해조류로 수소를 생산한다고 ?

해조류로 수소를 생산한다고 ?

대학생신재생에너지기자단 20기 김지원

 산업혁명이 일어났던 18세기 후반 이후 지금까지 우리는 화석연료를 이용해 비약적인 발전을 이뤄왔고, 이는 인류 문명의 밑바탕이 되었다. 그러나 그 과정에서 우리는 지구의 자정능력을 넘어선 해를 끼쳤고 전 세계적으로 기후변화, 지구 온도와 해수면 상승 등이 이어졌다. 이제 우리는 에너지 패러다임을 바꿔야 할 때를 마주했다. 그리고 이에 맞춰 화석연료를 대체할 만한 에너지를 찾아 전 세계 수많은 사람들의 연구와 개발이 진행되고 있다.  

그중에서도 화석연료를 대체하기에 가장 적합한 에너지원은 바로 수소 에너지이다. 지역적 편중이 존재하지 않는 보편성, 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경성, 그리고 공급의 안정성이 다른 대체 에너지와 비교되는 수소 에너지의 최대 장점들이다. 그렇기에 수소 에너지의 공급 및 활용과 관련한 정부 차원의 과제 발표와 대규모의 투자가 세계적으로 계획되고 있다. 우리나라 또한 수소 선도국가의 비전 실현을 위해 2019년 수소 경제 로드맵을 발표하고, 작년 11월엔 수소 경제 이행 계획을 발표하였다.

[바이오 매스를 이용한 수소 생산기술] 

  현재 사용되고 있는 수소 생산 기술은 크게 화석 연료 수소 생산, 수전해 수소 생산, 바이오매스 열화학적 수소 생산으로 구분된다. 화석 연료 수소 생산의 경우 경제성이 우수해 전체 수소 생산의 96%를 차지하고 있다. 그러나 화석 연료에 의존하므로 한계가 분명하고,이산화탄소를 발생시켜 최근 관심이 집중되는 친환경 정책과는 거리가 멀다. 수전해 수소 생산의 경우 이를 해결할 수 있는 친환경 미래 유망 기술로 손꼽히지만, 낮은 효율과 높은 생산 비용을 가져 전반적인 에너지 효율성이 떨어진다.

 반면 바이오매스를 이용한 열화학적 수소 생산의 경우 풍부한 원료로 가격 경쟁력이 높고 화석 연료 의존도가 낮으며, 메탄 개질의 한계점을 보완할 수 있어 탄소 중립적 기술이라고 볼 수 있다. 한마디로 화석 연료 수소 생산의 단점을 보완하고 친환경의 장점도 갖춘 방식이 될 수 있는 것이다. 그렇기에 바이오매스를 이용한 친환경 · 경제적인 수소 생산 기술이 필요하다.

[자료1. 해양 바이오매스]

출처 : Ilbioeconomista

  현재까지 많이 연구되고 있는 바이오매스 원료는 대부분 육상 생물이다. 바이오매스 1세대인 곡물류와 2세대인 셀룰로스 기반 바이오매스 목재가 이에 해당한다. 그러나 이러한 육상생물들의 경우, 재배에 필요한 땅과 담수가 필요하기 때문에 지역적 편중이 존재하고, 이들을 경작하기 위한 시간, 비용 등 많은 노력이 필요하다. 그렇기에 육상 바이오매스로 얻을 수 있는 에너지의 효율성을 화석연료와 비교해 보면, 화석연료를 대체할 만한 타당성이 현저히 떨어진다.

가치에 비해 아직까지 많은 연구가 진행되지 않은 해조류를 이용하면 이러한 한계를 극복할 수 있다. 육상 생물과 비교하면, 해상 생물인 해조류는 빠른 성장 속도를 가지며 평균적으로 1년에 6번의 경작이 가능하다. 또한 육상 바이오매스의 7배에 해당하는 높은 이산화탄소 흡수율을 가지며 탄소 중립에 적합하고, 결정적으로 경작에 토지와 담수가 필요하지 않아 세계적으로 자원이 풍부하다.

위와 같은 이유로 해조류는 해상 바이오매스의 좋은 원료로 선택될 수 있다. 그렇다면, 해조류를 원료로 이용하기 위해선 어떤 생산 기술을 선택하는 것이 가장 유리할까?

[Gasification과 ATT 공정 기반의 수소 생산기술]

  최근까지 바이오매스 원료를 이용한 열화학적 수소 생산 방식은 주로 가스화(Gasification) 공정 과정으로 진행되었다. 가스화 공정은 질소로 희석된 대기 속 저산소 상태에서 바이오매스에 열을 가하여 수소를 생산하는 기술로써,

Biomass + H2O →  H2 + CH4 + CxHy(gas) + Tar + Char + CO + CO2

위와 같은 복잡한 반응식을 가지며 CO, CO2와 같은 온실 가스를 발생시킨다.

그러나 최근, 기존의 바이오매스 열화학반응에서 알칼리 촉매를 첨가한 알칼리 열처리 (Alkaine Thermal Treatment; ATT) 기반의 수소 생산 방식이 연구되고 있다.

Biomass[CxHyOz] + 2x NaOH + (x-z) H2O →  (2x+y/2-z) H2 + xNa2CO3

ATT 반응은 위와 같은 반응식을 가지는데, 이는 바이오매스 원료에 NaOH를 첨가함으로써 반응 경로를 단일화하여 H2만 생성되도록 만들고, 이 과정에서 CO2를 포집하여 온실가스 발생량을 감소시켰다.

[자료 2. Gasification과 ATT reaction의 수소 생산량 비교]

출처 : Alkaline thermal treatment of seaweed for high-purity hydrogen production with carbon capture and storage potential

  [자료 2]를 통해 같은 실험 조건에서 Gasification과 ATT reaction의 가스 생성량을 확인하면, H2 생산량은 급격히 증가하고 CO2 발생은 억제된 것을 확인할 수 있다. 그리고 이 과정에서 부산물로 발생한 메탄가스는 수증기 개질 공정을 통해 수소로 다시 전환이 가능하다. Gasification 과정에서 발생하는 타르는 수소 및 일산화탄소의 전환율을 떨어뜨리고 이후 에너지의 활용 과정에서 이물질로 작용하며 에너지 효율과 내연기관 및 발전 시설 내의 문제를 야기하기 때문에 제거하는 과정이 꼭 필요하다. 그러나 ATT reaction의 경우 타르 대신 카보네이트를 발생시켜 제거하기가 간편하다. 결과적으로 ATT reaction을 사용했을 때 고순도의 수소 가스를 생산할 수 있음을 확인할 수 있다.

[자료 3. Gasification과 ATT 공정 반응 온도 비교 그래프]

출처 : Alkaline thermal treatment of seaweed for high-purity hydrogen production with carbon capture and storage potential

 더하여 [자료 3]에서 확인할 수 있듯이,  Gasification의 경우 600oC 이상의 고온에서 반응하지만 ATT reaction의 경우 약 200-500oC 사이로 비교적 낮은 온도에서 반응하여 수소 가스 생산에 필요한 에너지 절감의 효과도 얻을 수 있다.

[결론]

 지구를 되돌리기 위한 다양한 연구 중 하나인 해조류를 원료로 ATT 공정을 통해 고순도의 수소 가스를 생산하는 방법을 소개해 보았다. 단순히 위의 연구 결과만 놓고 보면, 해조류는 수소를 생산하기 위한 원료로서 완벽해 보인다. 그러나 해조류의 염분과 수분은 건조 공정을 방해하고, ATT 공정의 촉매로 사용되는 NaOH는 촉매로 사용하기에는 비싼 값을 가져 이를 대형 공정에서 상용화하기 쉽지 않은 상황이다. 그럼에도 이러한 시도는 큰 의미가 있다. 본 연구는 비전통적인 바이오매스 자원을 활용하는 참신한 방향성을 보여주었고, 이후 내염성(salt-tolerant) 미세조류와 새로운 촉매 물질에 대한 연구로 이어져 다양한 곳에서 많은 연구가 계속되고 있기 때문이다.

 수소 에너지로 완벽하게 화석 연료를 대체하기 위해서는 아직 가야 할 길이 멀다. 그렇지만 앞으로 인간과 환경이 공존하기 위해선 화석 연료의 에너지 대체재가 반드시 필요하다. 우리가 환경을 더럽혔다면, 깨끗이 청소하고 되돌리는 것도 우리여야 한다. 앞으로도 수소 에너지에 대한 지속적인 관심과 지원으로 연구개발이 계속되어 유의미한 결과를 이끌어낼 수 있길 기대해 본다.

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바이오매스 수소 생산에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1) "Bio-energy, Biogas", 작성자(13기 문한태), https://renewableenergyfollowers.org/2650

2) "Bio-material vol 3. Potential of Bio-Energy ", 작성자(13기 윤지혜), https://renewableenergyfollowers.org/2629 

3) "사탕수수로 수소를 만들 수 있다! - 바이오매스", 작성자(10기 김세민), https://renewableenergyfollowers.org/1925

 

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참고문헌

1) Zhang, K., Kim, WJ. & Park, AH.A. Alkaline thermal treatment of seaweed for high-purity hydrogen production with carbon capture and storage potential. Nat Commun 11, 3783 (2020),https://doi.org/10.1038/s41467-020-17627-1

2) 가스 신문, "[사설] 큰 그림 담은 수소경제 기본계획", 가스 신문, 2021.12.01, http://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=102274