에너지
메탄 관리 – 비트코인 채굴에서 지속 가능한 항공 연료 생산까지
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메탄을 기후 폭탄에서 자원으로 전환하기
천연가스의 주성분인 메탄(CH4)은 강력한 온실가스다. 질량 기준으로 100년 동안 누적되는 온난화 효과를 비교하면 CO2보다 28배 더 강력합니다. 메탄의 대기 중 수명은 약 12년으로 CO2보다 짧지만, 단기 온난화에 큰 영향을 준다. 수명이 짧다고 해서 배출의 영향이 작다는 뜻은 아니다.
하지만 최종적으로 상층 대기에서 파괴되더라도, CO2로 변환되어 여전히 온실 효과를 일으킵니다.
따라서 기후 측면에서 메탄 배출은 CO2 배출만큼, 혹은 그보다 더 중요하며, 가장 중요한 온실 가스 중 하나가 됩니다.
출처: EPA
메탄은 다양한 원천에서 발생하며, 그 중 다수는 인간 활동과 직접적으로 연결되어 있습니다.
첫 번째는 화석 연료이며, 천연 가스 누출이 주요 원천이고 석탄 광산 및 석유 매장지에서도 누출이 발생합니다.
또 다른 원천은 농업으로, 유기물이 산소가 없는 상태에서 발효될 때 발생합니다. 이는 주로 소, 양, 염소와 같은 반추동물의 소화 시스템(장내 발효)에서 일어나지만, 물에 잠긴 논이나 산소 공급이 부족한 유기물 더미에서도 발생할 수 있습니다.
마지막으로, 매립지는 매장된 유기물이 분해되어 메탄을 생성하는 주요 원천입니다. 폐수 처리 시설도 유사한 원천으로, 방치될 경우 바이오가스를 생산합니다.
출처: EPA
메탄은 심해에 존재하는 고체 형태의 메탄 수화물(‘불의 얼음’)이나 북극의 얼음에 갇힌 메탄 매장량 등으로 인해 더 큰 문제가 될 수 있습니다.
기후 온난화는 이러한 자연 메탄 매장량을 불안정하게 만들어 배출이 증가하고, 다시 온난화가 가속화되는 파괴적인 피드백 루프를 초래할 수 있습니다. 우리는 이 주제에 대해 “메탄 관리가 기후 목표 달성의 핵심일 수 있다 – 메탄은 어디서 나오며 무엇이 이루어지고 있는가?”에서 자세히 논의했습니다.
하지만 이것이 전부 비관적인 것만은 아닙니다. 메탄은 귀중한 에너지 자원이며 산업용으로 활용될 수 있는 강력한 유기 물질 원천입니다.
최근 연구는 매립지에서 발생하는 메탄을 항공 연료용 원료로 전환할 가능성을 제시했다. 아직 상용 항공 연료 생산을 입증한 것은 아니다.
폐기물에서 항공 연료로
바이오가스를 활용하려면 정제한 가스를 수요처로 운송하거나 발생 현장에서 이용하는 방식을 검토해야 한다.
- 정제한 바이오메탄을 가스망에 공급하거나 적절한 운송 설비를 통해 산업 및 도시 수요처에 전달한다.
- 발생 현장에서 열·전력 생산 또는 다른 제품의 원료로 활용한다.
바이오가스는 상온에서 기체이므로 장거리 운송에 배관, 압축 또는 액화 등의 설비가 필요하다. 액체 탄화수소와는 저장·운송 조건이 다르다.
한편 항공은 에너지 밀도가 높은 액체 연료에 크게 의존해 탈탄소화가 어려운 분야다. 다만 소형 전기·수소 항공기의 연구까지 고려하면 모든 항공이 100 % 액체 탄화수소에만 의존한다고 단정할 수는 없다.
따라서 매립지와 폐수 처리시설의 바이오가스를 회수해 항공 연료 원료로 전환할 수 있다면 새로운 활용 경로가 될 수 있다.
바이오가스와 기존 활용 방식은 다음 글에서 자세히 다뤘다: “탄소중립 바이오가스: 주요 바이오메탄 관련주 5곳 ”.
항공 연료 생산을 위한 플라즈마
호주 시드니대학교와 중국 시안교통대학교 연구진은 메탄 전환에 이용되는 대기압 비열 플라즈마(NTP) 공정을 연구했다. 이 방식은 가스 전체를 고온으로 가열하지 않고도 전기적으로 반응을 유도할 수 있다. 그러나 전력과 반응 장치가 필요하며 비용 절감을 자동으로 보장하지 않는다.
기존 비열 플라즈마를 이용한 바이오가스 전환 연구에서는 합성가스와 포름산, 에탄올, 이소프로판올, 아세트산 같은 비교적 작은 산소 함유 분자가 주요 생성물이었다. 이들 산과 알코올은 탄소와 수소만으로 이루어진 탄화수소와는 구별해야 한다.
‘비열 플라즈마 기반 바이오가스 업사이클링을 통한 장쇄 탄화수소’라는 제목의 과학 논문에서, 미국 화학 학회지(JACS)에 게재된 연구진은 NTP 방식을 이용해 보다 복잡한 탄화수소를 생성하는 데 성공했다고 발표했습니다.
출처: JACS
연구진은 투입 가스의 메탄과 CO2 비율을 바꾸어 생성물 분포를 조절했다. 메탄 함량이 높은 조건에서 더 긴 탄소 사슬을 가진 생성물을 얻었으며, 합성가스와 산소 함유 액상 물질도 생성됐다.
합성가스는 수소와 일산화탄소의 혼합물로 다양한 화학제품과 연료의 원료가 된다. 장쇄 탄화수소를 항공 연료로 사용하려면 추가적인 분리, 정제, 품질 검증이 필요하다.
출처: JACS
이 결과는 바이오가스를 화학 원료와 장쇄 탄화수소로 전환할 가능성을 보여준다. 매립지 메탄의 대부분을 곧바로 인증된 항공 연료로 바꿀 수 있다는 의미는 아니다.
효율적이고 친환경적인 공정
연구진은 메탄 농도를 조절함으로써 최종 생성물의 조성도 변화시킬 수 있음을 확인했다.
향후 공정 최적화를 통해 항공 연료용 원료 생산을 검토할 수 있다. 탄소중립 여부는 전력원, 메탄 회수율, 누출, 후처리와 연소를 포함한 전 과정 평가로 판단해야 한다.
대기압 비열 플라즈마는 고압 반응이나 가스 전체의 고온 가열을 피할 수 있지만, 플라즈마를 만들기 위한 전력은 필요하다. 재생전력 사용은 가능한 선택지이며, 에너지 효율과 상업적 타당성은 별도로 검증해야 한다.
메탄 폐기물의 종말
플라즈마를 이용한 메탄 전환은 기존에 낭비되던 가스를 활용하려는 여러 연구 중 하나다.
다른 사례로는 회수한 메탄으로 발전해 비트코인 채굴에 전력을 공급하는 방식이 있다. 원격 유전이나 일부 광산의 가스가 대상이 될 수 있다. 적절히 운전되는 플레어는 메탄의 대부분을 연소시키지만, 불완전 연소나 누출이 발생할 수 있다.
이러한 기술의 환경적 효과는 대체되는 처리 방식과 실제 누출률, 전력 사용량에 달려 있다. 메탄을 활용한다는 사실만으로 비트코인 채굴이나 항공 연료 생산의 배출 문제가 해결됐다고 볼 수는 없다.
메탄 활용 기업
1. Greenlane Renewables Inc. (GRN.TO)
Greenlane은 원료 바이오가스에서 불순물과 CO2를 제거해 바이오메탄 품질로 높이는 정제 설비를 공급한다. 이는 기존 시설에 바이오가스 생산 공정을 추가하는 것과는 다르다. 기사에서 인용한 당시 회사 자료에는 140개 이상의 시스템 공급 실적이 제시됐다.
출처: Greenlane
Greenlane은 바이오가스 정제 시장의 공급업체 중 하나다. 경쟁업체에는 Air Liquide, Wärtsilä, Prodeval, DMT, Bright Biomethane 등이 있다. 회사가 제시한 비교 자료만으로 모든 기준에서 업계 1위라고 단정할 수는 없다.
출처: Greenlane
회사는 막 분리, 물 세정, 압력변동흡착(PSA) 등 세 가지 주요 정제 기술을 제공한다. 원료 가스의 조성과 요구되는 제품 품질에 따라 적합한 기술과 추가 불순물 제거 공정이 달라진다.
2023년 9월에는 제당 공장 폐기물, 매립지, 가축분뇨 등 원료별 수요를 겨냥한 Cascade 제품군을 출시했다.
여러 정제 기술을 제공하면 현장 조건에 맞는 공정을 선택하는 데 도움이 된다. 특정 공급업체가 유일하거나 모든 고객에게 최선이라고 단정해서는 안 된다.
출처: Greenlane
Greenlane은 브라질을 성장 시장으로 보고 현지에서 정제 시스템을 생산하기 위한 협력 계약을 체결했다.
2023년 4월 발표한 협력 대상은 ZEG Biogás다. 당시 연료 유통회사 Vibra가 ZEG의 50 %를 보유하고 있었다. 목표는 5년 동안 Totara+ 정제 시스템 75대를 생산하는 것으로, 75개 현장에서 이미 생산을 달성했다는 뜻은 아니다.
Greenlane의 주요 사업은 바이오가스 정제 설비 공급이다. 따라서 설비 수요와 프로젝트 투자에 영향을 받는 관련 기업으로 볼 수 있으며, 반드시 업계 최대 상장사라고 단정할 근거는 없다.
바이오가스를 회수하는 것보다는 정제하는 설비가 Greenlane의 핵심 사업이다. 매립지와 농업 시설의 바이오가스 활용 확대는 장비 수요를 늘릴 수 있지만, 회사의 수익 증가가 보장되는 것은 아니다.
2. Biokraft International AB (과거 종목코드: BIOGAS.ST)
Biokraft는 스웨덴, 노르웨이, 한국에서 바이오가스와 바이오LNG 사업을 운영했다. 인용된 과거 투자자 자료에 제시된 연간 생산능력은 각각 약 230 GWh, 155 GWh, 60 GWh이며, 실제 생산량과 구분해야 한다.
2023년 회사는 독일의 두 프로젝트를 통해 연간 약 240 GWh의 생산능력을 추가하는 계획을 제시했다. 2025년 완료는 당시 목표 일정이었다.
당시 개발 계획에는 바이오가스 약 875 GWh와 바이오LNG 약 825 GWh 규모의 프로젝트가 포함돼 있었다. 생산과 액화 단계가 연결될 수 있으므로 두 수치를 독립적인 생산량처럼 단순 합산해서는 안 된다.
회사는 당시 연간 생산능력 약 445 GWh를 2026년까지 1,200 GWh로 확대하고, 2030년 3 TWh에 도달하겠다는 목표를 제시했다. 이는 확정된 실적이 아닌 계획이며, 가축분뇨와 농업 폐기물이 주요 원료로 거론됐다.
출처: Biokraft
과거 자료에는 에너지 가격과 가스 판매가격 변화에 따른 실적 부담이 나타난다. 사업 수익성은 판매가격뿐 아니라 원료, 전력 비용, 설비 가동률과 투자비에도 영향을 받는다.
바이오가스를 새로운 화학 공정의 원료로 활용할 가능성은 있지만, 이 플라즈마 연구가 Biokraft 사업장에 실제 도입됐거나 수익성을 개선했다는 증거는 제시되지 않았다.
Biokraft의 마지막 주식 거래일은 2024년 4월 8일이었다. 따라서 이 글의 2024년 5월 연구 발표 시점에는 BIOGAS.ST를 일반적인 매수 가능한 상장주식처럼 소개해서는 안 된다. 과거 성장 목표 역시 계획과 투자 위험을 함께 고려해야 한다.
