바이오가스를 활용한 연료전지 발전으로 베트남의 새우
특집 2
바이오가스를 활용한 연료전지 발전으로 베트남의 새우 양식을 지속 가능하게
베트남의 주요 산업 중 하나인 양식 수산업은 지속적인 경제 성장을 배경으로 특히 새우 양식이 활발하게 이루어지고 있다. 한편, 유기성 폐기물을 포함한 환경 오염이 문제가 되고 있다. 이러한 양식 폐기물로부터 발생하는 바이오가스를 연료전지로 발전시켜, 양식지의 환경 관리를 위한 에너지로 활용하는 기술 개발이 진행되고 있다. 규슈대학교 수소에너지 국제연구센터의 시라토리 유스케 준교수의 연구팀은 나노 수준의 실증 실험을 개시하여, 에너지의 자급자족을 실현하는 특수한 양식장을 목표로 한 기술 실현에 박차를 가하고 있다.
왼쪽 인물
시라토리 유스케
규슈대학교 수소에너지 국제연구센터・대학원 공학연구원 준교수
2014년부터 SATREPS 공동연구 대표자
오른쪽 인물
야마가와 타케오
규슈대학교 대학원 농학연구원 준교수
양식 폐기물을 활용한 발전
일거양득으로 지역 문제를 해결
베트남 연안 지역에서는 새우 양식이 활발히 이루어지고 있으며, 세계 각국으로 수출되고 있다. 이는 베트남 경제를 지탱하는 수출 품목 중 하나이며, 양식에 적합한 메콩 델타를 중심으로 양식업에 대한 투자도 증가하고 있다.
그러나 양식 방법에 대한 문제점도 지적되고 있다. 베트남에서는 맹그로브 숲을 개간해 새우 양식장을 조성하는 일이 많다. 여기서 이루어지는 것은 ‘집약형 양식’이라 불리는 방식으로, 좁은 양식장에 다수의 치새우를 풀고, 대량의 사료를 투입해 키우는 방식이다 (그림 1).
이로 인해 새우의 배설물이나 탈피 껍질, 먹다 남은 사료와 같은 유기성 폐기물이 슬러지로 축적되어 양식장의 수질이 악화된다.
수질이 악화되면 새우를 기를 수 없게 되므로, 양식장은 포기되고 맹그로브가 다시 벌채되어 새로운 양식장이 만들어진다. 그 결과 연안 생태계는 점점 파괴되어 간다. 게다가 양식장에서 발생한 슬러지는 적절히 처리되지 않고 그대로 자연 환경으로 배출되는 경우가 많아, 주변 하천의 부영양화도 문제가 되고 있었다.
이러한 환경오염을 일으키는 유기성 폐기물을 유효 활용하려는 과제에 도전한 것이 규슈대학교 수소 에너지 국제연구센터의 시라토리 유스케 준교수가 이끄는 연구팀이다. 연구팀은 현지 대학 및 연구기관과 연계해 유기성 폐기물로부터 얻은 전력을 활용하는 지역 자급형 에너지 시스템을 개발하였으며, 베트남 남부 벤쩨 성의 양식장에서 실증 실험을 진행하고 있다 (그림 2).
연료전지를 연구해온 시라토리 교수는 2008년경부터 메탄과 이산화탄소로 이루어진 바이오가스를 연료전지 발전에 활용하는 기술 개발을 시작했다. 이 연구에 대해 강연하기 위해 베트남을 방문한 시라토리 교수는, 현지 새우 양식장에서 유기성 폐기물이 축적되어 문제가 되고 있다는 사실을 알게 되었다. 그는 당시를 이렇게 회상한다.
“베트남 국가대학 호찌민시 캠퍼스 나노기술연구소의 당 마우 쩐 교수로부터 새우 양식의 과제를 들었고, 양식장에서 발생한 슬러지를 메탄 발효시켜 얻은 바이오가스를 연료전지에 공급해 발전하면, 유기성 폐기물 처리와 더불어 에너지의 안정적 공급이라는 일거양득의 효과를 얻을 수 있겠다고 생각했습니다. 이것이 계기가 되어 논의가 진전되었고, 쩐 교수가 베트남 측 대표로, 제가 일본 측 대표로 SATREPS 과제에 채택되었습니다.”
「그림 1 베트남에서는 새우 양식이 활발하지만, 집약형이라 불리는 방식은 환경오염이나 맹그로브 훼손 등의 환경 문제를 야기하고 있다.」
그림 2. 베트남 남부, 메콩강 하류의 메콩 델타에 위치한 벤쩨성. 민물과 바닷물이 섞이는 기수역으로, 새우 양식에 적합하다.
고온 작동 연료전지로
효율은 가스엔진의 약 3배
베트남 농촌 지역에서는 가축 분뇨로부터 생성된 바이오가스가 조리용 가스레인지의 열원이나 가스엔진 발전기의 연료로 사용되고 있다. 그러나 바이오가스를 연소하여 사용하는 가스엔진의 경우, 연료의 화학에너지를 열에너지, 운동에너지로 변환한 뒤 발전하기 때문에 각 단계에서 손실이 발생한다. 수 킬로와트급 소형 발전기의 경우, 발전 효율은 약 20% 수준으로 낮다.
한편, "연료전지는 연료를 연소하지 않고 직접 발전하기 때문에 50~60%라는 높은 발전 효율이 기대되며, 이산화탄소 배출도 억제할 수 있습니다"라고 시라토리 씨는 말한다.
연료전지는 일반적으로 연료로서 수소를 공급받아 산소와 전기화학 반응을 통해 전기를 생성하는 구조를 갖고 있다(도표 3). 시라토리 씨가 연구 중인 고체산화물형 연료전지(SOFC)도 기본 원리는 같지만, 작동 온도가 약 700도에 달할 정도로 높아, 메탄 등 탄화수소 연료로부터 수소를 생성하는 개질 반응을 전지 근처에서 일으킬 수 있다. 이로 인해 연료는 반드시 순수한 수소일 필요가 없으며, 탄화수소를 모듈(셀 스택부와 연료 개질을 수행하는 수소 생성부의 복합체)에 직접 공급하여 전력으로 변환할 수 있다.
그러나 SOFC를 바이오가스로 직접 구동하려 할 경우에는 과제가 있었다.
유기성 폐기물로부터 생성된 바이오가스에는 도시가스와는 달리, 바이오매스 유래의 다량의 이산화탄소와 수백~수천 ppm(백만분율)의 황화수소 등 불순물이 포함되어 있다. 그러나 이산화탄소 자체는 연료가 아니며, 황화수소는 개질 반응이나 발전 반응을 저해한다. 또한 모듈 내에서 발생하는 그을음도 억제해야 한다.
지구 규모의 탈탄소화에 기여할 수 있도록, 바이오가스 SOFC를 개발도상국 농촌 지역이나 오지에 보급하는 것이 시라토리 씨의 목표다. 이를 위해 원격 조작이 가능하고 단순한 시스템 구조를 유지하면서 위의 과제를 해결한 바이오가스 SOFC 시스템을 기업과 협력하여 개발하였다(도표 4).
연료가 되지 않는 이산화탄소는 메탄과 반응시켜 수소를 생성하는 데 적극적으로 활용하고, 황화수소는 화학 반응과 물리적 흡착에 의한 2단계 탈황 공정을 통해 제거한다. 또한 바이오가스에 수증기를 첨가하여 가습함으로써 그을음 발생을 억제한다. 수증기가 과도하면 발전 효율이 저하되므로, 열역학 평형 계산을 통해 그을음이 발생하지 않는 최소한의 가습량을 구하고 이를 시스템의 자동 제어 프로그램에 반영하였다.
또한 인터넷상에 가상 사설망(VPN)을 구축하여 보안을 확보한 상태에서 자동 제어 프로그램의 원격 조작을 가능하게 하였다.
이와 같이 필요한 기능을 갖춘 시스템이 실현된 것이다.
그림 3. 수소 이온 전도체를 전해질로 사용한 연료전지의 발전 원리
이 연료전지는 수소를 산소와 전기화학적으로 반응시켜 물과 전기 에너지를 생성하는 방식이다. 건전지나 이차전지와는 달리, 연료가 공급되는 한 지속적으로 발전할 수 있으며, 전지를 충전할 필요는 없다. SOFC(고체산화물형 연료전지)에서는 전해질로 산소 이온 전도체를 사용한다.
그림 4. SATREPS에서 기업과 공동으로 개발한 바이오가스 SOFC 시스템. 1킬로와트의 발전이 가능함
이 SOFC 시스템은 연료전지 모듈, 가스 및 순수 수분 공급 유닛, 시스템 컨트롤러로 구성되어 있으며, 전체 시스템은 약 1.6미터 높이, 1.3미터 너비이다. 이 시스템은 바이오가스를 연료로 사용하며, 수소 리치 가스(합성가스)를 생성하고, 700도에서 작동하는 SOFC 모듈을 통해 1킬로와트 이상의 전력을 생성한다.
모듈 내부의 작동 흐름은 다음과 같다. 바이오가스는 개질기와 수증기 발생기를 거쳐 수소와 일산화탄소로 전환되고, SOFC 스택에서 전기에너지로 변환된다. 발생한 배기열은 열교환기를 통해 재활용되며, 수분 공급 및 온도 유지에도 사용된다.
이와 같은 시스템은 고효율, 저탄소 배출의 분산형 전원으로, 베트남 농촌 등 전력 인프라가 부족한 지역에 적합하며, 지속 가능한 에너지 공급에 기여할 수 있다.
기후에 적응한 토착 미생물 활용
현지 기온으로 바이오가스 생산
바이오가스 SOFC 시스템의 개발과 더불어 추진된 또 하나의 과제가, 메콩델타 현지의 유기성 폐기물로부터 더욱 효율적이고 안정적으로 바이오가스를 생산하는 기술이었다. 이를 담당한 사람은 규슈대학 대학원 농학연구원 야마카와 타케오 준교수이다. 야마카와 준교수는 “바이오가스 발전의 고효율화뿐만 아니라 메탄 발효 기술을 개선해 더욱 효과적으로 바이오가스를 생산함으로써 시스템 전체의 효율을 높일 수 있습니다.”라고 설명한다.
메탄 발효의 효율을 높이기 위해서는 뛰어난 특성을 가진 메탄 생성균을 사용하는 것이 가장 빠른 방법이다. 균을 분리하고, 우수한 성질의 균주를 선별하는 방법도 있지만, 야마카와 교수는 ‘토착 균’을 활용하는 데에 중점을 두었다. 그 이유에 대해 그는 “새우 양식장의 설비를 고려할 때, 엄밀한 배양 환경의 제어는 어려우며, 현지 기후에 적응한 균이 더 사용하기 쉬울 것입니다. 또한, 미생물의 생육에는 복수의 종 사이의 상호작용이 중요하기 때문에, 분리된 균주보다 현지에 분포하고 있는 균총을 활용하는 것이 더 적합하다고 판단했습니다.”라고 설명한다.
메탄 발효의 최적 온도는 중온 발효가 37도, 고온 발효가 55도로 알려져 있다. 일본에 비해 따뜻한 베트남이라 해도 가열이 필요하며, 이는 에너지 소비로 이어진다. 하지만 야마카와 교수는 양식장을 방문했을 때 보았던 양식 슬러지 저장조에 주목하였다. 현지 기온에서 자연스럽게 가스가 발생하고 있었던 점에 착안하여, 그 안에 메탄 생성균이 생육하고 있다고 보고, 그 균을 활용하기로 한 것이다. 별도의 가열 없이 활발히 작용하기 때문에, 효율적으로 바이오가스를 생산할 수 있다.
효율적인 발효를 위해서는, 발효조 내의 수소 이온 농도(pH)를 중성 부근으로 안정시키는 것도 필요하다. 이 조정 역시 베트남에서 구할 수 있는 생석회나 탄산칼슘을 pH에 따라 투입하는 간단한 방식으로 이루어졌다. 현재는 메탄 생성균의 공급원인 양식 슬러지 외에도, 주변 농지에서 발생하는 볏짚, 코코넛이나 사탕수수의 찌꺼기 등도 메탄 발효조에 투입되어 간단한 조작으로 바이오가스가 안정적으로 생산되고 있다.
양식장은 천연 토양을 이용한 형태였으며, 초기에는 양식장의 물을 빼고 바닥에 쌓인 슬러지를 양동이로 릴레이하여 퍼올렸다고 한다. 그러나 현재는 양식장 전체를 방수 시트로 덮고, 연못 중앙에 뚫은 구멍에서 펌프를 사용하여 간편하게 슬러지를 회수할 수 있도록 개선되었다(도해 5 참고). 백조 교수는 “현지 분들이 우리의 노력을 이해해주신 덕분입니다.”라며 웃음을 지었다. 이는 메탄 발효의 원료를 얻는 것뿐만 아니라, 연못의 환경 개선을 통해 새우 양식의 지속가능성을 현저히 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
동남아시아 최초의 SOFC 실증 시험
환경 친화적이며 생산성도 향상
2018년 1월, 벤쩨성 빈다이 지역의 새우 양식장을 실증 사이트로 삼아, 개발된 바이오가스 SOFC 시스템의 실증 장비를 설치하였다(그림 6, 7 참조). 이는 동남아시아에서 최초의 시도이며, 생산된 바이오가스를 연료전지를 통해 발전하고, 이를 통해 얻은 전력을 양식장 내 산소 공급(폭기) 장치의 작동에 사용하고 있다.
바이오가스 SOFC 발전의 기여율을 높이기 위해, 폭기 장치의 전력 절감화도 함께 추진되었다. 수면 위에서 공기를 주입하는 기존의 제트식 폭기 장치는 전력 소모가 크기 때문에, 이 중 절반을 미세 기포로 연못 하부에서 산소를 공급하는 마이크로 버블 디퓨저로 교체하였다. 그 결과 전력 소비를 약 25% 절감할 수 있었다.
또한, 생산성 향상을 위한 노력으로, 슬러지를 포함한 양식장의 물을 여과한 후, 이 여과수를 이용해 새끼 새우를 사육하는 실험도 진행되었다. 부화 후 수주간의 새우는 매우 연약하나, 깨끗한 여과수를 사용함으로써 생존율이 크게 향상된 것으로 나타났다.
아울러, 메탄 발효 이후 배출되는 소화액을 볏짚과 혼합하여 탄화시킨 후 비료로 농업에 활용하는 연구도 베트남 칸토 대학교 연구자들과 협력하여 진행되고 있다. 이처럼 에너지 순환뿐만 아니라, 지역의 물질 순환 모델 또한 정착되고 있는 중이다(그림 7 참조).
그림 5 슬러지를 회수하는 구조. 연못 중앙에 파인 구멍에서 펌프를 이용해 슬러지를 퍼올릴 수 있다.
그림 6
벤쩨성 빈다이 지구에 설치된 실증용 플랜트에서는, 유기성 폐기물의 메탄 발효, 연료전지를 통한 발전, 양식 설비에 대한 전력 공급, 새우 양식의 환경 관리까지를 실시하고 있다.
그림 7
벤쩨성 빈다이 지구의 파일럿 플랜트에서는, 에너지 순환과 물질 순환을 실증 수준에서 연구하고 있다.
이 그림은 베트남 벤쩨성 빈다이 지구에 설치된 에너지·물질 순환형 파일럿 플랜트의 전반적인 구성과 기능을 설명한 도식입니다. 그림은 전체 시스템을 5개 블록으로 나누어 설명하고 있으며, 각 구성 요소가 어떻게 유기적으로 연계되어 있는지를 보여 줍니다. 아래는 세부 설명입니다:
� I. 막ろ過 (막 여과)
역할: 양식지에서 나오는 배수(養殖池ヘドロ)를 여과막을 이용해 여과 처리함.
생성물: 깨끗한 透過水(여과수) 는 다시 양식장이나 기타 용도로 순환 사용됨.
효과: 양식장 환경을 개선하고, 에비 생존율을 향상시킴.
� II. メタン発酵 (메탄 발효)
투입물: 양식지에서 나온 養殖池ヘドロ(슬러지) 稲わら(볏짚) ココナッツ搾りかす(코코넛 찌꺼기) バガス(사탕수수 찌꺼기)
발효과정: 메탄 생성균을 이용해 바이오가스(메탄 + 이산화탄소) 를 생성함.
부산물: 발효 후 남는 액체는 消化液(소화액) 으로 농업용 비료로 활용.
� III. 燃料電池 (SOFC) 発電
장치: 고체산화물 연료전지(SOFC), 1kW급.
연료: 메탄발효로 생성된 바이오가스.
기능: 전기를 발생시켜 양식장 산소공급장치(에어레이터) 등에 공급. 에너지 순환의 중심축 역할.
� IV. マイクロバブルディフューザー (MBD)
기능: 산소 공급 효율이 높은 마이크로버블(초미세기포) 로 양식장에 산소 공급.
효과: 에너지 효율이 높고, 에비 생존율 및 성장률 향상.
결과: “上位目標(최상위 목표) = エビの生産性向上(새우 생산성 향상)”
� V. 炭化 (탄화)
소화액과 볏짚·찌꺼기 등을 혼합해 고온에서 탄화(炭化) 처리.
생성물: 炭肥(탄비, 바이오차) 로 전환하여 시험농장 등에서 비료로 활용.
기능: 물질 순환의 완결 및 폐기물 제로화.
� 그림 하단 설명:
“벤쩨성 빈다이 지구의 파일럿 플랜트에서는, 에너지 순환과 물질 순환을 실증 수준에서 연구하고 있다.”
� 핵심 메시지 요약:
새우 양식장에서 발생하는 유기성 폐기물을 활용하여 바이오가스를 생산하고, 이를 연료전지(SOFC)로 전기화함.
산소 공급 장비에 전기를 공급하여 양식장의 에너지 자립 실현.
슬러지를 비료로 재활용함으로써 물질 순환도 구현.
결과적으로 에비 생산성 향상 + 환경 개선 + 에너지 자립이라는 3가지 목표를 동시에 달성하는 시스템입니다.
신촉매를 활용한 성능 향상, 지구적 보급을 목표로
바이오가스 SOFC 시스템의 개발은 착실히 진행되고 있으며, SOFC의 성능 향상과 소형화 가능성에 대해 시라토리 유스케 준교수는 큰 기대를 가지고 있다. 현재 개발 중인 '페이퍼 촉매'는 세라믹스로 만들어진 무기 섬유를 종이 형태로 성형한 뒤, 여기에 바이오가스로부터 수소를 제조하는 촉매 입자를 분산시킨 것이다(도해 8). 이 기술을 이용하면, 개질 기능을 연료극 반응장과 일체화할 수 있어, 개질기를 SOFC 스택 내부에 통합시킬 수 있다. 이는 모듈의 대폭적인 간소화로 이어진다.
지금까지 황 중독에 강한 하이드로탈사이트를 분산시킨 페이퍼 촉매, 검댕이 발생을 방지하는 세리아·지르코니아 고용체를 분산시킨 페이퍼 촉매가 개발되었으며(도해 9), 나아가 베트남 국가대학 호찌민시 캠퍼스 나노테크 연구소와 공동으로, 표면적이 넓은 꽃잎 모양의 세리아 미립자를 합성하고, 이를 분산시킨 페이퍼 촉매를 통해 보다 높은 성능을 목표로 하고 있다(도해 10).
시라토리 준교수는 “아직 단셀(單cell) 단계이긴 하지만, 페이퍼 촉매를 SOFC에 적층함으로써 개질기 없이도 발전이 가능하게 되었습니다. 앞으로는 페이퍼 촉매와 SOFC의 적층체를 스택화하여 5년 후 실용화를 목표로 삼고 있습니다. 개질기와 연료전지를 일체화함으로써 시스템 전체를 더 작게 만들 수 있을 것입니다”라고 포부를 밝혔다.
SATREPS 프로젝트는 이제 최종 연도에 접어들었지만, 베트남과의 협력은 여기서 끝나지 않는다. “베트남에서 이 시스템을 가동하고 발전시키기 위해서는 무엇보다 교육이 중요합니다. 스스로 문제를 해결할 수 있는 인재를 양성하고 싶습니다.”라고 시라토리 준교수는 말하며 인재 육성에도 힘써 왔다. 베트남 대학에서의 강의 및 실습, 유학생 수용 등에도 적극적이며, 2018년에는 베트남 국가대학 호찌민시 캠퍼스와 학술 교류 협정을 체결하기도 했다.
연구 기간 중에는 매년 베트남 현지에서 워크숍도 개최해 왔다. 야마카와 교수는 “베트남 사람들은 그 의미와 가치를 납득하면 빠르게 움직입니다”라고 말하며, 프로젝트의 수행에 있어 현지 행정 및 기업에 그 의의를 전달하는 것이 중요했음을 강조했다. 이 워크숍에는 지역 새우 양식업자들도 참가해, 의견 교환의 소중한 기회가 되었다.
앞으로의 전망에 대해 시라토리 준교수는 “실증 시험에 대해 많은 분들이 관심을 가져 주시지만, 베트남 농촌 지역의 경제 수준을 고려하면 당장 보급은 어렵습니다. SATREPS를 통해 기능은 검증되었으니, 실증 시험을 지속하고 보다 저렴한 시스템을 목표로 하겠습니다”라고 밝혔다.
베트남에서 얻은 지식과 경험은 다른 지역이나 국가에도 적용이 가능하며, 유기성 폐기물을 활용한 에너지 순환 시스템 구축에 기여할 수 있다. 지역 생산, 지역 소비형 에너지 시스템으로서, 지역이 안고 있는 환경 문제 및 에너지 문제 해결의 실마리가 될 것으로 기대된다.
이 이미지는 니켈(Ni)을 담지한 페이퍼 촉매 내부의 촉매 입자들을 원소별로 시각화한 자료입니다. 각 색상은 특정 원소의 분포를 나타내며, 다음과 같은 정보를 포함하고 있습니다:
좌측 상단 (녹색): 알루미늄(Al) 분포 이미지 – 25 나노미터 척도
상단 중앙 (파란색): 니켈(Ni) 분포 이미지 – 25 나노미터 척도
하단 좌측 (노란색): 세륨(Ce, 세리아: CeO₂) 분포 이미지 – 25 나노미터 척도
하단 중앙 (자주색): 지르코늄(Zr, 지르코니아: ZrO₂) 분포 이미지 – 25 나노미터 척도
우측 (흑백 이미지): 무기 섬유상 지지체 위에 니켈과 세리아·지르코니아 고용체 ((Ce,Zr)O₂₋δ) 입자들이 분산된 전체 구조 – 20 나노미터 척도
설명 (도해 캡션 해석):
그림 9. 세리아(CeO₂)와 지르코니아(ZrO₂)의 고용체를 분산시킨 니켈(Ni) 담지 페이퍼 촉매 내부의 촉매 입자
이 이미지는 SOFC(고체산화물형 연료전지)용 페이퍼 촉매의 성능 향상을 위해, 나노수준에서 어떻게 촉매 입자들이 배치되어 있는지를 보여주는 중요한 분석 자료입니다. 촉매의 분산도와 조성은 연료개질 효율과 내오염성(특히 황 중독 저항성)에 큰 영향을 미치기 때문에, 이러한 자료는 고성능 촉매 설계에 필수적인 기초 데이터로 활용됩니다.
이 이미지는 연료전지용 촉매 소재로 활용하기 위해 합성된 꽃잎 모양의 세리아(CeO₂) 미세입자를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진입니다.
설명 (도해 캡션 해석):
� 그림 10.
페이퍼 촉매 내부에 분산시키기 위한 목적으로 합성한 꽃잎 구조의 세리아 미세입자
주요 특징:
입자 크기: 이미지 하단의 눈금선은 5마이크로미터(μm) 단위이며, 입자의 지름은 약 5μm 내외입니다.
표면 구조:
입자는
다공성(구멍이 많은)
꽃잎 모양을 하고 있으며, 표면적이 매우 넓습니다.
이러한 구조는 촉매 반응에 사용되는
활성 표면적
을 극대화하는 데 매우 유리합니다.
응용 목적: 이 세리아 입자는 SOFC 연료전지용 페이퍼 촉매에 분산되어, 전기화학 반응의 효율 향상과 고온에서도 안정적인 작동을 도와주는 역할을 합니다.
이와 같은 고기능성 세라믹 나노입자는 촉매 반응의 핵심 매개체로서, 연료전지의 소형화, 고효율화, 저오염화를 실현하는 데 중요한 기술적 기초를 제공합니다.
