[월간수소경제 이종수 기자] 바이오가스는 음식물류폐기물, 가축분뇨, 하수찌꺼기, 동·식물성 잔재물 등 유기성 폐자원이 공기가 없는 상태에서 미생물에 의해 분해(혐기성 소화)되는 과정에서 생성되는 가스로 메탄(50~65%), 이산화탄소(25~50%), 소량의 수소·황화수소 등으로 구성된다. 

유기성 폐자원 반입 후 전처리공정에서 이물질을 제거하고 파쇄하면 혐기성 소화조에서 바이오가스가 생성되어 정제(메탄순도 99% 이상) 과정을 거쳐 이용된다. 

그간 유기성 폐자원의 90% 이상은 사료나 퇴·액비로 처리되어 왔고, 나머지는 바이오가스화 하여 활용되고 있다. 그러나 사료화는 감염병·동물복지 등의 문제가 있고 생산된 사료의 수요처도 적어 적치되거나 폐기되는 사례가 많았다. 또 퇴·액비화는 경작지 감소 등으로 인한 수요처 부족과 불법투기, 과다살포로 인한 토양과 수질 등의 2차 오염 문제가 야기되어 왔다. 

유기성 폐자원에서 생산된 바이오가스는 가스·열·발전 중심으로 활용되고 있고, 일부는 미활용되어 연소 처리되기도 한다. 

환경부의 국내 바이오가스 생산·이용 현황 자료를 보면 2020년 바이오가스 생산량(3억6,232만N㎥) 중 전력판매 4,985만N㎥(13.8%), 스팀생산 3,800만N㎥(10.4%), 가스공급 1억12만N㎥(27.6%), 자체 이용(바이오가스 시설 내 소화조 가온, 슬러지 건조 등에 활용) 1억1,364만N㎥(31.4%) 등 총 3억161만N㎥(83.2%)가 활용됐다. 나머지 6,071만N㎥(16.8%)은 수요 미확보 등으로 연소 처리됐는데, 이는 약 6만5,000가구가 사용할 수 있는 가스양으로 연간 약 261억 원을 낭비한 셈이다. 

이에 따라 정부는 유기성 폐자원의 에너지화를 확대한다는 계획이다. 현재 시장 잠재량의 6.9%만 에너지화되고 있어 추가 확대 여력이 크다는 게 환경부의 판단이다. 시설 전환 및 신·증설을 통해 현재 대비 최대 14.4배 이상 확대가 가능하다는 설명이다. 원별 잠재량 분석 결과 가축분뇨는 최대 74배, 음식물은 최대 18배, 하수찌꺼기는 최대 5배까지 확대가 가능한 것으로 분석됐다.

특히 미활용 바이오가스를 줄이기 위해 그린수소, 연료전지 등 미래형 신규 수요처 확보로 이용 방법을 다변화한다는 계획이다. 
 
그린수소 원료 ‘바이오가스’ 생산 확대
환경부는 지난 2022년 6월 하수처리시설, 정수장, 댐 등의 환경시설에서 바이오가스, 수상태양광, 소수력발전 등을 이용한 재생에너지 생산을 두 배 이상 확대한다는 내용을 담은 ‘바이오·물 에너지 확대 로드맵’을 발표한 바 있다. 

‘바이오·물 에너지 확대 로드맵’에 따르면 기존 운영 중인 시설은 통합 바이오가스화 시설로 전환하고, 신규시설은 통합 바이오가스화 시설로 설치해 바이오가스 생산시설을 확대할 계획이다. 통합 바이오가스화 시설은 상호보완 특성이 있는 둘 이상의 유기성 폐자원(예: 음식물쓰레기+가축분뇨)을 병합해 바이오가스를 생산하는 시설로, 단독시설 대비 설치·운영비 20% 이상 절감과 바이오가스 생산수율 약 30% 이상 향상을 기대할 수 있다. 

환경부는 오는 2026년까지 바이오가스 생산시설에 국고를 우선 지원해 전국 110개소의 바이오가스 생산시설을 기존시설 전환 16개소와 신규시설 14개소를 포함한 140개소로 늘리고, 바이오가스 생산량도 연간 3억6,000N㎥(2020년 기준)에서 5억N㎥까지 확대한다는 계획을 밝혔다.

이는 국내 도시가스 공급량(약 250억N㎥/년, 2021년 기준)의 약 2% 수준으로, 연간 1,812억 원의 액화천연가스(LNG) 수입대체 효과와 함께 폐기물에서 발생하는 메탄을 줄여 2026년까지 연간 110만 톤의 온실가스를 추가로 감축하는 일석이조의 효과가 있다.

이밖에 신규 물질 활용을 위한 기술개발(2022~2026년, 428억 원)과 함께 바이오가스 생산·이용 실적보고, 인증, 거래 등을 데이터 기반으로 통합 관리할 수 있는 자동화 시스템을 구축할 예정이다. 

환경부는 바이오가스 수요처 증대 및 다변화에도 나설 계획이다. 

우선 도시가스 품질기준(열량 및 부취제 등)을 준수해 인근 도시가스 그리드에 연결해 공급하고, 소화조 열원 등 환경기초시설에 필요한 기존 에너지원을 대체해 바이오가스를 우선 활용하는 방향으로 개선키로 했다.

또 에너지 효율(75~90%)이 높으나 실제 활용이 저조한 열에너지 부문의 바이오가스 활용을 확대한다. 도심에서 소각열처럼 기저 열원으로 사용할 수 있도록 집단에너지사업자와 연계해 열에너지 공급 노력을 확대(열에너지 사업지 내 입지 시)하고, 집단에너지 및 도시가스 공급이 어려운 비도심 지역을 대상으로 소규모 집중 열에너지 생산·공급 확대를 추진하는 방향으로 개선할 계획이다. 

아울러 발전·가스 중심의 이용 방법을 미래 수요가 많은 그린수소 생산 및 연료전지 등 신규 수요처로 다변화한다는 계획이다. 바이오가스 생산시설에 개질·고질화 설비확충을 통해 그린수소 생산·공급을 추진한다는 것이다. 

국제재생에너지기구(IRENA)와 EU 등은 바이오가스를 활용한 수소를 그린수소로 인정하고 있다. 바이오가스 정제(고질·개질)를 통해 수소를 생산해 수소충전소, 연료전지 등에 공급·유통할 수 있다. 

고질화는 바이오가스 내 이산화탄소를 40% 제거한 후 메탄순도를 95% 이상 향상하는 기술이다. 개질은 고순도 메탄(바이오메탄)을 수소로 전환(CH4 + H2O → CO + 3H2, CO + H2O → CO2 + H2)하는 기술이다. 

그동안 도시가스를 개질해 생산했던 수소를 바이오가스를 통해 생산하면 도시가스 구입비용과 이에 따른 탄소배출비용을 절감하고, 수소판매단가를 낮출 것으로 기대된다. 
 
2026년까지 그린수소 생산시설 5개소 확충
환경부는 현재 2개소(전주, 창원)인 바이오가스 활용 그린수소 생산시설을 오는 2026년까지 총 5개소로 확대할 계획이다.

전주 음식물 바이오가스화시설(전주시 종합 리사이클링센터)에서는 바이오가스 수소 개질화 시범사업이 진행 중이다. 이 사업은 고질화 설비(1만7,000㎥/일)와 연료전지(20MW)를 설치해 바이오메탄으로 생산한 그린수소를 연료전지에 활용하는 사업으로, 2024년 3월 준공한다는 목표다. 

바이오가스 고질화 사업에는 국고 35억 원, 시비 35억 원 등 총 70억 원의 사업비가 투입되고, 바이오가스와 LNG를 복합적으로 활용하는 수소연료전지사업은 한수원이 태영건설과 함께 민간투자사업으로 진행한다.

창원 덕동물재생센터에는 통합 바이오가스화 시설과 바이오가스 수소화 시설이 구축된다. 

먼저 442억 원(국고 192억 원, 도비 103.5억 원, 시비 146.5억 원)을 투입해 통합 바이오가스화 시설을 구축한다. 소화조(5,600㎥×4기)를 증설하고 음폐수 바이오가스화시설(85톤/일)을 설치할 예정이다. 현재 통합 바이오가스화 시설 설치를 위한 타당성 조사 및 기본계획 용역이 진행 중이다.     

또 430억 원의 사업비(국고 215억 원, 도비 65억 원, 시비 150억 원)를 투입해 하루 3.5톤 규모의 바이오가스 수소화 시설을 구축, 그린수소를 생산할 예정이다. 

환경부는 이러한 시범사업을 확대해 올해부터 본격적으로 ‘바이오가스 활용 청정수소 생산시설 설치사업’에 국고보조금을 지원한다.  

환경부는 지난해 12월부터 올해 2월까지 운영 중이거나 설치 중인 바이오가스화 시설에 청정수소 생산시설을 추가하려는 지자체와 민간사업자를 대상으로 공모를 진행하고, 지난 3월 지자체 1곳(보령시)과 민간(현대자동차) 1곳을 최종 선정했다. 국고 보조율은 지자체 보조사업 70%, 민간보조사업 50%이다. 

보령시는 전국 단일 면 중 가장 많은 축산분뇨를 생산하고 있는 천북면 일원에 내년까지 약 1,500㎡ 규모의 청정수소 생산시설을 지어 연간 약 200톤의 수소를 생산해 수소충전소 등에 공급할 예정이다.

보령시는 수소 판매와 재생에너지증명(REC) 판매를 통해 기존 바이오가스 생산시설보다 3배 이상의 경제적 효과를 누릴 수 있을 것으로 기대하고 있다.

현대차는 청주시에 있는 공공하수처리장에 수소생산시설을 내년에 준공해 2025년부터 가동한다는 목표다. 해당 시설은 음식물쓰레기에서 나오는 바이오가스로 하루 500kg의 수소를 생산할 예정이며, 증설이 완료되는 2026년부터는 하루 생산량이 1톤까지 확대될 전망이다.

해당 시설과 연계될 통합 바이오가스화 시설이 2027년에 완공되면 하루 수소생산량은 3톤까지 늘어날 것으로 보인다. 이는 수소차 600대를 충전할 수 있는 양이다. 생산된 수소는 연료전지 발전소, 수소충전소 등에 공급될 예정이다.

환경부는 지난 2022년 2월 14일 ‘2022년 통합 바이오가스화 시설 설치 시범사업’ 대상 지자체로 서울특별시, 순천시, 구미시, 청주시 등 4곳을 선정한 바 있다.

4곳 중 서울시, 순천시, 청주시가 바이오가스 활용 수소생산 계획을 가지고 있는데, 이번에 청주시가 현대차와 손잡고 환경부의 ‘바이오가스 활용 청정수소 생산시설 설치사업’ 공모에 선정된 것이다.    

서울시는 고양시와 합동으로 난지물재생센터 부지(고양 덕양구 소재)에 음식물과 분뇨를 통합 처리하는 바이오가스화 시설을 설치하고, 수소생산 및 도시가스 공급에 활용할 예정이다.

순천시는 기존 하수처리장(순천시 교량동 소재)에 바이오가스화 시설을 추가해 음식물, 가축분뇨, 하수찌꺼기 및 분뇨를 통합 처리하고, 생산한 바이오가스를 수소발전 및 도시가스 공급으로 활용할 계획이다.
수소도시도 바이오가스 활용 청정수소 생산에 큰 관심을 갖고 있다.  

국토교통부는 울산, 전주·완주, 안산 등 3개의 수소시범도시 조성사업에 이어 올해부터 평택, 남양주, 당진, 보령, 광양, 포항 등 6개의 수소도시 조성사업을 추진한다. 6개 도시 중 남양주, 당진, 보령 등 3곳이 바이오가스 활용 수소생산 계획을 밝혔다. 

남양주는 자원순환종합단지의 바이오가스를 활용해 수소를 생산할 계획이다. 당진은 하루 1톤급 바이오가스 활용 수소생산시설을 구축할 계획이다. 보령은 이번에 환경부의 ‘바이오가스 활용 청정수소 생산시설 설치사업’ 공모에 선정되어 국고를 지원받게 됐다. 
 
충주서 국내 최초 바이오 수소생산시설 가동
이미 충주에 국내 최초로 바이오가스 이용 청정수소 생산시설이 구축되어 이 시설에서 생산된 수소를 수소충전소에 공급하고 있다. 충청북도는 고등기술연구원 등과 함께 지난 2019년 5월 산업통상자원부가 주관하는 ‘바이오가스 이용 수소융복합충전소 구축·실증’ 공모사업에 선정된 바 있다. 

이 시설은 인근 충주 음식물바이오에너지센터에서 생산된 바이오가스를 지하 배관으로 받아 시간당 280N㎥, 하루 최대 약 600kg의 99.995%의 고순도 수소를 생산할 수 있다. 이는 수소버스 20대, 수소승용차 120대의 충전이 가능한 용량이다.

또 이 시설은 충북 그린수소 규제자유특구사업의 일환으로 실증사업도 진행하고 있다. 

현행 도시가스사업법에 따르면 바이오가스 제조사업자는 스스로 제조한 도시가스(바이오가스)를 수소제조사업자에게 직접 공급할 수 없다. 유통과정에 일반도시가스 사업자가 개입됨으로써 그린수소 비용을 상승시켜 사업화를 위한 경제성 확보에 애로사항이 되고 있다.  

바이오가스의 중간 유통과정 제거로 그린수소의 경제성을 확보하는 한편, 바이오 수소 연료전지발전시스템의 경우 관련 기술과 설치·안전기준이 미흡하기에 미래 시장창출을 위한 제도적 기반 마련이 필요한 상황이다. 

이에 충북은 바이오가스 제조사업자가 제조한 도시가스를 수소제조사업자에게 직접 공급할 수 있도록 허용하는 실증특례를 요청했다. 정부가 이를 수용함으로써 그린수소 규제자유특구에서 바이오가스 기반 수소생산·활용 실증사업을 할 수 있게 됐다.  

환경공단 관계자는 “한 달에 1만m3 이상의 바이오가스를 도시가스로 직접 공급해야 하는 경우 도시가스사업자를 거쳐야 하는 어려운 점이 있어 산업부에서 미래기준연구소와 해당 문제 해결을 위해 연구용역을 추진 중”이라고 밝혔다.
 
바이오가스 생산·이용 촉진 
이러한 제도적 개선 외에도 ‘바이오가스 생산·이용 촉진법’ 제정으로 향후 바이오가스 활용 수소생산 사업이 활기를 띨 것으로 보인다. ‘바이오가스 생산·이용 촉진법’은 지난 2022년 12월 8일 국회 본회의를 통과했다. 

이 법이 시행되면 우선 공공(지자체)과 민간(대규모 배출자 등)에 일정량 이상의 바이오가스 생산 목표가 부여된다. 목표부여 대상자는 △직접 시설을 설치해 가스 생산 △다른 시설에 폐자원 처리를 위탁해 가스 생산 △다른 시설에서 생산한 ‘실적’ 구입으로 생산목표를 달성해야 한다. 

특히 다른 시설에서 생산한 ‘실적’을 구입해 생산목표를 달성토록 한 것은 ‘신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법’에 따른 재생에너지 의무공급량을 충당하기 위한 공급인증서(REC) 구매와 유사하다.  

이에 따라 바이오가스 생산자는 가스 판매수익 외에도 인증받은 ‘생산실적’까지 판매함으로써 부가 수익을 창출할 수 있게 된다.

또 촉진법에는 바이오가스 생산·이용에 대한 다양한 지원 근거를 마련해 다른 재생에너지와 마찬가지로 바이오가스의 생산·이용에 대해서도 지원 및 특전(인센티브)이 수반된다. 

먼저 시설 설치 등 바이오가스 생산·이용에 필요한 비용 보조가 가능해졌고, 성과평가제도를 도입해 우수시설에 대한 특전도 제공할 수 있다.

수소제조자, 도시가스사업자, 발전사업자, 집단에너지사업자 등이 바이오가스를 적극 이용하도록 권고하는 조항도 담겼다.   

바이오가스 시설 설치·운영을 기술적으로 어려워하는 경우가 있어 바이오가스센터를 설치해 운영 상담(컨설팅) 등의 기술 지원도 제공한다.

| 인터뷰 |  송형운 고등기술연구원 수소에너지솔루션센터장

“바이오 수소생산시설, 자립 운영・지속 가능성이 가장 중요”

고등기술연구원은 국내 최초의 수소 마더스테이션(mother station)인 충주바이오그린수소충전소 설계·구축·운영을 통해 바이오가스 기반 수소 생산·활용 사업의 운영·기술적 노하우와 경험을 확보해 보령시와 현대차가 추진하는 바이오가스 활용 청정수소 생산시설 설치사업에도 참여한다.

<월간수소경제>는 충주바이오그린수소충전소 설계·구축·운영을 담당한 송형운 고등기술연구원 수소에너지솔루션센터장을 만나 그간의 성과와 바이오가스 활용 청정수소 생산 활성화 방안을 들었다.<편집자주>  

Q. 충주 바이오가스 기반 수소융복합충전소의 수소 생산·활용, 외부 판매 등 운영 현황과 그간의 주요 성과는?

충주바이오그린수소충전소는 2022년 3월 준공해 현재까지 안정적으로 상업운전 중이다. 생산된 청정수소의 25% 정도는 자체 수소충전소(수소판매가격 7,700원/kg)에서 판매하고, 75%는 튜브트레일러에 충전(수소판매가격 3,960원/kg)하여 충주 및 충북도 내 수소충전소에 공급하고 있다.

2022년 수소판매를 통한 누적 매출액은 4억7,600만 원 정도이다. 바이오가스 발생량에 따라 수소생산량이 변동되는데, 하절기 월 매출이 동절기보다 20% 정도 높은 경향을 보이고 있다.

2022년에 9개월간 101톤의 국내 유일 청정수소를 상업적으로 생산·판매한 게 주요 성과 중 하나다. 또 충주바이오그린수소충전소의 가동률은 핵심설비(바이오가스 정제설비, 수소생산설비, 압축설비, 냉각설비, 충전설비) 고장을 고려한 충전소 운영시간 기준으로 93.4%, 핵심설비의 정지를 고려하면 86.2%이다.

충주바이오그린수소충전소에서 충주시 지역 내 수소버스 충전소를 포함한 2곳에 안정적으로 수소를 공급함으로써 지역 내 분산형 수소 생산·활용체계를 확립했다는 점도 성과다.

한편 충주바이오그린수소충전소는 450bar 튜브트레일러 충전이 가능하도록 설계됐는데, 일진하이솔루스에서 450bar 튜브트레일러의 설계 변경과 최적화를 진행 중으로, 운행 허가를 받으면 실증 충전에 들어갈 예정이다.

Q. 충주바이오그린수소충전소에서 ‘충북 그린수소 규제자유특구사업’의 일환으로 실증이 진행되는 것으로 알고 있다. 주요 실증 내용과 추진 현황, 기대효과를 말해달라.

충주하수처리장에 잉여 바이오가스(8,000㎥/day)의 전처리·고질화 설비와 수소생산설비 1기를 설치해 하루 500kg의 수소를 추가로 생산할 예정이다. 또 직접 연료전지시스템(50kW 2기)을 구축해 수소충전소 내 전기 공급, 바이오가스 고질화 설비와 수소생산설비에서 하루 15톤의 이산화탄소 포집, 스마트팜 이산화탄소 시비 및 액화설비 등을 실증할 예정이다.

바이오가스를 활용한 청정수소 생산·저장·활용 전주기 평가를 통해 안전기준안을 마련하고 지속 가능한 비즈니스 표준모델을 확립할 계획이다.  

현재 설계 중으로 내년 상반기에 구축을 완료해 시험운전을 한 후 하반기에 상업운전을 진행할 계획이다. 바이오가스를 이용한 청정수소 생산 및 활용시스템(수소전기차 충전, 연료전지발전, 이산화탄소 포집·액화, 이산화탄소 시비)이 한 곳에 집적화되어 상업 운영될 것이다.

또 향후 음식물쓰레기 수거 차량을 수소차로 전환해서 수소청소차와 같이 현장에서 운영된다면 수소 기반 자원순환체계가 확립되어 중·고등학생과 일반 시민들의 수소에 대한 인식 전환과 환경적 가치 창출에 기여할 것으로 기대된다.

Q. 바이오가스 기반 수소생산 관련 시설을 구축하는 데 설계, 공정, 적용 기술, 엔지니어링 등 모든 측면에서 중점적으로 고려해야 할 사항은 무엇인가?

개인적으로 자립 운영을 통한 지속 가능성이 가장 중요하다고 생각한다. 지역의 수소 수요 및 공급 현황, 지자체의 수소 관련 관심 및 정책 방향 등을 고려해서 시설의 지속 가능성을 달성할 수 있어야 한다.

다음으로 설계한 공정에 핵심설비의 기술 완성도를 고려한 제조사의 성능 보증이 가능한지가 중요하다.  

공정별 높은 성능보다 운전성능이 조금 낮아지더라도 잔고장 없이 안정적으로 시설이 운영될 수 있도록 공정을 설계했는지와 개별 핵심설비 고장 시에도 전체시설 관점에서 시설이 가동 중지되지 않고 운영될 수 있는지를 고려해야 한다.

충주바이오그린수소충전소는 고압 압축기가 고장나도 450bar로 50% 충전이 가능하고, 수소생산설비가 고장나도 튜브트레일러를 통해 저장식 수소충전소처럼 운영이 가능하도록 공정을 설계했다.

마지막으로 관련 시설에 대한 사업비와 유지관리비가 적정한지도 고려해야 한다.

Q. 바이오가스 기반 청정수소 생산사업의 활성화를 위해선 경제성 확보는 물론 규제 완화 등 법·제도적으로나 기술적으로 개선해야 할 부분도 있을 것이다.

충주바이오그린수소충전소의 운영 경험을 참고한다면 마더스테이션이 아닌 생산된 수소를 튜브트레일러에 충전해서 판매하는 수소출하시설로 구축하는 것이 고정비를 절감하고 핵심설비의 잔고장이 적어 경제성 확보 측면에는 효과적이라고 판단된다.

또 경제성을 확보하기 위해선 수소제조업자가 도시가스사업자를 통하지 않고 바이오가스생산자로부터 직접 바이오가스를 공급받을 수 있도록 도시가스사업법 개정이 필요하다.

바이오가스를 이용한 수소제조 시에는 도시가스 품질기준을 적용받지 않는, 수소생산을 위한 공정가스로 분류하도록 도시가스사업법의 보완이 필요하다.

바이오가스 전처리 및 고질화 기술은 20년 이상 운용되어 검증되었고 성숙한 단계에 있다. 수소추출기와 같은 수소생산기술을 보유한 에어프로덕츠, 린데 등은 오랜 기간 상업운전을 통해 기술적 완성도를 갖추고 있다.

국내 수소추출기 기술은 해외 선진기술보다는 부족한 부분이 있지만 상업적으로 운전하면서 현장 설계 및 운영 노하우를 축적하고 있고, 이를 통한 기술 검증과 설비 개선 등으로 완성도를 높여가고 있다.

하지만 현재 청정수소 생산사업의 활성화를 가장 크게 저해할 것으로 예상되는 부분은 수소법에 따라 수소추출기에 대해 수소용품으로 인증을 받아야 해서 수소추출기 비용이 25억 원 내외(2022년 기준 시험운전 포함)이던 것이 30억 원 이상으로 높아짐에 따라 시설비와 유지관리비 상승으로 경제성이 크게 낮아지는 문제가 발생한다는 점이다.

Q. 바이오가스 기반 수소 생산사업을 추진하는 관계자들에게 조언하고 싶은 말이 있으면 해달라.

청정수소 하면 거의 모든 사람이 풍력 또는 태양광발전의 잉여전력을 이용한 수전해를 통해 생산된 수소만을 이야기하고 있다. 하지만 단기적으로 국내 청정수소 시장 확대를 위한 동력은 바이오가스 기반수소 생산사업이라고 생각한다.

하지만 수소사업은 아직 시설비 관점에서 정부와 지자체의 지원이 필수적이다. 정부와 지자체의 관심이 우선 선행되어 관련 시장을 만들어주는 것이 중요하다.

실제 바이오가스 기반수소생산사업을 추진할 때는 앞서 언급한 설계, 공정, 엔지니어링 등 모든 측면에서 사전에 고려할 사항을 세심하게 검토해 사업을 추진하는 것이 필요하다.