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수소생산의 새로운 대안 ‘해양 바이오’ ② “해양 바이오수소 경쟁력은 저비용”

[인터뷰] 이협희 경동엔지니어링 플랜트부 부사장
바이오 수소 생산가격, 천연가스 개질보다 10~15% 저렴
인공해수 만들어 내륙에 바이오 수소생산 설비 운영 가능
“실증 플랜트, 상용시설로 전환해 세계적으로 인정받도록 할 것”
폐기물 가스화 기술 응용하면 전국 어디든지 수소생산 가능


[월간수소경제 이종수 기자] 국내 연구진이 개발한 해양 바이오 수소생산 원천기술은 전 세계에 유례가 없는 새로운 수소생산 방식으로 향후 이 분야에서 선도적인 위치를 점할 수 있게 됐다. 이 기술은 정부의 적극적인 재정적 지원을 바탕으로 한 국내 연구기관과 플랜트 기업의 합작품이다.  


강성균·이정현 한국해양과학기술원(KIOST) 박사 연구팀이 지난 2002년 최초로 발견한 해양 미생물 NA1의 분리·배양, 수소생산 기작(메커니즘), 균주 개량, 바이오수소 생산 최적화 등의 기술개발에 헌신했다면 실제 해양 바이오 수소를 생산할 수 있는 플랜트 건설에 주도적인 역할을 한 이협희 경동엔지니어링 플랜트부 부사장(박사)도 주목되는 인물이다.


지난 2009년부터 시작된 ‘해양 미생물 이용 바이오 수소 생산기술 개발’ 과제는 2016년까지 KIOST가 주관기관 역할을 수행하다가 2017년부터는 상용화 연구를 위해 경동엔지니어링이 주관하고 있다.   

 
대우건설 플랜트사업본부 출신인 이 부사장은 이 과제의 주관 연구책임자로서 지난해 10월 연간 330톤급 해양 바이오 수소생산 실증 플랜트 건설에 착공해 올해 9월 플랜트 구축을 완료했다. <월간수소경제>는 이협희 부사장을 만나 해양 바이오 수소 실증 플랜트와 향후 계획에 대해 들어봤다.  
        
해양 미생물 ‘NA1’은 플랜트에서 어떤 과정을 거쳐 수소를 생산하나.
해양 미생물 NA1은 일산화탄소(CO)를 먹고 에너지원으로 사용해 그 힘으로 물을 분해한다. 물 전기분해의 원리와 같다. NA1이 물 분해의 촉매인 셈이다. 지금까지 세계적으로 미세한 양의 미생물을 이용한 수소생산 연구는 많이 진행돼왔는데 대량으로 수소를 생산하게끔 미생물을 배양한 것은 우리나라가 세계 최초이다.


이번에 완공된 연간 330톤급 바이오수소 실증 플랜트 이전에 당진 현대제철소의 부생가스(CO 포함)를 이용하는 파일럿 플랜트(1톤 규모)를 구축해 장기간(1개월 이상) 연속적으로 수소를 생산하는 데 성공한 바 있다.

 
해수부에서는 이런 대단한 연구 성과를 연구로만 끝내지 말고 상업화를 하자고 했다. 지금까지는 미생물 연구진들이 연구에 성공했으니 민간 기관에서 세계적인 공정을 만들어보라고 해서 그때부터 연구책임자로서 일해왔다.


본인은 미생물 학자로부터 수소를 가장 잘 만들 수 있는 여건을 듣는 것이다. NA1은 바닷물 속에서 살면서 온도는 80℃, pH는 중성(2.8) 정도 되는 여건을 제일 좋아한다. 그래서 플랜트공정은 항시 온도를 80℃를 유지하도록 설계됐다.  


미생물이 CO 가스가 너무 크면 못 먹고 그냥 지나갈 수 있어 반응조 하부에서 굉장히 미세한 기포를 만들어 공급해준다. 기포가 올라가는 동안 미생물이 CO를 다 먹고 수소가스를 만들어 내보낸다. 반응조 다음에 거품 제거장치가 있는데 미생물에서도 거품이 나오기 때문에 거품을 제거한 후 수분도 제거해서 수소를 생산한다.


NA1은 일산화탄소라는 밥만 먹고 살 수는 없다. 영양분이 필요한 것이다. 그래서 빵을 만드는 데 쓰는 효모(yeas)를 넣어준다.


십여 년 동안 개량된 우수 균종들이 해양과학기술원에 항상 보관돼 있다. 연구원들이 캡슐에 미생물을 넣어 플랜트로 가져온다. 미생물 배양기에 미생물을 넣으면 8~12시간 정도 지나서 미생물들이 가득 찬다. 플랜트에서 최초로 미생물을 배양해주면 미생물은 번식력이 있기 때문에 지속적으로 배양된다.


이번 해양 바이오 수소 실증 플랜트는 하루 1톤 수소생산 규모다. 연간 330톤의 수소를 생산할 수 있는데 수소전기차 2,200대 정도를 충전할 수 있는 양이다. 또 수소충전소로는 3개소 정도 운영이 가능하고, 연료전지 발전으로 하면 500kW 규모다. 이 정도로 미생물을 이용해 수소를 생산하는 것은 세계 최초이자 최대 규모다.   


해양 바이오 수소 실증 플랜트에서 어떤 연구가 이뤄지고 있나.
이번에 완공한 해양 바이오 수소 실증 플랜트는 대량 수소생산기술을 확보하고 경제성과 안전성을 검증하게 된다.


바이오 수소 플랜트가 바닷가에만 적용되면 효용성이 떨어진다. 공업용수에 천일염을 넣어 인공해수를 만들어 온도 80℃를 유지하며 수소를 생산하는 것도 병행하고 있다. 전혀 문제없이 수소를 잘 만들어내고 있다. 인공해수를 이용하면 내륙에 바이오 수소 생산설비 운영도 가능하다.   



연구시설이다 보니 상업용 시설로 전환하기 위해선 여러 돌발 사태에 대비해야 한다. 예를 들어 갑자기 정전으로 인해 전기가 공급되지 않으면 온도가 떨어진다. 이럴 때 미생물이 며칠이나 견디는지 확인하는 테스트를 한다. 보통은 1주일 정도는 충분히 살아서 다시 사용할 수 있다고 판단된다.


미생물에 치명적인 독성물질이 어떤 게 있는 지도 연구한다. 다행히도 NA1은 황 같은 독성물질은 좋아한다. 특히 NA1은 다른 미생물보다 생명력이 강하다. 


일부 생태학자들은 이렇게 강력한 친구(NA1)가 밖으로 유출되거나 폐수와 함께 버려진다고 하면 기존 생태계를 파괴할 수도 있지 않냐고 의문을 제기한다. 하지만 NA1은 철저하게 해저에서 살다 보니 우리처럼 숨을 쉴 수 있는 공기에 노출되면 모두 죽어버린다. 우리와 같은 생태계에서의 생태 파괴는 없다고 말할 수 있다.


그래서 미생물이 산소 농도가 얼마 정도 되면 살 수 있느냐 하는 테스트도 많이 한다. 산소를 3% 정도 넣어주면 활동하다가 멈춘다. 3%가 넘어가면 미생물이 죽는다.


이번 해양 바이오 수소 실증 플랜트의 활용 계획을 말해달라.
해양 바이오 수소의 대량생산이 가능하다 보니 정부에서 많은 관심을 갖고 있다. 본인은 지난 10월 문재인 대통령에게 직접 해양 바이오수소 생산기술에 대한 보고를 한 바 있다.


바이오 수소생산 경쟁력은 결국 가격이다. 연구자들이 검토한 결과에 따르면 바이오 수소생산 가격은 천연가스 개질 수소 대비 85~90% 정도이다. 그러니까 바이오 수소생산 가격이 천연가스 개질보다 10~15% 정도 저렴하다. 수소를 생산하는 데 에너지가 별로 안 든다.


LNG 개질에는 촉매가 필요한데 해양 바이오 수소생산 시설은 미생물이 촉매라고 보면 된다. 바이오 수소 플랜트가 설치부지를 좀 더 차지할 수 있지만 LNG 개질 설비와 비교하면 설치비용은 거의 비슷하다. 그리고 운전비용은 바이오 수소 플랜트가 훨씬 저렴하기 때문에 전체적으로 10~15년 가동한다고 하면 초기투자비 대비 바이오 수소생산 플랜트가 경제성이 있다고 본다.



대통령과 정부에 보고할 때 이번 바이오 수소 플랜트가 연구로만 끝나서는 안 된다고 강조했다. 이 시설을 첫 컨셉부터 상용시설이 가능하도록 설계해서 만들었기 때문에 연구과제가 끝나도 계속 활용할 수 있도록 해야 한다고 최대한 말했다.


플랜트 후단에 정제설비(PSA)와 연료전지를 설치하고, 앞단에 24시간 상용 운전 장치도 보완해 1년 정도 연속운전을 하면서 국제 공인기관으로부터 검증도 받고, 운전 결과를 받아서 정확한 경제성도 분석하고 해야 세계적으로 인정받는 시설이 될 것이라고 건의를 해서 정부에서 지원을 해주려고 한다. 그래서 오늘 국회에 들어가는 것이다.(이협희 부사장은 월간수소경제 기자와 만나기 하루 전 정부에서 연락을 받고 다음 날 오후 국회에 들어가 지원예산을 협의했다.) 충남도에서도 지원을 해주겠다고 했다. 예산이 지원되면 연구과제가 끝나도 상용시설로 계속 운전이 가능할 것으로 기대하고 있다.


사실 이번 플랜트가 당초에는 연간 480톤 규모로 계획됐지만 처음부터 규모를 키우기보다는 하나라도 제대로 해보고 상용시설로 계속 이어가자고 정부에 건의해서 330톤 규모로 플랜트를 구축한 것이다. 이번 플랜트가 성공적으로 운영되면 규모를 확대할 계획이다.   


플랜트 분야에서는 실증할 때 스케일-업의 최대 규모가 일반적으로나 세계적으로도 30배 정도이다. 이번 실증 시설이 하루 1톤 생산 규모인데 하루 30톤 정도 되는 시설로 확대할 생각이다. 하루 30톤 생산 규모의 설계까지 완성하는 것이 이번 연구의 최종 목표이다. 지금 설계가 거의 완성되고 있다. 설비를 모듈화해서 연결하는 방법으로 설계하고 있다. 10톤짜리 세 개를 만들면 하루 30톤 규모의 플랜트가 되는 것이다. 


또한 가능하면 전 소재와 부품을 국산화할 것이다. 바이오 수소 생산공정 및 미생물에 관한 특허를 국제 특허로도 등록하고, 국내 개발 원천기술로 100% 국산화를 완성해 국내 보급과 해외수출까지 도모할 수 있는 세계적으로 유명한 프로세스를 개발할 계획이다.  



다만 바이오 수소생산 공정의 핸디캡이 하나 있다. IGCC(석탄가스화복합발전), 제철소에서 CO가 많이 나오는 프로세스가 그렇게 많지 않다. IGCC나 제철소가 있는 곳에만 플랜트를 설치해야 하는 제약도 있다.


그래서 우리 연구진은 폐기물로 CO 가스를 만들어서 수소를 생산하는 플랜트 개발도 생각하고 있다. 연구진은 폐기물 가스화 기술을 보유하고 있다. 폐기물을 접목해서 지금의 바이오 수소생산 공정을 적용하면 전국 어디에서든지 수소생산이 가능하다.


폐기물 가스화는 원가 절감도 가능하다. 이번 해양 바이오 수소 실증 시설은 합성가스를 이용하는 데 이 합성가스는 석탄에서 만드니까 석탄에서 원가가 생긴다. 그런데 폐기물은 돈을 받고 가져오는 개념이라서 원가를 대폭 낮출 수 있다. 다음 연구과제로 진행해서 전국 보급을 추진할 계획이다.  


더 나아가서는 폐기물 가스화 플랜트를 소규모로 축소해 마을이나 군 단위 등에 보급할 계획이다. 폐기물도 처리하고 수소도 만들어 평소에는 연료전지 발전 가동하면서 향후 10년 후를 상상하면 농기구 등도 수소연료전지를 사용할 테니까 소규모 수소충전소에도 수소를 공급할 수 있을 것이다. 소규모 분산형으로 컨셉을 잡아서 계속 이어나갈 것이다. 그렇게 하면 경제성도 확보하고 지역적 제한과 민원도 해소할 수 있을 것이다. 


이번 해양 바이오 실증 플랜트가 상용화 설비로 계속 남아 성공적으로 운영될 수 있도록 최선의 노력을 다할 것이다.




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