바이오가스 생산 공정의 고품위화(Bio-gas Ugrading): 현황 및 전망
2019-09-08
org.kosen.entty.User@3e6de2e7
이인규(young428)
1. 개요
바이오가스의 성분비는 메탄(CH4) 55~70%, 이산화탄소(CO2) 30~40%로 매립지가스와 천연가스에 비하여 이산화탄소 비율이 높다. 바이오가스 고품위화(Upgrading)는 천연가스 수준의 열량 확보를 위하여 메탄 함량ㅇ을 95%까지 높이기 위해 바이오가스 중 이산화탄소 및 분순물을 제거 혹은 분리하는 것이다. 바이오가스를 고품위화(정제 및 고질화)한 순수한 메탄을 바이오 메탄이라고 하며, 이는 천연가스 설비로 공급, 에너지발생 및 화학공업 등의 원료로 직접 이용될 수 있다. 이러한 바이오가스 고질화 기술의 이점은 화석연료의 대체 또는 신규 규격을 가지는 균일연료를 지속적으로 공급이 가능하다. 또한, 바이오가스 압축용량 감소로 에너지 소비 감소와 불순물을 제거하여 높은 열량을 얻을 수 있으며, 신규 바이오가스 활용 영역의 개척 등이 있다. 하지만 바이오가스 고품위화 기술의 핵심 요소는 유지관리 비용의 경제성 문제 해결이 가장 크다고 할 수 있고, 안정적인 고순도 메탄생성 및 에너지소비 등 다양한 문제점에 직면해 있는 상태이다. 이러한 문제점을 극복하고자 최근에는 생물학적으로 바이오가스를 고질화하는 기술의 실증화를 목표로 연구가 수행되고 있다.
본 보고서는 기존 바이오가스 고질화(Upgrading) 기술의 종류 및 현황에 대해 주로 다룰 것이다. 특히, 현재 파일롯 플랜트 단계에서 실증화 연구를 수행하고 있는 수소 이용 메탄생성균(Hydrogenotrophic methanogens)을 이용한 생물학적 바이오가스 메탄화 공정에 대한 소개 및 전망에 대해 다루고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 바이오가스 고질화(Upgrading) 기술 현황
바이오가스 고질화(정제)는 바이오가스 중 이산화탄소를 분리해내는 기술을 말한다. 현재 바이오가스 생산시설에서 적용하고 있는 고질화 기술로는 흡착법, 흡수법, 막분리법(membrane separation), 액화저온분리법(Cryogenic separation) 법이 있다. 압력순환흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 공정은 고온, 고압에 노출되었을 때 분자 크기가 메탄보다 작은 이산화탄소, 산소, 질소가 고형물 표면에 흡착됨으로써 이산화탄소를 분리해낸다. 흡착제로서는 주로 활성탄이나 제올라이트가 사용된다. PSA 공정은 네가지 단계로 이루어진다. 700-800 kPa의 높은 온도가 요구되기 때문에 에너지 소모량이 크다. 세정법(Water Scrubbing)은 이산화탄소가 메탄보다 액상으로의 용존성이 높음을 이용한 방법이다. 고온에서 바이오가스가 scrubber를 지나감에 따라 이산화탄소가 물에 흡수되어 메탄만 지나가게 된다. 막분리법은 이산화탄소, 수분, 암모니아에 투과가 가능하지만 메탄, 질소는 투과가 불가능한 막을 통해 메탄을 정제하는 방법이다. 가스 분리 효율을 높이기 위해 순환이 여러번 필요하다. 막의 재질로는 cellulose acetate와 aromatic polymides가 주로 활용된다. 액화저온분리 공정은 바이오가스를 여러 차례에 걸쳐 압축시키는 방식이다. 압축된 가스는 냉각 공정을 거치며 얼지 않도록 건조되며 열교환기에 의해 –55℃ 로 냉각된다. 이후 압력이 변하며 온도는 –110℃까지 냉각된다. 마지막 단계에서 다시 가열되어 메탄 순도 97% 이상의 가스만 포집된다[1].
2.2. 바이오가스 고질화 시설 운영 현황
바이오가스 생산 시설은 지속적으로 증가하는 추세에 있으며, 2015년에 전세계적으로 430개의 시설이 운영 혹은 신축될 것으로 조사되었다[1]. 전 세계적으로 바이오 메탄 플랜트는 독일이 188개로 가장 많은 시설을 보유하였으며, 그 뒤를 이어 스웨덴(59개소), 영국(50개소), 스위스(29개소), 네덜란드(24개소) 등이 플랜트를 운영하고 있고, 한국은 총 10개소를 운영 중에 있는 것으로 조사되었으며, 이들 시설에 주로 적용된 기술은 크게 물이나 흡수제를 이용하는 흡수법(Water scrubber, Amine Scrubber)이 있고, 제올라이트, 탄소분자체 등을 이용하는 흡착법(Pressure Swing Adsorption), 분리막을 이용하는 막분리법 등이 있다. 화학적(세정, 흡수, 흡착)프로세스는 소요 장치 규모가 크고 에너지 소요량이 큰 것이 특징이며, 막 기반 고질화 공정은 높은 에너지 효율, 낮은 자본투자, 운전과 유지보수 용이성이 있지만, 압축기, 막 모듈, 열 교환기, 오프가스 처리장치 등이 필요하며, 고순도 메탄 품질을 얻기 위해 강력한 구동력이 요구되며 상당한 운전비용이 요구된다. 기술별로 세정법이 152개소가 적용되었으며, 화학세정과 막분리법 이 88개소, 압력순환흡착법 이 72개소가 적용된 것으로 조사되었다[1].
2.3. 생물학적 바이오가스 고품위화(Biological methanation) 기술
기타 바이오 메탄의 고품위에는 촉매를 이용한 이산화탄소의 화학적 전환법, 전기화학적 방법, 생물학적 메탄 고품위화 방법이 있다. 촉매를 이용한 이산화탄소의 화학적 전환은 CO2와 H2를 촉매 조건 하에 반응시켜 생성된 탄화수소를 메탄으로 전환하는 것으로 고온/고압 조건이 요구되며, 전기화학적 전환은 전해질에 녹아 있는 CO2로부터 전기화학적 환원반응을 통해 메탄을 생성시킨다(CO2 + 8H+ + 8e- → CH4 + 2H2O; e=-0.84V).
생물학적 메탄 고품위화 방법은 혐기소화 공정(Anaerobic digestion)의 수소 이용 메탄생성균(Hydrogenotrophic methanogens)을 이용하는 것으로 다른 방법에 비해 비교적 적은 에너지와 비용이 소모된다. 혐기 소화조의 메탄 생성균은 아세트산을 기질로 활용하는 Acetoclastic methanogen과 수소, 이산화탄소 가스를 기질로 활용하는 Hydrogenotrophic methanogen으로 구분할 수 있으며, 두 균의 우점 상태는 반응기 운전 조건에 따라 달라진다. 혐기 소화조에 H2 혹은 CO2를 주입하는 다양한 접근법이 제안되고 있다. 먼저 H2가스를 혐기 소화조에 직접 주입하여 Hydrogenotrophic methanogen을 통해 메탄으로 전환하는 in-situ 바이오가스 고질화 기술과 혐기 소화조 후단에 별도의 반응조를 배치하여 H2와 외부 배출원에서 공급되는 CO2를 주입하는 Ex-situ 기술이 제안되고 있으며, 두가지 방법 모두 연속적인 수소 주입을 통해 바이오가스 CH4 함량 최대 90% 이상을 나타낸 결과가 보고되고 있다. 또한 In-situ와 Ex-situ 공정을 결합한 하이브리드 공정으로 구분할 수 있다. 하지만 생물학적 바이오가스 고질화 기술은 H2의 낮은 용해성으로 반응이 충분히 이루어지지 않는 경우 상대적으로 용존 CO2량이 많아져 pH가 낮아질 수 있으며, 이 경우 H2와 CO2의 주입 비율을 조절하여 pH를 조절할 수 있다[1].
2.4. 생물학적 수소 이용 메탄화 공정(Biological hydrogen methanation)
앞서 설명했듯이 바이오가스의 고품위화(Biogas upgrading)는 다음과 같은 방식으로 바이오가스 중 메탄함량을 높이는 방법으로 1)혐기소화 공정의 개선을 통해 바이오가스 중 이산화탄소 또한 미량 가스성분(수증기, 실록산, 황화수소, 암모니아, 산소, 질소)을 제거하는 방법 2)바이오가스 중 이산화탄소를 바이오 메탄으로 전환시키는 방법(화학적인 방법으로 수소 반응, 수소 이용 메탄생성균을 이용한 생물화학적방법, 전자를 공급함으로써 생물전기화학적 방법이 있다. 다음은 생물학적 수소 이용 메탄화 공정의 원리, 운영 효율, 공정비교 등을 다루고자 한다.
일반적으로 혐기 소화조는 두 가지 메탄 생성경로가 있으며, 두 균의 우점 상태는 반응기 운전 조건에 따라 달라진다. 1)Acetoclastic methanogen, 2)Hydrogenotrophic methanogen의 미생물을 활용하여 생물학적 바이오가스 고질화를 달성할 수 있다. 생물학적 수소 이용 메탄화 공정 (Biological Hydrogen Methanation, BHM) 주요 반응 경로는 (1)수소 이용 메탄생성균은 (Eq. 1) hydrogenotrophic Archaea (HM)에 의해 CO2와 H2가 CH4로 전환, (2) Acetoclastic methanogenic (AM) 활성에 의한 아세트산의 메탄화(Eq. 2), (3) 높은 기질 활성에 의한 homoacetogenesis (HA) 반응(Eq. 3)에 의해 아세트산을 생성하느 Wood-Ljungdahl 경로로 이루어진다[1, 5].
Luo et al. (2012)의 연구에서 반응조에 수소를 주입하여 생물학적으로 고질화하는 방법을 제안하였다[3]. 수소를 주입함으로써 수소 이용 메탄생성균의 전자수용체로 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환시키는 공정이다. 메탄은 수송용 연료로 이용가능하며 수소보다 3배 저렴하게 저장할 수 있다. 또한, 기존 천연가스 공급망에 고질화된 바이오가스를 이용할 수 있는 장점이 있다. Luo 와 Angelidaki (2012)는 실험실 수준에서 In-situ H2 이용 생물학적 메탄화공정 연구를 수행하였고, 그림 5와 같은 결과를 얻을 수 있었다[4]. 0~10일의 안정화 기간 이후 수소 가스 주입량을 6~24 L Lreac d-1 로 늘리면서 메탄가스 발생량은 1.5~5.3 L Lreac d-1까지 증가했으며 메탄 함량은 90~95%로 유지되었다. 이론적인 CH4/H2 수율은 0.25이며, 0.23으로 높은 수율을 나타냈다. 즉 소모된 H2는 양론적으로 CH4를 생산하는데 이용되었다. 실험조건은 고온인 55℃, 500~800 rpm으로 교반 하였고, pH는 7.8을 유지하였다. 미생물군집분석 결과, 주요한 우점종은 Methanobacteriales었고, 90%이상의 메탄함량을 달성하였다. 가스 주입량은 최대 24 L Lreac d-1으로 약 130 mL H2/min에 해당되었으며 수소가스의 기체-액체 질량전환의 한계치에 근사하였다.
Lecker et al. (2017)의 연구에서는 이상 고온 소화를 통한 하이브리드 바이오가스 고질화 시스템을 제안하였다[3]. In-situ와 Ex-situ 방식의 혼합한 바이오가스 고질화 공정으로 평가되었다. 메탄생성함량은 95%까지 높아졌고, pH도 8.3~8.5의 적절한 수준에서 유지되었다. 하지만 수소 주입에 따른 R1공정에서 휘발성지방산(Volatile fatty acid, VFA) 축적이 확인되었다. 따라서 주기적인 VFA 모니터링이 필요하며, 하지만 R2 반응조에서는 안정적으로 VFA가 유지됨에 따라 높은 메탄 함량을 얻을 수 있었으며, 세라믹막을 이용하여 수소의 물질전달 효율을 높였다. 또한, R2 반응조에 영양물질은 가스성분이 제거된 혐기 소화액을 이용하였다. 하이브리드 공정을 적용해 높은 수소 이용율(98%)를 달성하였다. 실제 공정에 적용에 있어 위에서 언급된 문제가 해결된다고 보면, 생물학적 메탄 고품위화 관점에서 실플랜트에도 적용가능 할 것이라 판단된다.
3. 결론
본 보고서에는 바이오가스 고질화/정제 공정과 생물학적 수소 이용 메탄화 공정에 대한 기술 및 현황을 분석하였다. 현재까지 개발된 물리/화학적 고질화 공정은 바이오가스의 생산비용 중 정제 및 고품위화 공정이 차지하는 비중이 총 비용의 60~70%로 장시간 공정 안정화 및 메탄농도, 불순물 제거 효율과 같은 문제 해결 필요하며, 분리과정에서의 CH4 손실, 환경영향, 유지비용 및 에너지소비 등의 해결을 위한 기술개발, 고질화를 위한 CO2 분리 조건 및 적절한 부분 압력 유지를 위한 최적화 연구 수행이 필요하다. 하지만 최근 저비용 고효율 바이오가스 고질화 공정 개발단계로 생물학적 수소이용 메탄화 공정으로 파일롯 플랜트 수준에서 연구 중에 있으며, 메탄 함량을 95% 이상 수준으로 올릴 수 있어, 이를 기존 공정의 대체 시 정제 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다. 이 방법은 바이오가스 생산 공정의 수소 이용 메탄생성균을 이용하는 기술이며, 비교적 적은 에너지와 비용이 소모된다. 하지만 수소 주입시, 기체-액체의 전활률이 낮은 단점이 있으며, 이를 보완하기 위해 수소전달율을 높이는 연구도 진행중에 있다. 향후 수소경제가 활성화되고, 신재생에너지를 이용한 수전해를 통해 수소공급을 안정화할 수 있으면 실증플랜트에도 적용 가능하다고 판단된다.
References
바이오가스의 성분비는 메탄(CH4) 55~70%, 이산화탄소(CO2) 30~40%로 매립지가스와 천연가스에 비하여 이산화탄소 비율이 높다. 바이오가스 고품위화(Upgrading)는 천연가스 수준의 열량 확보를 위하여 메탄 함량ㅇ을 95%까지 높이기 위해 바이오가스 중 이산화탄소 및 분순물을 제거 혹은 분리하는 것이다. 바이오가스를 고품위화(정제 및 고질화)한 순수한 메탄을 바이오 메탄이라고 하며, 이는 천연가스 설비로 공급, 에너지발생 및 화학공업 등의 원료로 직접 이용될 수 있다. 이러한 바이오가스 고질화 기술의 이점은 화석연료의 대체 또는 신규 규격을 가지는 균일연료를 지속적으로 공급이 가능하다. 또한, 바이오가스 압축용량 감소로 에너지 소비 감소와 불순물을 제거하여 높은 열량을 얻을 수 있으며, 신규 바이오가스 활용 영역의 개척 등이 있다. 하지만 바이오가스 고품위화 기술의 핵심 요소는 유지관리 비용의 경제성 문제 해결이 가장 크다고 할 수 있고, 안정적인 고순도 메탄생성 및 에너지소비 등 다양한 문제점에 직면해 있는 상태이다. 이러한 문제점을 극복하고자 최근에는 생물학적으로 바이오가스를 고질화하는 기술의 실증화를 목표로 연구가 수행되고 있다.
본 보고서는 기존 바이오가스 고질화(Upgrading) 기술의 종류 및 현황에 대해 주로 다룰 것이다. 특히, 현재 파일롯 플랜트 단계에서 실증화 연구를 수행하고 있는 수소 이용 메탄생성균(Hydrogenotrophic methanogens)을 이용한 생물학적 바이오가스 메탄화 공정에 대한 소개 및 전망에 대해 다루고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 바이오가스 고질화(Upgrading) 기술 현황
바이오가스 고질화(정제)는 바이오가스 중 이산화탄소를 분리해내는 기술을 말한다. 현재 바이오가스 생산시설에서 적용하고 있는 고질화 기술로는 흡착법, 흡수법, 막분리법(membrane separation), 액화저온분리법(Cryogenic separation) 법이 있다. 압력순환흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 공정은 고온, 고압에 노출되었을 때 분자 크기가 메탄보다 작은 이산화탄소, 산소, 질소가 고형물 표면에 흡착됨으로써 이산화탄소를 분리해낸다. 흡착제로서는 주로 활성탄이나 제올라이트가 사용된다. PSA 공정은 네가지 단계로 이루어진다. 700-800 kPa의 높은 온도가 요구되기 때문에 에너지 소모량이 크다. 세정법(Water Scrubbing)은 이산화탄소가 메탄보다 액상으로의 용존성이 높음을 이용한 방법이다. 고온에서 바이오가스가 scrubber를 지나감에 따라 이산화탄소가 물에 흡수되어 메탄만 지나가게 된다. 막분리법은 이산화탄소, 수분, 암모니아에 투과가 가능하지만 메탄, 질소는 투과가 불가능한 막을 통해 메탄을 정제하는 방법이다. 가스 분리 효율을 높이기 위해 순환이 여러번 필요하다. 막의 재질로는 cellulose acetate와 aromatic polymides가 주로 활용된다. 액화저온분리 공정은 바이오가스를 여러 차례에 걸쳐 압축시키는 방식이다. 압축된 가스는 냉각 공정을 거치며 얼지 않도록 건조되며 열교환기에 의해 –55℃ 로 냉각된다. 이후 압력이 변하며 온도는 –110℃까지 냉각된다. 마지막 단계에서 다시 가열되어 메탄 순도 97% 이상의 가스만 포집된다[1].
2.2. 바이오가스 고질화 시설 운영 현황
바이오가스 생산 시설은 지속적으로 증가하는 추세에 있으며, 2015년에 전세계적으로 430개의 시설이 운영 혹은 신축될 것으로 조사되었다[1]. 전 세계적으로 바이오 메탄 플랜트는 독일이 188개로 가장 많은 시설을 보유하였으며, 그 뒤를 이어 스웨덴(59개소), 영국(50개소), 스위스(29개소), 네덜란드(24개소) 등이 플랜트를 운영하고 있고, 한국은 총 10개소를 운영 중에 있는 것으로 조사되었으며, 이들 시설에 주로 적용된 기술은 크게 물이나 흡수제를 이용하는 흡수법(Water scrubber, Amine Scrubber)이 있고, 제올라이트, 탄소분자체 등을 이용하는 흡착법(Pressure Swing Adsorption), 분리막을 이용하는 막분리법 등이 있다. 화학적(세정, 흡수, 흡착)프로세스는 소요 장치 규모가 크고 에너지 소요량이 큰 것이 특징이며, 막 기반 고질화 공정은 높은 에너지 효율, 낮은 자본투자, 운전과 유지보수 용이성이 있지만, 압축기, 막 모듈, 열 교환기, 오프가스 처리장치 등이 필요하며, 고순도 메탄 품질을 얻기 위해 강력한 구동력이 요구되며 상당한 운전비용이 요구된다. 기술별로 세정법이 152개소가 적용되었으며, 화학세정과 막분리법 이 88개소, 압력순환흡착법 이 72개소가 적용된 것으로 조사되었다[1].
2.3. 생물학적 바이오가스 고품위화(Biological methanation) 기술
기타 바이오 메탄의 고품위에는 촉매를 이용한 이산화탄소의 화학적 전환법, 전기화학적 방법, 생물학적 메탄 고품위화 방법이 있다. 촉매를 이용한 이산화탄소의 화학적 전환은 CO2와 H2를 촉매 조건 하에 반응시켜 생성된 탄화수소를 메탄으로 전환하는 것으로 고온/고압 조건이 요구되며, 전기화학적 전환은 전해질에 녹아 있는 CO2로부터 전기화학적 환원반응을 통해 메탄을 생성시킨다(CO2 + 8H+ + 8e- → CH4 + 2H2O; e=-0.84V).
생물학적 메탄 고품위화 방법은 혐기소화 공정(Anaerobic digestion)의 수소 이용 메탄생성균(Hydrogenotrophic methanogens)을 이용하는 것으로 다른 방법에 비해 비교적 적은 에너지와 비용이 소모된다. 혐기 소화조의 메탄 생성균은 아세트산을 기질로 활용하는 Acetoclastic methanogen과 수소, 이산화탄소 가스를 기질로 활용하는 Hydrogenotrophic methanogen으로 구분할 수 있으며, 두 균의 우점 상태는 반응기 운전 조건에 따라 달라진다. 혐기 소화조에 H2 혹은 CO2를 주입하는 다양한 접근법이 제안되고 있다. 먼저 H2가스를 혐기 소화조에 직접 주입하여 Hydrogenotrophic methanogen을 통해 메탄으로 전환하는 in-situ 바이오가스 고질화 기술과 혐기 소화조 후단에 별도의 반응조를 배치하여 H2와 외부 배출원에서 공급되는 CO2를 주입하는 Ex-situ 기술이 제안되고 있으며, 두가지 방법 모두 연속적인 수소 주입을 통해 바이오가스 CH4 함량 최대 90% 이상을 나타낸 결과가 보고되고 있다. 또한 In-situ와 Ex-situ 공정을 결합한 하이브리드 공정으로 구분할 수 있다. 하지만 생물학적 바이오가스 고질화 기술은 H2의 낮은 용해성으로 반응이 충분히 이루어지지 않는 경우 상대적으로 용존 CO2량이 많아져 pH가 낮아질 수 있으며, 이 경우 H2와 CO2의 주입 비율을 조절하여 pH를 조절할 수 있다[1].
2.4. 생물학적 수소 이용 메탄화 공정(Biological hydrogen methanation)
앞서 설명했듯이 바이오가스의 고품위화(Biogas upgrading)는 다음과 같은 방식으로 바이오가스 중 메탄함량을 높이는 방법으로 1)혐기소화 공정의 개선을 통해 바이오가스 중 이산화탄소 또한 미량 가스성분(수증기, 실록산, 황화수소, 암모니아, 산소, 질소)을 제거하는 방법 2)바이오가스 중 이산화탄소를 바이오 메탄으로 전환시키는 방법(화학적인 방법으로 수소 반응, 수소 이용 메탄생성균을 이용한 생물화학적방법, 전자를 공급함으로써 생물전기화학적 방법이 있다. 다음은 생물학적 수소 이용 메탄화 공정의 원리, 운영 효율, 공정비교 등을 다루고자 한다.
일반적으로 혐기 소화조는 두 가지 메탄 생성경로가 있으며, 두 균의 우점 상태는 반응기 운전 조건에 따라 달라진다. 1)Acetoclastic methanogen, 2)Hydrogenotrophic methanogen의 미생물을 활용하여 생물학적 바이오가스 고질화를 달성할 수 있다. 생물학적 수소 이용 메탄화 공정 (Biological Hydrogen Methanation, BHM) 주요 반응 경로는 (1)수소 이용 메탄생성균은 (Eq. 1) hydrogenotrophic Archaea (HM)에 의해 CO2와 H2가 CH4로 전환, (2) Acetoclastic methanogenic (AM) 활성에 의한 아세트산의 메탄화(Eq. 2), (3) 높은 기질 활성에 의한 homoacetogenesis (HA) 반응(Eq. 3)에 의해 아세트산을 생성하느 Wood-Ljungdahl 경로로 이루어진다[1, 5].
Luo et al. (2012)의 연구에서 반응조에 수소를 주입하여 생물학적으로 고질화하는 방법을 제안하였다[3]. 수소를 주입함으로써 수소 이용 메탄생성균의 전자수용체로 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환시키는 공정이다. 메탄은 수송용 연료로 이용가능하며 수소보다 3배 저렴하게 저장할 수 있다. 또한, 기존 천연가스 공급망에 고질화된 바이오가스를 이용할 수 있는 장점이 있다. Luo 와 Angelidaki (2012)는 실험실 수준에서 In-situ H2 이용 생물학적 메탄화공정 연구를 수행하였고, 그림 5와 같은 결과를 얻을 수 있었다[4]. 0~10일의 안정화 기간 이후 수소 가스 주입량을 6~24 L Lreac d-1 로 늘리면서 메탄가스 발생량은 1.5~5.3 L Lreac d-1까지 증가했으며 메탄 함량은 90~95%로 유지되었다. 이론적인 CH4/H2 수율은 0.25이며, 0.23으로 높은 수율을 나타냈다. 즉 소모된 H2는 양론적으로 CH4를 생산하는데 이용되었다. 실험조건은 고온인 55℃, 500~800 rpm으로 교반 하였고, pH는 7.8을 유지하였다. 미생물군집분석 결과, 주요한 우점종은 Methanobacteriales었고, 90%이상의 메탄함량을 달성하였다. 가스 주입량은 최대 24 L Lreac d-1으로 약 130 mL H2/min에 해당되었으며 수소가스의 기체-액체 질량전환의 한계치에 근사하였다.
Lecker et al. (2017)의 연구에서는 이상 고온 소화를 통한 하이브리드 바이오가스 고질화 시스템을 제안하였다[3]. In-situ와 Ex-situ 방식의 혼합한 바이오가스 고질화 공정으로 평가되었다. 메탄생성함량은 95%까지 높아졌고, pH도 8.3~8.5의 적절한 수준에서 유지되었다. 하지만 수소 주입에 따른 R1공정에서 휘발성지방산(Volatile fatty acid, VFA) 축적이 확인되었다. 따라서 주기적인 VFA 모니터링이 필요하며, 하지만 R2 반응조에서는 안정적으로 VFA가 유지됨에 따라 높은 메탄 함량을 얻을 수 있었으며, 세라믹막을 이용하여 수소의 물질전달 효율을 높였다. 또한, R2 반응조에 영양물질은 가스성분이 제거된 혐기 소화액을 이용하였다. 하이브리드 공정을 적용해 높은 수소 이용율(98%)를 달성하였다. 실제 공정에 적용에 있어 위에서 언급된 문제가 해결된다고 보면, 생물학적 메탄 고품위화 관점에서 실플랜트에도 적용가능 할 것이라 판단된다.
3. 결론
본 보고서에는 바이오가스 고질화/정제 공정과 생물학적 수소 이용 메탄화 공정에 대한 기술 및 현황을 분석하였다. 현재까지 개발된 물리/화학적 고질화 공정은 바이오가스의 생산비용 중 정제 및 고품위화 공정이 차지하는 비중이 총 비용의 60~70%로 장시간 공정 안정화 및 메탄농도, 불순물 제거 효율과 같은 문제 해결 필요하며, 분리과정에서의 CH4 손실, 환경영향, 유지비용 및 에너지소비 등의 해결을 위한 기술개발, 고질화를 위한 CO2 분리 조건 및 적절한 부분 압력 유지를 위한 최적화 연구 수행이 필요하다. 하지만 최근 저비용 고효율 바이오가스 고질화 공정 개발단계로 생물학적 수소이용 메탄화 공정으로 파일롯 플랜트 수준에서 연구 중에 있으며, 메탄 함량을 95% 이상 수준으로 올릴 수 있어, 이를 기존 공정의 대체 시 정제 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다. 이 방법은 바이오가스 생산 공정의 수소 이용 메탄생성균을 이용하는 기술이며, 비교적 적은 에너지와 비용이 소모된다. 하지만 수소 주입시, 기체-액체의 전활률이 낮은 단점이 있으며, 이를 보완하기 위해 수소전달율을 높이는 연구도 진행중에 있다. 향후 수소경제가 활성화되고, 신재생에너지를 이용한 수전해를 통해 수소공급을 안정화할 수 있으면 실증플랜트에도 적용 가능하다고 판단된다.
References
- Angelidaki, I. et al. Biogas upgrading and utilization: current status and perspectives. Biotechnology advances 36(2), 452-466, 2018.
- Corbellini, V. et al. Hybrid biogas upgrading in a two-stage thermophilic reactor. Energy Conversion and Management, 168:1-10, 2018.
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