[Remake] 바이오매스로 수소를? 친환경 수소 생산의 미래

[Remake] 바이오매스로 수소를? 친환경 수소 생산의 미래

대학생신재생에너지기자단 23기 김경훈, 26기 신혜진, 27기 권준혁, 신소연, 이서영

 
10기 김세민 선배님의 "사탕수수로 수소를 만들 수 있다!-바이오매스" 기사의 Remake 버전입니다.
기사 작성에 도움을 주시고 배려해 주신 김세민님에게 감사드립니다.

 

수소 생산의 한계

기후위기와 함께 대두된 탄소중립과 에너지 전환, 수소는 에너지 전환의 핵심으로 떠오르고 있다. 연소 과정에서 온실가스를 전혀 배출하지 않고, 전기에 비해 장기간, 대용량 저장이 용이하고, 전환 효율 또한 높기 때문이다. 이러한 이유 덕분에 수소는 이상적인 에너지 캐리어로 평가받고 있다. 
전 세계의 연간 수소 생산량은 약 6500만톤이며 수소 생산 시장의 성장률은 연평균 5.2% 정도이다. 이러한 성장은 수소에너지, 암모니아 및 메탄올 공정, 오일샌드인 정유 및 석탄 가스화 공정의 수요 증가에 의한 것으로 판단된다.

[자료 1. 생산방식에 따른 수소의 구분 ]

출처: 산업통상자원부

현재 주로 차량이나 연료전지의 연료 등으로 활용되고 있는 수소는, 생산 방식에 따라 크게 3가지로 구분할 수 있다. 각각 화석연료 개질(추출) 방식, 부생수소 활용 방식, 수전해 방식이다.

개질은 천연가스, LPG, 갈탄 등의 화석연료를 고온·고압에서 수증기와 반응시켜 수소를 추출하는 방식이다. 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하나, 생산 과정에서 이산화탄소가 다량 배출된다는 문제점이 존재한다. 부생수소의 경우, 석유화학이나 제철 공장의 생산 공정 중 부산물로 발생하는 수소를 분리해 정제한 것을 가리킨다. 별도의 생산 설비가 필요 없어 저렴하나, 어디까지나 공정의 부산물이므로 추가 생산이 제한적일뿐더러 이산화탄소 또한 배출된다. 마지막으로 수전해 방식의 경우, 물을 전기분해해 수소를 생산하는 방식이다. 이 경우 수소와 산소만 만들어지므로, 재생에너지 전력을 사용할 경우 완전히 친환경적인 방식이다. 그러나 높은 재생에너지 전력의 가격으로 인해 경제성이 낮아 대규모 생산은 어려운 실정이다. 이러한 여건 아래 2022년 기준 한국의 부생수소 생산량은 약 136만톤으로, 전체 약 210만톤의 65%에 달한다. 에너지 전환의 핵심 역할을 해야 할 수소의 생산이, 도리어 화석연료에 의존하고 있다. 

이러한 상황에도 수소의 수요는 계속 증가할 전망이다. 자동차, 선박 등 운송수단의 연료를 수소로 대체하고, 수소 연료전지를 통해 전력을 생산하며, 주요 산업의 탈탄소화를 위해 수소를 활용하는 등, 다방면에서 수소의 필요성이 증가하고 있기 때문이다. 국내 주요 산업 중 하나인 철강산업 또한 최근 탈탄소화에 대한 압박을 받기 시작해, 수소환원제철로 대체해야 한다. 수소환원제철은 철광석 환원제로 코크스(석탄) 대신 수소를 사용해 친환경적이다. 용철 1톤을 생산하는 데 필요한 수소량은 1,000N㎥로 알려져 있다. 2021년 기준 한국의 연간 철강 생산량은 3800만톤이므로, 환원제로 수소를 사용할 경우 연간 370만톤의 수소가 필요하다. 이는 정부의 2040년 목표 생산량인 526만톤의 70%에 해당하는 수준이다. 

늘어나게 될 수소의 수요를 충족해야 함이 분명하나, 부생수소와 개질수소는 이산화탄소를 배출한다. 수전해 수소는 친환경적이지만, 높은 생산 비용 탓에 대량 생산이 어렵다. 수소 대신 화석연료를 사용할 수도, 그렇다고 수소 생산량을 쉽게 늘릴 수도 없는 진퇴양난의 상황이다. 이때 살아있는 수소가 나타났다면, 믿을 수 있는가?
 

한계 돌파를 위한 바이오 활용

일반적으로 ‘바이오(Bio-)’라는 접두사가 단어 앞에 붙으면 ‘생명, 살아있는’의 의미를 갖게 된다. ‘Biology(생물학)’, ‘Bio-Tech(생물공학)’ 등이 그 예이다. '바이오수소(Bio-hydrogen)’는 최근 경제성과 친환경을 모두 잡는, 수전해수소로의 디딤돌 역할로써 급부상하고 있다. 과연 바이오수소란 무엇일까?

바이오수소의 기원이 되는 바이오에너지는 ‘살아있는’ 생물체로부터 생겨나는 에너지를 뜻한다. 콩, 보리, 나무 등 생물유기체인 바이오매스를 생·화학적, 물리적으로 변환해 액체, 가스, 고체연료나 전기·열에너지 형태로 이용하는 기술이 바로 바이오에너지이다. 이렇게 탄소(C)와 수소(H)로 구성된 유기물이 분해될 때 발생하는 메테인(CH4)을 이용해 만들어지는 수소를 바이오수소라 한다. 바이오수소 역시 메테인을 사용하므로 생산과정에서 이산화탄소가 배출되나, 콩, 나무 등 바이오매스가 성장과정에서 흡수하는 이산화탄소를 고려할 시 결과적인 탄소 배출량은 ‘0’이 된다. 즉, 탄소중립적인 수소인 것이다. 

[자료 2. 바이오수소의 탄소중립성]

출처: SK ecoplant

또한 바이오수소는 음식물 폐기물, 가축분뇨, 하수 찌꺼기 등 폐자원을 활용하므로 원료비도 적게 든다. 실제로 수소유통정보시스템에서 수소충전소의 가격 현황을 확인한 결과, 충주바이오그린수소충전소의 수소 판매가는 11일 기준 kg당 8,400원으로, 전국 평균가인 10,162원보다 약 1,700원 저렴했다. 국내의 미이용 산림바이오매스 양이 매년 200만톤 발생하고, 폐기물 발생량이 하루 5만톤 규모임을 고려할 때, 바이오수소의 경제성은 더욱 명확해진다.

안정적인 에너지 전환을 위해 수소 생산량의 증가는 필수이다. 부생·개질수소에서 수전해수소로 넘어가기까지, 가교 역할을 할 바이오수소는 과연 어떻게 만들어지며, 어떻게 활용될 수 있을까? 
 

수소와 바이오에너지의 기술 융합

수소와 바이오에너지가 융합하기 위해서 기존에 있던 바이오에너지 기술을 이용해야 한다. 이용되는 기술은 바이오매스, 바이오에너지, 바이오 연료전지 등이며, 수소 생산 및 저장에 활용된다.

[자료 3. 열분해]

출처: 한국바이오연료포럼

바이오매스(목재, 농업 폐기물, 유기성 폐기물 등)를 열분해, 가스화하거나 미생물 발효를 이용하면 수소를 생산할 수 있다. 이러한 과정에서 발생하는 바이오가스는 추가적인 촉매 반응을 거쳐 고순도의 수소로 변환된다.

*열분해(Pyrolysis)
열분해는 산소 없는 상태에서 고온(300~700℃)에서 바이오매스를 가열해 작은 분자로 분해하는 방법이다. 500~600℃에서 분해해 액체 상태의 바이오오일을 생산하거나, 700℃ 이상의 온도에서는 수소를 포함한 가스가 생성된다.

*가스화(Gasification)
고온에서 바이오매스를 부분 산화하면 합성가스(Syngas, CO + H₂)가 생성된다. 이후 수증기와 반응을 거쳐 수소(H₂)를 추출할 수 있다.

[자료 4. 탄화수소(메탄)의 개질 방식 비교]

출처: 가스신문

바이오매스에서 추출한 메탄(CH₄)은 필요할 때 개질(Reforming) 수소로 변환할 수 있다. 이를 수증기 개질(Steam Reforming)이라 한다. 해당 방법을 통해서 고농도의 수소를 높은 효율로 제조할 수 있다. 부분산화반응(Partial Oxidation)은 반응이 빠르지만, 수소 수율이 낮다.

이와 같은 메탄(CH₄)을 이용해서 수소를 제조하는 기술은 고온 반응이 필요하고, 반응식을 보면 일산화탄소(CO)가 발생하는 것을 볼 수 있다. 따라서 일산화탄소 제거를 할 수 있는 촉매를 연구할 필요가 있다.

최근 들어서는 메탄에 주요 온실가스인 이산화탄소를 반응시켜 수소를 생산해 냄과 동시에 이산화탄소를 저감하는 건식메탄개질(CDR)이 주목받고 있다. 해당 기술은 촉매의 코크(coke) 형성 및 낮은 반응성 등으로 실증적용에 어려움이 있으나, 이를 해결할 수 있는 촉매가 개발되고 있다. 상용화가 가능해지면, 바이오수소 생산과 더불어 이산화탄소 저감에 기여할 수 있다.

현재 진행 중인 국내⋅외 연구와 실제 사례

각국은 점차 증가하는 수요에 맞춰 부생수소, 개질수소, 수전해수소 방식을 채택해 수소를 생산하고 있다. 바이오매스 수소 생산 기술은 아직 연구 개발 단계에 있지만, 국내외에서 활발한 연구가 진행되고 있다. 이에 관련된 수소 시장과 기술의 연구 및 방향에 대해 알아보고자 한다.
 
국내 연구 동향
현재 정부와 기업, 연구기관 등에서 다양한 수소 경제와 바이오에너지 융합 기술 개발 및 상용화 프로젝트를 추진하고 있다. 먼저 정부 주도로는 2019년부터 '수소경제 활성화 로드맵'에 따라 수소 생산, 저장, 운송, 활용 등 전주기 기술 개발과 관련 인프라 구축을 지원하고 있다. 특히 환경부는 지난 22년 6월 하수처리시설, 정수장 등 환경시설에서 바이오가스나 태양광 등을 이용한 재생에너지 생산을 두 배 이상 확대한다는 내용을 담은 ‘바이오·물 에너지 확대 로드맵’을 발표했다. 이에 따라 기존 시설은 통합 바이오가스화 시설로 전환하고, 신규시설은 통합 바이오 가스화 시설로 설치해 바이오가스 생산시설을 확대할 계획이다. 또한 22년 12월부터 바이오가스법을 시행해 바이오가스 생산 및 사용 활성화에 앞장서고 있다.

국내 유기성 폐자원은 2012년 56억7300만톤에서 2021년 62억7000만톤으로 꾸준히 증가했으며, 21년 기준 전체 유기성 폐자원 가운데 오직 6%만이 바이오가스화로 처리되고 있는 실정이다. 이에 바이오가스 생산 시설을 확대하며 타개할 계획이며, 정책 실무는 한국환경공단이 총괄한다. 여기에 환경부는 바이오가스 및 CO2를 이용한 바이오메탄올 제조 실증공정 기술을 개발해 하루 10톤의 바이오메탄올을 생산하고 실증화 플랜트 및 운전, 합성가스 생산, 메탄올 합성 촉매 반응기 및 정제 설계 기술 등 구축을 목표로 한다. 아울러 보령시, 영천시, 현대자동차, 에코바이오홀딩스 등이 총괄하여 바이오가스 기반 청정수소 생산 사업을 주관해 추진하고 있다.

대학이나 연구소 차원에서의 연구 동향을 살펴보면, 먼저 한국에너지기술연구원은 바이오매스 가스화에 대해 2018년부터 2022년까지 8MWth급 상용 목질계 바이오매스 가스화기 기술 개발 및 실증 프로젝트에서 50톤/일급 미이용 바이오매스를 이용한 가스화기를 개발했다. 후속 연구로 현재 폐플라스틱을 이용한 가스화기도 개발 중에 있다. 이러한 기술들은 수소생산에 용이한 DFB 및 SER 시스템으로 설계를 변경할 수 있고, 상용화된 WGS 및 PSA와 연계해 수소생산 실증이 가능하다. 한국과학기술원에서는 바이오매스 촉매 전환 기술을 활용해 바이오매스를 액체 연료로 전환하는 과정에서 수소를 생산하는 연구를 진행한다. 국립농업과학원에서는 바이오매스 발효 기술을 활용해 수소를 생산하고 있다. 축산 분뇨, 음식물 쓰레기 등 유기성 폐기물을 활용해 수소를 생산하는 기술로 추후에 자원 재활용과 환경 문제 해결에 도움이 될 수 있다. 현재 국내 기술은 앞서 말했듯 KITECH(한국생산기술연구원)에서 DFB 방식의 파일럿 급인 1톤/일급 바이오매스 가스화기를 개발했고, 정제공정(한국에너지기술연구원 개발) 및 F-T공정(한국화학연구원개발)과 연계 2013년 합성석유를 생산하는 BTL 프로젝트를 성공리에 진행했다.

기업 차원에서도 수소와 바이오에너지 융합 기술의 상용화를 위한 노력이 이루어지고 있다. 포스코는 제철소 부생가스를 활용한 수소 생산과 연료전지 발전 시스템을 구축했고, SK에너지는 바이오디젤과 바이오에탄올 생산 설비를 확충하고 있다. 현대자동차는 수소차 보급 확대와 함께 수소 생산 및 충전 인프라 구축에 힘쓰고 있다.이처럼 국내에서는 정부와 기업, 연구기관이 협력해 수소 경제와 바이오에너지 융합 기술의 개발 및 상용화를 적극적으로 추진하고 있으며, 향후 이러한 노력이 탄소 중립 실현에 기여할 것으로 기대된다.

 
해외 연구 동향

세계 주요 선진국들 역시 수소 경제와 바이오에너지 융합 기술 개발을 위해 적극적인 정책 지원과 투자를 추진하고 있다. 미국은 2022년 ‘수소경제 촉진법’을 제정해 수소 생산, 운송, 저장, 활용 등 전주기 기술 개발과 인프라 구축에 100억달러 규모의 예산을 투입할 계획을 제시했다. 미국 MIT는 바이오매스 가스화와 수소 생산 기술을 결합한 하이브리드 시스템을 개발했으며, 미국 에너지부(DOE)는 가스화, 촉매 전환, 발효 등 기술 개발을 위해 연구를 진행하고 있다. 특히 바이오매스 수소 생산 비용을 절감하는 데 초점을 맞춰 진행하며 로드맵에 따라 H2USA가 발족돼 수소 인프라 발전 연구가 수행되고 있다.

유럽연합(EU)은 2030년까지 40GW의 수전해 설비 구축과 1000만톤의 그린수소 생산을 목표로 하는 ‘EU 수소 전략’을 수립했다. 그중 노르웨이 릴스트롬에 위치한 탄소중립형 블루수소 플랜트 (BioZEG Plant)는 매립쓰레기로부터 얻은 바이오가스를 이용해 수소차용 연료를 생산하고, 배출되는 CO2를 광물 형태로 포집 후 수소 생산 공정에 활용해 전체 블루수소 생산 효율을 향상시켰다. 벨기에 Brecht에 DRANCO 플랜트는 생분해 플라스틱 혼합 혐기성소화 실규모시설로, 생분해 폐기물, 폐종이, 생분해성 산업폐기물을 하루 최대 5천톤까지 소화해서 125N㎥/톤의 바이오가스 생산할 수 있다. 이외에도 독일과 네덜란드 등의 나라에서 바이오수소 연구에 집중해 이를 통해 에너지 전환과 탄소 중립 목표를 달성하고자 한다. 

[자료 5. 벨기에 생분해 플라스틱 혼합 혐기성소화 실규모시설]

출처: [국가R&D연구보고서] 미래 시장 선도형 수소 에너지 융합 인프라 핵심기술 기획연구

일본 정부는 2050년 탄소 중립 달성을 위해 수소 활용 로드맵을 마련하고, 관련 R&D와 실증 사업에 대한 투자를 확대하고 있다. 일본의 Toyota는 바이오매스 수소 생산 기술을 활용해 수소 충전소를 운영하고 있다. 이는 음식물 쓰레기를 사용해 수소를 생산해 생산된 수소를 수소차에 공급하며 에너지를 사용한다. 교토시에서는 수산시장을 시범단지로 생분해성 생선상자를 효율적으로 분리 회수 후 유기성 폐자원과 함께 혐기성플랜트에서 바이오가스화하고 이를 전력으로 변환해 일간 600kW의 전력을 생산하는 실증화 시설을 운영하고 있다.

 [자료 6. 교토시 수산시장을 시범단지 메커니즘]

 출처: [국가R&D연구보고서] 미래 시장 선도형 수소 에너지 융합 인프라 핵심기술 기획연구

이처럼 세계 주요 선진국과 대학 및 연구소, 글로벌 기업들이 수소 경제와 바이오에너지 융합 기술 개발에 지속적으로 투자하고 있으며, 이를 통해 탄소 중립 실현을 위한 솔루션을 모색하고 있다. 이러한 국제적 협력과 노력이 확대됨에 따라 바이오수소 기술 발전이 가속될 수 있고 그에 따른 잠재력 또한 기대할 수 있다.

 

바이오수소의 기술⋅경제⋅환경적 효과
이렇게 국내⋅외에서 진행되고 있는 연구 동향을 살펴봤다. 그렇다면 바이오와 수소를 융합하는 기술을 연구해서 얻을 수 있는 이점은 무엇이 있을까?

 
금속 촉매 의존도 감소

먼저 바이오매스로부터 수소를 생산하면 금속 촉매에 대한 의존도를 낮출 수 있다는 장점이 있다. 기존 수전해 수소 생산의 경우 수소 생산 효율을 높이기 위해 전극 표면에 백금이나 이리듐과 같은 고가의 귀금속 촉매를 사용한다는 단점이 있었고, 촉매 비용 절감을 위한 최신 연구들도 여전히 니켈이나 코발트와 같은 광물에 의존하는 경향이 있다. 하지만 니켈, 코발트, 희토류 금속 등 광물 수요는 탄소 중립을 위한 전기차, ESS 시장의 성장에 힘입어 2040년까지 최대 9배 증가할 것으로 예상돼, 공급이 뒤따라가지 못할 경우 엄청난 광물 가격 상승이 예상되는 데다, 이들 광물의 경우 소수 국가가 생산을 독점하고 있어 정치적 요인으로 공급망이 불안정해질 수 있다. 따라서 금속이 아닌 미생물의 물질대사에 의존하는 바이오수소의 경우 에너지 안보 차원에서 확실히 강점을 가진다고 볼 수 있다.

특히 폐수에서 바이오수소를 생산하는 생물전해전지(MEC)의 경우 산화극 표면 생물막을 구성하는 미생물의 물질대사가 촉매의 역할로 기질을 산화시킨다. 따라서 수전해 셀의 비생물적 촉매층처럼 정교한 전극 기술을 필요로 하지 않고, 금속 전극 대신 저렴한 탄소 소재 전극을 활용할 수 있다. 또한 전기적 활성을 띤 생물막은 일정 기질 및 농도 조건에서 스스로 유지가 가능하기 때문에 MEC의 촉매는 반영구적으로 기능한다는 장점도 있다.

 
외부 전원 불필요

바이오매스에서 수소를 생산할 경우 외부 전원이 거의 필요 없다는 장점도 있다. 전통적인 수전해 방식은 전기를 사용하기 때문에 재생에너지 공급량과 가격에 굉장히 민감하다. 하지만 2023년 기준 재생에너지 발전 비중은 전 세계 에너지 믹스의 30%를 차지했지만, 한국에서는 이 비율이 겨우 9%에 불과했던 만큼, 우리나라는 현재로서는 수전해 수소를 생산하기 위한 재생에너지의 절대적인 공급량 자체가 부족함을 알 수 있다. 게다가 우리나라는 해외 주요국과 비교해 재생에너지 발전 단가도 높은 축에 속한다.

2023년 기준 한국 태양광 발전의 균등화발전비용(LCOE)는 $111/MWh로 인도, 호주, 중국 등 LCOE가 낮은 축에 속하는 국가의 $34~46/MWh와 비교하면 3배 넘게 비싸다는 것을 알 수 있다. 설상가상으로 한국의 육상풍력 LCOE는 $120/MWh로 조사국 중 두 번째로 높은 수치였다. 즉, 현시점에서 우리나라는 재생에너지의 공급량도 부족하고, 가격도 비싸기 때문에 수전해 수소 생산 방식이 경제성을 띠기 매우 어려워 수소 생산의 다른 대안도 필요하며, 바이오수소는 바로 그 대안이 될 수 있다. 바이오수소는 미생물의 물질대사를 활용하기 때문에 수소 생산 과정에서 전력 수요가 거의 없어 재생에너지 공급 문제로부터 자유로울 수 있다. 바이오가스를 개질하는 방식의 경우는 여전히 전력 수요가 존재하지만, 혐기성 소화 방식의 경우 전력 수요가 거의 없다. MEC의 경우도 수소생산을 위한 최소 전압은 0.114V로 수전해 셀의 작동 전압인 1.7~2.2V와 비교해 굉장히 적은 전기 에너지로도 작동할 수 있음을 알 수 있다. 게다가 고온의 작동 조건을 필요로 하지 않기 때문에 400%의 높은 에너지 효율을 보인다.

특별히 MEC의 경우 수전해 셀과 비교해 안전성 측면에서도 장점을 가진다. 수소는 밀도가 매우 낮기 때문에 같은 공간에서 더 많은 수소를 얻기 위해서는 압력을 높여야 하는데, 수전해 설비에서는 높은 압력으로 인해 수소가 산소 기체 쪽으로 새어 나갈 경우 발화 또는 폭발의 위험이 있으나, MEC에서는 산소 기체가 생성되지 않기 때문에 이러한 문제로부터 자유로울 수 있다. 또한 미생물은 일반적으로 고압 조건에 영향을 적게 받기 때문에 고압 조건에서 수소를 생산해도 MEC의 요구 전압이 거의 변화하지 않는다는 장점도 있다. 즉  MEC는 고압 조건에서 안전하게, 그리고 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 것이다.

 
수소 생산과 폐기물 처리의 일석이조 효과
바이오매스로 수소를 생산하면 수소 생산과 동시에 폐기물 처리까지 일석이조의 효과를 거둘 수 있다. 바이오매스는 유기성 폐자원으로부터 생산되는데, 유기성 폐자원은 기본적으로 자원이기 이전에 폐기돼야 할 폐기물이며, 처리 과정에서 비용이 들고 온실가스도 발생한다. 그동안 유기성 폐자원의 90%는 사료나 퇴비로 처리됐고, 나머지 10%만 바이오가스로 활용됐는데, 그마저도 일부는 수요처를 찾지 못해 미활용돼 연소 처리됐다.

환경부의 2020년 자료를 보면 전체 바이오가스 생산량 중 16%가 수요처를 찾지 못해 버려졌는데, 이는 6만5000여가구가 사용할 수 있는 양으로, 돈으로 환산하면 261억원이나 된다. 만약 바이오매스 기반으로 수소를 생산할 수 있다면, 바이오수소가 바이오매스의 새로운 수요처가 돼 시장 잠재력의 6.9%만 활용되고 있는 바이오매스를 추가로 활용할 수 있다. 국내 유기성 폐자원 유래 바이오수소 생산 잠재량은 암발효를 통해 연간 4.4만톤, 바이오가스 개질을 통해 67만톤이다. 총 수소 생산량은 연간 72만톤으로 2040년도 국내 수소생산 목표량의 약 14%를 차지할 수 있다. 또한 바이오매스로 수소를 생산하면 CO2 211만톤에 버금가는 온실가스 저감 효과도 있다. 만약 수소 생산 과정에 소요되는 전력을 재생에너지로 공급할 경우 이 효과는 500만톤으로 증가한다.

폐기물로부터 수소를 생산하면 수소 가격을 낮출 수 있다는 장점도 있다. 수전해 방식은 수소 생산을 위해 재생에너지로 생산한 전기와 깨끗한 물을 필요로 한다. 앞서 이야기했듯 한국에서는 재생에너지의 가격이 높기 때문에 수전해 방식은 전기요금 부담이 크고, 전 세계 수자원 중 담수의 비율은 매우 낮기 때문에 물을 정화하는데 비용이 추가로 발생 수소 가격이 비싸질 수밖에 없다. 반면 바이오수소 생산의 경우 전기와 깨끗한 물 대신 바이오매스를 필요로 하기 때문에 바이오수소의 가격은 바이오매스의 가격에 영향을 받는데, 만약 바이오매스를 가축 분뇨나 하수 슬러지와 같은 유기성 폐자원으로부터 만든다면 가격이 매우 저렴해지기 때문에 수소 가격 또한 수전해 방식보다 경쟁력을 갖출 수 있다. 또한 유기성 폐자원의 86%를 차지하는 가축 분뇨를 비롯한 값싼 바이오매스의 원료를 대량으로 얻을 수 있는 지역은 대부분 지방에 있기 때문에, 바이오수소 생산 시설은 지방 도시들의 소득 증가와 일자리 창출 효과를 가져올 수 있다.

실제로 2023년 ‘바이오가스 활용 청정수소 생산시설 설치사업’에 선정된 보령시의 경우 수소와 재생에너지인증서(REC) 판매를 통해 기존 바이오가스 생산 시설보다 3배 이상의 경제적 효과를 누릴 것으로 기대되는 만큼, 바이오매스 기반 수소 생산은 지방 소멸의 그림자가 드리우는 지역의 새로운 활력이 될 수 있다.

 
바이오수소는 탄소 중립 실현의 핵심 ‘Key’

바이오매스를 활용한 수소 생산 기술은 탄소 중립 실현을 위한 핵심 전략으로 부상하고 있다. 이 기술은 온실가스 배출 저감, 자원 순환, 에너지 자립 등 다양한 측면에서 긍정적인 영향을 미치며, 특히 한국과 같은 에너지 수입 의존도가 높은 국가에서 더욱 중요하다.
바이오매스 기반 수소 생산은 기존 화석연료 기반 수소 생산 방식보다 온실가스 배출을 현저히 줄일 수 있는 대안이다. 대표적인 예로 바이오가스 개질 방식은 기존의 천연가스 개질 방식과 유사한 프로세스를 따르지만, 탄소 순환 개념을 적용해 이산화탄소 배출량을 최소화할 수 있다. 또한, 혐기성 소화 및 미생물 전기화학적 셀(MEC) 기술은 유기성 폐자원에서 직접 수소를 생산하는 방식으로, 별도의 화석연료 투입 없이도 탄소 중립 또는 탄소 네거티브(carbon-negative) 효과를 낼 수 있는 가능성이 높다.

국내 연구에 따르면, 바이오수소 생산을 통해 연간 72만톤의 수소를 공급할 수 있으며, 이는 2040년 한국의 예상 수소 수요량의 14%를 충족할 수 있는 수준이다. 또한, 이를 통해 연간 약 211만톤의 이산화탄소 배출을 저감할 수 있으며, 생산 과정에서 사용되는 전력을 재생에너지로 공급할 경우, 온실가스 감축 효과는 최대 500만톤까지 증가할 수 있다.

바이오수소는 단순한 수소 생산 방식의 변화가 아니라, 순환 경제(circular economy)를 구현하는 데에도 중요한 역할을 할 수 있다. 기존에는 폐기물로 처리되던 유기성 바이오매스를 에너지원으로 전환함으로써 자원 활용도를 높이고, 폐기물 처리 과정에서 발생하는 메탄 배출을 억제 추가적인 탄소 감축 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
 
정책적 지원과 산업 인프라 구축이 동반돼야

이러한 장점에도 불구하고, 바이오수소 기술의 확산을 위해서는 정책적 지원과 산업 인프라 구축이 필수적이다. 현재 국내에서는 수소 경제 활성화를 위한 다양한 정책이 추진되고 있지만, 바이오수소에 대한 지원은 상대적으로 부족한 상황이다. 전문가들은 바이오 수소의 경제성을 높이기 위해 연구 개발(R&D) 투자 확대와 금융 지원이 필요하다고 지적한다. 특히, MEC 기술의 효율 개선과 생산 비용 절감을 위한 연구가 중요하며, 초기 시설 구축을 위한 정부 차원의 금융 지원도 요구된다.

바이오수소가 실질적으로 보급되기 위해서는 생산 거점과 연계한 충전소 확대 및 유통망 구축이 필요하며, 이에 따른 정책적 지원이 절실하다. 현재 한국의 수소 충전소는 2022년 기준 310개소에 불과하며, 이는 수소 경제 활성화를 위한 목표치에 크게 미치지 못하는 수준이다. 바이오수소의 생산 및 유통을 위한 인프라 구축도 필수적이다.

바이오수소는 지역 경제 활성화에도 기여할 수 있다. 가축 분뇨, 농업 부산물 등 바이오매스 원료는 주로 지방에서 생산되기 때문에, 바이오수소 생산 시설이 지방에 유치될 경우 지역 일자리 창출과 경제 활성화 효과를 기대할 수 있다. 실제로 2023년 보령시에서 추진된 ‘바이오가스 활용 청정수소 생산시설 설치사업’은 기존 바이오가스 생산 시설 대비 3배 이상의 경제적 효과를 창출할 것으로 기대되며, 이는 지방 소멸 위기에 대응할 수 있는 대안으로도 주목받고 있다.

마지막으로, 바이오수소의 경쟁력을 강화하기 위해 국제 협력도 필수적이다. 유럽연합(EU), 일본, 호주 등에서는 이미 바이오수소 관련 연구가 활발히 진행 중이며, 한국도 이들과의 기술 교류 및 공동 연구를 강화해야 한다. 특히, 바이오수소를 활용한 글로벌 수소 공급망 구축 전략을 마련하고, 해외 수출 가능성을 적극적으로 모색할 필요가 있다.

바이오매스를 활용한 수소 생산 기술은 탄소 중립 사회로의 전환을 앞당길 수 있는 핵심 기술로 자리 잡을 가능성이 크다. 기존 화석연료 기반 수소 생산 방식이 온실가스 배출 문제로 인해 한계를 보이는 가운데, 바이오수소는 친환경적이면서도 경제성이 높은 대안으로 주목받고 있다. 그러나, 이 기술이 본격적으로 자리 잡기 위해서는 정부의 연구 개발 투자, 인프라 확충, 산업 생태계 조성, 국제 협력 등의 노력이 뒷받침돼야 한다. 지속 가능한 에너지 전환을 위해 바이오수소 기술에 대한 관심과 지원이 더욱 확대되기를 기대해 본다.

---

바이오수소에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "음식물 쓰레기로 수소차를 충전한다고?", 21기 김보연, https://renewableenergyfollowers.org/3675

음식물 쓰레기로 수소차를 충전한다고?

2. "맥주의 변신, 수소 생산을 위하여!", 21기 김수현, 김채윤, 이태환, 22기 박주은,
https://renewableenergyfollowers.org/3800

맥주의 변신, 수소 생산을 위하여!

---

참고문헌

[수소 생산의 한계]

1)한국가스공사, “수소에너지 정보”,  https://www.kogas.or.kr/site/koGas/1040102000000 

2) KDI, “수소에너지에 대해 궁금한 것 몇 가지!”, 나라경제, 366, 2021.05.

3) KEPCO, “수소에너지”, https://home.kepco.co.kr/kepco/SM/htmlView/SMCCHP00105.do?menuCd=FN29030309
 

[한계 돌파를 위한 바이오 활용]

1) 김상현, Wbridge, “[전문가칼럼] 청정 바이오수소 개발에 앞장서다”, 2022.08.17,
https://www.wbridge.or.kr/platform/careersport/info/selectTrendDetail.do?ntt_sn=287&utm_source=email&utm_medium=newsletter&utm_campaign=8%EC%9B%94+11%ED%98%B8_%EC%BB%A4%EB%A6%AC%EC%96%B4%ED%8A%B8%EB%A0%8C%EB%93%9C

2) 박세원, SK ecoplant newsroom, “‘살아있는’ 수소의 탄생! 바이오수소 생산 기술 A to Z”, 2023.04.28,
https://news.skecoplant.com/plant-tomorrow/10502/

3) 수소유통정보시스템, “가격정보”, 2025.02.11, https://www.h2nbiz.or.kr/rt/sts/pce/rtAmountInfo.do# 

4) 안희민, “[르포] 동력 잃은 한국 수소산업”, 데일리 한국, 2024.09.26,
https://daily.hankooki.com/news/articleView.html?idxno=1131510 

5) 양인범, “바이오매스로 수소·메탄올 생산…자원순환·탄소저감 핵심”, 가스신문, 2024.06.20,
https://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=115765 

6) 유정근, “[인터뷰] “수소가격 낮추기, 바이오가스가 열쇠”, 이투뉴스, 2024.05.14, https://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=308344 

7) 이상현, “바이오수소 생산·활용 어디까지 왔나”, 월간수소경제, 2024.05.14,
https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12435

[수소와 바이오에너지의 기술 융합]

1) 박진남, “수소생산 기술의 현황과 정책 제언”, ENERGY FOCUS , 16, 4, 6-10, 2019
https://www.keei.re.kr/keei/download/focus/ef1912/ef1912_21.pdf 

한국여성과학기술인육성재단 W브릿지

2) 이승환, “[기고] 수소생산의 필요한 개질기술 소개”, 가스신문, 2019.01.07, https://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=85690

[해외연구동향]

1) 김상현, “[국가R&D연구보고서] 국내 미활용 바이오매스를 이용한 수익창출형 그린수소 생산 시스템 기획 연구”, 과학기술정보통신부, 4, 2019.08

2) 김채현, 김건우, 김한상. “수소 산업 발전을 위한 국내외 정책 및 기술 동향 분석”. 한국수소 및 신에너지학회논문집, 34, 2, 122-131, 2023.

3) 양인범, “바이오매스로 수소·메탄올 생산…자원순환·탄소저감 핵심”, 가스신문, 2024.06.20, https://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=115765

4) 이정훈, “주요국 수소 기술 혁신 및 개발 현황”, Deloitte insights, 2022

5) 이종수, “바이오가스 활용 청정수소 생산 본격화”, 월간수소경제, 2023.04.28, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=10931
6) 황인주, “미래 시장 선도형 수소 에너지 융합 인프라 핵심기술 기획연구”, 한국과학기술정보연구원, 164, 2020.12
 

[기술경제환경적 효과]

1) 공지영 외, “2023년 재생에너지 균등화발전비용(LCOE) 동향”, 세계 에너지시장 인사이트, 24, 21, 1-8, 2024.10.28

2) 김지민 외, “국내 유기성폐기물의 바이오수소 잠재량 분석”, 대한환경공학회지, 43, 9, 591-600, 2021.9

3) 신소윤, “재생에너지 발전량 비율…전 세계 30% 넘을 때 한국 9%”, 한겨례, 2024.05.08, https://www.hani.co.kr/arti/society/environment/1139688.html

4) 이종수, “바이오가스 활용 청정수소 생산 본격화”, 월간수소경제, 2023.04.28, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=10931

5) International Energy Agency, “The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions”, 7-17, 2024

6) Narasimhan, Energy Alternatives India, "Bio Hydrogen – How does Biomass-based Green hydrogen compare economically with electrolysis-based Green hydrogen?”, 2024.03.02, https://www.eai.in/blog/2024/03/how-does-biomass-based-green-hydrogen-compare-economically-with-electrolysis-based-green-hydrogen.html

7) Raphaël Rousseau 외, “Microbial electrolysis cell (MEC): Strengths, weaknesses and research needs from electrochemical engineering standpoint”, Applied Energy, Volume 257, 2020

[결론]

1) 강찬수, 강찬수의 에코파일, “철강·화학·시멘트 분야 탄소중립 가능할까”, 2024.10.02,  https://ecofile.kr/17/?bmode=view&idx=119108934

2) 김지민 외, “국내 유기성폐기물의 바이오수소 잠재량 분석”, 대한환경공학회지, 43, 9, 591-600, 2021.9

3) 박진남, “수소생산 기술의 현황과 정책 제언”, 에너지경제연구원 에너지포커스, 16, 4, 6-10, 2019

4) 박상우, “충남 보령에 바이오가스 활용 청정수소 생산시설 들어선다”, 월간수소경제, 2023.03.24, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=10838

5) 신석주, “수소경제 활성화 위해 국제협력은 필수”, 에너지신문, 2020.05.18, https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=70455