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친환경 에너지의 미래 ‘미생물 연료전지’

기사승인 : 2018-10-01 17:47 기자 : 일송재단 국제농업개발원

산업혁명 이전까지 인류는 에너지를 사용하기 위해 나무, 바람, 물을 사용했다. 그러다가 산업혁명이 시작되자 석탄과 같은 화석연료가 사용되기 시작되고, 1980년대 말부터 화석 연료로 인한 지구온난화 문제가 대두되면서 지구 환경을 보존하고 지속가능한 에너지원을 찾아 나섰다.  

(좌)태양광발전 / (우)수소충전소

신재생에너지란?
기존의 화석연료를 변환 이용하거나 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등을 활용하여 재생이 가능한 에너지로 만들어 사용하는 일체를 말한다. 이런 에너지로 태양광, 태양열, 풍력, 수력, 수열, 지열, 해양을 이용하거나, 폐기물과 바이오를 이용한 에너지가 있다.

이 시대에 꼭 필요한 “미생물 연료전지”

미생물 연료전지의 원리

친환경과 비용절감, 에너지 안보에서 일자리 창출까지 모두가 가능한 것이 바로 미생물 연료전지이다.

원리 ; 미생물의 촉매반응을 이용해서 오폐수에 포함된 유기물의 화학 에너지를 전기에너지로 전환시키는 장치가 바로 미생물 연료전지이다. 화학에너지를 전기에너지로 만들어 주는데 미생물의 역할을 알게 되면서 인류의 에너지 생산의 새 장이 열리게 된 것이다.
 
전자와 수소이온을 결합시켜 산소와 물 그리고 덤으로 전기가 생산되는 원리로 매우 친환경적인 에너지 생산이다.  

꿩 먹고 알 먹는 꿈의 에너지
영국의 Global Water Intelligence(GWI)에서 ‘물 시장을 주도할 10대 기술’로 선정된 미생물 연료전지는 미국 타임지에  ‘최고의 발명품 BEST 20’에 선정되었다. 한국과학기술기획평가원에서는 ‘미래 유망 10대 신기술’에 선정될 정도로 미래를 주도할 유망 신기술로 가치를 평가받았다.

유기오염 물질을 처리하면서 동시에 생산적으로 전기까지 생산하니 더할 나위 없이 유익한 친환경 미래 기술로, 현대석유화학시대에 발생하는 엄청난 오폐수와 페놀과 유기산 등의 화학물질을 처리하는 꿈의 기술인 셈이다.   

미생물 연료전지의 다양한 활용성

미생물 연료전지로 구동되는 에코봇

1. 환경 모니터링이 가능한 센서로 개발
미생물을 활용하면 실시간 하천과 폐수의 유기오염물질 농도를 측정하는 BOD(생화학적 산소요구량) 센서에 적용, 활용이 가능하다. 먹는 물을 포함하여 독성물질의 실시간 유입을 모니터링 하는 센서가 이미 개발되어 시판 중이다. 또한 혈관 내에 삽입해 당 농도를 측정할 수 있는 센서 개발도 가능하다.  

2. 우주선에서 인간의 배설물 처리도 미생물이 한다.
NASA에서는 우주여행 시 가장 큰 골칫거리였던 인간의 배설물 미생물연료전지를 적용하여 처리하려고 시도 중이다. 단기 우주여행의 쓰레기는 모두 지구로 되가져오지만, 화성 탐사하는 우주비행사의 배설물은 대략 6톤이 넘을 것으로 추산되기 때문에, 회수가 불가능한 것으로 판단되고 있다. 2000년대 미국 리트먼 교수팀이 지오박터균(Geobacter)을 이용한 인간 배설물 원료로 하는 미생물 연료전지 개발하였다.

3. 농업분야에서도 다양한 활용이 기대된다.
가장 시급한 것이 바로 가축분뇨 처리로 방류하는 수질기준에 맞추려면 막대한 비용이 든다.
가축분뇨는 하수에 비해 수십 수백 배의 고농도 유기물(10,000ppm이상)과 질소, 인 등의 영양염류 물질을 함유하고 있어 처리비용도 크지만 환경오염의 주범으로 지적되고 있다.

이런 골치아픈 분뇨가 미생물을 이용해 적은 비용으로 처리되면서 전기생산까지 가능하니 어찌 꿈의 에너지가 아닐까! 또한 악취의 문제까지 감소가 가능하다.

미생물 연료전지가 설치된 화장실

대소변 모두 에너지원이 된다!
인구는 기하급수적으로 늘어나고 있다. 현재 70억 인류가 하루에 배출하는 소변은 무려 105억 리터인데, 98%가 물이고 2%는 탄소, 질소, 수소, 산소로 이뤄진 요소이다. 현재는 정화시설로 보내지는 소변으로 미생물연료전지가 개발되어 요소 성분은 별도로 사용하고 전기까지 생산이 가능하다.

미생물연료전지의 엄청난 경제적 효과
1. 하수처리장에서의 경제적 효과
기존의 하·폐수 처리시설이 에너지 시설로 변화되면 연간 1,860억 원의 절감 효과가 발생할 것으로 보고 있다.(2014 물과 미래))

2. 농업분야 예상 효과
지속가능하지 못한 현재의 농가 가축분뇨가 오히려 부가소득 발생이 가능한 돈벌이가 된다.

가축분뇨로는 고품질의 비료를 생산하고, 매일 약 75MW 에너지 생산 가능이 가능한 일석이조의 효과를 거둘 수 있어 흥이 절로 나올 것이다.

3. 미래 지속 가능한 물-에너지-자원 넥서스의 실현으로 환경문제가 현저히 개선된다.
물 부족인 현실에서 오히려 농업용수가 확보된다.

소형 전력 공급원으로 해양 부표 센서의 전력 공급원, 무인 시설(화장실 등)의 형광등과 같은 장치 동력원, 호수나 하천 등의 오염물질 농도에 대한 실시간 모니터링이 가능한 센서의 전력 공급원, 해충을 잡아먹으며 움직이는 자립형 에코봇 등 다양한 장소에서 사용될 수 있다.

발상의 전환을 가능하게 하는 미생물

전기활성 미생물

과거 우리들의 선조는 자연순환 고리에서 벗어나지 않고 살아왔다. 식물이 빛과 물,토양의 성분들을 결합하여 에너지를 만들면 인간은 물과 식물을 섭취하여 식물 속 에너지를 꺼내서 사용하였다. 먹은 것은 다시 자연으로 돌아가는 피드백이 잘 되는 세상이라야 지속가능한 발전을 이룰 수 있다.

검은 황금으로 통하던 석유가 석유화학시대를 지나면서 온갖 문제들을 쏟아내고 있는 현실에서 대안이 바로 미생물이다. 인간과 가축이 먹고 마시고 배설한 물질이 다시 자연순환 시스템에 따라 돌고 돌아가는 세상을 만들지 못하면 우리는 공멸한 위기에 있다. 미생물에 거는 기대가 그래서 클 수 밖에 없는 것이다.

자료출처 : 농진청 인테러뱅

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