연재순서     ① 바이오메탄 시장 현황과 미래            ② 조리에 적합한 바이오가스

[가스신문 = 양인범 기자]  바이오가스는 미생물 등을 이용해 하수슬러지·동물의 분변과 같은 유기성 폐기물을 분해할 때 만들어지는 수소, 메탄과 기타 가스들을 의미한다. 현재 지구에서 생산되는 바이오가스는 약 1억8천만톤으로 알려져 있는데, 이를 정제하여 메탄 또는 수소로 바꾸는 기술을 세계 각국에서 연구하고 있다.

바이오메탄은 바이오가스의 5~60% 이상을 차지하는 메탄(CH₄)을 뜻하는데, 본지는 이번 특집에서 현재 세계 바이오메탄 생산 현황 및 관련 기술과 활용 분야 등에 대해 자세히 알아본다.

바이오가스에서 메탄의 함량은 일반적으로 45~75%이며, 생성되는 나머지 기체는 CO₂와 H₂S, NOx 등이다. 이 때문에, 바이오가스를 바로 연료로 사용하게 되면 발열량이 낮아져 적합하지 않아, 개질 과정을 거쳐 순수한 메탄만 추출하게 된다.

바이오가스는 잔여 곡물, 소·닭·돼지 등 가축의 분뇨, 하수슬러지, 도시에서 나오는 음식쓰레기, 더불어 폐목재 등 유기성 폐기물 전부가 원료가 될 수 있다. 이러한 유기성 폐기물은 대개 혐기성 소화조(Anaerobic digestion)에서 소화 과정을 거치면서, 가스화가 일어난다.

현재 세계에서 생산하는 바이오메탄의 90%는 이러한 바이오가스를 개질한 것이다. 별개로 고형 바이오매스 폐기물을 가스화 과정을 통해 메탄을 생산하기도 한다. 목재 바이오매스는 700~800℃의 고온, 고압의 저산소 환경에서 분해된다. 이 때 일산화탄소와 메탄, 수소가 생성되고, 다시 여기에서 메탄만을 추출한다.

현재 3.5Mtoe 규모 생산

현재 약 3.5Mtoe(Milion tons of oil)의 바이오메탄이 전 세계적으로 생산되고 있다. 생산의 대부분은 유럽과 북미 시장에서 발생하며, 덴마크와 스웨덴과 같은 일부 국가는 총 가스 판매량에서 바이오가스·바이오메탄의 비율이 10%를 넘고 있다.

IEA(국제에너지기구)가 밝힌 자료에 따르면 2018년 기준 가장 바이오가스를 많이 생산하는 지역은 유럽이며, 중국과 미국이 그 뒤를 잇는다. 유럽은 바이오가스 생산량의 44.4%가 곡물을 원료로 하고 있다. 중국은 생산의 71% 이상이 가축의 분뇨를 원료로 한다. 미국은 도시에서 발생하는 고형폐기물이 대부분을 차지하고 있다. 이는 지역별 배출하는 폐기물의 종류가 국가별로 다르기에 일어나는 현상이다.

실질적인 최대 생산지역인 유럽의 바이오가스 산업은 독일, 덴마크, 프랑스, 이탈리아, 네덜란드 등이 주도하고 있다. 이들 국가는 러시아로부터의 천연가스 의존도를 낮추면서, 폐자원 에너지 재순환을 위해 바이오가스 플랜트를 늘려가고 있다. 특히 독일은 유럽 내 플랜트 용량의 1/3을 차지하고 있다.

중국은 메이가이치 사업과 더불어 석탄의 사용을 급격하게 줄이기 위해 바이오가스 생산을 위한 농촌 지역에 대한 가정용 소화조 설치를 대폭 지원하고 있다. 이러한 가정용 소화조는 중국 내 바이오가스 용량의 약 70%를 차지한다. 또 중국 국가 개발개혁위원회는 2019년 말에 바이오가스 산업화 및 바이오메탄 개질에 관한 지침을 발표해 운송부문의 바이오메탄 사용을 지원한다.

미국은 쓰레기 매립지에서 발생하는 바이오가스 생산이 거의 90%를 차지한다. 다만, 미국 내 축산 시장이 미국 전체 메탄 배출량의 1/3을 넘기면서 농업폐기물의 가스화에 대한 지원을 확대하고 있다.

세계에서 나머지 바이오가스 생산의 약 절반은 아시아의 개발도상국인 태국과 인도에서 이뤄진다. 태국은 카사바 전분, 바이오연료 산업 및 돼지 농장 폐기물에서 가스를 생산하며, 인도는 향후 5년 동안 약 5천개의 신규 압축 바이오가스 플랜트 개발을 목표로 하고 있다.

바이오메탄에 대한 수요가 커짐에 따라 전 세계적으로 운영 중인 플랜트 수(바이오가스 개질 및 바이오매스 가스화 시설)는 2020년 이미 1천개를 초과한 것으로 예상된다. 현재 개발 중인 플랜트의 약 60%가 바이오메탄을 가스 분배 네트워크에 주입하고, 20%는 차량 연료로 공급하고 있다.

기존 가스배관에 그대로 사용

향후 수십 년 동안 에너지 시스템이 어떻게 진화하든, 바이오메탄은 성장 궤도에 있다. 그러나 이러한 증가 폭은 STEPS(Stated Policies Scenario)와 SDS(Sustainable Development Scenario)에 따라 크게 다르며, 각 시나리오에서 설명하는 다양한 시장 및 정책 환경에 대응한다.

바이오메탄은 천연가스와 거의 동일한 성분이기에, 그것은 어떤 그리드 연결 주거용 또는 상업용 건물, 산업 시설 또는 발전소에서도 사용할 수 있고 광범위한 부문과 최종 사용자에게 에너지 서비스를 제공할 수 있다.

탈탄소 관점에서 볼 때, 바이오메탄의 최적 용도는 고온 가열, 석유 화학 원료, 중장비 운송 및 해상 운송과 같은 저탄소 대체품이 적은 최종 사용 분야이다. 그러나 농촌 개발, 에너지 보안(장거리로 수송되거나 수입되는 천연가스 대신 바이오메탄이 사용되는 경우, 가변 풍력 및 태양광 발전으로부터 전기를 보충하기 위해 유연하게 사용되는 경우) 및 도시 대기질을 포함한 다른 동기가 있다.

이러한 동기의 범위는 IEA의 시나리오에서 확인할 수 있다. 특히 성장의 대부분을 차지하는 아시아의 개발도상국(중국, 인도, 동남아시아 및 아시아 태평양의 기타 국가 포함)에서 볼 수 있다. 중국은 2040년까지 확장되는 천연가스 그리드에 투입되는 STEPS에서 30Mtoe(milion tons of oil=11.63Twh) 이상의 바이오메탄을 생산하고, 인도의 소비량은 15Mtoe로 증가하는데, 이는 부분적으로 운송 부문의 가스 사용 확대를 지원하기 위한 것이다.

중국의 경우 바이오메탄은 주로 중국 내 석탄과 수입 천연가스를 대체한다(바이오메탄은 석탄에서 천연가스로 전환하는 것보다 CO₂ 배출량을 훨씬 더 많이 감소시킨다). 인도에서, 그것은 고체 바이오매스의 전통적인 사용과 석유 제품을 대체하는데, 수입 의존도는 전체 수요의 약 80%에 달한다.

STEPS에서의 예상 소비 성장률은 가스 시장이 성숙한 국가에서 더 제한적이다. 북미의 소비는 10Mtoe 미만으로 증가한다. 유럽의 바이오메탄 사용은 2040년에 12Mtoe에 달하며, 천연가스 그리드에 사용되는 가스의 2.5%를 차지한다.

현재 유럽에서 사용되는 바이오메탄의 70%는 에너지 작물에서 나온다. 그러나 식품이나 사료 생산과의 경쟁을 피하는 바이오 에너지를 장려하는 정책이 모색되고 산업 이니셔티브(이탈리아 바이오가스 협회가 개발한 바이오가스 Done Right 개념 등)가 힘을 얻으면서 폐기물 및 잔류 원료 비율이 증가할 것으로 보인다.

SDS에서는 모든 지역에서 바이오메탄의 생산과 사용이 가속화되는데, 이는 가스의 탄소 발자국을 줄이고 개발도상국 전체의 에너지 접근을 보장하기 위한 노력의 결과이다. 아시아 태평양 지역은 중국과 인도에 의해 주도된 가장 큰 성장을 보고 있지만, 2040년까지 유럽의 가스 그리드에 바이오메탄이 10% 혼합되고 북미에 5% 혼합되는 등 다른 지역에서도 이득을 볼 수 있다.

많은 관점에서 바이오메탄과 다른 저탄소 가스의 전망은 에너지 전환에서 가스인프라의 미래 역할에 대한 넓은 질문으로 묶여 있다. 장기적인 전략은 저배출 미래에 다른 유형의 가스를 공급할 수 있는 기존 및 새로운 기반 구조의 잠재력과 에너지 보안을 보장하는 역할을 고려해야 한다.

SDS의 최종 소비에서 전기의 비중은 현재 19%에서 2040년까지 30%로 증가하고, 풍력 및 태양광 뿐만 아니라 바이오에너지, 수력 및 원자력 등 재생에너지의 대폭적인 확장을 통해 동시 탈탄소화를 이루고 있다. 하지만, 산업 및 주거 부문 모두에서 규모에 맞는 전기 난방을 배치하는 것은 현실적인 문제가 크다.

탈탄소화 가스를 공급하는데에 있어 기존 인프라를 사용할 수 있다면, 에너지 전환이 쉽게 이뤄진다. 이를 위한 두 가지 주요 방법이 바이오메탄과 저탄소 수소이다.

수소의 취성에 대한 안전성 검증이 완전히 끝나지 않은 것과 달리, 바이오메탄은 천연가스와 성분이 거의 같기에 기존 배관 인프라나 최종 사용자의 장비 변경없이 사용이 가능한 장점도 가진다.

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