핀란드 국립자원연구소(Natural Resources Institute Finland)가 개발한 새로운 메탄 바이오반응기(Methane Bioreactor)는 친환경적인 에너지를 시장에 도입하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 반응기는 재생가능 에너지를 저장하였다가 효율적인 방법으로 합성 바이오메탄(Synthetic Biomethane)을 생산할 수 있다. 이러한 새로운 기술은 향후 탄소 중립 사회를 구현하는데 도움을 줄 것으로 보인다.
국립자원연구소의 연구원인 Anni Alitalo와 Marko Niskanen는 태양에너지, 풍력에너지 및 수력에너지를 저장할 수 있을 뿐만 아니라 에너지를 생산할 수 있는 메탄 바이오반응기를 개발하는데 성공하였다. 이 반응기는 압력을 가하여 목 가스(Wood Gas)를 매우 순수한 메탄으로 변환할 수 있으며, 이는 수송용 연료에 바로 활용이 가능하다. 또한 미래에는 각종 산업에서 배출되는 이산화탄소를 이용하여 메탄을 생산하는 데에도 활용될 전망이다. Anni Alitalo는 "가동 바용이 낮은 이 단순한 반응기는 탄소 중립 연료 사이클을 현실화할 것이다. 또한 에너지 수입에 대한 의존도를 줄이고자 하는 유럽연합(European Union)의 노력과 같은 선상에 있다"고 밝혔다.
이번 개발 작업에는 몇 가지 혁신이 포함되어 있으며, 이를 내용으로 하는 두 개의 특허를 출원하였다. 이번 개발에 있어 중요한 역할을 수행하였던 Erkki Aura 교수는 핀란드 진흙에서 얻어지는 미생물 집단을 강화하는 첫 번째 바이오반응기를 제작한 바 있다. 이 메탄 바이오반응기는 이산화탄소와 수소로부터 물과 메탄을 생산할 수 있다. Alitalo와 Niskanen는 이러한 반응기에 추가 기술을 적용하였다. 이들은 반응기 기능을 개선하면서 다양한 소스 가스(Source Gas)를 테스트하였다. 연구진에 따르면 생물학적 메탄 생산은 소규모 설비와 같이 분산화된 에너지 생산 시스템에 가장 최적이며 공정 효율도 우수한 것으로 나타났다. 수소 연소에 따라 공정에서 발생하는 열손실은 최대 20% 수준이었다.
연구진은 순수한 소스가스 대신에 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하고 있는 목 가스를 사용할 수 있음을 발견하였다. 이들은 메타노겐(Methanogens)이라고 알려진 미생물을 이용하여 목 가스에서 이산화탄소를 생산하였으며, 이를 이용하여 메탄으로 변환할 수 있었다. Alitalo는 "연구진은 에너지를 포함하고 있는 목 가스의 모든 구성요소를 메탄으로 변환할 수 있었으며, 메탄가스는 목 가스 대비 다양한 분야에 활용이 가능하다"고 설명하였다.
이제 연구진은 기술 상업화를 위한 파트너를 모색하고 있다. Alitalo는 향후 2~3년 내에 시장에서 첫 번째 반응기를 볼 수 있을 것이라 예상한다. 이들의 우선적인 목표는 농장 및 지역사회 규모의 에너지 설비를 확보하는 것이고, 그 후 산업용 및 글로벌 규모로 확장하는 것이다. 연구진은 "예를 들어 농장에서는 바이오가스를 포함하고 있는 이산화탄소를 대기 중에 배출하지 않고 새로운 바이오반응기를 적용한다면 이산화탄소로부터 메탄을 생산할 수 있다. 바이오가스가 포함되어 있는 이산화탄소에서 메탄을 생산하는 것"이라고 말한다. 메탄 바이오반응기는 경제적이면서 핀란드 및 다른 국가의 에너지 생산에 적합하다. 연구진은 "독일에서는 이 반응기를 통해 과잉으로 생산되는 풍력 및 태양에너지를 저장할 수 있다. 핀란드에서는 목재 및 바이오매스 에너지의 효율 개선에 활용될 수 있다. 우리 기술은 진정으로 기후 변화 문제를 다루고 있다"고 말했다.
New methane bioreactor produces environmentally friendly energy, mitigates climate change
A new methane bioreactor, developed in the Natural Resources Institute Finland (Luke) boosts environmentally friendly energy to the markets. The reactor stores renewable energy and produces synthetic biomethane with good efficiency. The new technology can help in achieving a carbon-neutral society.
Scientists Anni Alitalo and Marko Niskanen at the Natural Resources Institute Finland (Luke) have succeeded in developing a methane bioreactor which produces energy as well as store solar and wind energy and water power. Moreover, the reactor can convert wood gas (synthesis gas) into very pure methane, which, after pressurization, is readily available for transportation fuel.
In the future, the technology can also be used to recycle industrial carbon dioxide emissions to methane production.
"This simple reactor with affordable running expenses will turn carbon neutral fuel cycle into reality. It is also in line with the European Union efforts to reduce the dependency on imported energy," says scientist Anni Alitalo.
Patent pending for two innovations
The developmental work has produced several innovations, of which Luke has filed two patent applications. Professor Erkki Aura, the father of the invention, created the first version of the bioreactor enriching the appropriate microbial population from Finnish mire. This methane bioreactor produced methane and water out of carbon dioxide and hydrogen.
Alitalo and Niskanen further developed the technology; they improved the functioning of the reactor and tested different source gases.
According to the scientists, biological methane production is best suited to decentralized energy production systems, small-scale plants. The efficiency of the process is good. In the process, the loss of heat of combustion of hydrogen has been 20 percent tops.
The scientists found out that instead of pure source gases, hydrogen and carbon dioxide, also wood gas (synthesis gas) containing carbon monoxide can be used. They noticed that the microbes known as methanogens can produce carbon dioxide out of wood gas and further convert it into methane.
"We managed to convert all the components of wood gas that contain energy into methane, and methane can be used in more versatile ways than wood gas," Alitalo recalls.
Suitable for farms and industry
The scientists are now looking for partners to commercialize the innovation. Alitalo estimates that the first reactors will be in the market after two to three years. The aim is, firstly, to conquer the domestic market in farm and municipal size energy plants, secondly, to proceed to the industrial scale and global export.
"In the biogas plants on farms, for example, our reactor should be used to produce methane out of carbon dioxide that biogas contains -- instead of releasing the gas in the atmosphere," the scientists recommend.
The methane bioreactor is cost efficient and suitable for energy production in Finland and abroad.
"In Germany, the reactor could store the excess of wind and solar energy, in Finland it could be used to improve the efficiency of wood and biomass energy. Our technology truly tackles climate change," scientists say.
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