 탄수화물을 다량 함유한 옥수수, 사탕수수 등은 당화와 발효를 거쳐 바이오에탄올로 전환되고, 지질 함량이 높은 유채유, 팜유, 대두유 등은 전이에스테르화반응을 통해 바이오디젤로 전환된다.

 1세대 바이오매스는 바이오연료로 전환하는 공정이 비교적 간단하고 생산비용이 저렴하여 미국과 브라질에서는 바이오에탄올을, 유럽에서는 바이오디젤을 대량으로 생산하고 상용화하여 자동차 연료의 일부를 대체하고 있다. 그러나 바이오에탄올의 생산 및 소비의 증가와 더불어 개발도상국인 중국과 인도 등의 급격한 경제성장으로 인해 바이오에탄올의 원료이자 식량인 곡물자원의 수요가 크게 증가하였고 지구온난화로 인한 기상 이변과 도시화에 의한 경작지 감소로 인해 바이오에탄올의 원료인 곡물 생산량이 감소하고 있다.

 따라서 곡물자원의 가격이 크게 상승하였고 이는 바이오에탄올의 가격 경쟁력의 위협요인이 되었다. 만약 더 많은 에너지 수요를 충족시키기 위해 재배 면적을 확대하면 삼림훼손으로 인한 환경파괴와 이산화탄소 발생을 증가시키는 결과를 초래하게 된다. 이처럼 식량과의 경쟁 및 환경오염 문제를 극복하기 위해 2세대 바이오매스가 관심을 받게 되었다.

 

2세대 바이오매스 – 경작지 제한성 문제 및 리그린 전처리 공정

  2세대 바이오매스는 폐목재와 식물 줄기 등의 목질계 바이오매스로 전처리, 당화 및 발효를 거쳐 바이오에탄올을 생산하는데 주로 이용 되어왔다. 2세대 바이오매스는 1세대 바이오매스가 안고 있는 식량과의 상충 문제로부터는 자유롭지만 경작지 제한성 문제는 여전히 가지고 있다. 목질계 바이오매스를 구성하는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 중 셀룰로오스만이 당화 및 발효 공정을 통해 바이오에탄올로 전환될 수 있고 불규칙적이고 복잡한 구조를 가지는 리그닌과 헤미셀룰로오스는 전처리 공정을 통해 제거된다. 따라서 목질계 바이오매스로부터 바이오에탄올을 보다 효율적으로 생산하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

 먼저 원료를 안정적이고 경제적으로 얻기 위해 고생장 나무 종을 확보하려는 연구부터, 전처리 비용을 줄이기 위해 리그닌이 적은 식물 종을 개발하려는 형질개량 연구, 전처리•당화•발효 공정의 효율을 향상시키는 연구 등이 집중적으로 이루어지고 있다. 더불어 목질계 바이오매스의 30~40%를 차지하는 리그닌을 플라스틱 등 소재의 원료로 활용하는 기술도 개발되고 있다. 이렇게 목질계 바이오매스가 가진 높은 잠재력에도 불구하고 현재까지의 기술수준은 전처리기술의 경제성을 넘지 못하고 있다. 이것은 미국 에너지부가 지난 30년간 많은 연구비를 투자해 왔지만 아직까지도 기술장벽을 넘지 못했으며 앞으로도 어려울 것이라는 비판적인 시각에서 자유롭지 못하다고 말할 수 있다.

 

3세대 바이오매스 – 경제성 확보를 통한 상용화가 과제

 3세대 바이오매스인 조류는 다양한 활용가치와 장점을 가지고 있어 석유를 대체할 수 있는 유력한 에너지 원료로 관심을 받고 있다. 거대조류인 김, 다시마 등은 셀룰로오스 성분을 많이 함유하고 있어 바이오에탄올로 전환이 용이하며, 2세대 목질계 바이오매스와 달리 리그닌 성분이 없어 전처리 공정이 필요 없다는 장점을 가진다.

 한편 미세조류는 생장속도가 빠르고 지질 성분을 다량 함유하고 있어 바이오디젤을 생산할 수 있는 자원으로 평가받고 있다. 특히 미세조류는 식물보다 태양에너지 이용 효율이 약 25 배, 이산화탄소 고정능력도 15 배가량 높다. 또한 생장속도가 빨라 식물에 비하여 5-10배의 바이오매스 생산성이 높고, 배양조건에 따라 지질을 체내에 최대 70%까지 축적이 가능하다. 따라서 미세조류를 이용한 단위면적당 지질 생산량은 식물에 비하여 50-100배 이상 높다.

 최근 생명공학기술의 발달로 미세조류를 유전공학적으로 개량하여 생장속도와 지질 함량을 증대시키기 위한 연구가 주목을 받고 있다. 또한 미세조류 배양과 수확 공정을 최적화하고 바이오디젤 생산을 위한 경제적이고 친환경적인 추출•전환 공정 개발 연구도 활발히 진행되고 있다. 그러나 아직까지 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산 공정의 단가가 석유 기반 디젤 공정에 비해 높기 때문에 경제성 확보를 통한 상용화에 어려움이 있는 실정이다.

 

미세조류 기반의 바이오디젤 생산기술 전망

 현재 미세조류 기반의 바이오디젤 생산기술은 대두유, 유채유, 팜유 등 식물 기반의 바이오디젤 생산기술에 비하여 경제성이 떨어진다. 식물 바이오디젤의 생산 비용은 리터당 0.5-1.0 달러 수준인 반면, 미세조류 바이오디젤의 생산 단가는 리터당 2.5 달러 이상으로 추정된다. 그러나 식물기반의 바이오디젤은 양적인 면에서 한계성이 있고 일부 동남아지역에서 문제가 되었듯이 삼림을 훼손한다는 지적에서도 자유롭지 못한 것이 사실이다. 따라서 미세조류 유래 바이오디젤의 경제성을 높이기 위한 연구의 일환으로 형질전환을 통한 우량 균주 개발, 극지 미세조류 종 분리 및 특성 연구를 통한 호냉성 균주 개발, 폐수 등 저가 기질의 이용 및 배양수 재활용을 통한 배양공정 단가 절감, 수확 및 추출공정의 효율 향상 등 공정 경제성을 증진시키기 위한 연구 개발이 요구되고 있다.

 또한, 지질추출 후 남는 바이오매스 부산물은 바이오메탄 및 바이오에탄올 등을 추가로 생산하거나 비료 및 사료, 그리고 중금속 등의 오염물 흡착제로 개발하여 사용함으로써 바이오매스를 100% 활용하는 방안도 연구 중에 있다.
미세조류 바이오디젤의 상용화는 향후 15년 이내에 가능할 것으로 전망되며 2020년경에는 미세조류를 비롯한 3세대 바이오매스가 바이오연료 세계시장에서 약 15% 점유율을 차지할 것으로 예측되고 있다.

 기술 개발을 통한 경제성 증진과 더불어 향후 계속해서 증가할 것으로 예측되는 석유 기반 바이오연료 가격 상승과 지구온난화 등 환경문제의 해결을 위한 범지구적 공감대 형성을 통한 정책적 지원을 토대로 미세조류를 비롯한 바이오매스 유래 바이오에너지 생산 공정의 미래는 밝을 것으로 전망된다.

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<참고자료> 

1. RENEWABLE ENERGY MAGAZINE, 'IBA Hamburg opens the first algae biomass building' 2013. 3. 14
2. www.Designboom.com
3. 바이오매스 기술의 발전과 미세조류 기반의 바이오에너지 기술전망, Insight of GS Caltex
4. http://www.youtube.com/watch?v=vChhTKlGPCc

 

  S.F. 5기 이현숙(hs6267@nate.com)