가축분뇨처리 위한 막대한 비용절감…친환경 미래기술로 각광
실용화 위한 전기출력·하베스팅 기술개발 등은 풀어야할 과제

강금춘 국립농업과학원 에너지환경공학과장

산업혁명 이전까지 인류가 사용한 대부분의 에너지는 나무, 바람, 물 등의 재생가능한 자원이었다. 1800년경 산업혁명이 시작되면서 석탄과 같은 화석연료가 사용되기 시작했으며, 1980년대 말부터 화석연료 사용으로 인한 지구온난화가 심각하다는 연구결과가 널리 받아들여짐에 따라 브라질에서 열린 세계환경회의에서 지구온난화와 지속가능한 발전이 중요한 의제로 다뤄지게 됐다.
신재생에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등을 포함해 재생가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지를 말한다. 여기서 ‘신에너지’는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 수소, 산소 등의 화학반응을 통해 전기 또는 열을 이용하는 에너지로써 수소에너지, 석탄액화·가스화, 연료전지 등 3개 분야로 구분된다. 또한 ‘재생에너지’는 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등을 포함해 재생가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로써 태양광, 태양열, 풍력, 수력, 수열, 지열, 해양, 폐기물, 바이오 등 9개 분야가 있다.
신재생에너지는 기후변화에 대응하는 온실가스 감축수단으로의 친환경성과 석유파동, 고유가 등 에너지위기에 따른 에너지 안보대응 및 투자와 일자리를 만들어낼 수 있는 새로운 영역의 신산업창출이 가능한 분야라 할 수 있다.
2020년까지 세계 신재생전력 생산은 연평균 5.4% 증가가 예상되며, 신재생전력 생산증가의 37%는 수력, 31%는 육상풍력으로 전망되고 있다. 중국의 신재생전력 공급성장률은 연평균 8.8%에 달하고 있으며, 영국은 육상풍력, 미국은 태양열, 인도네시아는 지열발전이 주도하고 있다.
2015년 국내의 신재생에너지 소비량은 전체 1330만toe(석유환산톤)으로 이중 폐기물소각열 63.5%, 바이오매스 20.8%, 태양광 6.4%, 수력 3.4%, 태양열 0.2%로 집계되고 있다. 10년 전에 비해 특히 폐기물소각열 및 수력의 비중이 각각 12.4%, 15.4% 줄어든 반면 바이오매스 비중은 17.1%, 태양광은 6.3%가 증가했다.(2016 에너지경제연구원, ‘Energy Info, Korea’)

식량으로 사용가능한 바이오매스로는 전분질계의 곡물과 감자류가 있으며, 당질계의 사탕수수, 사탕무가 포함된다. 식량으로 사용할 수 없는 바이오매스는 셀룰로오스계의 초본, 임목과 볏짚, 왕겨가 있으며, 유기성폐기물에는 가축분뇨, 가축사체와 미생물균제, 음식찌꺼기 등이 포함된다.
재생에너지원인 바이오매스는 지구상 어느 곳에서나 쉽게 얻을 수 있는 장점을 지니고 있으며, 안전한 환경에서 최소의 자본으로 에너지의 이용 및 저장이 가능하다. 또한 종이나 목재, 비료 등 다른 산물을 만들면서 재활용도 가능해 쓰레기를 줄이고 쓰레기 매각장의 면적도 크게 축소 할 수 있는 장점이 있다.
우리나라는 2014년 1월에 정제된 바이오가스를 도시가스 배관망에 연결할 수 있는 법률이 만들어져 바이오가스 에너지화를 위한 법적근거가 마련됐으며, 경유에 바이오디젤을 일정비율로 혼합해 공급하는 ‘신재생연료 의무혼합제도’가 2015년 7월부터 시행되고 있어 온실가스 감축은 물론 바이오연료 사업육성 등의 효과가 기대 되고 있다.
바이오알코올은 농업부산물의 바이오매스 원료로부터 열이나 촉매작용에 의해 탄화수소의 구조를 변화시켜 휘발유의 품질을 높이는 작업을 통해 생성되며, 바이오에탄올과 바이오부탄올은 글루코오스 등 당을 원료로 한 미생물의 발효를 이용해 생산한다. 바이오디젤은 콩기름, 유채기름 등의 식물성기름을 화학반응으로 처리해 생산하며, 바이오가스는 가축분뇨 등의 유기성 폐자원의 혐기성소화 기술로 발생한다.(2016 한국환경공단). 특히 이중에서 유기성폐자원 에너지화 시설에서의 바이오가스 생산량은 2014년 14만3000toe로 전체 신재생에너지의 약 1.24%를 차지하고 있으며, 앞으로 증가가 전망되고 있다.

가축분뇨는 하수보다 수십 배에서 수백 배 이상의 고농도 유기물(1만ppm이상)과 질소, 인과 같은 영양염류 물질을 함유하고 있어 처리하지 않은 상태로 하천에 방류하게 되면 부영양화와 같은 심각한 환경오염 문제가 발생하므로 가축분뇨처리시 방류수 수질기준에 맞추기 위해 물리학적, 생물학적, 화학적 처리방법 등 복잡한 처리공정을 거치게 되며 여기에는 막대한 비용이 투입된다.
그런데 이렇게 고농도의 오염물질을 함유하고 있고 처리가 쉽지 않은 가축분뇨를 미생물연료전지의 원료로 이용해 전기를 생산하는 기술이 농촌진흥청에서 개발되고 있다. 가축분뇨 이용 미생물연료전지는 최초 미국 펜실베니아 주립대에서 연구를 수행해 오염물질 처리와 동시에 전기생산(2005 Min 등)이 가능함을 보고한 바 있으며, 이후 유럽, 중국, 일본, 한국 등 여러 나라에서 추가연구가 활발하게 진행되고 있다.
특히 농촌진흥청과 광주과학기술원(GIST)간 공동연구에서는 혐기소화조와 미생물연료전지를 하이브리드 시스템으로 구축해 가축분뇨를 이용한 바이오가스의 생산과 전기를 동시에 생산하는 기술도 개발 중에 있다. 이 기술은 혐기성소화조에서 바이오가스를 생산하고 여기서 나온 미처리된 유기물질과 질소를 미생물연료전지에서 다시 한 번 처리하면서 전기를 생산하는 것이다.
미생물연료전지(Microbial fuel cell, MFC) 기술은 미생물의 촉매반응을 통해 오수나 폐수 등에 포함된 유기물의 화학적 에너지를 전기에너지로 전환시키는 장치로서 환경기술(ET), 정보기술(IT), 바이오기술(BT)이 만난 융·복합기술이라 할 수 있다. 미생물이 유기물을 분해하는 과정에서 전자(e-)와 수소이온(H+)이 산화전극부(음극)에서 환원전극부(양극)로 넘어가고 환원전극부에 공급되는 산소(O2)와 만나 물(H2O)과 전기가 생산되는 원리이다. 화학연료전지는 원료로 수소나 메탄올과 같은 순수화학물질을 이용하므로 다양한 오염물질을 포함한 폐수를 처리하기 어려우나 미생물연료전지는 유기성폐수를 이용하기 때문에 폐수 내 오염물질의 제거가 가능한 장점을 지니고 있다.

미생물연료전지의 구성은 멤브레인과 같은 분리막을 사이로 산화전극부와 환원전극부로 구분되고 유기성폐수가 공급되는 곳에 전기를 생산하는 미생물이 존재(산화전극부)하며, 반대편(환원전극부)에 산소를 공급하고 산화전극과 환원전극 사이에 외부저항을 달아 전류를 흐르게 한다.
그러면 왜 미생물연료전지를 이용하는가? 미생물연료전지는 영국의 유명 물 전문 연구기관인 Global Water Intelligence(GWI)에서 ‘물 시장을 주도할 10대 기술’로 선정(‘09) 된바 있으며, 신에너지기술 분야로 관심을 받고 있는 기술 중의 하나이다. 또한 미국 TIME, ‘최고의 발명품 BEST 20’에 선정(2009) 되었으며, 우리나라에도 한국과학기술기획평가원에서 매년 발표하는 ‘미래 유망 10대 신기술’에 선정(2012) 된바 있다. 이와 같이 미생물연료전지는 유기오염물질 처리와 동시에 전기생산이 가능한 지속가능한 친환경 미래기술이라 할 수 있다.
농업분야에서의 미생물연료전지는 가축분뇨를 처리하는 동시에 전기에너지 생산 및 유용자원 회수가 가능한 기술이다. 국내에서 매일 발생되는 가축분뇨의 양은 약 17만톤(2015 환경부)에 달하고 있으며, 최근 축산농가에서는 발생된 가축분뇨를 대부분 자원화센터나 공공처리시설로 보내고 처리비용을 지불하고 있는 실정이다. 이를 농가자체에서 가축분뇨로부터 에너지 및 자원회수를 할 수 있다면 부가소득 발생이 가능하리라 생각된다. 화학적 산소요구량의 농도가 10kg/㎥인 가축분뇨로부터 에너지손실을 10%로 가정하고 바이오가스 등 생산가능한 전체 에너지는 약 250MW 이고 이를 미생물연료전지기술을 이용해 전기를 생산한다고 가정할 때 매일 약 75MW의 전기에너지 생산이 가능하리라 예상된다.

농촌진흥청에서는 2010년 이후부터 미생물연료전지를 이용해 분뇨 내 고농도의 질소와 인을 회수하려는 연구를 시작해 마침내 2017년에 가축분뇨 내 고농도의 암모니아성 질소이온, 인산염 이온, 마그네슘 이온을 결합시킨 스트루바이트 생산기술의 개발로 화학적 비료가 결정화되는 결과를 얻게 되었다.(*스트루바이트 : 고갈되어가는 비료 생산원료인 인광석을 대체할 수 있는 원료로 호주, 일본, 영국에서는 1톤에 25만~180만원의 시장가격 제안)
미생물연료전지의 실용화를 위해서는 아직 극복해야 할 문제가 남아 있다. 농업부산물을 이용한 에너지 및 자원획득 가능한 다양한 에너지원 개발이 요구되고 있으며, 미생물연료전지의 안정적이며 사용가능한 수준의 전기출력 문제를 해결하기 위해서는 에너지 하베스팅 기술과의 접목이 필요하고 농업, 환경, 전자, 재료, 의료 등 다양한 기술분야와의 융합과 다양한 영역의 기술개발을 위한 중장기 연구 략이 필요하다고 할 수 있다. 즉 가축분뇨와 같이 잠재적 자원의 보고로 고부가가치 기술개발의 가능성에 대한 인식전환이 무엇보다 필요한 시점이라 할 수 있겠다. 

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