"13조- 에너지자립해조"의 두 판 사이의 차이

2021년 12월 16일 (목) 02:51 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 미생물연료전지를 활용한 에너지 자립형 아파트 모델 설계

영문 : Energy-independent apartment model design using microbial fuel cells

과제 팀명

에너지자립해조

지도교수

김주식 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 이**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 조**

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 최**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 4차 산업혁명 시대에 들어섬에 따라 스마트시티가 대두되고 있다. 스마트시티를 성공적으로 구축하 기 위해서는 도시의 건축물에서 사용하는 에너지가 50% 이상을 차지하는 현 상황에서 스마트시티 추진 과 함께 신재생에너지를 활용한 스마트시티의 에너지 자립이 필요하다. 
◇ 화석연료 사용으로 인해 환경문제가 심화됨에 따라 전 세계적으로 화석연료의 사용을 중단하려는 움직임을 보이고 있다. 현 정부에서 추진하고 있는 탄소중립 시나리오에는 신재생에너지 비율을 70%로 급증시킨다는 계획이 포함되어 있고 이에 국내 신재생에너지 개발에 관심이 모이고 있다. 
◇ 스마트시티 내 주거단지에서 배출되는 음식폐기물을 대상으로 하는 본 설계는 유기물 제거로 음식폐기물 처리장의 처리 비용 부담을 완화함과 동시에 전력 생산으로 스마트 에너지 시티의 에너지 자립률이 개선될 것이다.
◇ 본 설계는 스마트시티 주거단지의 음식폐기물 배출지를 일원화하고 음식폐기물 처리장으로 수거되기 전의 음식폐기물을 이용하여 미생물 연료전지를 구동하는 시스템을 구축하고, 미생물연료전지에서 생산된 전력은 ESS(에너지 저장 시스템)에 저장하여 단지 내 공용시설에 공급하는 것을 목적으로 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 화석연료 사용으로 인해 환경문제가 심화됨에 따라 전 세계적으로 화석연료의 사용을 중단하려는 움직임을 보이고 있다. 우리나라 또한 2020년 탄소중립을 선언하며 2050 탄소중립 추진전략을 확정하고 발표했다. 2019년 기준 한국의 재생에너지 발전 비중은 약 6.5%로 석탄 발전 비중인 약 40.4%에 비하 여 매우 낮은데1), 탄소중립 시나리오에는 신재생에너지 비율을 70%로 급증시킨다는 계획이 포함되어 있고 이에 국내 신재생에너지 개발에 관심이 모이고 있다. 
◇ 한국은 국토의 특성상 다른 나라들의 재생에너지 비율 중 가장 많은 부분을 차지하는 수력발전에 불리하다2),3). 태양열과 풍력 또한 마찬가지이며 이에 중장기적으로 재생에너지가 화석연료를 서서히 대 체하는 과정에서 미생물연료전지가 부각될 것으로 예상된다. 
◇ 스마트시티 건설에 있어서 가장 중요한 것은 단순히 차세대 도시를 건설한다는 것 이전에 신재생에 너지를 통해 에너지를 자급자족할 수 있게 하는 것이다. 
◇ 1960년대 연구되기 시작한 미생물연료전지는 폐수 처리와 전력 생산이 동시에 가능한 기술임이 부각되며 최근 연구가 급증하고 차세대 신재생에너지로서 주목을 받고 있다. 
◇ 본 프로젝트는 스마트시티 내 주거단지에서 배출되는 음식폐기물을 대상으로 하였다. 음식폐기물의 유기물 제거로 음식폐기물 처리장의 처리 부담을 완화함과 동시에 유기물을 이용한 전력 생산으로 에너지 자립률이 개선될 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 스마트시티 주거단지의 음식폐기물 배출지를 일원화하고 음식폐기물 처리장으로 수거되기 전의 음식폐기물을 이용하여 미생물연료전지를 구동하는 시스템을 구축. 
◇ 미생물연료전지에서 생산된 전력은 ESS에 저장하여 지하주차장 LED등, 엘리베이터, 가로등 등 단지 내 공용시설에 공급. 
◇ 미생물연료전지 시스템을 구축함에 따라 에너지 자립률이 개선되었는지를 평가.

관련 기술의 현황

State of art

1) 세계적 기술현황

◇ 중국의 하얼빈공대에서는 수직형 층류흐름을 가지는 파일럿 규모의 미생물연료전지를 통해서 하수를 처리하는 연구를 진행하였다. 1개의 셀이 1 m×1 m×0.25 m이며, 4개의 cell이 1개의 모듈을 구성한다. HRT 6일이라는 장시간의 수리학적 체류시간을 주어 최대한 많은 유기물이 미생물연료전지 반응조에서 처리될 수 있도록 유도하여 약 80% 정도의 유기물 제거효율을 달성할 수 있었으며, 유입 COD는 300 mg/L 방류수는 약 50~70 mg/L 수준이었다. 1개 단위 cell의 scale-up으로 인하여 내부저항이 커짐으로 인해 전력밀도는 높지 않은 수준인 0.47 W/㎥를 달성하였다.
◇ 영국의 브리스톨 대학 등에서는 미생물연료전지 반응조를 수직으로 복수 개의 단으로 조합하고 수류흐름을 폭포처럼 위에서 아래로 하수가 흐를 수 있도록 하고 전기적으로 한 개의 셀이 다른 셀과는 전기적으로 연결이 되지 않도록 아래 그림과 같이 고안하여 COD 제거효율을 극대화 시키고자 하였다. 전기적인 연결은 기존에 많은 연구자들이 주장하는 바와 같이 병렬연결이 직렬연결보다 전력밀도 및 시스템의 안정성에서도 유리하였으며, 단기적인 운전보다 장기운전에서 더 병렬연결 시 전력밀도가 상승함을 확인하였으며, COD 제거효율은 96%를 달성하였다. 전력밀도는 단위 셀 및 병렬 연결 시 약 7 W/㎥ 그리고 직렬 연결 시 9.5 W/㎥로 보고되었다.
◇ 미국의 Arizona 대학의 Bruce Rittmann 교수 연구팀에서는 센서의 구동을 위한 원격지원용 미생물연료전지(MFC, Microbial Fuel Cells)로 크기를 초소형화한 micro-scale MFC를 연구하고 있다. 바이오센서 분야에서는 미생물연료전지의 크기를 키우기 보다는 down scale로 초소용화 하여 그 성능을 향상시키고자 하는 연구가 진행 중이다. 이러한 초소형화는 전지장치들이 가지고 있는 태생적인 약점인 큰 규모로 확대 시 내부저항의 증가를 줄일 수 있어 안정적이고 높은 전력 밀도의 달성이 용이하다. 따라서 Bruce Rittmann 교수 연구팀에서는 초소형 용량인 100㎕규모로 약 4 ㎠의 전극크기를 사용하였다. 이러한 초소형 규모에서 발생되는 전력밀도는 일반적인 mL 및 L급 용량을 가진 미생물연료전지에 비해 매우 크게 나타나서 2,000~3,000 W/㎥의 전력밀도를 달성하였다.
◇ 미생물연료전지의 상용화를 위하여 많은 연구자들이 저가의 촉매 개발, 내부구조의 최적화 및 실험실 규모의 반응조에서 큰 규모의 pilot 규모의 셀을 구성하여 운전하고 이를 통해 운전 및 설계인자를 확보하고자 연구를 진행하고 있다.
◇ 해외에서 저술된 논문을 바탕으로 조사한 결과, 연료전지의 기질로써 작용하는 유기물을 다양화, 세분화하여 그에 따른 전력 밀도를 결과로써 도출하였다. 폐수를 유기물로써 진행된 연구가 다수인 반면, 음식폐기물을 적용한 미생물 연료 전지에 대한 연구는 아직 접근 단계에 머무른 것으로 보인다.

2) 국내 기술현황

◇ 환경부의 수처리 시설의 에너지 자립율을 높이기 위하여 하수처리시설 에너지 자립화 기본계획에 따라 K-water연구원 상하수도연구소에서 미생물연료전지 기반의 에너지 자립형 수처리기술 개발을 수행했다. 1차 년도 (2011년)에 Proto type MFC 설계 및 제작과 미생물연료전지 운전 및 안정화에 대해 연구했고, 2차 년도 (2012년)에 최적전극, 막소재 선정 및 미생물연료전지 규모 확대기술 개발과 Bio-cathode MFC 설계 및 제작을 했다. 또한 3차 년도 (2013년)에는 최적운잔 인자 도출 및 규모 확대 기술 정립과 Bio-cathode MFC 최적화 및 질소제거형 MEC(미생물 전기분해 전지, Microbial electrolysis cell) 공정평가 및 최적조건 도출에 대한 연구, 4차 년도 (2014년)에 Pilot 규모 미생물연료전지 (1 ㎥/d) 운전과 Test-bed 설계 (30 ㎥/d) 및 설치/시운전에 대한 연구를 진행했다.
◇ 경남과기대 정재우 교수 연구팀에서는 하폐수처리의 효율 및 미생물연료전지의 성능 향상을 위하여 한 개의 셀 (산화전극-분리막-환원전극)을 배플로 하여 최대한 유입 하폐수가 산화전극과 접촉을 많이 할 수 있도록 반응조를 구성하였으며, 한 개의 셀은 아래 그림과 같이 중앙이 비어있는 형태의 구조를 가지는 단셀을 여러개 설치하였다. 이러한 배플의 설치로 인하여 수리학적 체류시간이 증가하고 이로 인하여 COD 제거 효율 및 쿨룽 효율도 상승함을 보고 하였다 (Chung et al., 2013).
◇ 건국대학교 김성현 교수 연구팀에서는 환원전극의 촉매로 비귀금속 계열인 코발트를 활용하여 기존의 고가 소재인 백금을 대체하려는 연구를 진행하고 있다. 이러한 연구는 다양한 연구자에 의해서 진행되고 있고 지금까지는 Cu 및 Fe를 혼합하는 혼합촉매의 효율이 상대적으로 우수하고 범용적으로 많이 연구에 활용되고 있다. 탄소(C)에 산화코발트(CoOx)와 철(Fe) 혹은 Co(코발트)를 PC(phthalocyaine)에 결합하여 환원촉매를 제조하였으며, 이러한 혼합촉매가 철(Fe) 보다 우수한 환원효율을 보였다고 보고하였다 (Ahmed et al., 2014).
◇ GIST의 장인섭 교수 연구팀은 기존의 미생물연료전지에 대해 scale up이 가지고 오는 다양한 문제를 제시하며 나노-마이크로-매크로 융합바이오일렉트로닉스 플랫폼을 제안하였다. 이 플랫폼은 기존의 무조건적인 미생물연료전지의 용량증가 보다는 적은 규모의 미생물연료전지 반응조를 최적화 시키고 여러 개의 적은 용량의 미생물연료전지를 묶어서 모듈화시켜서 시스템의 규모를 확장하는 방식이다. 이러한 모듈을 이용할 때에는 직병렬의 전기적 연결이 중요하며, 복수의 전극이 동일 전해질에 발생할 수 있는 과전압 현상을 방지하기 위하여 전해질을 공유하지 않은 전극간의 연결을 통해 이러한 문제를 해결한다. 이러한 모듈을 stack하면서 전기 생산량을 증가시키는 것이 유리할 것이라 보고하였다 (김봉규 등, 2014).
◇ MEC(미생물 전기분해 전지, Microbial electrolysis cell)를 이용한 수소생산에 대한 연구와 MEC를 활용한 메탄생성 등 전기 이외의 금속 및 금 등의 고가의 귀금속을 폐수에서 회수하는 자원회수를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

3) 기술현황 요약

◇ 해외에서 파일럿 규모의 실증 실험들이 널리 이루어지고 있는 편이며 오염물질 제거 효율 전력 밀도 등 설계 인자를 고려하여 향상된 미생물연료전지를 개발하기 위해 노력하고 있다. 다만 폐수를 유기물로써 진행된 연구가 다수인 반면 음식폐기물을 유기물로써 적용한 미생물연료전지에 대한 연구는 그에 비해 적다.
◇ 국내 연구는 수처리를 중심으로 한 미생물연료전지에 초점을 두고 있으며 해외보다 기술 진보가 느리기 때문에 실험 규모는 다소 작은 편이다. 대신 비백금계 전극을 사용하거나 소형화 및 cell stack module을 설치하는 등 재료와 구조를 다양하게 모색하여 미생물연료전지 성능을 개선하기 위한 연구가 진행 중이다. 하지만 연구가 실증 단계에 도달하기까지는 좀 더 시간이 걸릴 것으로 보인다.

기술 로드맵

특허조사

◇ (10-1530527) 미생물연료전지
본 발명의 미생물연료전지는 2실(two chamber) 구조로 구성되고, 가축분뇨에 미생물의 대량증식을 위한 단백질 원으로서 두부 폐수를, 탄수화물 원으로서 음료 폐수를 혼합한 배양액을 미생물 연료전지에 공급하여, 분뇨를 혐기적으로 처리하며 높은 출력의 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 가축분뇨 접종부에서 미생물의 증식은 질소가 존재하는 혐기성 조건의 10~60 ℃에서 0.5~10일 동안 이루어지며, 혼합물의 가축분뇨 : 두부 폐수 : 음료 폐수 중량비는 1 : 20~25 : 5~15로 사용한다. 접종부에서 증식한 미생물과 혼합물은 가축분뇨 공급부로 공급된 후, 미생물연료전지의 애노드(Anode)부로 공급된다. 전극의 애노드부에 카본펠트를 전해질막과 접촉시키고, 캐소드(Cathode)부에는 가스확산층을 구비하며, 전해질막, 가스확산층, 카본펠트 및 가스켓을 그래파이트 분리판 사이에 넣고 분리판 밖에는 집전판과 엔드플레이트를 차례로 결합시키는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 미생물연료전지는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)에 사용되는 요소들을 그대로 사용할 수 있다.

◇ (10-1370476) 다중 격막형 미생물연료전지
산화전극부 몸체 내부에 복수의 격막을 상호 대향되게 형성하여서, 간단한 구조 개선만으로도 산화전극부 내 사공간을 최소화하여 전기 발생량을 극대화할 수 있는 다중 격막형 미생물연료전지이다. 내부가 중공된 몸체를 포함하여 구성되며, 몸체 내부에 원수를 유입 받아 미생물에 의한 유기물 분해가 이루어지는 산화전극부와 상기 산화전극부의 외측에 밀착되게 구비되어 미생물의 유기물 분해 과정에서 발생되는 전자를 환원전극으로 이동시키는 산화전극, 상기 산화전극의 외측에 구비되어서 상기 산화전극과 상기 환원전극을 전기적으로 절연시키는 분리막 및 상기 분리막의 외측에 구비되어서 상기 산화전극으로부터 이동된 전자를 외부공기와 반응시켜 전자의 흐름을 유지시키는 환원전극으로 구성된다. 상기 산화전극부는 상기 미생물의 유기물 분해 과정에서 발생되는 전자가 이동되는 표면적이 증대되도록 상기 몸체 내부 측면으로부터 연장 형성되는 격막을 포함하여 구성되는 것을 특징이다. 원수를 유입 받아 미생물과 반응시키는 과정에서 발생된 전자는 그 접촉 면적이 넓을수록 전기 생산 효율이 높아진다. 본 발명은 산화전극부 내 사공간을 최소화함으로써 유효공간을 최대화하여 전기발생량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

◇ (10-1692064) 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물 연료전지
본 발명은 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지에 관한 것으로서, 산화전극이 충진된 산화전극부, 상기 산화전극부의 상부에 설치되는 환원전극부, 상기 산화전극부와 환원전극부 사이에 설치되는 분리막으로 구성된다. 슬러지 배출부를 구비하여 슬러지가 유입수의 흐름을 막아 발생하는 편흐름을 방지할 수 있는 장점이 있으며, 다수의 환원전극들을 스페이서를 이용하여 각각 구분하고, 상기 스페이서의 재질을 금속으로 하여 상기 스페이서의 상부에 전기인출 수단을 연결함으로 인해 종래와 같이 환원전극 각각에 전기인출 수단을 연결하지 않아도 되므로, 전기 추출구조가 간단한 장점이 있다. 본 발명은 산화전극부의 상부에 설치된 분리막에 대하여 직각으로 다수의 소형 환원전극을 적층시킴으로써 산화전극의 부피에 대한 환원전극의 면적비를 극대화해 미생물연료전지의 성능을 향상시키는 효과를 가진다. 본 발명은 2차원인 면 형상의 환원전극들이 분리막과 직각으로 설치됨으로써 일부 액상에 침지되지만 소형 환원전극을 다수 배치함으로써 공기와 접합면적의 극대화가 가능하여 환원전극 표면으로의 충분한 공기공급으로 환원전극의 성능이 최대화된다.

◇ (10-1352551) 미생물 연료전지 모듈 시스템
본 발명은 미생물 연료전지 분야에 관한 것으로, 전기적으로 직렬연결 된 복수 개의 단위 셀들이 산화전극부 용액을 공유하지 않도록 구성된 미생물 연료전지 모듈 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 미생물 연료전지 모듈 시스템은 복수 개의 단위 셀들이 전기적으로 직렬 연결되어 상업적 규모의 전력생산이 가능하다. 각각의 개별 단위 셀마다 산화전극부가 부여되어 전압 강하 현상을 예방할 수 있고, 복수 개의 단위 셀들이 산화전극부 용액을 공유하므로 본 발명을 참고했을 때 미생물 연료전지 모듈 시스템의 설계를 단순하게 조직할 수 있다. 특히, 미생물 연료전지 모듈 시스템은 상업적 규모의 전력을 효율적으로 생산하는데 유용하게 이용될 것으로 기대된다.

특허전략

◇ 원수가 유입되어 미생물과 반응하는 과정 중 발생한 전자는 그 접촉 면적이 넓을수록 전기 생산 효율이 높아진다. 그러므로 산화전극부 내 사공간을 최소화함으로써 전체 공간 대 유효 공간의 비를 최대로 하여 전기발생량을 극대화시킬 수 있다.

◇ 전력 생산의 척도인 전력 밀도는 산화전극의 부피에 대한 환원전극의 면적비에 비례한다는 사실을 알 수 있다. 양극실 미생물연료전지를 사용할 경우, 환원전극 대신 전해질을 사용할 수 있어 환원전극에 대한 선택의 폭이 넓다. 그리고 효율이 뛰어나지만 많은 비용을 요구하는 신소재 전극을 사용하는 대신 구조적으로 부피가 큰 산화전극을 사용하여 미생물연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

◇ 수직으로 설치된 전극도 활용 가능하다는 점으로 미루어 보았을 때, 전극 및 분리막은 개별 셀 내에서 자유롭게 위치할 수 있다. 수평, 수직뿐만 아니라 사면으로 설치하거나 입체적으로 디자인하여 설치할 수 있다.

◇ cell stack을 활용한 모듈을 적용한 사례를 확인하여 보면 실제 사용된 셀의 크기는 상당히 작은 것을 알 수 있다. 상업적 규모의 전력을 생산할 수 있다는 점을 입증하기 위해서는 더욱 큰 규모의 셀을 계획하여 성능을 보여주는 것으로 독자적인 특허를 확보할 수 있도록 노력해야 한다.

◇ 미생물 연료 전지가 해외에서는 많이 개발된 실정에 비해 국내 특허는 서서히 발전하는 단계이다. 본 설계가 특허로써 발명되기 위해서는 획기적인 기능을 지닌 셀의 디자인, 상업적 규모의 성능이 입증된 셀, 미생물 연료전지가 도입된 전력 시스템이라는 세 가지 특성을 만족할 필요가 있다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 현재 국내에는 귀뚜라미 환경테크, 유로파이앤씨와 같은 기업의 주거단지에서 쓰레기를 자동이송설비로 집하하는 시스템이 존재한다. 하지만 쓰레기 배출의 편의성을 넘어 음식물류 폐기물에 초점을 맞추고 주거단지 내 또는 근처 시설에서 주거단지에서 사용하기 위한 에너지 발전에 이용하는 사례는 존재하지 않았기 때문에 경쟁제품과의 비교는 어렵다. 다만 귀뚜라미 환경테크의 경우 공식 사이트가 아닌 블로그 홍보물에서 모아진 음식물 쓰레기를 모아서 바이오 가스 플랜트로 운반한다고 설명하고 있는데, 이는 귀뚜라미 환경테크에서 관할하는 것이 아닌 것으로 판단된다.

◇ 국내 주거단지에 주로 적용된 재생에너지 장치는 태양광 발전이며 풍력, 지열 발전은 한계가 명확하기 때문에 일반적으로 사용되지 않는다. 태양광 발전은 광전효과를 이용해 빛에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하며 일반적으로 가장 많이 알려진 재생에너지 방식이다. 태양광의 장점은 에너지원이 무한하고 유지보수가 용이하며 수명이 길다는 것이다. 하지만 전력생산량이 일사량에 따라 유동적이고 기상에 의존적이기 때문에 계절에 따라 생산량이 차이가 있다. 또한 주거단지에 설치할 경우 설치 가능 장소가 한정적이어서 일정 수 이상의 모듈 설치가 불가능하다.

◇ ‘Cambrian Innovation’ 기업의 ‘EcoVolt’는 폐수를 이용하여 전기를 생산하는 plant이다. 전기활성 미생물을 바탕으로 폐수 내 유기물을 분해하여 BOD를 제거함과 동시에 전기를 생산하는 원리가 적용되었다. 또한 전기 이외에도 혐기성 소화로 인한 바이오 가스가 발생하기 때문에 이를 다시 가공하여 에너지원으로 활용할 수 있다. 일일 15 - 4,732m3의 폐수를 처리하여 BOD를 90% 가량 제거할 수 있고, 30 - 200kW의 전력을 생산할 수 있다. 2019년에 미국 캘리포니아 주의 Rombauer 와인 생산지에 설치한 사례가 있지만 그 이후로 설치 부지를 확보하여 적용하는 데 어려움을 겪은 것으로 보인다. 다만 깨끗한 물과 에너지를 동시에 생산한다는 점에서 각광받을 만한 기술이다.

◇ ‘Aquacycl’ 기업의 ‘BETT’는 미생물이 부착된 바이오필름을 이용하여 미생물의 대사 활동으로 내어 놓는 수소 이온을 사용하는 연료 전지이다. 주로 슬러지 및 하·폐수를 처리하는 데 이용되며 in-situ process이므로 그 자리에서 유기물 처리와 전기 생산이 즉시 가능하다는 이점이 존재한다. 약 4시간 동안 일일 최대 38m3의 폐수를 처리하여 전기를 생산하고, COD를 90% 이상 제거할 수 있다. 폐수 처리 과정을 축약하여 처리 시간을 단축시킬 수 있고, 1차 슬러지 제거 및 2차 슬러지 발생 감소로 인한 효과가 기대되는 기술이다. 본 설계와는 다르게 단극실 미생물 연료전지라는 점을 염두에 두어야 한다.

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 스마트 시티의 기능 중 하나는 도시 내 데이터를 네트워크로 연결하여 최적의 서비스를 제공한다는 점이다. 본 설계는 거주시설의 전력 생산과 음식폐기물 관리를 동시에 이룸으로써 스마트 시티 도입의 초석을 다지고자 한다. 더불어 거주시설 자체에서 발생하는 유기성 폐기물을 적극적으로 활용하여 공공시설에 필요한 전력을 공급함으로써 에너지 자립을 촉진시킬 수 있다.

◇ 오늘날 미생물연료전지를 포함한 연료전지에서 생산된 전력의 손실을 최소화하기 위하여 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 에너지 수송 및 저장 시스템이 필요하다. 이번 설계를 통해 연료전지 산업 사회에 필요한 에너지 수송 및 저장 네트워크를 제작할 수 있다면 앞으로도 사회적으로 널리 활용할 수 있을 것이다.

◇ 미생물연료전지의 폐기물 처리 성능은 일반적인 폐기물 전처리와 비슷할 것으로 기대가 된다. 실제로 해외 경쟁제품은 BOD 및 COD를 90% 이상 제거하므로 전처리에 소요되는 시간과 자원을 절약하는 데 충분한 성능을 갖추었다는 것을 입증하였다. 본 설계가 in-situ 폐기물 처리 모델의 시작으로써 원활히 작동된다면 스마트 시티 구축 및 waste-zero society를 달성하는 데 큰 도움이 될 것이다.

◇ 화력 발전은 에너지 생산 측면에서 가장 뛰어난 효율을 보이고 있어 여전히 우리나라도 사용하는 에너지 발전 방식이다. 하지만 채굴된 자원을 이용한 발전은 지하에 매장된 탄소를 지상으로 끌고 와서 에너지를 생산하는 방법이기때문에 궁극적으로는 지상의 탄소 배출을 증가시키고, 생태계에 불리한 환경 영향(이상 기후, 지구 온난화 등)을 초래한다. 그러나 미생물연료전지는 이미 지상에 존재하는 탄소원으로 에너지를 생산하는 과정이기 때문에 탄소 중립적인 측면에서 미생물연료전지는 물질 연소 방식보다 친환경적인 에너지 생산 방법이다.

◇ 수소 산업의 글로벌 기술동향 및 정책 전망을 파악한 결과, 수전해 연료전지는 국내에서도 판매되고 있으며, 국외에서는 현재 IHT, Hydrogenics, NEL Hydrogen, Hydrotechnik, Accagen 등 많은 기업에서 개발하여 상업화 수준에 도달하였다. 하지만 전반적으로 연료전지에서 비롯된 전력의 수송 및 저장 기술이 미흡하다는 사실을 알 수 있었는데, 이는 미생물연료전지의 전망에도 영향을 미칠 것으로 보인다. 특히나 가정용 연료전지의 도입은 환경 친화적인 에너지 소비 시스템의 핵심이므로 소규모 플랜트의 개발과 보급에 대한 연구를 보충할 수 있을 것이다.

◇ 전남대 환경에너지공학과 정석희 교수님께 자문을 구한 결과, 현재 미생물연료전지의 경우 실용화된 제품이 없는 관계로 국내 시장에서 독보적인 선두주자가 존재하지 않다고 한다. 더불어 실제 적용이 어려운 분야이기에 하폐수 처리 공정을 전문적으로 설계하는 사람도 많은 시행착오를 통해 미생물연료전지의 대략적인 틀을 잡는 수준에 이르렀다고 한다. 따라서 본 설계는 제품의 개발보다 음식폐기물의 활용과 에너지 전환에 초점을 두어 효과를 평가하는 것이 타당하다. 멘토의 제안에 따르면, 아파트 하나를 선정하여 그곳에서 발생하는 음식폐기물과 정원 쓰레기를 통해 바이오 에너지 퍼텐셜을 산출하고, 바이오 에너지로부터 전환 가능한 전기 에너지의 양을 계산하는 작업이 필요하다. 위 작업이 잘 수행되었을 경우 국내 시장에 최적화된 미생물연료전지 시스템의 초석을 완성할 수 있을 것으로 기대된다.

경제적 및 사회적 파급효과

1) 경제적 효과

◇ 에너지 자립이 성공적으로 이루어진다면 공공시설에 대한 공공전기세를 절감하는 것을 통해 거주자에게 금전적 인센티브를 제공할 수 있다. 또한 거주시설이 준공됨과 동시에 사용할 수 있는 미생물연료전지 기반 전력 공급 시스템은 장기적으로 사용할 수 있다. 따라서 초기 투자비용 대비 그 이상의 전력을 꾸준히 공급한다면 경제적으로 이윤이 남도록 설계 시나리오를 계획해야 한다. 마지막으로 음식폐기물을 포장하고 배출하는데 소요되는 자본이 오늘날에도 존재한다. 하지만 본 설계를 적용한다면 음식폐기물 배출 봉투를 제작하는 데 드는 원료와 봉투를 구매하는 데 드는 비용을 효과적으로 줄일 수 있다.
◇ 유기성 폐기물을 이용한 미생물연료전지에 대한 경제성 분석이 국내에서 아직 미흡하여 하수처리 관련 경제성 분석 내용으로 대체하였다. 기존 하수처리시설 공정으로 연간 67억 톤의 하수를 처리하는 데 약 6000억 원의 운영비가 소모되며, 전력비용과 슬러지 처분비용은 각각 1100억 원, 900억 원이므로 전체 비용의 약 30% 이상을 차지한다는 사실을 알 수 있다. 미생물연료전지를 사용하면 슬러지가 50% 이상 줄어들고 BOD 및 COD도 제거되어 슬러지 처리 비용을 대폭 절감할 수 있고, 그 절감 비용은 무려 672억 원에 이른다. 이러한 비용 절감 효과는 다양한 형태로 혼합되어 있는 유기성폐기물을 처리하는 과정에도 영향을 미칠 것이다. 그리고 미생물연료전지를 음식폐기물에 적용하게 되면 음식폐기물 처리 비용 또한 절감할 수 있을 것이라고 예상된다. 2015년 국내 미생물연료전지 시장은 약 4천 5백억 원, 세계 시장은 6조 4천억 원의 규모에 달할 것으로 추정되었다. 국내외의 지속적인 관심에 근거하여 시장이 꾸준히 확장된다면 기술 수출 부문에서도 경제적 이득을 취할 수 있을 것이다.

2) 사회적 효과

◇ 설계물의 전체 과정에 저감되는 폐기물과 이산화탄소 등 환경 영향 저감 효과를 환경 보전적인 관점에서 사회적 이윤으로 치환할 수 있다. 다만 이윤을 얼마나 치환할 수 있을지에 대한 기준은 정량적으로 접근하기 어렵다. 정량적으로 산정하는 데 한계가 있다면 그 효과를 정성적으로 분석하되, 구체적인 근거를 제시하여 본 설계에 대한 타당성을 입증할 수 있다. 그리고 때때로 뉴스에 등장하는 불공평한 공공전기세 부담 문제를 완화할 수 있을 것으로 기대된다. 본 설계에서 전력 생산의 효율을 높이기 위해서 음식폐기물과 그 외 생활폐기물을 철저히 분리할 필요가 있는데, 생활폐기물 분리 배출 시 폐기물 수거를 용이하게 만든다. 뿐만 아니라 악취 문제만 완벽히 해결된다면 환경 미화 차원에서 쓰레기가 밖으로 노출되지 않아 침출수로 인한 도로 부식을 방지하고 깨끗한 조경을 유지할 수 있다.

구성원 및 추진체계

구성원 및 담당 개발내용

추진체계

설계

설계사양

제품 요구사항

제품 요구사항을 토대로 본 설계에 대한 QFD를 위와 같은 그림으로 나타내었고, QFD의 구성 요소는 임의로 간소화하여 설계에 적용하였다. 그 결과, customer가 요구하는 품질을 만족시키기 위한 품질 특성의 순위를 아래의 표와 같이 정리하였다. QFD를 통해서 구한 품질 특성의 순위는 설계 요소의 중요도로 반영하고자 한다.

표에 따르면 최우선으로 고려해야 할 3가지 사항은 전력 생산량, 요구 전압, COD 제거이다.

평가 내용

목적 계통도

개념설계안

◇ 설계물 위치 및 구조
본 설계물은 크게 1차 집하장(파란색), 발효부(회색), 수송관로(분홍색), 발전부(흰색), 2차 집하장(초록색)으로 구성되어 있고, 모두 같은 지하 공간에 위치하며 층층이 쌓여있는 구조이다.

◇ 가정집 > 1차 집하장
본 설계물은 최근 신도시에 건설되고 있는 아파트를 대상으로 한다. 현재 많이 건설되고 있는 추세인 새로운 형태의 아파트는 각 가정에서 음식폐기물을 배출하면 파쇄된 후 수송관을 통해 해당 동이나 단지의 1차 집하장으로 배출된다. 

◇ 1차 집하장 > 발효부
음식폐기물이 수송관을 통해 1차 집하장으로 모이면, 1차 집하장의 중력침강조에서 2cm 크기의 체거름망을 통과함으로써 부피가 큰 음식폐기물이 걸러진다. 여과된 작은 입자의 음식폐기물과 그 침출수는 1차 집하장에 레버가 있어 3일에 한번씩 발효부로 일정량이 유입된다. 그 무게는 약 60kg 정도이며, 이때 발효부에 미생물을 추가로 주입할 수 있는 부분이 있어, 미생물연료전지 발전에 참여하는 미생물을 추가로 주입한 뒤 발효를 통해 미생물량을 증가시킨다.

◇ 발효부 > 발전부
음식폐기물 및 미생물이 발효부에서 미생물연료전지가 있는 발전부로 수송될 때, 중력을 이용하여 수직 및 사선으로 되어있는 수송관을 통해 수송된다. 이때, 미생물연료전지 각각에 동일한 양의 음식폐기물과 침출수 유입을 위해 수송관 하단부에 25개의 미생물연료전지 상단부와 맞닿는 문을 설치한다. 1대의 발전부에서는 6일간 발전이 이루어지며, 발효부의 레버를 통해 발전부1과 발전부2가 번갈아 가며 음식폐기물 및 미생물을 받게 된다.

◇ 발전부 구조
각 셀은 직렬과 병렬이 적절하게 조합되어 25개씩 2층으로 하나의 스택을 이루고 발전을 시작한다. 직렬 연결 시 발생하는 전압역전을 최소화하고 병렬 연결을 통해 전류를 늘려서 최종 전력생산량을 늘릴 수 있도록 한다. 총 2대의 미생물연료전지 스택을 만들어, 음식폐기물 유입 및 처리량, 반응 속도, 전력 생산 등 변수를 고려하여 음식폐기물을 처리할 수 있게 하였다.

◇ 발전부 > ESS 
발전부의 한 편에 존재하는 전선이 ESS와 연결되어 있어 생산된 전력을 리튬이온 전지에 충전한다. 각 미생물연료전지들을 ESS와 연결하고 24시간 작동하여 전력생산량을 최대화한다. 또한 전력 생산 과정 중 오염물질이 발생하지 않도록 주의한다.

◇ 발전 후 음식폐기물 수거 
음식폐기물 수거 차량이 드나들 수 있는 통로를 만들어, 미생물연료전지 발전 후 2차 집하장에 모인 음식폐기물과 침출수를 차량으로 수거할 수 있도록 하였고, 각 부분의 유지 및 보수가 용이하도록 했다. 

◇ 악취 제거 및 환기
음식폐기물 이동 시 사용된 장치 음식물 파쇄기 중량감지계 이송관 등 는 음식폐기물에 대한 오염에 강하고 밀폐 기능을 통해 일반적으로 발생하는 음식물 악취가 누출되지 않도록 한다. 악취오염방지법에 규제되어 있는 황화수소와 암모니아는 음식물폐기물로부터 비롯될 수 있으므로 악취 제거에 대해 전처리 및 후처리 공정을 본 설계에 도입한다. 특히 미생물연료전지는 혐기성 조건에서 작동되기 때문에 황화수소보다 암모니아가 더 많이 발생할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 전처리로는 산화환원 반응을 기본으로 하되, 추가적인 미생물 균주를 전극에 코팅하여 악취를 효과적으로 줄이고자 하였다. 황화수소는 산화 전극에 의해 대부분 산화되어 element sulfur로 전환되는 반응이 활발히 일어나므로 황화수소의 약 96.4%를 제거할 수 있다. 암모니아는 Stenotrophomonas sp. CW-4Y를 전극에 고정시키면 약 80%를 처리할 수 있다는 결과가 보고되었기에 이러한 미생물 기반 악취 제어 기술을 적용하고자 한다. 또한 후처리로는 기존 아파트 지하주차장 내 환기 및 공조 설비를 천장에 매설하여 본 설계물과 지하주차장이 함께 이용할 수 있도록 하여 남은 악취를 외기와 혼합시켜 저렴하게 처리할 수 있도록 하였다 더불어 공조 설비를 통해 미생물이 유기물을 분해하는데 필요한 산소공급 및 악취제거가 원활하도록 한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 본 설계에서 적용하고자 하는 가상의 아파트는 다음과 같은 조건을 만족한다.

1. 반응기에서 수용할 음식폐기물의 부피

 표준편차가 가장 작은 ‘1세대 당 음식폐기물 배출량’의 평균값인 14.3kg를 사용하여 수용할 음식폐기물의 중량을 결정하였다. 계산 편의상 1세대 당 음식폐기물 배출량을 14kg으로 가정했을 때, 가상의 아파트 1동에서 1개월 동안 배출되는 음식폐기물의 중량은 다음과 같다.





 통계청의 ‘음식물류 폐기물 조성별 발생 원단위 및 물리적 조성비 (2011)’에 따르면 서울특별시의 음식폐기물 평균 밀도는 0.568kg/L으로, 계산 편의상 0.6kg/L로 가정하여 폐기물의 부피를 계산하였다.

2. 미생물연료전지 셀의 부피

 1개월 동안 발생한 음식폐기물이 약 933L인 것을 고려하여 미생물연료전지의 운전을 그림과 같이 계획하였다. 한 번에 반응시키기에는 부피가 너무 커지므로 전력 생산의 효율이 감소할 수 있다. 따라서 음식폐기물이 연속적으로 이동한다는 가정 하에 미생물연료전지를 2대로 나누어 운전하기로 하였다. 3일 동안 배출된 음식폐기물을 1차 집하장에서 모은 후, 발효기를 거쳐 미생물연료전지 A에서 6일 동안 반응시키는 사이에 다시 3일 동안 배출된 음식폐기물을 같은 이송단계를 거쳐서 미생물연료전지 B에서 6일 동안 반응시키게 된다. 이와 같은 운전 계획을 실행하게 된다면 총 30일, 1개월이 걸리므로 가장 이상적인 계획이라고 판단하였다. 따라서 미생물연료전지 셀은 3일 동안 배출된 음식폐기물의 부피를 수용할 수 있어야 한다.





부피가 클수록 전력이 감소하는 전력 생산의 효율성으로 인하여 하나의 셀이 모든 유기물을 수용할 수 없으므로, 셀의 크기를 줄이는 대신에 그 개수를 늘려서 미생물연료전지 스택을 구성하였다. 미생물연료전지 1대는 1단에 5개*5개씩 25개의 셀로 구성된 2단 스택을 갖는다. 따라서 1실형 시스템을 적용한다고 가정할 때, 미생물연료전지 1대의 부피는 93.3L 이상이어야 한다. 계산 편의상 미생물연료전지 1대가 100L의 부피를 감당한다고 가정하고, 총 25개씩 2단으로 구성된 스택의 총 셀의 개수는 50개이므로 셀 하나의 부피를 산정해보았다.



따라서 셀 1개의 부피는 2L이지만 연속 흐름상 매번 같은 양의 음식폐기물이 유입되는 것이 아니므로 5%의 오차범위를 고려하여 1.9L≤(셀 1개의 부피)≤2.1L를 만족하도록 설계하였다. 특히나 가상 모델을 만드는 과정에서 셀의 입체적인 형태로 인하여 이론적 부피와 똑같이 만들기 어려우므로 부피 범위를 설정하였다.



 

3. 미생물연료전지의 전력 생산량

실제 연구된 미생물연료전지의 전력을 참고하여 이론적으로 전력 생산량을 계산해보았다. 전력밀도는 단위 면적일 경우에 전극의 표면적을 사용하고, 단위 부피일 경우에 셀의 체적을 사용한다. 전극의 표면적은 보편적으로 산화전극을 기준으로 두며, 셀의 체적은 계산 편의상 셀이 실제로 수용 가능한 체적이 아닌 셀의 크기를 기준으로 둔다 (미생물연료전지, 2010). 이를 감안하여 전력 생산량에 고려해야할 변수를 모두 정리해보았다.



3-1. 미생물연료전지의 전력 생산 메커니즘
 
 음식폐기물이 각각의 미생물연료전지 셀로 유입되면 미생물이 코팅된 산화전극(➊)과 닿은 음식폐기물의 유기성 성분은 미생물에 의해 산화되어 수소 이온을 잃게 된다. 산화되기 전 상대적으로 안정한 구조를 띠던 유기물은 수소 이온을 잃음과 동시에 산화전극을 통하여 원래 수소가 가지고 있던 전자를 환원전극(➌) 으로 이동시키게 된다. 마찬가지로 음식폐기물에 잔존하는 수소 이온도 농도 기울기에 따라 이온교환막(➋)을 통해서 환원전극으로 이동한다. 그 다음 환원전극은 외부에서 유입된 공기와 맞닿아서 전달받은 수소 이온, 전자를 이용하여 산소를 물로 환원시킨다. 이 과정에서 산화전극에서 일어난 산화반응, 환원전극에서 일어난 환원반응의 전위 차에 의하여 전력이 외부저항으로 통해 생성된다.

3-2. 전압 목표치 달성
“에너지 하베스팅 기반 미생물 연료전지의 생산효율 증대 및 독립형 에너지원 개발 기술 연구 (2018)”에 따르면 0.7V의 미생물연료전지 4개 이상 병렬연결된 스택과 PMS(Power Management System)를 연결했을 때 전압은 2.4V까지 만족할 수 있으며, PMS는 미생물연료전지의 안정적인 전압 출력을 보조하므로 장시간 동안 전압을 일정하게 유지할 수 있다.
음식폐기물이 파쇄된 이후, 침출수와 고형물의 비율에 따라서 전압이 변할 수 있다. 만약, 평균 전압이 산술평균을 따른다고 가정했을 때, 고형물이 전체 음식폐기물의 43% 이상을 차지한다면 미생물연료전지를 2단 직렬연결하면 0.7V 이상의 전압을 만족한다. 그리고 2단 직렬연결 된 셀이 4세트 이상 병렬연결 되어 있다면 배터리를 충전할 수 있는 2.4V를 만족할 수 있다.



2개의 셀이 직렬연결 된 것을 1세트라고 하면, 1대의 미생물연료전지 스택에는 총 25개의 세트가 병렬연결 되어있다. 따라서 배터리 충전에 요구되는 전압을 만족시킬 수 있을 것으로 기대된다.

3-3. 전력 생산량
 음식폐기물의 성상이 고형물에 더 가까울 것이라고 가정하여 전력 계산식을 정리하였다. 전력은 전압, 또는 전류에 비례하므로 미생물연료전지가 낱개로 존재할 때보다 복수 개로 존재할 때 전력은 증가한다. 따라서 본 설계에서 설치하고자 하는 미생물연료전지의 개수를 대입하면 다음과 같이 전력을 구할 수 있다.



 전력량은 Wh(와트시)로 표현하기 때문에 미생물연료전지가 전력을 생산하는 시간을 알아야 한다. 그러나 장시간에 대한 미생물연료전지의 전력 출력을 연구한 자료를 찾을 수 없었던 관계로 운전 스케쥴에 따라 미생물연료전지 스택 1대 당 30일을 기준으로 운전한다고 가정하였다. 아래 표는 총 미생물연료전지 2대가 전체 운전시간 30일 대비 출력 시간에 따른 전력량을 나타낸 것이다.



 가장 이상적인 조건은 운전시간 내내 끊임없이 전력이 생산되었다고 가정했을 때이므로, 최대 72.7Wh까지 전력을 생산할 수 있을 것이라 기대한다.

조립도

조립도

◇ 본 설계물은 1차 집하장 및 발효부, 발전부 2대 그리고 2차 집하장으로 구성되며, 이때 수송관 및 집하장 그리고 발효부는 본 설계물이 적용되는 각 아파트의 거주 세대수에 따라 그 길이 및 부피가 달라질 수 있다.

◇ 다음은 설계물의 전체 설계도이며 각 부분의 치수는 설계도에 써진 것과 같다. 1차 집하장의 중력침강조에서 음식폐기물이 2cm 크기의 체거름망이 있어 부피가 큰 음식폐기물이 걸러진 후, 개폐장치를 통해 발효부로 수송된다. 파란색 부분이 1차 집하장, 회색 부분이 발효부, 분홍색 부분이 수직 및 사선으로 되어있는 수송관, 초록색 부분이 2차 집하장이다.

◇ 그림 20은 설계물의 전체 설계도이며 각 부분의 치수는 설계도에 써진 것과 같다.1차 집하장의 중력침강조에서 음식폐기물이 2cm 크기의 체거름망이 있어 부피가 큰 음식폐기물이 걸러진 후 개폐장치를 통해 발효부로 수송된다. 파란색 부분이 1차 집하장, 회색 부분이 발효부, 분홍색 부분이 수직 및 사선으로 되어있는 수송관, 초록색 부분이 2차 집하장이다.

◇ 발효부에서 미생물연료전지로 음식폐기물이 이송될 때 수송관은 발전부1과 발전부2 모두와 연결된 가지 형태이며, 미생물연료전지와의 접합부는 6.4cm 길이의 이등변 삼각형 모양으로 파여 있어, 남는 음식폐기물 없이 미생물연료전지로 유입될 수 있도록 한다.
 

◇ 발전부 1대는 총 50개의 미생물연료전지로 구성되어있고, 미생물연료전지는 25개씩 2층으로 직렬연결되어 있고, 미생물연료전지 한 층은 가로 5개, 세로 5개로 총 25개가 정사각형 모양으로 병렬연결되어있다. 또한, 경사진 수송관을 통해 수송된 음식폐기물 및 미생물은 25개의 변의 길이가 6cm이고 높이가 10cm인 정사각기둥 형태의 수송관을 통해 각각의 미생물연료전지로 유입되고, 마찬가지로 변의 길이가 6cm이고 높이가 10cm인 정사각기둥 형태의 수송관을 통해 사용된 음식폐기물이 집하장으로 배출된다. 다음은 25개씩 2층으로 이루어진 발전부 1대의 그림과 각 층 간의 직렬연결 및 미생물연료전지 셀 간의 병렬연결을 나타낸 그림, 그리고 마지막으로 직병렬 연결을 통해 ESS가 연결될 부분의 그림이다.

◇ 미생물연료전지에는 산화전극, 환원전극, 전선이 있으며, 산화전극(Anode)은 미생물연료전지 셀 내의 중앙에 존재하며, 4cm*7cm 크기의 직사각형이 십자가 모양으로 두 개 결합된 형태이다. 환원전극(Cathode)은 미생물연료전지 몸체 아래의 사각뿔대 모양이며, 미생물연료전지 내부는 분리막, 외부는 환원전극으로 되어있다. 이는 음식폐기물이 중력에 의해 미생물연료전지의 아랫부분에 주로 위치할 것이므로, 음식폐기물의 유기물 분해가 원활하면서도 분리막의 가격을 고려해 경제성이 좋게 만든 결과이다. 또한, 정사각형 모양의 분리막 및 환원전극으로 이루어진 미생물연료전지의 밑면은 반으로 나누어져 개폐가 가능한 구조로 되어있어, 유기물 분해를 마친 음식폐기물이 배출될 수 있도록 한다. 다음은 미생물연료전지 한 셀이 수송관과 연결된 그림이다.

◇ 미생물연료전지에서 배출된 음식폐기물은 2차 집하장으로 집하되며, 2차 집하장의 음식폐기물은 수거 차량을 통해 음식폐기물 처리장에서 처리된다. 다음은 2차 집하장의 크기를 나타낸 그림이다.

조립 순서

◇ 미생물연료전지의 몸체를 조립하고, 몸체 내에 산화전극을 십자가 형태로 배치한 후 전선으로 연결해준다.

◇ 외부는 환원전극(Cathode), 내부는 분리막으로 하여 기울기가 45°이고 윗변이 12cm, 아랫변이 6cm인 정사각뿔대 모양이며, 윗면이 없는 모양으로 미생물연료전지의 하부와 이어지도록 조립한다. 또한, 밑면은 반으로 나누어 레버를 통해 개폐가 가능하도록 한다.

◇ 산화전극으로 이어져 있는 전선 및 환원전극으로 이어져 있는 전선을 직·병렬로 연결해 한 개로 만든다. 이 전선은 발전부 한 편에 위치해 ESS와 연결되어 있고, ESS는 리튬이온 전지를 사용하는 시중의 제품을 이용한다.

부품도

◇ 미생물연료전지 셀

 미생물연료전지 셀을 캐드로 나타낸 설계도이다. 미생물연료전지 셀은 내화학성이 우수한 ABS 수지를 이용하여 틀을 제작하고 상단에 전선을 연결할 수 있도록 한다. 전선에 산화전극을 연결하고 셀 중심 하단에는 PEM과 환원전극을 차례로 배치한다. 이 때 환원전극이 환원반응을 하기 위해 외기와 맞닿을 수 있도록 한다.
 미생물연료전지 셀의 유입부 길이는 10 cm, 몸체는 12 cm, 환원전극부는 4 cm, 배출부는 10 cm로 구성되어 있고 유입 및 배출부는 6 cm X 6 cm, 몸체는 12 cm X 12 cm의 정방형으로 이루어져 있다. 밑면의 배출부는 개폐가 가능하도록 양문형으로 설계하였다.

◇ 전체 구조

위는 미생물연료전지의 전체적인 설계를 캐드로 그린 것이다. 모든 반응조는 미생물연료전지 셀과 마찬가지로 ABS 수지를 이용해 제작하며 맨 위부터 순서대로 1차 집하장, 발효부, 수송관, 미생물연료전지 하단의 2차 집하장이다.

❶ 1차 집하장
 1차 집하장의 크기는 가로, 세로, 높이가 각각 132 cm, 66 cm, 30 cm이다. 1차 집하장 내부에는 격자크기 2 cm X 2 cm의 체거름망이 존재하여 부피가 큰 음식물쓰레기를 걸러낸다.

❷ 발효부
 발효부는 가로, 세로, 높이가 각각 132 cm, 66 cm, 30 cm이며 중심은 2개의 발전부로 나뉘어 유입할 수 있도록 사선형태로 설계하였고 그 높이는 45 cm이다.

❸, ❹ 수송관
 발효된 유기물은 수송관을 통해 미생물연료전지 셀로 유입된다. 수송관의 규격은 위 그림과 같고 미생물연료전지와 연결되는 하단 면에 정체하는 유기물이 없도록 아래 그림과 같이 평면이 아닌 삼각 형태의 경사가 존재하도록 설계하였다. 

❺ 2차 집하장
 2차 집하장은 가로, 세로, 높이가 각각 72 cm, 72cm, 50cm이다.

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품 소개

프로토타입 사진

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  전체 시연물

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  미생물연료전지 셀 한 개 시연물

포스터

특허 출원번호 통지서

◇ 발명의 명칭: 미생물연료전지를 활용한 에너지 자립형 아파트 모델 설계

◇ 출원일자: 2021.12.09

◇ 출원번호: 10-2021-0175799

◇ 출원인: 최민선 (대표)
*개인금융정보를 공유할 수 없으므로 대표자 한 명을 지정하여 출원하였다.

◇ 발명자: 최민선, 조창범, 김현진, 이현지

개발사업비 내역서

완료작품의 평가

1. 전력생산량

전력 생산 시뮬레이션을 통해 본 설계가 리튬 이온 배터리의 충전 전압 2.4V를 만족한다는 것을 확인하였다. 다만 현 시점의 기술력으로 에너지 자립 등급을 향상시킬 만큼의 전력을 생산하기란 어려워 보인다. 미생물연료전지로 생산한 전력은 최대 72.7Wh/월로 예상하고 있으며, 전력을 주로 공급할 대상으로는 주차장 LED등을 선정하였다.

2. 폐기물 처리율

실제 실험을 진행하기 어려웠던 관계로 다양한 참고문헌을 통해 미생물연료전지를 이용한 COD 제거 효율에 대해 살펴보았다. 보편적으로 미생물연료전지의 COD 제거율은 약 85% 이상에 달하는 것으로 보아 그 성능이 탁월한 것으로 기대된다. 그러나 직접 확인한 결과가 아니라는 점을 반영하여 평가결과를 도출하였다.

3. 악취 제거

미생물연료전지 가동 시 발생할 수 있는 악취 대상 물질은 총 암모니아와 황화수소로, 추가적인 미생물 균주를 전극에 코팅하면 효과적으로 줄일 수 있다. 미생물연료전지는 혐기성 조건에서 작동되기 때문에 황화수소보다 암모니아가 더 많이 발생할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 황화수소는 산화 전극에 의해 대부분 산화되므로 약 96.4%를 제거할 수 있다. 암모니아는 Stenotrophomonas sp. CW-4Y를 전극에 고정시키면 약 80%를 처리할 수 있다. 결과적으로 처리할 음식폐기물의 부피가 일반적인 음식폐기물 처리장에 비해 크지 않고, 고효율로 가스를 처리할 수 있으므로 악취방지법의 배출 기준을 만족할 수 있을 것이다.

4. 경제성

주차장 LED등 전기세는 18W LED 등의 경우 1개에 약 35원/일이 소요된다. 설계물을 1년 중 360일 운전한다고 했을 때, 872.4Wh/년의 전력 생산량으로 LED 등 한 개를 약 48.5시간 동안 온전히 켤 수 있다. 이를 실제 설계에서 생산된 전력과 비교했을 때, 경제적 효과가 크다고 판단할 수 없다.
폐기물 처리 감소 비용에서 하수처리비용은 전력 비용이 1100억원, 슬러지 처분비용이 900억원으로 미생물연료전지로 음식폐기물을 전 처리하게 되면 현재 처리비용의 약 50% 이상을 절감할 수 있다.

5. 평가결과

각 비중의 백분율을 점수로 환산하여 평가결과를 도출하였다. 전력생산량은 35점 중 28점, 폐기물 처리율은 35점 중 32점, 악취 제거는 10점 중 7점, 그리고 경제성은 20점 중 14점을 얻었다. 본 설계에 대한 총 점수는 100점 중 81점으로 평가하였다. 실제 실험을 하지 았다는 점이 평가에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 폐기물 처리율과 악취 제거의 경우 그 근거 자료가 다소 객관적이지 않다는 것도 반영하였다.

◇ 설계구성요소를 중심으로 완료 작품을 평가했을 때, 목표설정은 설계를 진행함에 따라 단계적으로 수정되었고 합성 분석 측면에서 본 설계는 시스템적인 패러다임을 새로이 제시하고 있기 때문에 의의를 갖는다고 생각한다. 본 설계의 시연물은 시뮬레이션이 아닌 구조와 형태에 초점을 두어 제작하였으나 작동을 직접 할 수 없기 때문에 시험 및 평가에서 다소 미흡한 결과가 나왔다고 생각한다.

◇ 설계제한요소를 중심으로 완료 작품을 평가했을 때 원가는 주로 폐기물 전처리 비용을 핵심으로 삼아 경제성 평가를 진행하였다. 국내에는 미생물연료전지 셀/스택 시공비 자료를 찾을 수 없어서 구체적인 설계 시공비를 산정할 수 없었다. 신뢰성을 고려하면 설계가 충분히 작동하고 기능을 수행할 수 있도록 연속적인 처리 공정을 적용하였다. 전력을 어떻게 출력하느냐에 따라 설계의 성능 상 변동이 생길 수 있기 때문에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 대체 기술이 필요하다. 아파트 내에서 미생물연료전지로 음식폐기물을 처리하고 일부 전력을 공급한다는 점에서 사회적 영향 및 환경요인 부분에서는 큰 혜택을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

향후평가

◇ 본 설계물의 재료로 쓰이는 음식폐기물의 양이 50% 이상 감소할 것으로 예상되며, 음식폐기물 내의 COD 및 BOD 또한 90% 가량 제거되므로 음식폐기물의 유기물 제거로 인해 음식폐기물 처리 비용을 절감할 수 있다.

◇ 미생물을 이용하여 음식폐기물 내의 유기물을 제거함과 동시에 발전하는 시스템으로서, 그 접근 방법이 친환경적이기 때문에 본 설계물의 환경 영향이 적을 것으로 기대된다.

◇ 최대 72.7Wh/월의 전력 생산량으로 인해 본 설계물을 적용하는 거주시설 내 지하주차장 LED등과 같은 곳에 전력을 보충할 수 있다.

◇ 현재까지 국내에 미생물연료전지를 이용한 발전 및 음식폐기물 처리의 상용화가 이루어져있지 않아, 생산 전력의 전압 절대치를 향상시키고 전압 역전과 같은 문제를 해결한다면, 적용할 수 있는 전력 시설의 범위 향상과 함께 국내 미생물연료전지 산업 및 스마트 에너지 시티 에너지 자립의 선두주자가 될 수 있을 것으로 예상된다.

◇ 국내 미생물연료전지 시장 및 스마트 에너지 시티 구축 시장이 커질 경우, 선진 기술로 인해 해외로의 수출을 통한 이윤 생산도 가능할 것으로 예상된다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

◇ EPSIS 전력통계정보시스템, 에너지원별 발전량, 2020.09.20. 
◇ IEA(International Energy Agency). World Energy Outlook 2020. 2020 .
◇ EIA(U.S Energy Information Administration). International Energy Outlook 2019. 2020.
◇ 한국수자원공사, MFC 기반의 에너지 자립형 수처리기술 개발(4차년도) (핵심과제 1: K-water형 MFC 기술 개발), 한국수자원공사, 2014. 
◇ 2021년 신재생에너지 보급지원 사업공고 및 접수 실시, 대한민국 정책브리핑, https://www.korea.kr/news/pressReleaseView.do?newsId=156444737, 2021. 
◇ S. Venkata, K. Chandrasekhar, Solid phase microbial fuel cell (SMFC) for harnessing bioelectricity from composite food waste fermentation: Influence of electrode assembly and buffering capacity, Bioresource Technology, 2011, 11, pp. 7077-7085. 
◇ M. Prachi, A. Tembhurkar, Effect of recirculation on bioelectricity generation using microbial fuel c ell with food waste leachate as substrate, International Journal of Hydrogen Energy, 2018, 43, pp. 10061-10069. 
◇ M. Rodrigo, P. Cañizares, J. Lobato, R. Paz, C. Sáez, J. Linares, Production of electricity from the t reatment of urban waste water using a microbial fuel cell, Journal of Power Sources, 2007, 169, pp. 198-204. 
◇ 정재우, 최영대, 이명은, 송영채, 우정희, 유규선, 이채영, 연속식 미생물연료전지 성능에 미치는 운전 변수의 영향, 한국상하수도학회, 2013, 27, pp.489-494. 
◇ 아메드잘랄, 김준현, 이영록, 김성현, 폐수처리용 미생물연료전지의 환원전극용 비백금계 산소환원촉 매의 개발, 한국물환경학회 공동 춘계학술발표회, 2014, pp.502-503. 
◇ 김봉균, 안준영, 김대희, 박현준, 이유석, 김지수, 장인섭, 나노-마이크로-매크로 융합바이오일렉트로닉 스 플랫폼, 한국물환경학회・대한상하수도학회 공동춘계 학술발표회, 2014권, pp.795-796. 
◇ Microbial Fuel Cell: EcoVolt, Cambrian Innovation. https://www.cambrianinnovation.com/products/ecovolt .
◇ Microbial Fuel Cell: BETT, Aquacylc. https://aquacycl.com/why-we-are-different/#howitworks. 
◇ 아파트의 쓰레기 처리 ‘더 편하고 깨끗하게’, 사이언스타임즈, https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EC%95%84%ED%8C%8C%ED%8A%B8%EC%9D%98-%EC%93%B0%EB%A0%88%EA%B8%B0-%EC%B2%98%EB%A6%AC-%EB%8D%94-%ED%8E%B8%ED%95%98%EA%B3%A0-%EA%B9%A8%EB%81%97%ED%95%98%EA%B2%8C/, 2020. 
◇ 석탄화력발전비율, 국가지표체계, https://www.index.go.kr/unify/idx-info.do?idxCd=4292, 2021. 
◇ 미생물 연금술사 팀, 미생물 연료전지-폐수에서 빛을 찾아라, LG글로벌챌린저스, http://www.lgchallengers.com/global_pages/globalreport/?gyear=2012, 2012.안락 1차 SK아파트 지하주차장 조명, LED로 바꾸니 전기료 85%↓, 부산일보, http://www.busan.com/view/busan/view.php?code=20180114000204, 2018.

관련특허

◇ 광주과학기술원, 미생물 연료전지 모듈 시스템 (특허출원제10-1352551), 특허청, 2014. 
◇ 순천대학교 산학협력단 외 1인, 미생물연료전지 (특허출원제10-1530527), 특허청, 2015.
◇ 한국수자원공사 외 3인, 다중 격막형 미생물연료전지 (특허출원제10-1370476), 특허청, 2014. 
◇ 한국수자원공사 외 3인, 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지 (특허출원 제10-1692064), 특허청, 2014.

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