[논문]바이오가스 유래 수소 제조 기술 동향 및 효과적인 적용

송형운; 정희숙; 엄성현

doi:10.14478/ace.2020.1002

바이오가스 유래 수소 제조 기술 동향 및 효과적인 적용
Recent Progress for Hydrogen Production from Biogas and Its Effective Applications 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.1, 2020년, pp.1 - 6

송형운 (고등기술연구원 플랜트공정개발센터) , 정희숙 (고등기술연구원 플랜트공정개발센터) , 엄성현 (고등기술연구원 플랜트공정개발센터)

초록
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바이오가스를 이용한 수소 제조는 주요한 에너지 및 환경 관련 이슈들을 동시에 해결할 수 있다는 장점으로 꾸준히 주목받아 왔다. 바이오가스 정제를 통해 얻은 바이오메탄 수증기개질은 천연가스 개질을 대체할 수 있는 좋은 현실적인 대안이다. 하지만, 경제성과 환경 유해성을 모두 고려한다면 바이오가스를 직접 개질반응에 활용하는 바이오가스 수증기 개질 및 건식 개질을 활용한 수소 제조가 보다 효과적이라 평가된다. 본 논문에서는 바이오가스 기반 추출수소 제조 관련 최근의 기술 이슈 및 개발 동향을 소개하며 향후 상업화를 위한 효과적인 적용 방향에 대해서 고찰하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogen production from biogas has received consistent attention due to the great potential to solve simultaneously the issues of energy demands and environmental problems. Practically, biomethane produced by purification/upgrading of biogas can be a good alternative to the natural gas which is a main reactant for a steam methane reforming process. Judging from the economic and environmental impacts, however, the steam biogas and dry reforming are considered to be more effective routes for hydrogen production because both processes do not require the carbon dioxide elimination step. Herein, we highlight recent studies of hydrogen production via reforming processes using biogas and effective applications for earlier commercialization.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Parameters and Composition of Gases from Different Origins and Impurities[5-7]
그림 Figure 1. Block diagram of steam biogas reforming in the VABHYOGAZ project[12].
그림 Figure 2. TEM images of (a) fresh NiOx/BZO, (b) spent NiOx/BZO for 50 h reaction. (c) Conversion of CH₄ and CO₂ as a function of time of gear-shaped NiOx/BZO for DRM reaction.
표 Table 2. Stoichiometric Considerations for the Biogas Steam Reforming[9]
표 Table 3. Chemical Reactions Involved in the Methane Reforming Processes
그림 Figure 3. Schematic diagram of experimental configuration.
그림 Figure 4. (a) Schematic diagram of cascade-type distribution for effective hydrogen utilization and (b) typical pressure level of pressurized hydrogen for different applications.

AI 본문요약
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문제 정의

Figure 4(b)에서 볼 수 있듯이 수소는 사용처에 따라 다양한 압력 조건을 필요로 한다. 따라서 수소를 제조하는 시점에서 연료전지 자동차 충전을 위한 800 bar 이상의 고압 수소와 함께 수소 수요 변동에 따라 효과적으로 대응할 수 있는 캐스케이드 압력 시스템을 구축함으로써 수요처 다변화에 대응할 수 있는 구조를 갖추도록 하는 것이다. 물론 압축 시스템 및 고압 저장에 대한 투자비용이 매우 크기 때문에 공정 단순화 및 에너지 절감 방안이 필수적으로 동반되어야 하겠다.
본 논문에서는 바이오가스 활용 기술 중에 최근 각광받고 있는 추출수소 제조 기술을 중심으로 기술 개발 이슈들을 소개하며, 특히 수소의 산업적 이용을 확대시킬 수 있는 활용방안 등을 고찰해보고자 한다.

가설 설정

그리고 천연가스로부터 수소 제조에 대한 환산인자(conversion factor)를적용하게 되면 투입되는 바이오가스로부터 얻을 수 있는 수소를 이론 적으로 계산할 수도 있다[15]. 바이오가스에서 메탄의 함량을 60%, 정제/고질화 효율을 90%라고 가정하고, 환산인자(3.295 kg CH₄ = 1 kg H₂)를 적용하게 되면 바이오가스 1 Nm³ 투입되는 경우 약 1.3 Nm³의 수소를 생산할 수 있다.

제안 방법

Figure 3(a)에서는 열원과 반응물을 shell-and-tube 형태로 접촉시킴으로써 열적 균일성을 확보하고자 하였다. 또한 열원 입구에 타공판을 복수로 구성하여 열원이 반응기 내부에서 균일하게 분포하도록 유도하였다. Figure 3(b)에서는 반응기 외벽에 열원을 위치시키고 반응기 내부까지 균일한 온도가 유지될 수 있는 반응기 크기 설계를 통해 촉매 활성을 극대화하였다.
바이오가스는 주로 유기물이 산소 희박한 환경에서 분해되며 메탄을 만들어내는 혐기소화(anaerobic digestion) 공정을 통해 제조된다. 바이오가스의 주요 구성성분은 메탄과 이산화탄소로써 Table 1에 정리하였으며, 매립지 바이오가스 및 천연가스 성분과 비교하였다. 천연 가스에 비해 바이오가스는 이산화탄소 함량이 40%에 가깝게 높은 것이 특징이며, 황성분 함량이 높기 때문에 탈황공정을 반드시 필요로 한다.
Figure 2에서 대표적인 건식 개질 촉매를 보여주고 있다[18]. 열적 안정성을 확보하기 위하여 페롭스카이트(pervoskite) 물질인 Barium zirconate (BaZrO₃) 성형체를 촉매 담지체(catalyst support)로 사용하였으며, 고온에서 촉매 뭉침(agglomeration)을 최대한 억제하기 위하여 촉매 활물질인 니켈을 박막 코팅함으로써 촉매 활성을 극대화하였다. Figure 2(a), (b)에서 볼 수 있듯이 700 ℃에서 30 h 이상의 운전 이후 에도 카본 침적이나 촉매 뭉침이 무시할 만한 수준으로 내구성이 우수한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오가스는 주로 어떤 공정을 통해 제조되는가?	바이오가스는 주로 유기물이 산소 희박한 환경에서 분해되며 메탄을 만들어내는 혐기소화(anaerobic digestion) 공정을 통해 제조된다. 바이오가스의 주요 구성성분은 메탄과 이산화탄소로써 Table 1에 정리하였으며, 매립지 바이오가스 및 천연가스 성분과 비교하였다.
	주요 바이오가스 정제/고질화 기술은 어떤 것들로 대별되는가?	또한, 상업화 설비를 위한 고질화 효율, 바이오메탄 수득율, 환경적 부작용 및 바이오가스 저장 등에 대한 기술에 까지 폭넓게 고찰되고 있다[6]. 주요 바이오가스 정제/고질화 기술은 물리적/화학적 흡수(absorption), 흡착(adsorption), 분리막 기술(membrane technology), 극저온 기술(cryogenic technology) 및 생물학적 방법(biological methods) 등으로 크게 구분된다. 이 중에서 상업적으로 가장 폭넓게 사용 되고 있는 흡착 기술인 PSA (pressure swing adsorption)는 약 94% 수율로 97% 고함량 메탄을 얻을 수도 있다[8].
	바이오가스 수증기 개질(SBR) 혹은 건식 개질(DR) 공정을 효과적으로 이용하기 위해서는 현재 무엇이 필요한가?	하지만, Table 3에 열거한 수많은 연관된 반응식에서 볼 수 있듯이 반응을 적절히 조율하기기 쉽지 않다. 때문에 공정변수, 즉 반응온도와 압력 등을 세심하게 제어하는 것이 필요하며 무엇보다도 고온 및 카본 침적 환경에서도 안정적으로 반응할 수 있는 고내구성 촉매가 필요하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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