기후변화 완화가 전 세계적인 이슈가 되는 가운데 각국은 태양광이나 풍력 등 신재생에너지를 이용한 발전 도입을 추진하고 있다. 최근에는 널리 알려진 태양광 발전이나 풍력 발전과 더불어 미생물을 이용해 폐수 등으로부터 전력을 만드는 미생물 연료전지(microbial fuel cells)가 주목받고 있다.
연료전지는 외부 회로에 전자가 흐르기 시작하는 양극과 외부 회로에서 전자가 흐르는 음극이 존재하며 두 전극 사이에 주어진 연료를 소비하고 발전한다. 미생물 연료전지는 전극에서 연료로부터 전자를 추출 반응을 유기물을 분해해 전자를 추출하는 미생물이 담당하고 있다는 게 특징이다.
보통 미생물 연료 전지는 양극실과 음극실이 막으로 분리되어 있으며 촉매 미생물은 양극으로 성장하고 연료 중 유기물이 분해해 전자와 수소 이온으로 변환한다. 이 반응에서 생성된 전자는 외부 회로를 통해 음극실에 흘러들어 수소 이온도 막을 통해서 음극실로 이동, 수소 이온과 전자가 반응해 물이 생성된다. 지속적으로 연료 중 유기물이 미생물에 의해 분해되어 전자가 외부 회로를 통해 음극실에 전송되어 전류가 발생하는 구조다.
이미 소형팬과 LED 조명을 작동시킬 수 있는 미생물 연료 전지가 개발된 상태다. 또 미생물 연료 전지는 염분에 대한 내성이 강하고 실온에서도 동작하며 다양한 물질을 연료로 쓸 수 있다는 장점이 있어 앞으로 발전 시스템을 크게 바꿀 가능성도 있다.
그렇다면 앞으로 미생물 연료 전지 응용이 유망할 것으로 보이는 건 어떤 게 있을까. 먼저 분뇨를 이용한 발전. 대변과 소변을 포함한 생분해성 유기물은 미생물 연료 전지가 전기를 만들어내는 연료로 주목받고 있다. 실제로 아프리카 가나 화장실에 미생물 연료 전지를 구현하기 위한 연구가 이뤄지고 있으며 이는 화장실이 발전소가 될 가능성을 시사한다.
이 실험에선 2년간 미생물 연료 전지를 갖춘 화장실을 통해 소변에서 질소를 제거하고 배설물을 퇴비로 삼아 화장실 LED 조명에 전력을 공급하기에 충분한 전력이 생성됐다. 전력망이 정비되지 않은 원격지나 난민 캠프에서 화장실 분뇨를 연료로 해 발전할 수 있는 이 구조는 큰 도움이 될 수 있다.
다음은 식물을 이용한 발전. 미생물 연료 전지를 응용해 살아있는 식물을 통해 발전할 수 있다는 것. 식물은 성장 과정에서 포도당 등 탄수화물을 생성하지만 이 부분은 뿌리 침출액으로 주위에 흘러간다. 따라서 뿌리 주위에 양극실막에서 멀리 떨어진 곳에 음극실을 설치해 미생물 연료 전지를 만들 수 있다. 뿌리 침출액을 연료로 미생물이 전자를 꺼내 외부 회로를 통해 조명과 장치 충전 등에 사용 가능하다. 식물을 이용한 미생물 연료 전지는 전력망에 접근하기 어려운 고립된 지역 사회 발전에 혁신을 일으킬 수 있다. 미래에는 가로수를 이용해 도시 거리를 비추는 게 가능할 수도 있다.
셋째는 저전력 탈염 시스템이다. 미생물을 이용한 탈염 시스템은 미생물 연료 전지 양극실 측에 음이온 교환막을, 음극실 측에 양이온 교환막을 설치하고 2개 막 내부에 탈염을 원하는 물을 넣는다. 미생물이 반응해 양극실 측에서 수소 이온이 발생했을 경우 수소 이온은 음이온 교환막을 통과해 탈염하고 싶은 물 쪽으로 이동한다. 따라서 탈염하려는 물에서 음이온 교환막을 통해 음이온이 양극실 쪽으로 흘러간다. 한편 외부 회로를 통해 전자가 음극실 쪽으로 이동하고 반응에서 수소 이온이 소비되기 때문에 양이온 교환막을 통해 탈염하고 싶은 물에서 양이온이 음극실 쪽으로 흘러간다.
이런 상호 작용을 반복해 2개막으로 둘러싸인 물이 담수된다. 기존 해수를 담수로 바꾸는 시스템은 큰 에너지를 소비하기 때문에 발전하면서 대규모 담수화를 달성하는 방법은 혁신적일 수 있다.
다음은 메탄 발효법 효율 개선이다. 메탄 발효법은 폐수에 포함된 유기물을 미생물로 분해해 천연가스로 사용할 수 있는 메탄가스를 주성분으로 하는 바이오 가스를 추출하는 방법이다. 보통 메탄 발효법은 비효율적이지만 메탄 발효법과 미생물 연료 전지 시스템을 결합한 수법(electromethanogenesis)을 이용하면 메탄 발효법 효율성을 개선할 수 있다고 한다.
지금은 여러 새로운 미생물 연료 전지 상용화를 위한 연구를 진행 중인 만큼 앞으로 미생물 연료 전지가 우주 공간 발전에 사용되는 장기 우주 임무에 전력 공급 가능성 등도 기대해볼 수 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.