국내 대형 제철소(3개소)의 제련과정에서 발생하는 부생가스내 일산화탄소는 약 300만톤으로 추정된다. 이 중 60~65% 정도는 제철소 자체열원으로 사용되나 나머지는 CO 농도가 충분하지 않아 대기 중에 방출되고 있는 형편이다. 제철소에서 CO를 자체열원으로 전환하는데 소요되는 비용은 천연가스를 연료로 사용(㎏당 1천원)하는 경우보다 비용이 더 크게 들지만 유해물질 배출을 저감하는 차원에서 재활용되고 있는 실정이다.이러한 상황에서 한국해양연구원이 국토해양부 해양생명공학기술개발사업 수행과정에서 채집한 태평양 심해저에서 고세균이 CO를 수소로 전환시키는데 탁월한 생산능력을 가졌음을 발견하고 경제성 측면에서 부가가치가 높은 고순도 수소를 생산하기 위하여 해양바이오수소생산기술개발사업을 시작하였다.

국내 제철소 등에서 배출되고 있는 부생가스의 주성분인 일산화탄소(CO)를 해양극한미생물을 생촉매로 이용하여 수소로 전환시키는 기술이 국내 연구진에 의해 개발되어 경제성이 높은 미래 녹색에너지 자원을 확보하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

국토해양부(장관 권도엽)는 ‘해양바이오에너지 기술개발사업’의 일환으로 추진 중인 ‘해양 초고온 고세균 이용 바이오수소 생산기술 개발’ 연구성과 발표회 및 실증생산 플랜트동 준공식을 지난 19일, 한국해양연구원(안산, 원장 강정극)에서 개최했으며, 태평양 심해저 열수구(熱水口)에서 분리한 해양 고세균(NA1)을 이용하여 세계 최고수준의 생산성을 가진 바이오수소 실증생산 기술개발에 성공했다고 밝혔다.

해양 고세균(NA1)의 일산화탄소를 이용한 수소생산성은 기존에 보고된 유기물을 원료로 혐기성 박테리아를 이용한 수소생산율과 비교하면 최고 15배에 달해 현재까지 밝혀진 수소생산 미생물 가운데 가장 우수하다.

이번 연구를 주도한 한국해양연구원 강성균 박사 연구팀은 해양바이오수소 실증생산을 위해 국내최초로 5리터, 30리터, 300리터 고온 혐기 바이오수소생산 생물반응기를 구축하였다.

그리고 ‘바이오수소 생산 최적화 연구’를 통해 1톤 규모의 반응기를 사용할 경우 개미산 및 일산화탄소를 원료로 하여 1일에 각각 100kg과 10kg의 바이오수소를 생산할 수 있는 기술을 개발하였다.

이러한 연구성과는 지금까지 개미산이나 일산화탄소를 원료로 하여 바이오수소를 생산한 기술로서는 세계 최고 수준이다.

이번 연구성과는 환경오염물질인 일산화탄소의 저감은 물론, 제철소 부생가스의 효율적인 재활용을 통해 신재생에너지인 수소를 생산함으로써 녹색성장에 기여할 수 있다는 측면에서도 크게 기대를 모으고 있다.

제철소 전로가스(LDG 가스)는 60% 정도의 일산화탄소를 함유하고 있는데, 지금까지는 대부분 제철소 자체발전을 위한 열원으로 사용되거나 대기 중으로 배출되고 있다. 이 중 한해 200만톤 이상은 활용이 가능한 것으로 파악되고 있으며, 이를 이용하여 바이오수소를 생산할 경우 환경오염물질 저감과 신재생에너지 생산이라는 두 가지 기대효과를 모두 충족할 수 있을 것으로 보인다.

연구팀은 이번 성과를 바탕으로 본격적으로 실증생산연구를 추진하기 위하여 연구용 플랜트 구축을 완료하고 수소 대량생산연구 등 2단계 연구에 박차를 가할 계획이라고 밝혔다.

2018년까지 대량생산기술 개발을 완료할 경우, 일산화탄소를 활용한 바이오수소 생산이 가능해져 국내 수소 수요의 약 5%(연간 1만톤 생산, 고순도 수소 경우 1천억원 규모) 정도를 대체할 수 있을 것으로 보인다.

수소 1만톤의 산업화 사용 능력

① 연료전지 활용 전기 생산시 4만가구의 1년 전력소비량
▷ 가구당 1달 평균 전력소비량 300KWh 기준시

② 수소자동차 5만대 1년 운행 가능량
▷자동차 1대당 1년 평균 2만km 주행 및 수소 1kg당 100km 주행 기준

최근 실시한 바이오수소 경제성 연구(서강대 박정수 교수) 결과에 의하면 2015년도에 2단계 수소생산성 향상 연구가 완료되면 수소생산 단가를 현재 kg당 $7 ~ 20에서 약 $2 ~ 3 내외로 낮출 수 있을 것으로 예측되어 경제성을 확보할 것으로 분석되었다.

▷ 현재 국내 수소 시장 단가 : ㎏당 저순도 3~5천원, 고순도 1만원

한편, 이번 연구성과는 지난 10 여년에 걸쳐 태평양 심해저에서 원천생물자원(NA1) 확보부터 수소생산 핵심기술개발까지 모두 국내연구진이 이룩한 원천기술로 그 의의가 더욱 크며, 학술적으로도 높이 평가받고 있다.

즉, 이번 연구의 원천생물자원인 써모코커스 온누리누스 NA1 (Thermococcus onnurinues NA1)*의 분리, 배양, 유전체 분석, 수소생산기작 분석, 균주개량, 바이오수소 생산최적화 등 모든 기술이 국내 연구자에 의해 개발되었다.

▷ 63-90℃의 고온에서 성장이 가능한 심해 극한미생물. 고세균(archaea)의 일종으로 수심 1,650m 깊이 심해열수구 근처에서 채취

극한미생물 NA1은 세계기록인 8개의 수소화효소군*(hydrogenase cluster)을 보유하고 있고, 일산화탄소, 개미산, 전분을 원료로 이용하여 세계 최고 수준의 바이오수소 생산성을 보이는 것으로 밝혀졌다.**

* 2008년 11월 국제권위지인 Journal of Bacteriology에 게재
** 2012년 Biotechnology Letters 게재 및 국제특허출원(러시아 등록) 완료.

특히, 이정현·강성균 박사팀은 세계 최고 권위지인 ‘네이처(Nature)’(2010.9)에 NA1의 바이오수소 생산 메커니즘 논문을 게재한 바 있으며, 이 연구성과는 2011년 국가과학기술위원회가 선정한 ‘우수성과 100선’ 중 TOP5에 선정되기도 하였다.

연구팀은 앞으로 올해 6월까지 해양바이오수소 생산기술개발 1단계 원천핵심기술 개발사업을 마무리하고 2015년까지는 파일럿 규모(pilot-scale)인 2톤 규모까지 생물반응 공정실험을 추진하는 등 수소생산성 향상을 위한 실용화기술개발 2단계 연구에 박차를 가할 계획이라고 밝혔다. 아울러, 권도엽 국토해양부장관은 수소가 앞으로 자동차, 연료전지 등에 녹색에너지원으로 수요가 급증할 것으로 예상되는 만큼 바이오수소가 조기에 시장에 공급될 수 있도록 실용화 연구 투자를 최대한 확대하겠다고 밝혔다.