Green corn field growing up

퇴비더미에서 얻는 깨끗한 전기

바이오가스가 인기입니다. 점점 더 많은 농가들이 이 매우 친환경적인 에너지원에 의존하고 있습니다. 바이오가스의 원리와 활용기술이 단순하다는 점을 생각해보면 그리 놀랄 일도 아닙니다. 바이오가스로 깨끗한 전기와 좋은 비료를 얻는 것은 물론, 큰 수익을 거둘 수도 있습니다.

우유를 만들지 않는 “최고의 소”

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푸르게 우거진 초원 위로 소들이 풀을 뜯고 거위들이 시끄럽게 울어대며, 여름과 가을에는 과일이 풍성하게 열리고, 길게 뻗은 길을 따라 나무들이 늘어서 있습니다. 온통 평지인 이 시골마을에서 높은 건물이라고는 초원 위에 우뚝 서 있는 그림 같은 성뿐 입니다. 이 곳 클레페(Kleve) 사람들은 정말 행운아들입니다. 특히 전원생활을 즐긴다면 이곳이 제격이지요. 이오넬 콘스탄틴(Ionel Constantin)도 그 중 하나입니다. 숱이 적은 머리에 갈색 가죽 재킷을 입은 콘스탄틴이 우리를 안내한 곳은 이 그림 같은 전경 가운데에 위치한 농업연구소로, 독일 노르트라인-베스트팔렌(North Rhine-Westphalia) 주 농업회의소에서 운영하는 일종의 연구농장입니다. 이곳은 독일의 최서단 지역으로 네덜란드 국경에서 불과 몇 km밖에 떨어져 있지 않습니다. 신선한 시골 공기 속에 섞인 목초 냄새를 맡을 수 있는데, 개방형 축사에서 사육되는 소 200여 마리의 사료로 사용되는 것입니다. 콘스탄틴은 소들이 짚을 우적우적 먹고 있는 모습을 바라봅니다. 소들로부터는 거의 아무 소리도 나지 않습니다. 콘스탄틴은 만족스러운 표정입니다. 그는 자리를 옮겨, 한눈에 봐서는 목가적인 주변 환경에 어울리지 않아 보이는 무언가 앞에 갑자기 멈춰 섭니다. 6개의 실린더 모양의 구조물이 배열되어 있는데, 각각 약 5m 높이는 되어 보입니다. 그 중 2개는 원뿔 형 지붕이 있어 마치 아프리카의 거대한 움막을 연상시킵니다. 그 앞에는 차 두 대가 들어가는 차고 크기만한 녹색 건물이 서 있습니다. 안에서부터 낮은 윙윙거리는 소리가 들려옵니다. “여기가 우리의 바이오가스 플랜트입니다”라고 말한 콘스탄틴은 잠시 후 미소 지으며 이렇게 덧붙입니다. “이 외양간에서 최고의 소라고 할 수 있죠.” 바이오가스라는 말에 우리는 코를 찡그렸는데, 흙, 목초, 축축한 나뭇잎 냄새 외에는 아무 냄새도 나지 않습니다. 그게 전부입니다.

배설물로부터 얻는 전기

그 두 개의 ‘움막’ 안에서는 엄청난 일이 벌어지고 있습니다. 움막은 사실 발효조로, 이 설비의 반응 장치입니다. 바이오가스는 거름으로 어떻게 돈을 벌 수 있는지를 보여주는 최고의 사례입니다. 왜냐하면 우리가 농업 경영에서 발생할 것이라고 상상하는 모든 유기물들이 발효조의 “먹이”가 되기 때문입니다. 매일, 클레페의 농

녹색전기가 이곳에서 만들어집니다: 기둥형 컨테이너는 바이오가스 플랜트의 일부입니다.

녹색전기가 이곳에서 만들어집니다: 기둥형 컨테이너는 바이오가스 플랜트의 일부입니다.

 

장 직원들은 대략 1톤의 잔여 사료를 578m3의 컨테이너에 넣습니다. 1~1.5톤의 목초 및 옥수수 사료와 약 5~6m3의 저취성 슬러리(배설물에 점토나 시멘트를 섞은 혼합물)도 함께 넣습니다. 최종 산물은 전기입니다. 75kW 발전소에서 매일 약 1,800kWh의 전력이 생산됩니다. 마치 그것으로는 성에 안차는 양, 이 설비에서 클레페의 혁신의 현장 전체를 덥힐 수 있는 난방열도 생산됩니다.

부산물 하나가 문제를 일으켜

Fermenting plants such as corn produces the combustible gas methane, which can be used to drive an electricity generator.

옥수수와 같은 작물을 발효시키면 가연성 가스인 메탄이 생성되고, 이것으로 발전기를 돌릴 수 있습니다.

바이오가스 플랜트의 작동 원리는 간단합니다. 먼저, 38 °C의 슬러리에 박테리아가 들러붙어, 밖에 두었다면 모두 부패했을 모든 것을 먹어 치웁니다. 대사과정의 마지막에 박테리아는 메탄가스를 배출합니다. 콘스탄틴은 녹색 컨테이너로 향하는 문을 열어 그 가스로 무엇을 하는 지 우리에게 보여줍니다. 낮은 윙윙 소리는 이제 트랙터의 덜거덕 소리같이 들리고 공기 중엔 기계유 냄새가 살짝 납니다. 컨테이너 바닥이 우리의 발 아래에서 진동합니다. “메탄은 가연성 물질입니다.” 콘스탄틴의 설명입니다. 그래서 가솔린이나 디젤대신 연소기관을 돌릴 때 사용될 수 있습니다. 이것이 바로 클레페에서 메탄이 하는 일로, 트럭 엔진만한 크기의 엔진을 작동시킵니다. 이 엔진이 전기를 발생하는 발전기를 돌립니다. 이것이 간단히 요약한 바이오가스의 기본적인 원리입니다.

하지만, 실제 운영에 있어서는 조금 더 복잡합니다. 늘 그렇듯이 세부적으로 들어가보면 골칫거리가 있게 마련인데, 여기서의 세부 사항들은 엔진이 있는 컨테이너 문 옆에 달린 작은 계량기 화면 아래에서 찾을 수 있습니다. “25ppm이군요”라며 콘스탄틴은 만족스런 목소리로 말합니다. “이건 좋은 수치입니다. 40ppm부터는 상황이 심각해지기 시작하거든요.”

콘스탄틴이 의미하는 게 무엇인지, 독일 레버쿠젠(Leverkusen)에 본사를 둔 특수화학 기업 랑세스의 그레고르 헤르만(Gregor Hermanns) 기술전문 컨설턴트가 설명할 수 있습니다. 여기서 ppm은 ‘parts per million‘의 약자로 과학과 기술 분야에서 쓰이는 단위입니다. 1ppm은 100만분의 1을 의미하는데, 1퍼센트가 100분의 1을 가리키는 것과 마찬가지입니다. 즉, ppm은 물질B의 백만 단위당 물질A가 몇 단위를 차지하는지를 나타냅니다.

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“지금 이야기하는 것은 바이오가스 내의 황화수소 함량입니다”라고 지난 몇 년 간 수많은 바이오가스 플랜트 내부를 봐 온 헤르만이 말합니다. 그는 이곳 클레페에서도 콘스탄틴의 계량기 앞에서 클립보드를 가지고 선 채 수치를 확인하곤 했습니다. 헤르만은 “황화수소는 바이오매스가 발효될 때 자동적으로 생기는 부산물”이라며, “만약에 아무런 조치도 취하지 않는다면, 황화수소의 농도는 허용치의 백배가 넘는 수준인 5,000ppm까지 치솟을 수도 있습니다”라고 설명합니다.

황화수소는 누구나 알고 있는 몇 안 되는 화합물 중 하나로, 썩은 달걀 냄새가 나는 바로 그 기체입니다. 하지만 바이오가스 반응기는 기체 밀폐형이기 때문에 냄새가 문제가 되는 것은 아닙니다. 밀폐형이 아니라면 가스가 새어나가서 반응기에서 메탄을 얻을 수 없겠죠. “문제는, 황화수소가 엔진을 손상시키고 결국에는 망가뜨릴 수 있다는 점입니다”라고 헤르만은 말합니다. 황화수소가 바이오가스 반응기 내에 항상 존재하는 물과 반응하면 아황산이 생성되는데, 아황산은 황산처럼 강한 산은 아닙니다. 잘 알려진 산성물질인 황산은 자동차 배터리에 사용되고, 철도 녹일 수 있을 만큼 공격적입니다. 하지만, 아황산도 시간이 지나면서 발효조, 가스라인, 엔진 피스톤 등에 손상을 입힐 정도로 충분히 강합니다. 헤르만은 “그래서 황화수소는 반드시 제거되어야 합니다. 그것이 바로 저희 제품 ‘베이옥사이드E16’이 하는 일입니다”라고 말합니다.

 어떻게 가스를 정제할 것인가

랑세스의 화학자들은 거품이 부글거리는 슬러리에 들어 있는 불필요한 황화수소를 발효조에서 그대로 제거하는 비법을 사용합니다. 슬러리와 목초, 남은 사료에 어떤 물질을 추가하는 것인데, 악취를 풍기는 황화수소가 가스엔진 금속보다 훨씬 더 반응하기 좋아하는 물질입니다. 바로 침철광이라는 광물의 미세결정체입니다. 화학적으로 볼 때 침철광은 산화철 화합물로, 황화수소와 접촉하게 되면 금새 쉽게 무해한 황화철로 변합니다. 자연에서 발견되는 가장 유명한 황화광물은 황철광으로, 금으로 착각하기 쉽다고 하여 ‘바보들의 금(fool’s gold)’로 알려져 있습니다.

진짜 침철광은, 결정체를 이룰 때 바늘 모양 구조를 형성하는 다소 평범한 광석입니다. 하지만, 바이오가스 탈황 처리를 위해 침철광을 채굴할 필요는 없습니다. 헤르만과 동료들이 합성물질로부터 ‘베이옥사이드 E16’이라는 황화수소킬러를 개발해 산업적으로 생산해냈기 때문입니다. “저희는 독일 비료법을 준수하는 탈황 솔루션을 개발하고 싶었습니다”라고 헤르만은 설명합니다. “따라서 그 물질은 특별히 더 순수해야 했고, 높은 순도에도 불구하고 제품가격은 낮출 수 있는 제조공정을 찾는 것이 도전과제였습니다. 많은 연구 끝에, 최근에 그 도전에 성공했습니다. 이제 저희는 베이옥사이드 E16과 같은 산화철 생산에 있어 풍부한 경험이 있습니다. 사실, 우리는 85년이 넘는 세월 동안, 산화철을 이용해 친환경적이고 내후성을 갖춘 안료를 생산해오고 있었고, 여기서도 그 전문성 덕을 많이 봤습니다.”

바이오가스 탈황에 산화철을 이용하는 것 이외에도, 랑세스는 다양한 응용분야에 적용되는 산화철 안료들을 개발해왔습니다. 콘크리트 도색 및 에어백, 브레이크 패드, 촉매변환장치 제조용 제품에서부터 복사기와 레이저프린터의 토너용 안료까지 그 영역은 광범위합니다. 안료는 또한, 식수나 폐수의 정화를 위한 흡착 매질로도 사용될 수 있습니다.

이상적인 탈황 솔루션

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베이옥사이드 E16은 바이오가스 플랜트 운영자에게는 실로 고마운 제품인데, 예전에는 친환경적이고 경제적이며 깨끗한, 그리고 무엇보다도 안전한 대안이 거의 없었기 때문입니다. 안전성은 매우 중요한 고려사항입니다. 발효조에 공기를 주입하여 박테리아가 가스를 무해한 황으로 분해하게 하는 방식의 가장 저렴한 솔루션은 바이오가스를 희석시켜 비효율적일 뿐만 아니라, 위험하기도 하기 때문입니다. “폭발의 위험이 있기 때문에 메탄과 산소를 혼합하면 안됩니다”라고 콘스탄틴은 이야기합니다. 그래서 일부 플랜트들은 소량의 진짜 침철광을 부글거리는 바이오매스 혼합물에 조금씩 부어 넣기도 했습니다. 하지만 그 발효 잔여물이 나중에 땅에 뿌려졌을 때 과연 환경에 좋을 것인가 하는 점은 아무리 좋게 말해도 ‘매우 의심스럽다’고 하겠습니다. 왜냐하면, 처리되지 않은 광석에는 음식에 가급적이면 들어가지 않아야 할 중금속이 종종 들어있기 때문입니다.

철염 용액을 섞는 것 역시 그리 좋은 방법이 아닌데, 이러한 용액들에는 대부분 염소가 포함되어 있고 부식성이 매우 강하기 때문입니다. “이는 수용액에서는 상대적으로 철 함량이 낮다는 점도 고려하지 않은 방식입니다”라며 그레고르 헤르만은 설명합니다. “이에 비해, 베이옥사이드 E16 파우더는 철 함량이 훨씬 높아서, 60퍼센트가 철로 이루어졌습니다.” 또 다른 장점은 베이옥사이드 E16의 사용이 매우 간편하다는 것입니다. 그저 베이옥사이드 E16 몇 포대를 발효조 피더 시스템에 던져 넣기만 하면 됩니다. 종이 포대라서 시간이 지나면 용해되고, 값비싼 화학처리 시스템이 필요 없습니다.

바이오가스는 독일 “에너지 전환”의 핵심 요소 중 하나입니다. 발효조에서 전기와 가스를 생산하는 단순하고도 친환경적 방식은 전 세계적으로 점점 더 많은 지지를 얻고 있습니다

한편, 콘스탄틴의 시험 설비에서는 황화수소와 그 고약한 달걀 썩는 냄새를 발효조에서 제거하고 손상을 방지하기 위해 오랫동안 활성탄을 사용했었습니다. 이 공정은 비용과 시간이 많이 들었고 4주 내지 6주 마다 필터를 교체해야 했습니다. 지금도 베이옥사이드 E16과 함께 어느 정도의 활성탄이 사용되어야 하지만, 콘스탄틴에 따르면 “활성탄이 추가되기 전에 이미 베이옥사이드 E16으로 인해 탈황이 상당부분 진행된다”고 합니다. 많은 양의 활성탄 사용에 따른 시간과 비용을 감안할 때, 베이옥사이드 E16을 사용하는 것이 전체적으로 훨씬 더 저렴합니다. 만약 반응기에 랑세스의 인공 침철광을 더 많이 투입한다면, 비교적 비싼 편인 활성탄의 사용량을 더 줄일 수 있을 것으로 보입니다. 콘스탄틴은 “곧 이 이론을 시험해볼 것”이라고 합니다.

여전히 활성탄 사용이 필요하긴 하나, 콘스탄틴의 동료들이 며칠에 한번씩 바이오가스 플랜트의 2차 발효조에서 뽑아 내는 발효된 물질은 들판에 뿌려져도 아무 문제가 없다고 헤르만은 말합니다. 콘스탄틴도 같은 평가를 합니다. “발효 잔여물은 식물의 성장에 필요한 질소를 그대로 가지고 있어 최고의 비료 중 하나입니다. 사실, 질소는 전보다 더 농축된 상태로 들어있습니다.”

 

무르익은 기술

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그렇다면 바이오가스는 모든 농부들에게 이득이 될까요? “그럼요.” 콘스탄틴은 단번에 대답합니다. “이 기술은 충분히 무르익은 기술입니다. 우리 플랜트는 2002년에 처음 가동을 시작했는데, 독일 최초의 바이오가스 시스템들 중 하나였습니다. 그 당시에는 경험이 별로 없어서, 그 이후로 많은 실험들을 해왔지요. 저희는 오래 전에 부채를 다 상환했고 지금은 수익을 내고 있습니다.” 그는 원칙적으로 충분히 큰 규모의 농장과 투자비용의 반 정도를 감당할 수 있는 자본이 있다면 누구나 바이오가스 시설을 운영할 수 있다고 말합니다.

많은 이들이 비슷한 결론에 도달했고, 그 결과 독일에서 바이오가스 플랜트의 수는 지난 13년 동안 열 배로 늘어났습니다. 2011년에는 약 3,000메가와트의 전기가 바이오가스를 동력으로 한 엔진에서 발생되어 독일 전력망으로 유입되었는데, 커다란 원자력 발전소 두 기에 해당하는 발전규모입니다. 바이오가스 기술은 다른 나라에서도 점점 인기를 더해가고 있는데, 소규모와 대규모 발전에 모두 사용되고 있습니다. 예를 들어, 중국과 인도에서는 거의 탄소중립에 가까운 메가와트급의 바이오가스 플랜트들이 이미 운영되고 있고, 캄보디아의 일부 가정에서는 소형의 가정용 발효조를 사용하여 조리용 가스를 얻고 있습니다. 실제로, 닭500마리면 수 입방 미터 정도의 소규모 바이오가스 시설을 운영하는 데 필요한 폐기물을 충분히 얻을 수 있습니다.

콘스탄틴씨가 작별인사를 합니다. 녹색 컨테이너 안의 엔진은 계속해서 부드럽게 윙윙거립니다. 근처에 있는 깨끗하기 그지없는 축사의 소들은 식사를 마쳤습니다. 콘스탄틴은 남아있는 가축 사료 모두를 나중에 전기를 생산할 때 사용할 것입니다. 우리는 마지막으로 한 번 냄새를 맡아봅니다. 황화수소나 달걀 썩는 냄새가 날까요? 전혀 아닙니다. 단지 평범한 시골 공기와 축축한 땅 내음만 풍겨올 뿐입니다.