다가오는 새로운 에너지 - 미생물연료전지의 도전기 -
요약
1. 우리 주변 에너지들
화석연료의 사용으로 지구온난화와 환경오염이 발생하고, 화석에너지가 고갈되면서 친환경 에너지원의 개발이 요구되고 있다. 우리 주변에서 쉽게 접하는 태양, 바람, 물, 바이오매스 등으로부터 얻을 수 있는 재생에너지는 친환경성, 에너지 안보, 신성장 동력원으로서 기후변화 대응 및 온실가스 감축 등의 문제를 해결할 수 있어 각광을 받고 있다.
2. 차세대 주자, 미생물연료전지
미생물연료전지는 미생물 기작과 연료전지의 융합 기술을 이용하여 오수나 폐수 등에 포함된 유기물의 화학적 에너지를 전기에너지로 전환시키는 장치이다. 이러한 원리를 이용하여 미국 NASA에서 우주 여행시 가장 골칫거리인 인간배설물 처리와 전기 생산을 위해 연구하기도 했다. 미래를 주도할 유망 신기술로 각광 받은 미생물연료전지는 인분, 가축분뇨 등의 유기오염물질로부터 1) 오염물질 처리, 2) 전기 생산, 3) 유용자원물질 회수를 동시에 수행할 수 있는 장점을 가졌으며 기존 호기성 수처리 공정에 비해 1/10 수준의 슬러지 배출, 유기오염물질과 영양염류 물질 동시 제거, 전기를 생산하기 위하여 바이오가스로부터 정제공정과 발전기 등의 추가 공정이 필요한 혐기성 소화와 다르게 직접 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다. 현재까지 분뇨로부터 미생물연료전지를 이용하여 핸드폰 충전 및 작동, 무선 데이터 송신 등에 사용 하였으며 앞으로 IoT 기술과 함께 무선네트워크 기기 등의 전원으로의 개발이 가능하다.
3. 미생물연료전지의 경제학
하수처리장으로 유입되는 하수를 100% 전기에너지로 전환한다면, 하수처리장에서 필요한 전기의 3배에 달하는 에너지 생산이 가능하다. 미생물연료전지의 성능은 과거 10년에 비해 10,000배 이상 향상되었으며 국내 중규모 이상의 하수처리장 전체에 미생물연료전지를 이용한 수처리 공정 운영시 전기생산, 슬러지 감량, 폭기비 절감으로 연간 1,860억원의 비용 감소 효과가 발생할 것이라는 경제성 분석결과가 발표되기도 하였다.
4. 시사점
바이오에너지 분야의 전략적인 기술 개발·보급·이용을 위해서는 가축분뇨의 제한된 자원을 다양화하고 지속가능한 미래를 위해 농업기술 발전을 위한 시각의 전환이 필요하다.
목차
1. 우리 주변 에너지들 ························· 1
2. 차세대 주자, 미생물연료전지 ······ 5
3. 미생물연료전지의 경제학 ············· 13
4. 시사점 ··················································· 16
화석연료의 사용으로 지구온난화와 환경오염이 발생하고, 화석에너지가 고갈 되면서 친환경 에너지원의 개발이 요구되고 있다. 우리 주변에서 쉽게 접하는 태양, 바람, 물, 바이오매스 등으로부터 얻을 수 있는 재생에너지는 친환경성, 에너지 안보, 신성장 동력원으로서 기후변화 대응 및 온실가스 감축 등의 문제를 해결할 수 있어 각광을 받고 있다.
신재생에너지란??
신재생에너지란 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열·강수·생물 유기체 등을 포함하여 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지
3개 분야 : 수소에너지, 석탄액화·가스화, 연료전지
9개 분야 : 태양광, 태양열, 풍력, 수력, 수열, 지열, 해양, 폐기물, 바이오
캐시 카우(Cash Cow) : 시장 점유율이 높아 꾸준한 수익을 가져다주지만 시장의 성장 가능성은 낮은 제품이나 산업을 말함
알아두면 언젠간 쓸모 있는 바이오와 제1차 세계대전 이야기
유기용매인 아세톤과 부탄올을 발효 미생물을 이용하여 생산 및 사용
개질(reforming) : 열이나 촉매의 작용에 의하여 탄화수소의 구조를 변화시켜 휘발유의 품질을 높이는 작업
화학연료전지는 원료로 유기성 폐수가 아닌 수소나 메탄올과 같은 순수 화학 물질을 이용하므로 다양한 오염물질을 포함한 폐수를 처리하기 어려움
자세히 알아보는 미생물의 전자전달과정
미생물연료전지에 촉매로 사용되는 미생물인 금속환원균 (Shewanella, Geobacter)의 전자전달 과정
의료분야에서는 혈관 내부에 삽입할 수 있는 단백질 연료전지를 이용하여 혈관내 당 농도를 측정할 수 있는 센서 개발 가능성을 제시함
공식이름이 가스트로놈(미식가)이고, 애칭은 츄츄로서 이 로봇은 미생물 연료전지로부터 필요한 에너지소스를 얻음
우주선에 1kg의 짐을 싣는 데 33,000달러 비용 발생
미생물연료전지 역사
미생물연료전지는 김병홍 박사가 최초로 개발한 이후 널리 알려져 전 세계적으로 연구 활동이 활발하게 진행 중
스택이란 연료전지의 전압을 높이기 위하여 다수의 전지를 적층형태 등으로 쌓는 구조(스택의 간단한 사례로 3V 전압을 생성하기 위해 1.5V짜리 건전지 2개를 직렬 연결함)
기존의 탄소전극과 비교하여 전류 발생량은 떨어지지 않으면서 가격은 1/25로 감소
부영양화는 “영양물질이 풍부하게 공급되었다”는 뜻의 용어로 강이나 호수, 바다와 같은 곳에 가축분뇨 등의 폐수가 유입되어 질소와 인과 같은 영양분이 과잉 공급 되면서 용존산소량이 감소되어 생물을 죽게 만드는 현상
2016년 영국의 배스 대학, 퀸메리 대학에서도 소변을 이용한 저렴한 미생물 연료전지 배터리 개발, 연료전지 한 개 가격은 1 2파운드(약 1,600∼3,200원)
농가 자체에서 가축분뇨로부터 에너지 및 자원회수를 할 수 있어 부가 소득 발생 예상
스트루바이트는 고갈되어가는 비료 생산원료인 인광석을 대체할 수 있는 원료로 여겨지며 호주, 일본, 영국에서 1톤에 25~180만원의 시장가격 제안
미생물연료전지가 이렇게 응용돼?
미생물전기분해셀(Microbial electrolysis cell)을 통한 수소 생산
미생물전기합성(Microbial electrosynthesis)을 통한 유기화학 물질 생산
미생물담수화셀(Microbial desalination cell)을 통한 염분제거
미생물연료전지는 응용분야가 다양하여, 생활오수, 가축분뇨 등 수처리 뿐 만 아니라 무인 원격 동력원, 바이오수소 생산, BOD 센서에서 의료용 생체인식 센서까지 활용이 가능