<사진. KISTI 미리안 사진자료
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

하수 슬러지를 전기와 엔진 오일로 전환시키는 바이오배터리

식품 공업, 농업 부산물, 동물 분뇨와 같은 더 넓은 의미의 바이오매스 자원인 하수 슬러지, 녹색 폐기물, 생산 공정 잉여물, 바이오배터리(biobattery) 모듈 개념을 통해, 이전보다 더 다양하게 에너지 회수 목적으로 활용될 수 있다. 연구진은 유기성 잉여물을 전기, 열, 정제 가스, 엔진 오일, 고품질 바이오차로 전환하는 방안을 고안하였다. 바이오가스 플랜트는 에너지 공급 분산화에 중요한 요소이다. 재생 자원으로 전력을 생산하며, 이를 통해 풍력 및 태양 에너지의 높은 변동성을 보상할 수 있다. 독일 내에서는 이미 8000개의 플랜트가 운전 중이며, 총 3.75GW 전력을 생산하고 있다. 이는 핵발전소 3곳에서 생산하는 규모와 맞먹는다. 하지만 유기성 물질에만 한정적으로 적용이 가능하며, 식량 자원 재배와의 경쟁 문제가 남아 있다.

전기, 오일, 바이오차 생산

독일 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구소에서는 바이오가스 플랜트의 효율을 상당 수준 향상시키는데 성공하였다. 연구진이 개발한 바이오배터리 공정은 전력과 열 에너지를 공급할 뿐만 아니라 고품질의 가스, 오일, 식물성 탄소를 생산할 수 있다. 바이오배터리 공정은 전력 생산, 해양 또는 항공 연료, 연료 또는 비료 혼합물 등의 목적에 따라 다양하게 활용될 수 있다. 추가적인 개발을 통해 화학물질 생산 산업의 기본 구성물의 생산에도 적용할 수 있다.

바이오배터리는 모듈식이며, 전력 생산을 위한 바이오가스 플랜트, 열저장, 기화기, 엔진과 같은 환경친화적 기술이 집약적으로 모여있다. 이번 콘셉트의 핵심은 열촉매 개질(thermo-catalytic reforming, TCR)이다. 이를 통해, 바이오가스 플랜트나 바이오에탄올 공정에서 발생하는 발효 잉여물, 산업 바이오매스 폐기물, 하수 슬러지, 농업 부산물, 폐목재, 동물 분뇨와 같은 폐유기물 자원을 오일, 가스, 바이오매스 코크로 전환할 수 있다. Andreas Hornung 교수는 “바이오배터리의 특징적인 장점은 매립 비용이 높은 다양한 폐자원을 활용할 수 있다는 것”이라고 설명하였다.

생물원 잉여물 공정 파일럿 플랜트

연구진은 시간당 30kg의 발효 잉여물을 처리할 수 있는 파일럿 플랜트를 직접 운전하였다. 일차적으로, 원료물질은 통문을 통해, 산소 없이 계속적으로 회전하는 스크류로 유입된다. 이후, 가열을 통해 유기물 분해가 이루어지며 바이오차와 휘발성 증기로 전환된다. 증기는 다시 가열된 뒤 냉각되게 된다. 해당 공정을 통해 증기는 액상으로 응결되며, 바이오오일과 물을 포함하게 된다. 연구진은 고품질의 오일을 분리한 후 재사용하였다. 또한 공정에서 발생하는 가스는 정제 후 포집되었다. 액상, 기상, 고상 생성물은 다양한 경로를 통해 재이용이 가능하다. 오일의 경우, 해양 및 항공 연료 또는 열병합발전에 활용할 수 있다. 가스 또한 전력 및 열에너지 생산에 활용이 가능하다. 분리된 공정수에는 다양한 짧은 사슬 구조의 생분해성 탄소 화합물이 포함되어 있다. 이는 다시 바이오가스 플랜트로 이동되어 메탄 수율 향상에 기여할 수 있다. 또한 바이오차는 토양 개량제로 적합하다.

효율적으로 운전되는 바이오배터리

Hornung 교수는 “해당 플랜트는 75% 이상의 에너지 효율을 고품질의 에너지원으로 전환가능하며, 강건하고 연속적인 공정으로 운전이 가능하다. 공정 효능은 이동 잠열 가속기를 통해서 더욱 향상될 수 있다”고 덧붙였다. 바이오배터리의 핵심 장점은 시스템이 지속적으로 확장될 수 있다는 것이다. 이는 재정적 측면에서도 운전 상에 이점으로 작용할 수 있다. 연구진은, 수익성 분석을 통해, 높은 초기 투자비용이 필요치 않다고 강조하였다.

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