[월간수소경제 박상우 기자] 현재 전세계는 탄소중립을 달성하기 위해 화석연료 사용량을 줄이고 있다. 또 화석연료를 사용하는 내연기관 자동차 생산 금지를 선언하는 국가들이 늘어나고 있다. 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원을 찾고 있으며 가장 주목받는 것이 바로 수소다.

화석연료를 대체할 청정에너지원으로 손꼽히는 수소가 아이러니하게도 현재는 화석연료가 없으면 생산할 수 없다.

 

국제에너지기구(IEA)가 지난 9월에 공개한 ‘글로벌 수소 리뷰 2022’에 따르면 2021년 전세계 총 수소생산량은 9,400만 톤이며 수소생산 때 발생한 이산화탄소 배출량은 900만 톤이다.

 

수소생산량 중 62%가 천연가스를 통해 생산됐으며 19%는 석탄가스화 기반 브라운수소, 18%는 석유화학공정이나 제철공정에서 발생하는 폐가스를 정제해 생산되는 부생수소였다. 수전해로 생산된 양은 0.04%인 35만 톤으로 집계됐다.

 

이같이 현재 화석연료는 수소생산에서 가장 중요한 에너지원이다. 바꿔 말하면 현재 화석연료를 대체할 만한 에너지원이 없다는 것이다. 그렇다고 언제까지 화석연료만 바라볼 수 없다. 정부와 업계는 화석연료를 대체할 원료를 찾고 있으며 여러 후보 중 주목받는 것이 바로 바이오가스다.

수소경제 뒷받침할 에너지원
환경부는 지난 6월 하수처리시설, 정수장, 댐 등 환경시설에서 바이오가스, 소수력발전 등을 이용한 재생에너지 생산을 두 배 이상 확대한다는 내용을 담은 ‘바이오·물 에너지 확대 로드맵’을 발표했다.

 

환경부는 폐자원의 고열량과 수자원의 잠재력을 에너지화하면 폐기물에서 발생하는 메탄을 줄일 수 있는 데다 화석연료를 대체할 수 있다고 보고 2026년까지 전국 환경시설 에너지 생산 가능 설비용량을 현재 1.57GW의 약 두 배인 3GW로 증가시킨다는 계획이다.

 

 

이를 통해 2021년 기준으로 연간 3,264GWh에 이르는 환경시설 재생에너지 생산량을 2026년까지 5,764GWh, 2030년까지 8,762GWh로 늘려 2021년 기준으로 연간 총 7,625GWh의 에너지를 쓰는 환경시설을 에너지 순공급(1,137GWh) 생산시설로 전환한다는 방침이다.

이 로드맵의 핵심은 음식물류폐기물, 하수찌꺼기, 가축분뇨, 동·식물성 잔재물 등 유기성 폐자원으로 만드는 바이오가스 생산능력과 활용처를 확대하는 것이다.

바이오가스는 유기성 폐기물이 공기가 없는 상태에서 미생물에 의해 분해될 때 나오는 가연성 혼합가스다. 성분은 50~65%의 메탄, 25~50%의 이산화탄소, 소량의 수소, 황화수소, 암모니아 및 기타 미량가스로 이뤄져 있다.

메탄이 주성분이기 때문에 가스보일러를 이용해 직접 연소가 가능하고 가스엔진, 가스터빈, 증기터빈 발전기를 이용해 전기에너지로 변환시킬 수 있다. 여기에 불순물을 제거하고 메탄 순도를 95% 이상으로 높이면 천연가스와 비슷한 수준의 열량을 낼 수 있다.

이같이 바이오가스는 유기성 폐기물을 활용하기 때문에 환경오염을 막을 수 있는 데다 자원순환경제를 실현할 수 있으며 천연가스 등 화석연료를 대체할 수 있어 온실가스와 화석연료 수입 의존도를 낮출 수 있다.

환경부는 바이오·물 에너지 확대 로드맵에 따라 전국 환경시설 에너지 생산가능 설비용량을 3GW 이상 확대하면 LNG 수입 대체효과가 2026년 1,812억 원, 2030년 3,226억 원에 이를 것으로 기대하고 있다. 또 전력대체 효과는 2026년 4,735억 원, 2030년 6,975억 원이며 온실가스 감축효과는 2026년 180만 톤, 2030년 657만 톤으로 예상했다.

 

무엇보다 바이오가스의 주성분인 메탄을 분해·정제하면 고순도 수소를 얻을 수 있고 일산화탄소나 이산화탄소가 없기 때문에 고분자 연료전지, 오일 정제, 암모니아 또는 메탄올 생산 등에 다양하게 사용할 수 있다.

국내 최초로 바이오가스를 활용해 수소를 생산·공급한 곳이 바로 상암수소충전소다. 지난 2011년 연구목적으로 서울 상암월드컵공원에 세워진 이 충전소는 쓰레기매립지에서 발생하는 메탄가스에서 수소를 분리·정제해 공급하는 방식이 적용됐다.

이후 수소차 보급이 확대되면서 2018년 시민들에게 개방됐으나 생산량 한계,충전 압력 부족 등 여러 제약이 발생함에 따라 2020년 10월 생산량과 충전압력을 높이고 메탄가스와 도시가스 두 연료를 모두 사용해 수소를 생산·공급하는 방식으로 변경해 재개장했다.

 

또 지난 3월에는 바이오가스로 만든 그린수소를 공급하는 국내 최초 상업용 그린수소충전소인 ‘충주바이오그린수소충전소’가 문을 열었다. 이 충전소는 인근에 있는 충주 음식물바이오에너지센터에서 나오는 바이오가스를 활용해 순도 99.99% 이상의 그린수소를 하루에 500kg 생산·공급한다.

 

이뿐만 아니라 수소도시 사업에도 바이오가스로 만든 수소가 활용될 예정이다.

 

지난 9월 국토교통부는 남양주시, 평택시, 보령시, 포항시, 광양시, 당진시 등 총 6개 지자체를 수소도시 지원사업 대상자로 선정했다. 수소도시는 수소의 생산·이송 인프라를 구축해 주거·교통 등 다양한 시민생활에서 수소가 주요 에너지원으로 활용되어 이러한 도시혁신을 시민이 체감하는 건강하고 깨끗한 도시를 말한다.

 

6곳 중 주목할 곳이 바로 남양주다. 남양주는 오는 2023년부터 2026년까지 4년간 총 400억 원(국비 200억+도비 60억+시비 140억)을 투입해 3기 신도시인 왕숙2지구를 수소도시로 조성할 계획이다.

 

그런데 남양주에는 다른 곳과 달리 수소생산시설이 없다. 예를 들어 평택은 포승읍 아산국가산업단지에 있는 소규모 수소생산기지를, 보령은 2025년 가동 예정인 SK E&S의 청정수소생산공장을, 당진・포항・광양은 부생수소를 생산·공급하는 제철소를 중심으로 수소도시를 조성할 계획이다.

이에 남양주는 수소를 생산·공급할 방안을 모색하던 중 묘안을 냈다. 바로 왕숙2지구 인근에 세울 자원순환종합단지에 바이오가스 생산시설과 수소추출시설을 구축해 하루 3.5톤의 수소를 생산·공급하는 것이다.

시는 바이오가스를 무상으로 공급받아 수소를 생산하면 수소 1kg당 3,451원의 원가가 들어 도시가스를 개질하는 비용(7,341원/kg)의 절반 정도에 수소를 공급할 수 있을 것으로 보고 있다.

 

이렇게 생산된 수소는 수소배관을 통해 인근의 공공임대주택 1,200세대와 남양주체육문화센터, 공공청사 등에 공급하고 수소연료전지로 생산한 전기와 열을 냉난방 등에 활용하며 왕숙2지구 안에 설치되는 수소충전소에도 공급할 계획이다.

 

남양주보다 앞선 2019년 12월부터 수소시범도시를 조성하고 있는 전주도 바이오가스로 만든 수소를 활용할 계획이다.

 

전주시는 2020년 12월 바이오가스 기반 수소융복합사업 추진 등 수소경제도시 조성을 위해 한국환경공단, 한국수력원자력, 태영건설과 업무협약을 체결했다.

 

주요 내용은 △바이오가스 기반 수소 융복합 사업 개발 △바이오가스 생산 기술 및 온실가스 배출권 확보 협력 △바이오가스 및 수소 활용 신사업 발굴 △정부 지원사업 연계 사업 경제성 확보방안 검토 등이다.

이를 바탕으로 전주시는 1년 후인 2021년 12월 전주시의회, 한국수력원자력, 태영건설, 전북도시가스와 ‘바이오가스 기반 수소 융복합사업 공동개발 업무협약’을 체결했다.

 

협약에 따라 한국수력원자력과 태영건설은 총 1,200여억 원을 투입해 전주시 완산구 삼천동 일원에 있는 전주시 종합리싸이클링타운에 오는 2023년 하반기까지 20MW급 연료전지 발전시설과 하루 600kg의 수소를 생산하는 시설을 포함하는 수소융복합시설을 구축할 계획이다.

전주시 종합리싸이클링타운은 하루 최대 300톤의 음식물류 폐기물을 자원화할 수 있는 시설, 하루 60톤의 혼합재활용폐기물을 선별·처리할 수 있는 시설, 하루 최대 250톤의 하수슬러지를 안정적으로 처리할 수 있는 시설 등을 갖춘 종합 폐기물 처리시설이다.

 

이를 위해 전주시와 전주시의회는 관련 인허가 등 행정절차를 적극적으로 지원하고, 한국수력원자력은 사업총괄관리 및 REC구매를, 태영건설은 EPC(설계・조달・시공)를, 전북도시가스는 도시가스(LNG) 공급을 담당키로 했다. 이들은 이르면 12월 중 착공에 들어가 2024년 3월 준공한다는 목표를 세웠다.

시는 국내 최초 바이오가스 기반 수소 융복합사업을 통해 수소도시 이미지 제고는 물론 연료전지 개발을 통해 에너지 자립률 30%와 전력 자립률 40%를 달성하는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

이같이 바이오가스는 수소경제에 필요한 에너지원이 되고 있다.

 

바이오가스 활용 높인다
그러나 현재 배출되는 유기성 폐기물 중 대부분이 사료 또는 퇴비를 만들 때 사용되고 있다. 2019년 유기성 폐기물 발생량은 6,721만 톤으로 5,568만 톤이 발생한 2011년보다 20.7% 증가했다. 이 중 76.7%인 5,015만 톤이 퇴·액비를 만드는 데 사용됐으며 바이오가스화에 사용된 것은 5.7%인 375만 톤에 불과하다.

그런데 조류인플루엔자, 아프리카돼지열병 등 가축전염병 발생과 동물복지 확대, 경작지 감소 등으로 수요가 감소해 사료와 퇴비가 방치되거나 폐기되는 사례가 증가하고 있어 2차 오염이 우려된다.

여기에 생산된 바이오가스는 대부분 도시가스, 열원, 발전 등에 사용되나 활용되지 않고 연소처리하는 비중이 꽤 높다.

 

2021년 바이오가스 생산량은 3억7,500만Nm³이다. 이 중 2억207만Nm³이 바이오가스화시설 내 소화조 가온, 슬러지 건조 등에, 1억1,564만Nm³이 도시가스, 발전, CNG충전, 열원 등에 사용됐다.

반면 수요처를 확보하지 못해 연소처리된 바이오가스가 전체 생산량의 15.3%인 5,728만Nm³으로 집계됐다. 이는 약 6만5,000가구가 사용할 수 있는 양이다. 돈으로 환산하면 약 261억 원이 낭비된 셈이다.

환경부는 바이오가스 생산능력과 활용처를 확대하고자 ‘통합 바이오가스화시설 설치 시범사업’과 ‘바이오가스 활용 청정수소 생산시설 설치사업’을 추진한다.

 

통합 바이오가스화시설 설치 시범사업은 유기성 폐자원을 2종 이상 투입해 바이오가스화 하는 시설을 설치하는 사업이다. 이 시설은 1종만 투입하는 단독 시설보다 소화효율이 높아 가스생산량이 많고 개별 시설을 하나의 시설로 통합 설치·운영하기 때문에 설치비와 운영비가 절감된다.

이 사업은 신규 통합 시설을 구축하거나 기존 단독 시설을 통합 시설로 전환하려는 지자체를 대상으로 한다. 지자체 재정사업으로 추진할 경우 국고보조율은 기존 유기성 폐자원별 지침 기준에 10%p를 추가하고 민간투자사업으로 추진하면 20%p를 추가해 총 30%p를 상향한다.

 

지원범위는 바이오가스화시설뿐만 아니라 △바이오가스를 해당 시설의 자체 에너지원으로 활용하기 위한 시설 △바이오가스 활용 일반 발전시설 또는 열병합 발전시설 △바이오가스를 도시가스 관망에 투입하기 위한 시설 △고질화 시설 등 바이오가스를 연료전지 시설에 공급하기 위한 시설 △고질화・개질화 시설 등 바이오가스를 활용해 청정수소를 생산하기 위한 제반 시설 등이다.

 

이에 환경부는 지난 2월 2022년도 통합 바이오가스화시설 설치 시범사업 대상 지자체로 서울특별시, 순천시, 구미시, 청주시 등 4곳을 선정했다.

 

이 중 서울시는 고양시와 협력해 난지물재생센터 부지에 음식물과 분뇨를 하루에 350톤 처리해 약 4만5,000Nm³의 바이오가스를 생산하는 바이오가스화시설을 설치할 계획이다. 생산된 가스는 자체 활용하고, 수소생산 및 도시가스 공급에도 활용할 예정이다.

순천시는 기존 공공하수처리장에 음식물, 가축분뇨 등을 하루에 340톤 처리해 약 2만5,000Nm³의 바이오가스를 생산하는 바이오가스화시설을 설치할 계획이다. 생산된 가스는 연료전지 발전과 도시가스 공급 등에 활용하기로 했다.

 

 

환경부는 이달부터 2023년도 시범사업 대상 지자체를 선정하기 위한 작업에 돌입해 내년 2월 4곳을 발표할 예정이다.

이를 통해 환경부는 현재 110개소인 바이오가스화시설을 2026년까지 140개소 늘릴 계획이다. 신규 30개소 중 16개소는 하수처리시설 등 기존 운영 중인 단독 시설을 통합 시설로 전환해 설치하고 나머지 14개소는 신규 통합 시설로 구축한다는 계획이다.

또 제도정비를 통해 기존 시설을 바이오가스화시설로 전환을 유도하고 가축분뇨시설의 경우 퇴·액비 생산량 적정 관리, 바이오가스화시설 유입 확대, 바이오가스 생산효율 개선 등을 추진한다. 미활용되는 동식물성 잔재물의 통합 바이오가스화시설 유입을 확대하기로 했다.

여기에 2026년까지 총 428억 원을 투입해 신규 물질의 성상 및 에너지화 가능성을 분석하고 지자체에서 발생하는 잔재물의 확보 및 기술 실증을 진행하며 신규 물질 투입에 따른 안정적 소화조 시스템 및 운영 기술과 온실가스 포집·분리 및 액화·고순도화 기술을 개발할 계획이다.

환경부는 이를 바탕으로 연간 바이오가스 생산량을 현재 3억7,500만Nm³에서 2026년 5억Nm³, 2030년 8억9,000만Nm³로 늘린다는 목표다.

 

이같이 바이오가스 생산량이 늘어나는 만큼 활용처를 다변화하고자 ‘바이오가스 활용 청정수소 생산시설 설치사업’도 함께 추진되고 있다.

 

환경부는 지난해 3월에 발표한 ‘환경부 탄소중립 이행계획’에서 환경자원을 활용한 재생에너지 보급을 확대하기 위해 바이오가스 생산을 확대하고 이를 활용한 수소공급을 추진한다고 밝혔다. 이에 2021년 1월 ‘바이오가스 수소화시설 시범사업’ 대상자로 창원시를 선정했다.

경남도와 창원시는 오는 2024년까지 국비 215억 원과 지방비 215억 원(도비 65억 원, 시비 150억 원) 등 총 430억 원을 투입해 창원시 덕동물재생센터에 바이오가스 활용 수소생산시설을 구축할 예정이다.

덕동물재생센터에는 혐기성소화조에서 생산된 바이오가스의 순도를 높이는 고질화설비, 수소 개질설비, 수소저장·운송설비 등이 들어서게 된다. 시설이 구축되면 하루 3.5톤의 수소를 생산하며 생산된 수소는 인근에 있는 덕동 수소충전소와 거제·함안 등에 있는 수소충전소에 공급할 예정이다.

경남도와 창원시는 그동안 도시가스를 개질해 생산했던 수소를 바이오가스를 통해 생산함으로써 도시가스 구입비용과 이에 따른 탄소배출비용을 절감하고, 수소판매단가를 낮춰 수소차 이용자의 충전비용이 절감되는 등 연간 약 57억 원의 경제효과가 있을 것으로 기대하고 있다.

이런 가운데 환경부는 지난 6월에 발표한 ‘바이오·물 에너지 확대 로드맵’에서 바이오가스 활용 청정수소 생산시설을 2026년까지 5개소를 구축할 계획이라고 밝혔다. 그 일환으로 바이오가스 활용 청정수소 생산시설 설치사업을 추진하고 있다.

이 사업은 운영 중이거나 설치 중인 바이오가스화시설에 청정수소 생산시설을 추가하려는 지자체 및 민간사업자를 대상으로 하며 공모를 거쳐 총 2개소(시범사업)를 선정할 계획이다. 지원시설은 고질화설비, 개질화 설비, 이산화탄소포집설비, 출하설비 등이며 수소충전소 등 수소활용시설은 지원하지 않는다.

이를 지자체 재정사업으로 추진하면 국고보조율은 70%, 민간투자사업으로 추진하면 50%이다. 환경부는 2023년 예산안에 2개소의 설계용역예산 10억 원을 포함했다. 다만 현재 국회에서 심의 중이어서 결과에 따라 관련 예산이 조정될 수도 있다.

 

바이오연료 잠재력 폭발한다
산업통상자원부는 지난 10월 친환경 바이오연료 활성화를 위한 업계 간담회를 열고 ‘친환경 바이오연료 확대방안’을 발표했다.

 

먼저 현재 ‘신재생에너지 연료혼합의무’ 대상으로 일반 경유와 혼합해 사용하고 있는 바이오디젤 의무혼합비율을 2030년까지 당초 목표인 5.0%보다 높은 8.0%까지 상향하고 동·식물성 유지에 수소를 첨가해 생산되는 차세대 바이오디젤을 도입한다.

 

또 바이오선박유는 2025년, 바이오항공유는 2026년에 도입하는 것을 목표로 빠르게 실증을 진행하고 법적 근거를 마련하고자 올해 연구용역을 거쳐 내년부터 관련 법령 개정 작업에 착수한다.

 

바이오연료 생산에 필요한 원료의 수거·이용이 원활하도록 업계 애로 해소를 지원하고 원료 공급업계와 바이오연료 생산업계 간 연계를 통해 상생의 생태계를 구축한다. 또 국내 확보가 어려운 원료는 해외에서 생산·조달이 가능하도록 해외진출 지원을 추진하고 올해부터 필수기술과제들을 선정하는 기획을 거쳐 2024년부터 예타사업을 추진할 계획이다.

이같이 정부가 바이오가스를 포함한 바이오연료 활성화를 위해 팔을 걷어붙임에 따라 바이오연료가 가진 잠재력이 곧 폭발할 것으로 전망된다.