[월간수소경제 성재경 기자] ‘신재생에너지 핵심기술 개발사업’. 사업명이 거창하다. 과제명으로 보면 한결 이해가 쉽다. ‘바이오가스를 이용한 수소융복합충전소 기술개발 및 실증’. 현장을 둘러보고 실감했다. 판을 아주 잘 짰다. 길 건너에 있는 ‘충주 음식물 바이오에너지센터’에서 생산한 바이오가스를 배관으로 받아 수소를 생산한다.

그러니까 이곳은 온사이트형 수소융복합충전소다. 충주시 봉방동 649-8번지에 있는 7,200㎡(약 2,180평) 부지에 수소추출기, 수소출하시설, 저압·고압용기, 압축설비, 수소충전소가 모두 들어와 있다. 이번 사업의 주관기관인 고등기술연구원 송형운 수석연구원의 말을 들어보자.

“엔지니어링 관점에서 통합시스템을 염두에 두고 설계된, 국내 최초의 ‘수소 마더스테이션’이라 할 수 있죠. KGS(한국가스안전공사) 코드 규정에 따른 수소충전소 설계가 대부분 반영돼 있어요. 올해 초 상업 운영을 통해 얻는 데이터로 산업연구원에서 비즈니스 표준모델을 내놓게 됩니다.” 

바이오가스로 하루 500kg 수소생산

12월 초에 타설한 콘크리트가 단단하게 굳었다. 현장의 건물은 모두 완공됐고, 내부의 주요 설비도 대부분 들어온 상태다. 마무리 배관 작업이나 설비 연결 작업을 하느라 참여사 기업의 직원들이 바삐 움직이고 있다. 

부지 오른쪽 끝에 현대로템이 오사카가스에서 기술이전을 받아 제작한 HY-Green 300 모델이 놓여 있다. 시간당 300N㎥, 그러니까 약 27kg의 수소를 생산하는 SMR(스팀메탄개질) 수소추출기다. 하루에 500kg에서 600kg 정도의 수소생산이 가능하고, 효율은 70% 이상이다. 

“바이오가스 배관, 도시가스 배관이 둘 다 들어와 있어요. 바이오가스가 끊기면 도시가스로 전환을 해서 운전을 이어갈 수 있죠. 여러 가지 상황을 고려해서 어떻게든 운전이 되도록 대비책을 세웠습니다. 메탄을 개질할 때 이산화탄소가 나오지만, 음식물쓰레기에서 나는 바이오가스가 탄소중립 연료라서 이를 개질한 수소를 ‘그린’으로 보고 있죠.” 

보통 그린수소 하면 물을 전기분해해서 얻는 수전해 수소를 떠올린다. 바이오가스는 음식물쓰레기를 처리하기 위한 혐기발효 시에 발생하는 가스로, 통상 메탄과 CO₂가 6대 4 비율로 섞여 있다. 유럽연합에서는 바로 이 바이오메탄을 개질한 수소를 그린수소의 범주에 넣지만, 국내에는 아직 이런 규정이 없다. 그래서 이 사실을 모르는 사람이 많다. 

“충주 음식물 바이오에너지센터에서 하루에 처리하는 음식물쓰레기 용량이 60톤 정도 됩니다. 혐기성 소화조에서 발효를 하면 바이오메탄이 60% 정도 섞인 가스가 나오는데, 먼저 전처리공정으로 황화수소나 실록산을 흡착해서 정제한 다음, 이산화탄소를 분리해서 메탄을 고질화하는 공정을 밟게 되죠. 이 과정을 거쳐 메탄 함량이 97% 이상인 바이오가스를 우리가 쓰게 돼요. 한데 이걸 그대로 쓸 순 없어요. 여기에 LPG와 부취제를 첨가해서 도시가스로 만들어 쓰죠.”

바이오가스는 도시가스사업법에 따라 도시가스로 묶여 있다. 그래서 LPG 열조설비를 갖추고 부취제도 넣어야 한다. 도시가스 품질 규정을 맞추기 위해 추가 설비와 공정, 비용이 드는 셈이다.

“메탄은 냄새가 안 나요. 그래서 안전한 식별을 위해 부취제를 넣게 되죠. 이게 황 성분이에요. 수소로 개질할 때 탈황기로 처리를 하게 되죠. 충북이 지난해(2021년) 그린수소산업 규제자유특구에 지정이 됐어요. 돈과 시간을 들여 황을 넣고, 다시 황을 제거하는 불합리한 규제를 없앨 수 있는 길이 열린 거죠. 이렇게 되면 바이오가스를 바로 받아서 수소를 제조할 수 있어요.”

결국 도시가스사업법을 개정하거나 예외 조항을 두게 된다. 도시가스사업자들의 반발을 불러올 수 있는 대목이다. 역으로 도시가스사업자가 수소생산 사업에 적극적으로 뛰어드는 계기가 될 수도 있다. 

전국 곳곳에 음식물쓰레기 처리장이 있다. 여기서 나는 바이오가스를 수소로 개질해 판매하거나 수소충전소와 연계하는 사업 모델이 가능하다. 실제로 충주 현장을 본보기 삼아 사업을 준비 중인 곳이 많다. 

가장 대표적인 곳이 전북, 전주시와 손을 잡은 한국수력원자력이다. 한수원은 전주리싸이클링타운 안에 연료전지발전소를 세우고, 음식물쓰레기에서 나는 바이오가스를 활용해 수소와 전기를 생산할 예정이다. 연료전지 발전소를 운영해 전력 판매에 나서고, 수소는 전주시가 운영하는 수소충전소에 공급한다. 일명 ‘바이오가스 기반 수소융복합 사업’을 위해 최근 업무협약도 맺었다. 태영건설, 전북도시가스도 참여한다.

“메탄의 지구온난화 지수가 이산화탄소보다 21배나 높다고 알려져 있죠. 메탄이 지구온난화에 미치는 영향이 이산화탄소의 84배에 달한다는 보고도 있습니다. 그래서 바이오가스는 그냥 날리지 않고 태워 없앱니다. 폭발의 위험이 크기 때문에 이게 최선이죠. 이 바이오가스를 활용해 수소를 생산하면 온실가스 감축 효과가 크고, 생산 원가도 천연가스 대비 40% 이상 저렴해서 수소가격 안정화에 기여할 수 있죠.”

충주 바이오가스 수소융복합충전소 사업은 지난 2019년 5월에 시작됐다. 충주 음식물 바이오에너지센터의 바이오가스를 받아 하루 500kg의 고순도 수소를 생산하고, 이를 인근 지역에 유통하거나 현장에서 판매한다. 450bar 튜브트레일러, 700bar 이상 수소차량 충전에 모두 대응이 가능한 것도 큰 장점이다.  

이번 과제에는 고등기술연구원을 비롯해 충주시, 충청북도, 충북테크노파크, 효성, 비츠로넥스텍, 서진에너지, 산업연구원이 이름을 올리고 있다. 

“올해 4월 말까지 실증이 잡혀 있어요. 두 달에 걸쳐 1,500시간 이상 하루에 500~600kg의 수소를 생산하게 되죠. 실증이 끝나면 5년간 의무 가동운전에 들어가게 돼요. 수소 충전가격을 애초에 kg당 7,000원으로 잡았는데, 지금은 6,500원까지 낮추자는 말이 나오고 있죠. 부생수소를 쓰는 울산보다 판매가를 낮게 가자는 말이 있어요.”

추출기·출하장·충전소 갖춘 ‘수소 마더스테이션’ 

수소추출기 왼쪽에 수소출하시설이 있다. 튜브트레일러를 주차해서 수소를 충전하는 곳이다. 엄밀히 말해 수소출하장은 왼쪽 칸이다. 오른쪽 칸은 수소추출기 고장으로 작동이 힘들 경우 일반 튜브트레일러를 저장식 수소탱크로 연결해 수소를 당겨쓰는 공간으로 활용될 예정이다. 

송형운 수석연구원이 ‘수소 마더스테이션’이라는 말을 자주 강조하는 데는 이유가 있다. 실제로 이곳은 제조식 수소충전소(KGS FP 216), 수소출하설비(KGS FP 211), 저장식 수소충전소(KGS FP 217) 등 KGS 관련 코드 3개를 모두 받은 유일한 현장이다.

수소출하장 옆에 압축설비실이 가로로 길게 놓여 있다. 저압·고압용기와 압축기를 갖춘 건물로 규모가 가장 크다. 오른쪽 문으로 들어서자 버퍼탱크가 눈에 든다. 압축설비실과는 분리되어 뚫린 천장 밑에 자리하고 있다. 

압축설비실 안으로 들자 광신기계공업의 다이어프램 압축기 4대가 빼곡히 놓여 있다. 엔지니어가 설계도면을 확인하면서 배관이나 피팅, 유격 등을 확인하는 중이다. 시운전을 앞두고 이뤄지는 통상적인 준비 작업이라 할 수 있다.

“현재 압축기 3대가 들어와 있어요. 조만간 저압용 한 대가 더 들어오면 모두 합쳐 4대가 되죠. 수소추출기에서 나온 수소가 7bar의 압력으로 이곳으로 넘어오면 1차로 저압용 압축기를 돌려 87bar까지 올려요. 그런 다음 450bar 중압으로 가압을 하게 되죠.”

가로로 놓인 다이어프램 압축기 2대가 그 일을 한다. 오른쪽 끝에 세로로 서 있는 것이 870bar 고압압축기다. 수소전기차용 700bar 충전에 쓰인다. 

“7bar의 수소를 한번에 450bar까지 올리면 압축기에 부하가 많이 걸려요. 그래서 저압용 압축기 2대를 따로 쓰기로 했죠. 애초에 이곳은 450bar 튜브트레일러 충전이 가능하도록 설계가 됐어요. 일진하이솔루스가 지난해 개발한 450bar 튜브트레일러의 실증 충전을 여기서 하기로 되어 있죠. 이미 협의를 마쳤습니다.”

타입1 탱크를 장착한 200bar 튜브트레일러의 충전도 당연히 된다. 수요처는 일단 현장에 있는 수소충전소, 현대모비스 충주공장으로 잡고 있다. 수소충전소의 경우 500kg을 모두 활용할 경우 버스(대당 29kg 기준)는 하루 2대 이상, 승용차(대당 5kg 기준)는 65대 이상 충전할 수 있다. 하지만 충전 수요는 그리 크지 않다. 

“여기서 차로 20분 거리에 현대모비스 충주공장이 있어요. 넥쏘에 들어가는 연료전지 파워팩을 생산하는 곳이죠. 연료전지를 테스트할 때 수소가 필요하다고 하더군요. 수소충전소용으로 200kg만 남겨두고 나머지 전량을 현대모비스 측이 구매해주면 가장 좋죠. 충북테크노파크 쪽에 들어오는 이동식 수소충전소나 일반 수소충전소에 수소를 공급하는 방안도 고려하고 있습니다.”

수소의 활용법은 또 있다. 수소연료전지를 들여 전기차 충전에 활용하거나 내부 설비 가동에 전원을 공급하는 것이다. 실제로 이 안은 충북 그린수소산업 규제자유특구 사업에 포함되어 2단계 실증과제로 추진된다. 

고등기술연구원은 한국전력 전력연구원 등과 ‘IGFC(석탄가스화 복합발전) 적용을 위한 석탄 합성가스 정제 및 전환기술 개발’ 국책과제를 수행한 적이 있다. 서부발전 태안발전본부 IGCC 부지에서 IGCC 합성가스를 정제해 고순도 수소를 생산한 후 이를 연료전지에 넣어 발전했다. 당시(2019년) 에스퓨얼셀이 순수소로 작동하는 50kW PEM 연료전지를 개발한 바 있다. 

“개질기가 필요 없기 때문에 크기도 작고 구조가 단순해요. 전기효율도 50% 정도로 높은 편이죠. 순수소를 직공급해서 쓰기 때문에 그레이수소에 대한 우려도 없고요. 이 사업은 2022년에 시작됩니다. 100kW 정도 넣어서 활용해보면 운영비 같은 데이터가 축적되면서 사업모델이 나오지 않을까 생각해요. 충전기를 설치하면 전기차 충전도 가능하죠.”

‘충북 그린수소산업 규제자유특구’ 사업으로 확장

고등기술연구원의 홍기훈 선임연구원과 함께 음식물 바이오에너지센터를 찾는다. 입구 안쪽에 중국 찐빵을 꼭 닮은 바이오가스 탱크가 놓여 있다. 이곳은 지난 2016년에 현대건설, 한국가스기술공사, EG테크가 세웠다. 

잘게 다져 액상화된 음식물쓰레기가 혐기성 소화조에서 미생물에 의해 분해될 때 바이오가스가 나온다. 소화조 내 미생물을 고농도로 유지해 음식물쓰레기의 소화효율을 높여 바이오가스 생산율을 높이게 된다. 또 전 공정을 밀폐형 폐쇄구조로 설계하고, 악취가 주로 나는 구역에 포집관을 설치해 악취 유출을 최소화했다. 

“전처리공정을 거친 다음 고질화 설비로 CO₂를 분리해서 바이오메탄의 순도를 높이게 되죠. 일반적이진 않은데, 이곳은 CO₂를 분리할 때 PSA(압력변동흡착)와 기체분리막 방식을 같이 쓰고 있어요. 바이오가스 고질화를 통해 생산된 바이오메탄 함량은 98~99%로 높은 편이죠.”

바이오가스를 이용한 수소융복합충전소 시범사업은 충북이 그린수소산업 규제자유특구로 지정되는 데 큰 영향을 미쳤다. 2022년부터는 규제자유특구 사업으로 가면서 바이오가스 생산 현장 한 곳이 더 추가된다. 1.5km 정도 떨어져 있는 충주하수처리장을 배관으로 연결해 하루 500kg의 수소를 추가로 생산하게 된다. 이렇게 되면 하루 1톤의 수소생산이 가능해진다.  

충북 규제자유특구 사업도 고등기술연구원이 그대로 주관기관을 맡는다. 여기에 현대로템, 서진에너지, 에어레인, FITI시험연구원 등이 함께한다. 

“이번에도 현대로템의 수소추출기가 들어오게 되죠. 서진에너지는 바이오가스 생산을 맡고, 에어레인은 바이오가스 고질화 설비를 맡게 됩니다. FITI시험연구원은 그린수소 전주기 성능·안전성 평가, 사업화를 위한 그린수소 표준모델 개발 연구를 하게 되죠.”

안정적으로 바이오메탄을 공급받는 데는 하수보다 음식물쓰레기 쪽이 낫다고 한다. 음식물쓰레기는 발효를 위해 가온을 해주는 온도조절 설비가 붙어 있다. 그래서 겨울철에도 안정적으로 바이오메탄을 얻을 수 있다. 그에 반해 하수에는 유기물의 종류나 양이 충분치 않아 기온이 떨어지는 겨울에는 바이오가스 생산량이 뚝 떨어진다. 

이번 규제자유특구 사업에는 CCU(탄소 포집·활용)가 포함된다. 기체분리막을 통해 포집한 이산화탄소를 인근 비닐하우스 농작물 재배에 시비로 쓸 수 있다. 또 수소추출기에서 나오는 CO₂를 포집해 액화하거나 드라이아이스로 만드는 공정이 추가될 예정이다.

“실제로 비닐하우스에 면세유인 등유를 때서 이산화탄소 시비를 하고 있더군요. 이산화탄소를 넣고 안 넣고의 차이가 큰가 봐요. 딸기만 해도 빛깔이나 크기에서 차이가 확 나죠. 수소추출기의 경우 수소 1톤당 22톤의 이산화탄소 포집이 가능해요. 몰(mol) 단위로 계산하면 그 정도가 나오죠.”

비용이 문제다. 수소추출기에서 나오는 배출가스의 온도가 160℃나 된다. PSA 설비를 붙여 CO₂를 포집해야 하는데, 그러자면 가스 온도를 떨어뜨려야 해서 열교환기가 또 필요하다. 이런 고가의 설비를 붙이다 보면 포집 비용이 크게 뛴다. 여기에 이산화탄소 유통을 위한 액화시설까지 하면 비용이 눈덩이로 불어난다. 

“액화탄산으로 유통하려면 규모의 경제가 받쳐줘야 해요. 하루에 수소를 3, 4톤 정도는 생산해야 CCU에 대한 경제성이 나오죠. 현대로템과 이런저런 안을 놓고 고민하고 있어요. 바이오가스 1톤을 뺀 나머지 2, 3톤 정도를 도시가스 개질로 가면서 CCU를 적용하는 안을 유력하게 보고 있죠.”

바이오가스 활용에 CCU를 접목하면 ‘카본 제로’에서 ‘카본 마이너스’가 가능해진다. 다만 실제로 어느 정도의 경제성이 나올지는 사이트를 완공해서 운영해봐야 안다. 현장에서 찾는 답이 가장 정확하다. 

출장으로 급하게 자리를 비운 송형운 수석연구원이 한 말이 떠오른다. 

“음식물쓰레기 처리장의 경우 유기성 폐기물 처리로 얻는 돈이 가장 커요. 이게 본업이죠. 이전에는 바이오가스를 태워서 없앴어요. 메탄을 대기 중에 그냥 날릴 순 없으니까요. 이 바이오가스를 활용해 수소를 생산해 판매하고, 그린수소에 대한 인센티브를 받고, 여기에 연료전지 발전으로 얻는 수익을 더하면 고정비를 크게 줄일 수 있죠. 큰돈이 드는 CCU만 해도 온실가스 저감이라는 환경의 이점을 고려해야 해요. 따로 볼 게 아니라 한 데 묶어서 세트로 봐야 합니다.”

그래서 세트로 본다. 왼쪽에서 오른쪽으로 고개를 돌려 융복합충전소 현장의 파노라마를 눈에 담는다. 수소차량과 튜브트레일러가 드나들고, 압축기와 수소추출기가 돌아가는 분주한 현장이 언뜻 머리를 스친다. 조만간 마주하게 될 미래라 할 수 있다.