청정 전기와 바이오매스를 이용한 메탄 생산

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-14

지속가능하면서 안정적인 미래 전기 공급과 관련하여 전력과 가스 그리드를 연계하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 풍력이나 태양발전의 특성에서 발생하는 변동성을 일종의 화학에너지 운반자 형태인 메탄으로 저장할 수 있는 것이다. 독일 가스수도협회(DVGW)와 카를수르에공과대학(KIT)의 연구진은 독일의 에너지 전환 전략인 에레르기벤데(Energiewende)의 요소라 할 수 있는 이러한 일이 기술적으로 가능한 것인지를 입증하였다. KIT가 건설한 DemoSNG 파일럿 설비는 안정적이면서 효율적으로 바이오매스 기반 이산화탄소와 청전전력(Green Power) 기반 수소를 이용하여 메탄(Methane)을 생산할 목적으로 스위덴에서 사용될 예정이다. KIT의 Siegfried Bajohr는 "다양한 가동 모드는 개발 기간 동안에 가장 큰 도전이었다"고 말한다. DemoSNG 파일럿 설비는 바이오매스 가스화 설비의 생산물인 수소, 이산화탄소, 일산화탄소 등에 니켈(Nickel) 촉매를 사용하여 메탄과 물을 직접 생산한다. 그리고 청정 전력이 이용 가능하다면 이들을 전기분해(Electrolysis)와 수소 추가 생산에 활용할 수 있다. 그렇게 되면 설비 내 체적 흐름은 두 배가 되고, 바이오매스에서 얻어지는 탄소의 활용은 거의 100% 수준까지 증가하게 된다. 그리고 촉매에 따라 생산되는 대량의 폐열(Waste Heat)도 활용할 수 있다. Bajohr는 "일반 메탄화 공정(Methanation Process)은 이러한 상태에서 한계에 도달하기 때문에 연구진은 새로운 반응기 개념을 도입하였다"고 말한다. 초기 공급원료는 모드 및 혼합 상태에서 효율적으로 운영이 가능하도록 설계된 허니컴 촉매(Honeycomb Catalyst)와 접촉하게 된다. 그는 "DemoSNG 설비는 우리의 콘셉트가 대규모 파일럿 설비에서도 적용될 수 있음을 확인시켜주었다"고 덧붙였다. 금속 허니컴은 자동차의 배기가스에 대한 촉매 변환기로 이미 사용되고 있다. 이들은 높은 열전도도, 다른 공정 모드에서 낮은 압력손실과 함께 우수한 기계적인 강도를 가지고 있다는 특징이 있다. 연구진은 DemoSNG 설비를 일반 선적용 컨테이너에 설치하였으며, 이 컨테이너는 이동이 가능하다. 설비 가동과 관련한 첫 번째 테스트가 KIT에서 완료되었으며, 스웨덴으로 이송될 예정이다. 이곳에서는 목재 잔여물을 이용하는 바이오매스 가스화설비를 통합할 계획이다. 허니컴 촉매는 다양한 설비 규모에 쉽게 활용이 가능하다. 미래에는 지금보다 더 작은 분산화된 장치를 효율적으로 운영하는 일이 가능할 것으로 보인다. KIT Engler-Bunte Institute의 Thomas Kolb은 "DemoSNG 설비는 청전 전력을 저장하여 메탄의 형태로 가스 그리드에 이송하는 방안을 실증하였다"고 강조하였다. DVGW의 Frank Graf는 "지금까지 천연가스 그리드에 수소를 혼합하는 일은 함량에 제한을 받아왔으며, 이는 저장, 분배 및 활용과 관련한 다양한 기술적 문제를 해결하기 위해 솔루션이 필요하였기 때문"이라고 말한다. "메탄화 공정은 현존하는 천연가스 분배 및 저장 기반시설과 표준기기에 아무런 변경이나 조절 없이 활용이 가능하다. 효과적인 메탄화 공정을 통해 풍력 및 태양발전은 제한없이 천연가스 그리드와 연계할 수 있다"고 Graf는 설명하였다. KIT의 Karl-Friedrich Ziegahn은 "DemoSNG는 유럽의 혁신이 얼마나 지속가능한 것인지를 보여준다"고 말했다. DemoSNG와 같은 설비를 이용하면 과잉으로 발생하는 청정 전기를 보다 잘 활용할 수 있을 것이다. 예를 들어, 약 800,000개의 바이오 설비에서 생산되는 이산화탄소를 독립적으로 변환하여 메탄 형태로 저장할 수 있다. 또한 새롭게 개발된 허니컴 촉매를 통해 소형 및 중형 설비를 보다 효율적으로 운영할 수 있을 것이다. 150109045544-large.jpg http://www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150109045544.htm