사탕수수로 수소를 만들 수 있다!-바이오매스

식물을 이용하여 청정연료 만들기

 온실가스 배출 증가율이 높기 때문에 지구온난화를 우려한 교토의정서 선언과 한정된 에너지자원의 해결을 위해 장기적인 에너지 수급과 청정대체에너지 개발이 필연적이다. 따라서 천연에너지의 고갈과 청정에너지개발을 위하여 바이오매스가 주목받고 있다.

바이오매스란?

동.식물 유기체를 각종 가스, 액체 혹은 고형 연료로 변환하거나 이를 연소하여 열, 증기 및 전기를 생산하는데 응용되는 화학, 생물, 연소 공학을 말한다. 이 바이오매스 중에선 열분해, 가스화와 같이 연구개발이 진행중인 분야와 바이오디젤, 바이오 알코올 과 같이 전 세계적으로 이미 상용화 단계에 접어든 분야도 있다.

 바이오매스 에너지 활용기술은 1974년 석유파동을 겪으면서 이전까지 땔감으로 단순연소 사용의 개념에서 벗어나 신재생에너지로서 생산.보급을 위한 기술개발이 추진되었다. 다음은 연도별 바이오에네지 동향이다.

 화석연료와 같이 제한적인 에너지자원은 연구자들로 하여금 새롭고 깨끗한 청정에너지 개발을 위한 자극이 되었고, 그 중 수소는 생산 공정 효율이 높고 이 공정 또한 다른 공해를 유발하지 않는다. 그러므로 수소가 청정에너지로 잠재력이 높은 물질로 각광받고 있다. 이미 수소는 우주 왕복선, 연소장치, 자동차등과 같은 곳에 이용되고 있다.

이러한 수소는 대부분 천연가스를 이용한 SRM(Steam ReforMing) 방법을 이용하여 생산하고 있다. 반응식은 다음과 같다.

         ·········(식1)

     ·········(식2)

 이러한 SRM 방식을 이용한 수소 생산은 부산물로 이산화 탄소가 생산된다. 이렇게 생긴 이산화탄소는 땅 속에서 존재하던 천연가스를 이용하여 발생하였기 때문에 대기 입장에서는 새로운 이산화탄소가 생김 셈이다.

 경제적, 환경적 요인으로 인해 화석연료의 사용은 점차적으로 줄이기 위한 노력이 진행되고 있다. 핵에너지는 막대한 에너지을 얻을 수 있고 이산화탄소의 배출을 줄일 수 있지만 방사선 폐기물의 배출을 야기시킨다. 풍력발전이나 태양광을 이용한 발전은 날씨나 기후조건 그리고 지역이라는 한계성을 갖고 있다.

 이에 비교해서 바이오매스는 지속가능한 잠재력이 있는 에너지원중 하나이다. 바이오매스의 또 다른 장점은 새로운 이산화탄소를 발생시키지 않는다. 그러므로 바이오매스는 수소를 생산하기 위한 중요한 연료가 될 수 있다.

 바이오매스는 Gasification, Boundouard reaction, Methanation 등 여러 반응이 동시에 진행되는 공정을 거치면서 수소를 생산할 수 있다. 이 중 메탄화 반응은 수소생산공정에 필수적이다. 메탄화반응으로 생산된 메탄은 위의 식(1),(2) 와 같은 반응을 통해 수소를 생산 할 수 있다. 그리고 Boundouard reaction은 순수한 일산화탄소 생산에 중요한 역할을 하는데 이 일산화탄소는 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생산 할 수 있다. 

 이러한 반응을 진행시키기 위해선 물이나 여러 가스가 필요하다. 이 때 반응에 의하여 생긴 가스와 반응하지 못한 가스가 혼합되어 있을 것이다. 그래서 마지막 단계로 PSA(Pressure Swing Adsorption) 정제 방법을 이용하여 수소 가스를 분리시킨다. 이렇게 분리된 수소는 순도가 거의 100%라고 한다.

 이상으로 바이오매스를 이용한 수소생산 방법을 소개하였다. 물론 이러한 방법이 미래의 에너지 문제와 환경문제를 전부 해결할 수 없다. 심지어 식량문제나 수소저장으로 인한 안전문제등의 다른 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제들만 해결 된다면 바이오매스는 수소생산을 위한 연료로 사용할 수 있고 바이오디젤등 차동차 연료 혼합액으로도 이용할 수 있다. 이렇게 1차적으로 자연으로부터 무궁무진한 에너지를 얻은다음 그 에너지로 연료를 만들면 우리는 에너지문제를 점차 해결할 수 있을 것으로 생각한다.

참고문헌: 

(1) 과학백과사전 http://www.scienceall.com/%ec%88%98%ec%a6%9d%ea%b8%b0%eb%b3%80%ec%84%b1%eb%b2%95steam-reforming-process/

(2) "바이오매스 가스화와 수소화공정기술", 세라미스트 제13권 제2호, 2010.4, 7-31 (25 pages)