일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
미생물 연료전지로 수소 발생
도쿄약과대 효율 10배, 주변 환경을 이용

미생물의 힘을 빌려 전기를 만들어내는 ‘미생물 연료전지’의 구조를 응용해 차세대 에너지인 수소를 만드는 연구가 진행되고 있다. 도쿄약과대학(東京藥科大學) 연구 팀은 수소의 발생 효율을 10배정도까지 높이는 기술 개발을 추진하고 있다. 미생물 연료전지는 우선 오수처리 플랜트 등에서의 도입이 예상되고 있으나, 주변 환경으로부터 수소를 간단히 만들어 낼 수 있는 기술도 2030년경에는 실현될 가능성이 크다.

미생물의 작용에 의해 발생된 수소를 연료로 사용하는 자동차가 일반도로를 달리는 광경이 조만간 현실이 될지도 모른다.

미생물 연료전지는 물 속 등 산소가 없는 환경에서 유기물을 분해할 때 전자를 방출하는 ‘전자방출균’이라는 미생물을 사용한다. 부극(負極)의 금속판에 오수나 오니(汚泥)를 넣으면 그 안에 있는 생물이 유기물을 분해해 전자와 수소이온을 발생시킨다. 금속판으로부터 전자를 회수하면 정극(正極)에 전달되어 전기가 발생된다. 수소이온은 정극 측에서 흘러나온 전자 및 수소와 반응해 물이 만들어 진다.

수소를 만드는 구조도 거의 동일하다. 미생물 연료전지의 한쪽 전극에서 먼저 수소이온과 전자를 발생시킨다. 이 때 전기 에너지를 가하면 다른 한 쪽의 전극에서 수소이온과 전자가 결합해 수소가 만들어 지게 된다.

미생물 연료전지의 시스템을 응용해 수소를 만드는 연구는 도쿄약과대학의 와타나베(渡辺) 교수가 이끄는 팀이 세계에서 선두를 달리고 있다. 와타나베 교수는 전극의 재료와 구조를 연구해 기존의 수소 발생 장치에 비해 수 배에서 10배정도의 효율로 수소를 만들 수 있는 기술의 개발을 추진하고 있다. 논밭의 흙에 생식하는 미생물이 유기물을 분해해 음식물 쓰레기 등의 폐기물에서도 수소가 만들어진다고 한다. 이처럼 주변 환경을 활용해 수소를 만들 수 있기 때문에 비용을 대폭 절감할 수 있다.

-- 하루에 수소 1리터 생산 --
용량 1리터의 미생물 연료전지를 만들기 위해 실험한 결과, 하루에 약 1리터의 수소를 생산할 수 있었다. 이것은 세계 최고 수준이라고 한다. 실용화에는 배터리를 더욱 크게 만들 필요가 있기 때문에 앞으로는 전극을 저렴하게 만드는 기술 개발이 불가피하다.

수소를 생성하는 연구가 진행되는 가운데, 미생물 연료전지로 가장 먼저 실용화를 앞두고 있는 것이 하수처리장이다. 기존의 연료 배터리보다 효율은 떨어지나, 오수의 정화와 발전(發電)이라는 2가지 작업을 동시에 해낼 수 있다는 점이 특징이다.

하수처리장에서는 미생물 연료전지를 사용해 오수를 깨끗하게 만들어 처리장의 조명 및 물을 흐르게 하는 에너지의 대부분을 그곳에서 발전한 전기로 충당하게 될 날이 올지도 모른다. 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO) 및 도쿄약과대학, 도쿄대학, 세키스이(積水)화학공업 등이 2015년도까지의 4년간 기술개발 프로젝트를 시행했다.

현재, 하수처리장의 연간 소비전력은 일본의 전력 사용량의 약 0.7%를 차지하고 있다. 도쿄약과대학의 와타나베 교수는 “미생물 연료전지로 전력을 충당한다면, 현재의 약 20%까지 줄일 수 있다”라고 말한다.

-- 바이오매스에도 --
미생물 연료전지를 ‘바이오매스 발전’에 이용하는 움직임도 등장했다. 와타나베 교수에 따르면, 오니 및 음식쓰레기로부터 전기를 발생시켜 이용하는 장치도 2030년대에는 실용화가 될 전망이다. 음식쓰레기는 젖어있기 때문에 소각 처분으로는 비용이 많이 들지만, 미생물 연료전지는 음식물 쓰레기가 젖어있어도 유기물을 분해하기 때문에 비용이 낮아진다고 한다.

미생물 연료전지를 다양한 용도로 응용하기 위해서는 발전 효율의 향상과 더불어 비용 절감이 공통적인 과제이다. 현재의 발전량은 전극 1평방센티미터 당 1mA(밀리암페어). 수소배터리의 100분의 1정도이다. 미생물 연료전지는 전극을 크게 만들수록 미생물도 증가하기 때문에 발전량을 끌어올릴 수 있다. 그러나 전극이 고가이므로 설비 도입이 쉽지 않다. 작은 전극으로도 충분히 발전(發電)이 가능하도록 전극의 효율성을 높이는 연구가 필요하다.

그러기 위해서는 전극의 소재 및 배치를 바꾸거나 다공질로 만들어 면적을 늘리는 것이 상정된다. 미생물이 활발하게 유기물을 분해할 수 있는 환경 구축도 필요하다. 와타나베 교수는 “앞으로는 어떤 환경에서 최대한 미생물의 힘을 끌어 낼 수 있을 지에 관한 기초 연구도 중요해 진다”라고 지적한다.

미생물 연료전지, 중국이 존재감을 높인다
관련 논문의 30% 이상 차지

미생물 연료전지의 연구에서 오랫동안 세계를 견인해 온 것은 미국이다. 전자방출균의 일종인 스와넬라균(Shewanella p.)의 이용 및 장치의 개량 등을 추진하고 있는 미국 내에는 유력한 연구 거점이 몇 군데나 존재한다.

2010년경부터는 중국이 존재감을 키워 왔다. 중국 국내에서는 환경문제에 대한 관심이 높기 때문에 연구자들에게 물이나 오니를 정화하는 발전(發電) 방법인 미생물 연료전지의 분야는 연구비를 획득하기 쉽다. “관련된 논문의 30%이상이 중국으로부터 나오고 있다”(와타나베 교수)고 한다. 유럽에서도 관련 연구가 활발해지고 있다.

한편, 미국과 중국에 비해 일본에서의 주목도는 그리 높지 않다. 대학의 연구실은 여러 개 있으나, 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)의 프로젝트가 종료된 이후, 정부 차원의 프로젝트는 가동되지 않고 있다고 한다.

세계를 둘러봐도 아직 미생물 연료전지가 실용화된 사례는 찾을 수 없다. 일본은 발효 생산 등의 미생물 이용에 있어서 세계를 리드해 왔다. 따라서 미생물 연료전지 분야에서의 앞으로의 반격을 기대해 본다.

▶ 미생물 연료전지의 동향
- 1900년대 초기: 대장균 등을 사용해 미생물 연료전지의 연구가 시작됨.
- 1980년대: 미국에서 스와넬라균(전자방출균)이 발견됨.
- 2013년: 도쿄약과대학 등이 오수처리에 사용하는 효율적인 장치를 개발
- 2020년대: 미생물 연료전지를 시용한 오수 처리법이 실용화
- 2030년대: 바이오매스 발전 및 수소 발생장치에 응용

 -- 끝 --