바이오인

 유기성 폐기물의 바이오리파이너리

◈본문

■ KEY FINDING

1. 유기성 폐기물 기반 바이오리파이너리는 음식물 쓰레기, 가축 분뇨, 하수 등 유기성 폐기물(바이오매스)을 에너지 및 화학물질로 변환하는 공정을 의미하며, 순환 경제와 탄소중립 달성에 중요한 기술로 최근 각광받고 있다.

2. 우크라이나 전쟁으로 인한 국제정세의 불안으로 유럽을 중심으로 유기성 폐기물의 바이오가스 생산이 급격하게 증가할 것으로 예상되면서 세계시장을 주도할 것으로 전망되며, 미국 역시 제도적인 측면에서 상당한 시장 성장의 잠재력을 보유하고 있는 상황으로, 관련 발전 시장은 2021년 93억 6,200만 달러 규모에서 연평균 3.0% 성장하여 2028년 114억 3,300만 달러 규모에 이를 것으로 예상하고 있다.

3. 우리나라도 해외 에너지 수입비용을 절감하면서 에너지 안보에 기여할 수 있는 탄소중립의 주요 자원으로 인식하고 지난해 관련 촉진 법안을 제정함에 따라 관련 시장규모는 2021년 1,358억 원에서 연평균 7.5% 성장하여 2026년 1,950억 원 규모에 이를 것으로 예상하고 있다.

4. 향후 시장경쟁력을 확보하기 위해 생분해성플라스틱을 포함해 가축 분뇨, 음식물, 하수 찌꺼기 등을 활용하여 경제성 있는 바이오가스 및 바이오수소를 생산할 수 있는 기술의 확보가 필요할 것으로 판단된다.

1) 시장의 개요

‘유기성’은 무기성이 아닌 모든 것을 통칭하는 개념이며, 일반적으로 생분해성을 의미한다. 폐기물관리법상 폐기물의 정의를 살펴보면 ‘폐기물’이란 쓰레기, 연소재(燃燒滓), 오니(汚泥), 폐유(廢油), 폐산(廢酸), 폐알칼리 및 동물의 사체(死體) 등으로서 사람의 생활이나 사업 활동에 필요하지 않게 된 물질을 말한다(폐기물관리법 제2조). 바이오리파이너리(Biorefinery)는 바이오매스를 에너지(연료, 발전, 열) 및 기타 유익한 부산물(예: 화학 물질)로 변환하는 정제공정을 의미하며, International Energy Agency Bioenergy Task 42는 바이오 정제를 “바이오매스를 바이오 에너지(바이오 연료, 발전 및/또는 열) 및 바이오 기반 제품(식품, 사료, 화학 물질, 재료)의 스펙트럼으로 생산하는 지속 가능한 공정”으로 정의하고 있다. 

화석연료의 사용을 줄이고 지속 가능한 사회로의 전환을 위한 방법으로 바이오매스(biomass)를 활용한 바이오리파이너리가 제시되었다. 바이오리파이너리는 원료기준으로 1세대(옥수수, 팜유 등 식량작물), 2세대(목질계, 유기성 폐기물 등 비식량원료), 3세대(미세조류 등 비식량원료)으로 구분할 수 있다. 1세대 원료는 경작지 등 지속 가능성의 문제가 있으며, 3세대 원료 기반의 기술은 아직 기초단계에 있기 때문에 2세대인 유기성 폐기물 기반의 바이오매스로 에너지를 생산하는 기술에 집중되고 있다.

바이오매스를 바이오 에너지로 전환하는 플랫폼은 바이오가스화 공정과 합성가스화 공정으로 구분된다. 먼저 바이오가스화 공정은 혐기성 소화(anaerobic digestion)를 기반으로 바이오매스를 분해하여 유용자원을 분리·회수하기에 가장 효과적으로 바이오가스를 생산하는 공정이다. 특히 바이오매스 중 환경오염을 막기 위해 반드시 처리해야 하는 음식물 쓰레기, 가축 분뇨 같은 유기성 폐기물을 산소가 접촉하지 않는 환경에서 성장하는 미생물을 이용하여 유기산으로 분해하고 다시 바이오가스 - 메탄(50∼65%), 이산화탄소(25∼50%), 기타(수소, 황화수소 등)( <1%)로 구성 - 로 분해해서 폐기물로부터 유용자원을 회수해 낸다. 

유기성 폐기물에는 매우 다양한 성분들이 있기 때문에 유기산으로부터 화학물질 원료를 추출하는 것보다는 바이오가스화하여 메탄으로 회수하는 것이 휠씬 경제적이다. 바이오가스 중의 메탄은 LNG(Liquified Natural Gas, 액화천연가스)와 동일하게 발전 생산, 산업체 연료, 난방, 운송연료 등 다양한 분야 사용할 수 있기 때문에 우리나라와 같이 석유계 천연자원이 부족하고 신재생에너지 발전효율이 낮은 국가에서는 바이오가스가 갖는 의미가 더 크다고 할 수 있다.

혐기성 소화 과정에서 생산되는 소화액에는 각종 유기산을 비롯한 다양한 성분의 화학물질이 존재하는데 여기서 유기산을 추출하여 바이오 기반 제품으로 생산할 수 있다. 그리고 혐기성 소화 과정에서 유기성 질소는 암모니아로 분해되어 수질오염의 주원인이 되고 있으나, 혐기성 소화액으로부터의 암모니아 회수기술에 대한 연구도 활발히 진행되고 있어 향후에는 유기성 폐기물에서 암모니아를 회수하여 유용자원으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 

최근에는 플라스틱 문제를 해결하는 대안으로서 생분해성 플라스틱을 이용한 바이오가스화 기술 개발이 이뤄지고 있다. 생분해성 플라스틱은 바이오메탄 잠재량이 크고 향후 보급이 크게 증가될 것으로 전망되기 때문에 미래에는 바이오가스화 대상 물질로 생분해성 플라스틱이 포함될 것으로 기대된다. 또한 바이오매스를 원료로 하는 합성가스(synthesis gas, 이하 syngas)에 대한 관심이 높아지고 있다. Syngas는 바이오매스의 화학적 변환으로 생성된 H2, CO를 주성분으로 하는 기체로서 연료(fuel)뿐만 아니라수소 생산, 아세트산 및 메탄올 생산 등에 사용되고 있다.

유기성 폐기물은 환경오염을 방지하기 위해 필수적으로 환경에 무해한 상태로 처리해야 한다. 이 과정에 자원회수공정을 적용하여 폐기물을 유용성분으로 전환시키고 회수하여 자원화함으로써 순환경제 실현과 탄소중립 달성에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

그림 1 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM) 외관 및 내부구조

 출처: 통계청, 2021년 장래인구추계를 반영한 세계와 한국의 인구현황 및 전망, 2022.9.5.

2) 정책 및 규제 현황

국제사회는 순환 경제 실현 및 탄소중립을 목표로 바이오매스의 에너지화 및 바이오 기반 제품 생산을 위한 인프라 구축에 투자를 확대하고 정책적 지원을 강화하고 있다. 독일의 경우 바이오가스 생산 시설이 1만여 개에 달하고 덴마크는 도시가스 공급의 25%를 바이오가스로 충당하는 등 유럽에서는 이미 바이오가스의 생산과 이용이 일상화되어 있다. EU 집행위원회는 러시아의 우크라이나 침공 후 2022년 3월 8일 ‘리파워(REPower) EU’를 발표하였고, 2030년까지 러시아의 화석연료(석유, 천연가스, 석탄)에 대한 의존성을 탈피하는 목표를 제시하면서 탈 러시아 에너지 전략을 가속화하였다. 특히, 바이오가스는 메탄의 농도가 높은 바이오메탄으로 업그레이드할 경우 기존의 천연가스 인프라를 그대로 이용할 수 있기 때문에 친환경 전환을 가속화할 수 있는 핵심으로 주목받고 있다. 그리고 바이오가

스 생산 의무화와 생산량을 2030년까지 350억 m²(바이오메탄 기준량, 바이오가스 기준 시 700억m2)까지 증가시켜 유럽 천연가스 사용량의 20%를 바이오가스로 대체하려고 하고 있다.

우리나라도 생활수준의 향상으로 유기성 폐자원이 지속적으로 증가하였으나, 에너지화로의 전환이 미미한 수준(5.7%)에 머무르고 있었다(<표 1> 참고). 따라서 우리나라의 바이오가스 생산량은 주요 선진국인 독일, 덴마크, 영국 등에 비해 상대적으로 매우 낮은 비중을 보이고 있을 뿐만 아니라 생산시설 측면에서도 부족한 것으로 나타나고 있다(<표 2> 참고).

                                         [ 표 1 ] 국내 주요 유기성 폐자원 발생 및 처리현황           (천 톤/년, 2019년 기준)

출처 : 환경부, 환경시설을 활용한 바이오·물 에너지 확대 로드맵, 2022.6

[ 표 2 ] 국가별 가스 생산량 비교

출처 : 환경부, 환경시설을 활용한 바이오·물 에너지 확대 로드맵, 2022.6

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