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능미 승
5 years ago
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1 수소에너지정보 - Hydrogen Information 제 10 호 ( ) 생물학적인방법에의한 수소생산 목차 I. 개요 II. 이론및방법 III. 기술개발동향및전망 IV. 맺음말 자료작성 : 김미선한국에너지기술연구원 ( bmmskim@kier.re.kr) 수소에너지사업단 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 1

2 I. 개요 현재산업구조는화학공업의원료물질과에너지원의대부분을화석연료에의존할수밖에없지만, 화석연료는그매장량이한정되어있을뿐만아니라, 연소후이산화탄소가배출되어지구온난화현상에따르는환경문제의대두로, 인류는화석연료사용량을적극적으로감축시켜야한다는어려운문제를안고있다. 이러한환경문제와에너지위기를극복할에너지원은 수소 라고전문가들은주목하고있다. 수소는물과유기물질의구성성분으로부터제조될수있어서원료물질의고갈우려가적고, 로켓트연료로사용할만큼단위중량당에너지밀도가높은고밀도에너지 ( 가솔린의약 3배 ) 이며, 연소할때미량의 NOx와물만이발생하는청정에너지이고, 연료전지등이용기술의실용화가능성도크다. 현재상용화되어있는화석연료로부터수소제조기술은화석연료의소모가많아서지구환경보호및신재생연료개발에는장기적으로볼때미흡한기술이며, 궁극적으로는태양광, 수력, 풍력, 미생물과같은청정기술을이용하여물이나유기성폐자원을활용하는환경친화적인기술로수소를제조해야할것으로전망하고있다. 태양광을에너지로이용하는광합성미생물은수소를발생시킬뿐만아니라, 공기중이산화탄소를저감시키는적극적인환경처리기술이다. 또한음식쓰레기나하수슬러지를처리하며, 동시에수소를생산할수있는바이오매스이용기술이기도하다. 미생물에의한수소발생연구는이미 1800년대말부터미생물학자들에의 해서시작되었으며, 조류 (algae) 와세균 (bacteria) 을이용하여기초연구가수 행되고있었다. 그러나, 이러한수소발생현상을실질적으로수소에너지의생산과연관지어가능성을검토하기시작한것은 1970년대초기 ' 에너지위기 ' 이후부터이다. 시금치에서추출한엽록체와미생물에서분리한수소생산효소및전자전달체에빛을조사하여수소가생산되는 in vitro ( 균체외 ) 수소발생과아울러질소고정능력이있는시아노박테리아를 in vivo ( 균체내 ) 수소생산에이 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 2

3 용하는연구가최초로이루어졌다. 식물이나조류는자체내의광합성작용에의해서물, 이산화탄소로부터산소를발생하고환원체를만드는데, 이때산소는물로부터발생하며, 공기중의이산화탄소를탄수화물로환원하여식물체내에저장물질로축적한다. 하지만, 식물체내에는수소생산을유도하는효소인 hydrogenase가존재하지않으므로양성자 (H + ) 를수소로환원하지않으며, 수소를생산하지도않는다. 그러나일부의조류는이산화탄소를고정하여저장물질을축적함과동시에양성자를수소로환원할수도있고, 광합성세균도유기물을영양물질과전자공여체로이용하여수소를발생한다. 생물학적수소생산기술의필요성은선진국에서적극적으로검토되고있는데, 미국은바이오매스이용 R&D 로드맵에서밝힌바와같이현재운송용연료소비중바이오연료이용률 0.5% 가 2020년까지약 10% 로증가할것으로전망하고있으며, 이러한소비는급증하여 2030년까지는 20% 에도달할것으로보고있다. 이에관련한기술은바이오매스의가스화나발효공정으로현재는바이오알코올, 바이오디젤기술이개발되어상용화되어있으나, 궁극적으로는바이오수소로전환될것으로전망하고있다. 왜냐하면바이오에탄올이나디젤은연소하면서이산화탄소가발생하는연료인반면, 수소는이산화탄소가전혀발생하지않는청정연료이기때문이다. II. 이론및방법 생물학적수소생산기술은다양하여기질로사용되는원료물질에따라물, 유기물, 가스로크게구분되고 ( 표 1), 또한미생물의다양한메카니즘에따라여러가지기술이알려져있으며아직도새로운기술및다양한수소생산미생물에대한연구가왕성하다. 이중에서도 1 綠藻類 (green algae) 가광합성메카니즘에의해물로부터양성자와전자를공급받아수소를생산하는직접물분해수소생산기술 2 광합성작용에의해물을분해하여산소를발생하고, 동시에공기중이산화탄소를고정하여고분자저장물질로균체내에합성한후혐기발효 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 3

4 또는광합성발효에의해수소를발생하는간접물분해수소생산기술 3 최근일본을비롯한유기성폐자원이풍부한국가에서집중적으로연구되는기술로써, 유기물로부터홍색비유황세균에의한광합성발효에의한수소생산또는 4 광이존재하지않는조건에서혐기미생물에의해유기물자체가에너지원으로사용되는발효에의한수소생산기술 5 광합성에관여하는엽록체및미생물효소를추출하여, 물또는유기물로부터수소를발생하는균체외수소발생 6 광합성미생물의일산화탄소가스전환반응에의한수소생산기술등으로구분할수있다. < 표 1 > 생물학적방법에의한수소생산기술의종류 원료방법미생물 / 효소 Chemistry 물유기물가스 (CO) 광합성직접물분해 (direct photolysis) 광합성간접물분해 (indirect photolysis) 인공광합성에의한물분해 (in vitro photosynthesis) 혐기발효 (dark & anaerobic fermentation) 광합성발효 (photosynthetic fermentation) in vitro reaction 전환반응 (water-gas shift reaction) green algae, cyanobacteria cyanobacteria, 광합성세균 photosystem, 전자전달계, H 2 ase anaerobic bacteria purple non-sulfur bacteria glucose dehydrogenase, H 2 ase purple non-sulfur bacteria O 2 light H 2O PSII PSI FD H 2ase H 2 light H 2 O PS (CH 2 O) CO 2 (CH 2 O) FD H 2 ase, N 2 ase H 2 O 2 light H 2O (PSII PSI FD H 2ase) H 2 인공적으로제조또는미생물로부터추출 dark C 6H 12O 6 + H 2O 4~6 H 2 + CO 2 + 유기산 light 유기산 + H 2 O 4~7 H 2 + CO 2 C 6 H 12 O 6 + glucose dehydrogenase, H 2 ase gluconic acid + H 2 dark CO + H 2O CO 2 + H 2 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 4

5 표설명 : H2ase; hydrogenase, 수소생산효소 N2ase, nitrogenase, 질소고정효소 FD, ferredoxin, 미생뭉내의전자전달물질 PS I, II, photosystem I, II, 광합성계 I, II 미생물을이용하여물로부터수소를생산하는기술은공기중의이산화탄소를고정하고, 수소와산소를발생시키는현상으로간략하게정리할수있지만, 오래전부터미국, 유럽에서광합성미생물의생화학적연구와아울러우수미생물의분리, 개선및반응기에관한연구가축적되어왔다. 반면, 유기물로부터혐기및광합성발효를연속적으로적용하는기술은비교적최근에일본을비롯한유기성폐기물이많은국가에서수소에너지생산과유기성폐기물처리라는두가지목적에부합하는연구로써활발히진행되고있다. 그중에서도다음에설명하는두기술은가장실현성이높은기술로초점을받고있다. 1 조류 ( 藻類, algae) 가빛을받아서광합성작용에의해공기중이산화탄소를고정하고, 동시에물을분해하여산소와동시에수소를발생하는기술이다. 조류의광합성작용은녹색식물이자라는것과같은현상인데, 식물은이과정에서열매나뿌리등에저장물질을만드는반면, 조류는수소를발생한다. 왜냐하면, 조류는수소생산효소인하이드로제네이스 (hydrogenase) 가있기때문이다. 이와같은광합성작용은조류내에있는고유의과정으로, 생체내의에너지대사와관련한복잡한메카니즘을갖는다. 연구자들의노력은이현상을정확히이해하여수소생산을높이기위한유전자의개선이나수소생산공정을최적화하는것이다. 즉, 조류내에엽록체에서가시광선을받고이빛에너지에의해서물 (H 2 O) 이분해되어산소 (O 2 ), 양성자 (H + ), 전자 (e - ) 를발생한다. 빛에너지는물에서발생한전자를에너지가높은상태로전위를높이고, 이러한전자는몇단계의전달경로를거쳐, 최종적으로수소생산효소에이른다. 이효소는촉매작용을하여양성자와전자를결합하여수소가발생된다. 이때동시에공기중의이산화탄소는탄화수소화합물 ( 포도당과탄수화물등 ) 로전환되어조류바이오매스를만든다. 이와같이, 빛에너지를이용하여물을직접 / 간접적으로산소와수소로분해 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 5

6 하는기술을성공적으로개발한다면, 이상적인기술이겠지만현재기술로는상용화하기위해해결해야할많은도전이있다. 다시말하면, 이반응에관여하는수소생산효소 (hydrogenase) 가동시에발생하는산소에매우민감하여수소발생을방해하기때문이다. 이러한과민반응을극복하기위하여실험실적으로는산소를발생되는대로반응기내에서없애버리는기술을시도하였으나대량생산시설에서는실질적인처리방법이되지못하고있다. 또한, 분자생물학적인해결방법으로산소에민감하지않은 hydrogenase를개발하고있다. 즉, 미생물자체가태양광을최대로변환할수있는환원력과아울러수소생산효소인 hydrogenase까지효율적으로전달될수있는미생물기술이개발되고있다. 그리고, 저렴한생물반응시설에의해물과태양광으로부터효율적인생물수소생산반응을제공하고동시에생성된수소를최대로모을수있는기술적인개발이필요하다. 2 유기성폐자원이나바이오매스가풍부한국가에서수소생산에타당한기술로유기물로부터혐기발효나광합성발효에의해수소를생산하는기술이다. 현재지구상에는건량으로약 1.8~2조톤의바이오매스가존재하며, 약 10% 에해당하는 2,000억톤의바이오매스가광합성에의해매년생성되고있다. 즉, 지구상에서받는태양에너지가바이오매스로축적되고있다. 생성된바이오매스의 에너지환산량은약 toe 로써화석연료소비량 ( 년간약 76 억 toe) 의 약 10배에해당한다. 또한, 국내에서수집가능한유기성폐자원은연간하수슬러지 226만 ton( 수도권지역 ), 농산집하장폐기물약 400천 ton ( 수도권지역 ), 음식쓰레기 550만 ton, 축산분뇨 7118만 ton등이다. 전세계적으로발생하는유기성폐자원양을수소에너지로환산한다면약 22억 toe의바이오에너지개발이가능하여전세계연간에너지소비의약 30% 가량의충당이가능하다. 이기술은이러한유기물을 2단계혐기및광합성발효공정으로수소를생산하는것으로, 1단계에서는고분자물질이혐기세균에의해수소와유기산으로분해되고, 2단계에서는유기산이광합성세균에의해수소로전환되는기술이며다음과같이정리할수있다. 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 6

7 혐기발효에의한수소생산은광이없는혐기발효조건에서혐기발효세균이유기물을이용하여배양액중에각종유기산, 유기용매를축적하고, 동시에수소와이산화탄소를발생한다. 생성되는발효산물의종류와비율은초기배양조건인 ph, 온도, 기질의종류와농도, 무기물의농도등에영향을받을뿐만아니라, 이미발효과정에서생성된대사산물인유기산과유기용매에의해서도수소생성에영향을받는다. Clostridium butyricum, Cl. pasteurianum, Cl. aceticum, Cl. kluyveri 및 Enterobacter aerogenes는가장잘알려진혐기발효수소생성세균이다. 이균주들은자체내존재하는생화학반응을거쳐수소, 이산화탄소, butyrate를생성하며, 동시에 lactate, acetate, butanol, 에탄올도생성할수있는발효경로를갖는다. 포도당으로부터수소와같이 acetate( 초산 ) 및 butyrate( 뷰티릭산 ) 가생성될경우를각각반응식으로표시하면다음과같다. C6H12O6( 포도당 ) + 6H20 2CH3COO-( 초산 ) + 2H+ + 2CO2 + 4H2 C6H12O6( 포도당 ) CH3(CH2)2 COO-( 뷰티릭산 ) + H+ + 2CO2 + 2H2 즉, 혐기발효에의한수소생산은초산 2 분자와동시에최대수소 4 분자를생산한다. 이는포도당 1 분자로부터생산할수있는 12 분자의수소중약 33 % 의전환에불과하지만, 이반응에관여하는세균은수소생산속도가빨라서가장상용화에접근하는기술로평가되고있다. 이때동시에생성된초산은광합성발효에의해순차적으로아래식과같이높은효율의수소발생을유도할수있다. 2 CH 3 COOH + 4H 2 O 4 CO 2 + 8H 2 광합성발효에의한수소생산은주로 purple non-sulfur bacteria ( 홍색비유황세균 ) 에의해발생하며, 이분류에속하는세균은장파장의빛을이용하며유기산을전자공여체 ( 환원제 ) 로하여, 혐기조건에서수소를생산한다. 광합성세균은자체의클로로필이장파장의빛을받아전자전달기작에의해질소고정화를한다. 질소고정화에관여하는효소는나이트로제네이스 (nitrogenase) 이며, 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 7

8 질소, 암모니아, 암모늄이온 (NH4 + ) 등의질소원이존재하지않을때는양성자 (H + ) 을수소 (H 2 ) 로환원하여수소가스를발생한다. 양성자 (H + ) 전자 (e - ) 는유기물이나환원황화합물, 분자상의수소로부터온다. 이과정에의한수소생산은혐기, 적절한광도및제한된질소원의공급, 효율적인기질의공급으로최대수소생산율을나타내는데, 미생물에따라그최적조건의차이를나타낸다. 유기물질중에서도유기산은탄소원및전자공여체로높은효율의수소생산성을나타내는기질이다. 광합성박테리아는조류및식물이광합성계 (photosystem, PS) I과 II를모두광합성에이용하는것과는달리 PS I 만을이용하여광합성작용을하고수소를발생한다. 즉, PS I에존재하는색소복합체인반응쎈터에있는클로로필과카로티노이드색소에서빛에너지를흡수하여, 반응쎈터복합체의양면의전위차로전환하며, 이러한전위차는 cyclic 전자전달계를생기게하고, 이것은다시 ATP 등의고에너지화합물을만들게된다. 이때기질이공급하는전자가 nitrogenase 효소계의전자전달체 (Fd) 를환원하며, 이환원력과 ATP를이용하여 nitrogenase가질소원이없는조건에서분자상의수소를발생한다. 광합성박테리아는또한대사적인다양성을나타내어호기적및혐기적암조건에서도모두성장할수있고, 또한광합성을할수있는동시에발효에의해서도배양이가능하다고알려져있다. 이러한다양성때문에기질의이용효율에차이는있지만단당류, 이당류및각종유기산을모두배양기질로사용할수있다. 이론적인수소생성량은 glucose 한분자로부터 12 분자의수소가스가생성되며, 초산, 젖산및뷰틸산한분자로부터각각 4, 6 및 7 분자의수소가생산된다. 그러나홍색비유황세균은종및속에따라서차이는있지만, 기질의전환율은포도당의경우 30-40% 이고, 젖산은 85-90% 까지가능하다고알려져있다. 조류나광합성박테리아로부터생산되는생물학적수소의양은또한빛에너지를이용할수있는최대양자효율이높을수록많은수소를생산하는것으로알려져있는데, 이는광화학적작용인자인균주의반응센터수와안테나크기등에비례한다. 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 8

9 혐기발효와이로부터발생한유기산이광합성세균발효에의해이론적으로 1 분자포도당으로부터최대 12 분자수소가발생하지만 ( 표 2), 실질적으로발효중에발생하는 ph 변화, 유기산생성률등은수소생산효율을크게좌우하고, 더욱이제당, 식품폐수를이용할경우타박테리아나폐수중에존재하는금속이온및질소원종류등이수소생산에영향을준다. 그러므로기질로부터수소발생과아울러유기산의축적을최대화할수있는혐기발효조건의최적화는생물학적수소생산의주요인자이다. < 표 2 > 혐기발효와광합성발효에의한생성물의 mass balance 혐기발효 광합성발효 C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 4H 2 + 2CO 2 + 2CH 3 COOH CH 3 COOH + 2H 2 O 2CO 2 + 4H 2 C 6 H 12 O 6 + H 2 O 2CH 3 CHOHCOOH CH 3 CHOHCOOH + 3H 2 O 3CO 2 + 6H 2 C 6 H 12 O 6 + H 2 O 2CO 2 + 2H 2 + CH 3 (CH 2 ) 2 COOH CH 3 (CH 2 ) 2 COOH + 4H 2 O 4CO 2 + 7H 2 In vitro 기술에의한수소생산은전자공여체의종류에따라편의상크게두가지, 즉물분해와유기물분해수소생산으로분류된다. 1970년대본격적인생물학적수소생산연구가시작된시기에이연구에활기를불어넣어준초기결과는 in vitro 에서의물분해수소생산이었다. 이실험을위해서시금치에서분리한광합성기구인클로로플라스트조직, 전자전달체인페레독신, 그리고미생물에서분리한수소생산효소에빛을조사해물로부터수소를생산하였다. 이러한자연시스템의 in vitro 에서의성공은인공시스템의가능성을열어주었고, 최근 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 9

10 다양한인공시스템연구가진행되고있다. 수소생산효소들은미생물내부에존재하면서세포가수소를발생하도록하는생체내촉매이다. 그리고미생물이이효소에의해서생산한수소를최대밖으로내도록유도하며수소에너지로활용하자는것이결국은생물학적인수소에너지생산기술이다. 그러나이미미생물내에서 (in vivo) 어떠한메커니즘이수소생산을하는가하는것이많은부분밝혀져있어서이제는최첨단의기술로수소생산효소를밖으로꺼내서마치화학반응과같이물이나유기물로부터수소를생산하는기술을개발하고있다. 이와같이수소생산효소나그생체내시스템을생물체밖, 즉, 실험실에서가동하는것을생체외 (in-vitro) 라고하는데그와같은연구가국내 외에서일어나고있다. 미생물을키우면서수소를생산하는 in vivo 기술은일반적으로생산비용이적게드는장점은있지만, 수소를발생하기위해서는조절해야할외부적인조건이많다. 즉, 온도, 산도, 영양물질의균형, 교반, 산화-환원전위, 광합성미생물경우는빛의조명도나파장이이에속하며, 미생물자체가수소를발생할수있는효율에도한계가있다. 그러나위에서언급한 in-vitro 기술은위의단점을극복할수있는첨단기술이다. 이기술이성공적으로개발된다면즉, 값싸게화학적으로합성한효소가공기중에서도그작용이일어난다면, 미생물을이용한수소생산은더욱산업화에가까이올것으로기대된다. 셀룰로스, 전분, 유당등의주성분인유기성폐자원으로부터원료물질을추출해서수소생산에적용하는방법도연구되고있고, 그방법은다음과같다. 즉, 유기성폐자원을단위물질인포도당까지가수분해하여포도당을 glucose dehydrogenase, NADP+, hydrogenase를작용시켜수소를생산하는방법이현재검토되고있다. III. 기술개발동향및전망 90 년대초부터일본에서 환경조화형수소제조기술개발 이라는대형국책프로 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 10

11 젝트가수행됨으로써전세계적으로연구가활성화되었다. 미국, IEA-annex 15, 22, 네덜란드, 스웨덴, 중국도 90년대후반부터새로운미생물분리, 유전자연구, 시스템공정등을동시에개발하는적극적인지원정책이이루어지고있다. 이는에너지안보와환경문제라는두가지관점이국제정세와부합함으로써이루어진것으로보인다. 선진국은생물학적수소생산기술개발에자국의자연환경과국토위치, 면적등의태양광이용조건과바이오매스자원발생량등을고려하여개발에초점을두고있다. 즉, 미국은사막지역과하와이섬주변의넓은면적과높은일사량을이용하기위한광합성수소생산시설을개발하는데궁극적인목적을두었다. 이에관련한기초및요소기술로서 2003년부터미생물에의한이산화탄소저감과수소생산에투자하고있는데, 이는광합성세균과조류의유전자를밝힘으로써수소생산성을향상시키는에너지생산연구와동시에공기중이산화탄소를제거하는환경기술로활용할수있도록광합성미생물에대한연구이다. 현재약 800억원을투자하여주로조류에수소생산을목적으로태양광이용효율증진, 관련미생물을유전공학에의해대사를조절하여기존의효율보다높은맞춤형미생물로개선하는연구를수행하고있다. 최근에는 US DOE, NREL이바이오매스의직접발효에의한수소생산에대해관심을보임으로써관련기술의검토와수소가격형성에주는직 간접적인인자에대해검토되었다. 이기술에서는옥수수, 사탕수수에서발생하는줄기, 대와같은농산바이오매스를이용하여에탄올을생산하는기존의시설을바이오수소생산시설로전환할목적으로이루어졌다. 일본은이미 1991년~2000년에국책사업 ( 연구비 550억원 ) 으로 MITE, NEDO가지원하고 RITE, NIBH, 대학, 국제공동연구로기술개발 1단계가전 반적으로연구되었으며, 현재는수소와메탄이동시에생산되는 hythane (hydrogen과 methane의합성어 ) 공정을각종도시폐기물로부터 4,000 m 3 규모로 NEDO에서 5년간 110억원을지원하여 Kajima Co. 와수행중이다. 전문가들은바이오매스를이용한생물학적수소생산이가장상용화에빨리 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 11

12 접근할수있다고전망하고있다. 이기술은바이오매스로써유기성폐기물이많은일본, 네덜란드, 중국, 한국에서도관련미생물및공정에대한연구가수행되고있다. 국내에서도 1997년부터 2003년까지유기성폐자원 ( 두부, 제당, 막걸리폐수 ) 및폐기물 ( 농산집하장과일 ) 로부터광생물학적기술에의한수소생산연구를삼성엔지니어링과산업자원부대체에너지연구사업 ( 총연구비 27억원 ) 으로 지원했다. 또한과학기술부국가기술정책사업 (2000 년 년 ) 으로태양광이 용물분해수소생산연구가지원되었다. 현재는, 국가프론티어연구사업인 고효율수소제조저장 이용 기술개발 의일부로생물학적변환기술에의한수소생산을 2개국책연구기관과 4개대학이공동으로연구비연간 6억원규모로연구하고있다. 이연구에서는혐기및광합성발효에의한수소생산공정연구, 유전자개선을이용한관련미생물의수소생산성향상, in vitro 수소생산연구를위한관련효소특성연구를수행하고있으며, 현재까지생물학적수소생산에관련한연구그룹은한국에너지기술연구원을주관기관으로삼성엔지니어링, 한국화학연구원, 한국과학기술연구원, 서강대학교, 서울대학교, 부산대학교, 성균관대학교가연구에참여하고있다. 생물학적수소생산연구는국내 외적으로다음과같은경제성평가로가능성이전망되고있다. 1 태양광에의해생산되는바이오매스를이용하여혐기발효기술에의한 수소생산연구가 2015 년에상용화할목표로 US DOE 에서검토되었다 (2004 년 6월 ). 이는 Kg 당수소가격 $ 2.08으로하루에 120,000 kg 수소를생산할수있는규모기술이다. 이기술은원료의가격을 $ 0.5/0.45 kg 이하로낮추고, 유기물질 ( 포도당 ) 1분자당 10 분자수소가발생하는미생물을이용하는것으로가정하고있다. 이는, 현재의기술개발수준으로볼때충분히가능하다고평가된다. 2 태양광을이용하여조류를배양하고이로부터수소를생산하는기술의경제성평가는약 $10/MBTU 라고미국에서는제시하고있다. 이는일사량이높 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 12

13 은미남서부사막지역에서, 시설이설치되는최소면적이 10 ha 이상이며, 미생물의광변환효율을 10% 로가정할때제시한경제성이다. 이와같은가격은이산화탄소의감소효과와수소에너지생산이라는두면을고려하면충분히경제성이확보될수있는가격이다. 다만, 미생물의광변환효율 10%( 현재약 3-4%) 에도달하기위해서는미생물개선기술이나공정연구가선행되어야하며, 2015년에상용화가가능할것으로전망하고있다. 그러나이기술을국내에적용할경우, 좁은국토면적이나낮은일사량때문에어려움이따를것으로평가된다. 3 일본 NEDO는다량으로발생하는하수슬러지, 음식쓰레기, 축산폐수등을발효와광합성세균을이용하여수소를발생할경우수소생산량의 30% 를충당할수있는기술로경제성을평가하고있으며, 이를폐기물처리시설로도사용할수있어이중의효과를가질수있다. 이기술은현재적용할수있는기술이며, 국내를비롯한각국에서소형시설의규모로현재가동중이다. 4 미국에서연간발생하는폐신문지는약 726만톤셀룰로즈에해당하는양은수소생산효소적용기술로약 m3수소를발생하며, 이는 BTU에해당한다. 이는인구 24,000명의도시 ( 연간가스소비 m3 ) 인미국테네시주 Oak Ridge 시와같은크기의 37개도시를충당할수있는열량으로경제성을평가하고있다. 이기술은관련효소의가격이높아서현재는적용하기어렵지만, 2010년까지는적용가능한기술로평가된다. 5 발효에의한수소생산공정은현재상용화되어있는메탄가스생산공정과유사하며, 개발없이그대로이용이가능하다. 발효에의한수소생산경제성은화학식그대로에서생산되는양보다는적지만타공정에비해높은효율을나타낸다. 발효에의한메탄생산비용은약 $ 3-8/MBTU이며, 거의같은공정을사용하는수소생산가격도이와유사하다고가정할때, 수소는메탄보다높은가격인 $ 15/MBTU 가격으로팔수있으므로메탄에비해경제성이높다. III. 맺음말 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 13

14 생물학적인방법으로수소를생산하는기술은지구상의무한한태양에너지, 물, 이산화탄소를이용하여수소에너지를생산할수있는신 재생에너지생산기술이며, 청정에너지생산기술이다. 또한국내의골칫거리인음식쓰레기, 하수슬러지로부터수소를생산하고환경처리및정화, 타생물산업을활성화할수있는부가가치가높은기술이다. 본문에서소개한바와같이, 생물학적인수소생산에는여러가지기술이존재하며, 개발정도및기술의격차가심하다. 수소에너지시대의도래를예측하면서선진국은자국의자연환경, 자원량, 국토면적등을고려하여이러한여러가지기술중에서도가능한기술에구체적인목표를두고개발하고있다. 최근선진국의기술개발투자로일부기술은상용화에가까이근접하고있으며, 국내에서도상당한기초및요소기술이축적되어있다. 국내는선진국에비해수소제조기술에대한투자가낮으며, 특히생물학적기술에대한연구비투자는미국이나일본의 50분의 1에도미치지못하는형편이다. 국내에서가장가능성이높은방법은유기물, 즉유기성폐기물및폐수를이용하는기술로이와같은수분함량이높은바이오매스는국내에서연간약 128백만톤의유기성폐수와 550만톤의음식쓰레기를비롯하여서울지역농산집하장폐기물만도약 400천톤이발생하며, 하수슬러지도 226만톤에이른다. 현재는대부분이매립처리되는실정이지만, 높은수분함량때문에매립시발생하는침출수는환경오염의주범으로가까운장래에는매립이전면금지될전망이다. 이러한바이오매스를활용하여, 생물학적으로수소를생산하는기술은에너지생산과아울러유기성폐기물을처리하는일석이조의효과를갖는다. 정리하면, 미생물에의한수소생산기술은신 재생 / 청정에너지를생산할수있고, 동시에산소발생및공기중이산화탄소제거가가능한환경기술이며, 더우기식품공장폐수및음식쓰레기와같은유기성폐기물을처리할수있는기술이다. 따라서지속적인관심과기술개발을통하여, 도래할수소에너지시대에수소생산기술로써자리를잡을것으로전망된다. 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업단 14

수소 제조 기술

수소 제조 기술 신에너지첨단소재및혁신융합기술 제 8 강 수소에너지제조기술 (3) 목 차 # 전기분해제조기술 # 생물학적제조기술 전기분해제조기술 전기분해제조기술 # 물의전기분해는가장간단하면서도신뢰성이높고대량 생산이용이함. ᄋ 전기분해시사용되는전기에너지의비용이높다는단점 => 전기에너지를얻기위해서태양에너지또는풍력에너지등대체에너지를사용 => 최근연료전지발전기술의도입과전기분해효율이좋은고분자전해질막