그림 1
실험실 소규모 미생물 연료전지 미생물 전기분해셀의 모식도2)
1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 재생에너지 기술
- 폐수의 에너지는 바이오에너지, 즉 재생에너지를 의미하는데, 한국에서 매년 버려지는 폐수는 신형 원자로 6.5개가 생산하는 에너지(6.5 GW)에 근사한 양의 에너지를 함유하기에 이 폐수를 처리하기 위해서는신형 원자로 0.6개(0.6GW) 발전량이 필요하지만, 폐수를 40%의 에너지 효율로 에너지화 하면, 신형 원자로 3.2개(3.2GW)를 대체하는 것이 가능
● 생물전기화학 기술
- 전자방출균(exoelectrogens)이라 알려진 Geobacter 와 Shewanella종들은 산화전극(anode)에 생물막(biofilm)을 형성하여 기질의 대사 작용을 통해 전자를 배출
- 혼합균주(mixed culture)로부터 전자방출균을 효과적으로 부착시켜야 하며, 최적의 조건에서의 미생물 군집을 생장시키고, 배출된 전자에 대한 유실 없이 효과적으로 수집하는 기술 등 시스템 최적화 기술 등이 필요
● 바이오가스 전환 기술
- 미생물 연료전지 시스템에 외부 전력을 공급하면 환원전극(cathode) 표면에서는 전기가 아닌 수소가스가 생산되는 미생물 전기분해 셀(MEC)로 변환 가능
- 수소가스 생산의 효율과 순도를 높이기 위한 가스 포집 기술과 전극소재 기술 개발이 필요하며, 이온 교환막을이용한 이실형(two-chamber) 시스템을 이용해 고순도의 수소가스를 생산하고, 미생물막 (biofilm)에서 재이용하여 메탄가스로 변환하여 사용 가능
- 미생물 전기분해 셀(MEC)은 유기성 폐수로부터 수소와 메탄과 같은 고부가가치의 바이오가스 전환 기술을 의미
● 나노소재 촉매 기술
- 전기를 생산하는 MFC의 환원전극에서는 산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)이, 바이오 가스를 생산하는 MEC의 환원전극에서는 수소생산반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)이 발생 - 각각의 반응을 촉진하기 위한 고성능의 촉매를 통한 시스템 성능 향상 기술 필요
- 귀금속 원소(예를 들면 백금)를 거의 사용하지 않으며, 전기전도성이 높고, 내구성이 높은 고성능의 나노 촉매(nano-catalyst) 기술이 필요3)
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● 차세대 에너지 생산형 하폐수 처리 기술
- 국내 하폐수 처리 시장 규모는 현재 연간 약 12조 원이며, 세계 하폐수 처리 시장 규모는 113조 원 - 폐수처리에 소모되는 에너지를 대폭 줄여 화석연료의 사용을 줄이며, 에너지 생산으로 인한 슬러지 발생이
감소되어 슬러지 처리 비용 감소 가능
● 혁신적인 수소생산 시스템
- 국내 수소시장 규모는 현재 연간 약 13만 톤이며, 2020년까지 47만 톤, 2030년까지 194만 톤까지 지속적으로 증가할 것으로 예상
- 국내 수소 생산은 석유화학 공정 등의 부산물인 부생수소 생산 기술에 전량 의존하는 상황
- 부생수소 생산 의존도를 낮추기 위해 수전해 기술을 이용하지만, 현재 수전해 기술은 낮은 효율(55%)에 대한 해결책이 필요
- 수전해에서는 에너지 함량이 거의 없는 물분자가 전자를 주기 때문에 많은 양의 전기에너지 투입이 필요 - 에너지원이 풍부한 유기성하폐수로부터 전자를 추출하는 MEC 기술은 수전해 대비 400%의 높은 효율로
수소 생산이 가능
-MEC에 이용되는 미생물막은 전기를 발생하면서 생장하며, 영구적 촉매이기 때문에, 환원전극만 교체 해줄경우 영구적으로 시스템 이용이 가능4)
3) 탄소 기반의 재료를 이용, 탄소의 단층 분자구조를 이용한 3D 나노소재 개발 필요 4) 관계부처 합동, 수소경제 활성화 로드맵 (2019.01)
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
● 시스템 규모 향상에 따른 전력효율 개선
- MFC의 경우 시스템 규모 향상에 비례하여 전력생산량이 증가하지 않는 현상이 존재
- 이를 해결하기 위해 전류 수집체(current collector) 최적화, 전기화학 분석기법을 이용한 운전조건 최적화 등을 통한 효율 최적화 기술 개발 중
● 전극 내구성 및 성능 개선
- 값비싼 백금촉매 금속(~69,000$/kg)을 대체하기 위한 탄소기반의 고성능 나노구조 촉매 소재 기술 개발 중 - 수용액 상태의 시스템 운전에서 촉매층 분해가 적은 높은 내구성을 갖는 나노구조 촉매 소재 기술 개발 중
● 바이오가스 생성 순도 향상
- 생산된 바이오가스의 순도를 높이기 위해 이온 교환막(Ion Exchange Membrane, IEM)을 이용한 이실형 (two-chamber) 시스템 구축
- 멤브레인의 내구성을 향상시키고, 가격을 낮추기 위한 기술 개발 중
표 1 주요 기술 및 이슈
구 분 세 부 내 용
재생에너지
원자로 6.5개의 에너지를 함유한 폐수의 에너지화 하는 에너지 공급형 폐수처리 시스템 구축 산소가 전혀 없는 수소 에너지 생산 기술
메탄의 안정적인 생산 기술
생물전기화학
전자방출균을 이용해 유기물로부터 전자 방출 방출된 전자를 환원시키며 부산물 생산 산소환원반응을 통한 전기 생산 효과적인 미생물 부착 효과적인 전류 포집
바이오가스 생산 낮은 외부전원 인가를 통한 수소 생산 이온교환막을 이용한 고순도 바이오가스 생산
나노소재 촉매
산소환원반응용 고성능 나노소재 촉매 개발 수소생산반응용 고성능 나노소재 촉매 개발
전기적 활성이 높고, 내구성이 높은 값싼 나노소재 촉매 개발
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 전남대학교
-Graphene oxide(GO) powder(≤0.29μm)를 열처리하여 reduced graphene oxide(rGO) powder (≤0.20μm)를 합성, 기존 GO보다 낮은 산소 함량 및 높은 전기 전도성의 물질로 개질을 통해 기존 환원 전극의 성능을 35% 증진5)
● 한국에너지기술연구원
- 환원전극 내부용액으로 해수를 사용하고, 분리막과 환원전극을 부착시켜 미생물 전기분해 셀에서 0.18±0.03m3/m3･day 수소 생산속도 및 151.9±1.0% 에너지 회수를 달성6)
● 코오롱
- 탄화수소계 물질을 포함하는 양이온 교환막을 이용하여 미생물 전기분해 전지 환원전극에서 수소가 산화 전극으로 확산되는 것을 방지
- 산화전극에서 유기물 등이 양이온 교환막을 투과하여 나타나는 크로스 오버 및 다가 양이온들의 투과도를 저하시켜 전기분해 시스템의 안정적인 효율을 유지7)
2.2. 해외 동향
● Pennsylvania State University, 미국
- 니켈 분말을 활성 탄소와 혼합되어 사용된 니켈의 질량을 감소시키면서, 활성 표면적을 증가시킴으로써 수소 발생 반응에 대한 촉매 활성을 개선시켰으며, 1.3 L･H2/L･day의 높은 수소 생산율을 달성8)
● Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT, 독일 / Wageningen University, 네덜란드
- 과립형태인 입상활성탄과 흑연을 생물학적 환원전극으로 이용하여 미생물 전기분해 셀의 메탄생산량을 증가시켰는데, 65 L･CH4/m2･day의 메탄 생산속도는 기존 메탄생산량보다 월등히 높은 수준9)
5) Electrochim. Acta, 297, 613-622 (2019.02.20.)
6) International Journal of Hydrogen Energy, 44(2), 652-660 7) 국내특허, 출원번호 1020100121777 (2010)
8) Environmental science & technology, 52(12), 7131-7137 (2019) 9) Frontiers in bioengineering and biotechnology, 6, 78 (2018)
● Panasonic, 일본
- 비금속 원자 또는 원소를 함유한 흑연 기반 시트를 산화 및 환원전극으로 활용 가능하고 탄소 기반이므로 다공성이 우수하며, 미생물 부착에 용이10)
3 시사점(기술수준)
● 국내 미생물 연료전지, 미생물 전기분해 기술은 열위 수준
● 미생물 연료전지(MFC) 최대 전력밀도 성능비교
한국(전남대학교) 중국(우한대학교)
최대 전력밀도(W/m²) 2.6 3.1
사용 촉매 rGO(reduced graphene oxide) 촉매 Fe-N-C 촉매
● 미생물전기분해셀(MEC) 수소생산속도 성능비교
한국(에너지기술연구원) 벨기에(Gent대학교)
수소생산속도(L/L･day) 0.18 7.10
● 미생물전기분해셀(MEC) 메탄생산수율 비교
한국(경희대학교) 한국(해양대학교)
메탄생산수율(mL/g･COD) 408 300