국내 바이오가스화 시설의 에너지 이용 형태에 따른 에너지수지 분석 연구

문희성 ( Hee-sung Moon ),이동진 ( Dong-jin Lee ),권준화 ( Jun-hwa Kwon ),남궁훤 ( Hueon Namkung ),이원석 ( Won-seok Lee ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

신재생에너지를 생산하는 바이오가스(biogas)는 전세계적으로 주목 받고 있으며, 최근 국내에서 발병한 아프리카돼지열병(ASF)으로 습식사료화 재활용이 금지되고, 건조 사료화 및 퇴비화 등의 생산제품 수요처가 부정적 인식으로 음식물류폐기물을 포함한 유기성폐기물의 안정적인 처리 방안으로 바이오가스 시설이 주요해지고 있다. 국내 바이오가스 생산량(’17) 321,062 천m³/년으로 매년 증가하는 추세이며, 자체사용의 비율이 34.8%로 가장 많은 것으로 나타났다. 이는 유기성폐기물의 안정적인 처리와 외부에너지 절감효과를 가져올 수 있다. 또한 중질가스, 고품질화와 같은 외부공급의 증가율이 가장 높게 나타났으며, 발전의 증가세가 가장 완만하게 나타났다. 미활용되는 잉여가스량은 안정적인 가스이용 운영으로 점차 감소하는 추세이다. 국내에서 운영되는 음식물류폐기물의 바이오가스 시설은 바이오가스 외부공급(중질가스 및 고품질화) 이용비중이 39.3%로 가장 높았으나, 미활용으로 연소 처리되는 바이오가스의 비중이 28.8%로 확인되어 이용활성화 방안이 요구된다. 에너지 이용 형태 발전, 스팀, 중질가스로 구분하고, 고품질화(수송용, 도시가스) 시설은 추후 분석하고자 한다. 중질가스란 생산된 바이오가스 자체를 최소한의 정제(탈황, 제습 등) 이후 외부 업체에 판매하는 에너지 이용 형태이다. 대상시설은 에너지를 생산하여 외부에 판매하는 시설을 선정하였으며, 시설 운영 및 판매가 안정적으로 이루어지는 시설을 우선 선정하였다. 발전기를 통한 발전시설은 4개소이며, 스팀생산 2개소, 중질가스 판매는 5개소이다. 시설의 유입·유출에너지 현황은 각 유입·유출 항목을 에너지량으로 전환하기 위하여 열량(kcal)으로 환산하였다. 유입·유출되는 유기성폐기물의 에너지량은 현장조사를 통해 채취한 소화조 유입·유출 시료를 적용하였다(유입 시료: 소화조 유입물, 유출 시료: 소화슬러지, 탈수케익, 탈리여액, 연계처리수). 총 바이오가스 생산량에서 잉여가스 연소로 처리되는 바이오가스 미이용률은 평균 15.3 %로 확인되었다. 대상 시설의 바이오가스 전환효율, 생산효율, 플랜트효율을 검토한 결과, 바이오가스 전환효율은 유입폐기물 에너지가 바이오가스로 전환되는 효율이며, 대상 시설은 평균 78.5 %로 나타났다. 바이오가스 생산효율은 유입에너지에 내부시설 운영에 필요한 에너지에 추가하여 바이오가스를 생산하는 효율이며, 대상 시설 평균 69.4 %로 나타났다. 바이오가스 플랜트 효율은 유출에너지에서 미이용 가스를 제외한 바이오가스 이용효율로 바이오가스 이용 부문에 따라 발전 64.2 %, 스팀 37.5 %, 중질가스 63.2 %로 나타났다.

高里原子力發展所 건설계획 槪要

문희성(Hee Sung Moon) 대한전기학회 1971 전기의 세계 Vol.20 No.3

전원 및 부하모델링 기반의 양방향 DC-DC 컨버터 최적 알고리즘

문희성(Hee-Sung Moon),최규영(Gyu-Yeong Choe),이병국(Byoung-Kuk Lee) 대한전기학회 2009 대한전기학회 학술대회 논문집 Vol.2009 No.7

본 논문에서는 하루 24시간동안의 전원의 특성과 사용시간, 사용량을 고려한 부하를 전기적으로 모델링 하고 그를 통해 양방향 DC-DC 컨버터가 최적으로 동작할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 양방향 DC-DC 컨버터의 최적 알고리즘 제안을 위해 전체 시스템의 에너지 밸런싱에 초점을 맞춰 분석하였으며 하루 중 잉여 및 부족 전력에 따라 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하도록 시뮬레이션을 구성하였고 그 결과를 통해 타당성을 검증하였다.

기후조건 및 실부하패턴을 고려한 태양광 시스템 최적 운전기법

문희성(Hee-Sung Moon),최규영(Gyu-Yeong Choe),김종수(Jong-Soo Kim),이영국(李永國),이병국(Byoung-Kuk Lee) 대한전기학회 2009 전기학회논문지 Vol.58 No.12

Based on the detailed analysis of output characteristics of PV array and residential load usage pattern, a design method to calculate optimal battery capacity for stand-alone PV generation systems is proposed. And also, according to power flow Actual irradiation and temperature data are analyzed to compose a PV array simulator and also six representative home appliances are electrically modeled for load simulator, along with 24hours usage pattern. The surplus and insufficient power can be calculated from the proposed simulation platform, so that selection of an optimal battery capacity can be possible. The theoretical analysis and design process will be explained, along with informative simulation results.

바이오가스 이용 기술지침 마련을 위한 연구(Ⅲ)

문희성(Hee Sung Moon),배지수(Ji su Bae),박호연(Ho yeun Pack),전태완(Tae wan Jeon),이영기(Young gi Lee),이동진(Dong jin Lee) 유기성자원학회 2018 유기물자원화 Vol.26 No.2

바이오가스 이용 최적화를 위해 탈황 및 제습 전처리시설 가이드라인으로 H₂S 농도는 철염으로 처리가능한 150 ppm으로 설정하고, 제습은 발전기 운전 적정수분 값이며 EU회원국에서 바이오가스 활용 시 적용하는 상대습도 60 %로 설정하였다. 국내 바이오가스 평균 온도인 31℃에서 상대습도 60 %으로 적용한다면 노점온도 22℃, 절대습도 20.57 g/㎥으로 나타낼 수 있으며, 전처리 설비가 적절히 가동된다면 가이드라인에 만족하여 바이오가스의 이용이 최적화 될 것으로 사료된다. 바이오가스 이용 최적화를 위해 발전기 설비 가이드라인을 설정하고자 하였다. 바이오가스 적정 이용량으로는 전체 가스 발생량의 90 % 이상을 이용해야하며, 발전기 시설의 용량은 여유율을 10~30 %로 설정해야 한다. 발전기에 유입가스의 압력을 균등화하기 위해서는 가스 균등조(buffer tank)를 설치하며, 발전실 평균온도는 45 ℃이하로 유지한다. 소화조에서 일정한 메탄농도로 가스가 생성되지 않아 효율이 저하되므로 메탄농도에 변화에 따른 공기연료비 제어시스템을 설치가 요구된다. 본 연구에서는 유기성폐자원의 바이오가스 생산 및 이용을 최적화를 위해 현장시설의 정밀모니터링과 시설별 에너지수지를 분석하고, 현장문제 해결방안에 대해서 조사하여 전처리시설 및 발전기 등의 설계 및 운전가이드라인을 제시하고자 한다. As a guideline for desulfurization and dehumidification pretreatment facility for optimizing utilization of biogas, the H2S concentration is set at 150 % which can be treated with iron salts, dehumidification is the optimum value for generator operation, and the relative humidity applied at the utilization of biogas in EU is set at 60 %. We have set up the generator facility guidelines to optimize utilization of biogas. The appropriate amount of biogas should be at least 90 % of the total gas generation, and the capacity of generator facility should be set at 20 ~ 30 %. In order to equalize the pressure of the incoming gas the generator, a gas equalization tank should be installed and the generator room average temperature should be kept at 45 ℃ or less. Since the gas is not produced at a certain methane concentration in the digester, the efficiency is lowered. Therefore, it is required to install an air fuel ratio control system according to the change in methane concentration. Therefore, it is necessary to compensate for the disadvantages of biogasification facilities of organic waste resources and optimize utilization of biogas and improve operation of facilities. This study was conducted to optimize biogas utilization of type of organic waste(containing sewage sludge and food waste, animal manure), investigate the facilities problem and propose design, operation guidelines such as pre-treatment facilities and generators.

발전용 바이오가스 이용을 위한 전처리 및 발전기 운전조건 설정 연구

문희성 ( Hee-sung Moon ),이동진 ( Dong-jin Lee ),배지수 ( Ji-su Bae ),박호연 ( Ho-yeun Park ),전태완 ( Tae-wan Jeon ),이영기 ( Younggi Lee ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

정부의 중장기 바이오가스화 정책에 따라 폐자원의 자원화 시설 확충이 활발히 추진되고 있다. 따라서 유기성폐자원의 바이오가스화 시설의 단점을 보완하고 바이오가스 생산·이용 최적화 방안을 마련과 혐기성소화조 및 시설 운전 효율 개선 및 안정적인 운영을 도모해야한다. 본 연구에서는 유기성폐자원의 바이오가스 생산 및 이용을 최적화를 위해 바이오가스화 시설의 전처리시설 및 발전기 등의 설계 및 운전 가이드라인을 제시하고자 한다. 하수슬러지와 음식물류폐기물 (또는 음폐수), 가축분뇨를 단독 또는 병합처리하는 바이오가스화 시설에 대한 기초자료 수집 및 운전현황을 파악하기 위하여 현장조사를 실시하였다. 현장조사 대상 시설 중 11개소를 선정하여 기술지침서(안) 마련을 위한 기초분석(삼성분, 휘발성지방산(VFA) 등)과, 바이오가스 분석을 실시하였다. 음식물/음폐수 단독처리 시설 5개소, 가축분뇨 병합처리 시설 2개소, 하수슬러지 단독 및 병합처리 시설 4개소를 대상으로 시설의 특성을 반영한 소화조 유입, 유출 등의 사계절 샘플링을 진행하였다. 바이오가스 이용 가이드라인 수치를 제시하기 위해 메탄가스 발생량과 가스성분 함량과 수분함량을 조사하였다. 바이오가스 이용 최적화를 위해 탈황 및 제습 전처리시설 가이드라인으로 H2S 농도는 철염으로 처리가능 한 150 ppm으로 설정하고, 제습은 발전기 운전 적정수분 값이며 EU회원국에서 바이오가스 활용 시 적용하는 상대습도 60 %로 설정하였다. 바이오가스 적정 이용량으로는 전체 가스 발생량의 90 % 이상을 이용해야하며, 발전기 시설의 용량은 여유율을 10∼30 %로 설정해야 한다. 발전기에 유입가스의 압력을 균등화하기 위해서는 가스 균등조(buffer tank)를 설치하며, 발전실 평균온도는 45 ℃이하로 유지한다. 소화조에서 일정한 메탄농도로 가스가 생성되지 않아 효율이 저하되므로 메탄농도에 변화에 따른 공기연료비 제어시스템을 설치가 요구된다. 사사: 이 논문은 환경부의 재원으로 국립환경과학원의 지원을 받아 수행하였습니다(NIER-RP2017-290).

유기성폐자원에너지 인센티브제도 도입방안 연구(Ⅲ) : 바이오가스화 인센티브제도(안) 마련

문희성(Hee-Sung Moon),권준화(Jun-Hwa Kwon),이원석(Won-Seok Lee),이동진(Dong-Jin Lee) 유기성자원학회 2021 유기물자원화 Vol.29 No.4

본 연구는 폐자원에너지 활성화를 위한 폐자원에너지 인센티브제도(안)을 마련하기 위하여 수행되었다. 선행연구와 경제성 분석을 통해 에너지이용 형태별 가중치를 마련하였고, 폐자원에너지 인센티브(안)은 에너지 이용 형태별로 에너지효율을 감안하여 산정되었다. 바이오가스화 시설 11개소의 경제성 분석 결과, B/C 수치가 0.16 ~ 1.69로 매우 다양하게 나타났다. 편익에서는 폐기물처리 반입료 수입이 전체의 68.4 ~ 99.3 %로 매우 높게 나타났고, 경영수지가 흑자(+)가 되는 ’1‘ 이상인 시설이 4개소로 나타났다. 에너지 이용량을 판매량 Nm3 단위로 환산하기 위해 ’단위환산‘ 계수로 발전 0.58 Nm3/KW, 스팀 0.17 Nm3/kg, 중질가스 1.00 Nm3/Nm3으로 산정하였고, ’가중치‘는 이용 형태별 각각 발전 0.249, 스팀 0.656, 중질가스 0.806으로 산정하였다. This study was conducted to prepare an incentive system (proposal) for the activation of waste-to-energy. Weights for each type of energy use were prepared by conducting prior research and economic analysis. In addition, the waste-to-energy incentive (proposal) was calculated in consideration of energy efficiency for each type of energy use. As a result of economic analysis of 11 biogasification facilities, the B/C value was found to be very diverse, ranging from 0.16 to 1.69. In terms of benefits, imports of waste treatment import fees were very high at 68.4 to 99.3% of the total, and four facilities with a surplus (+) or higher in the management balance. In order to convert energy consumption into units of sales volume, 0.58 Nm3/KW for power generation, 0.17 Nm3/kg for steam, and 1.00 Nm3/Nm3 for external supply were calculated using the ‘scale factor’. The ‘weight factor’ was calculated as 0.249 for power generation, 0.656 for steam, and 0.806 for external supply, respectively, by use type.

유기성폐자원에너지 인센티브제도 도입방안 연구(Ⅱ) : 바이오가스화 물질⋅에너지수지

문희성(Hee-Sung Moon),권준화(Jun-Hwa Kwon),이원석(Won-Seok Lee),이동진(Dong-Jin Lee) 유기성자원학회 2021 유기물자원화 Vol.29 No.4

본 연구에서는 유기성폐자원에너지 인센티브제도의 기초자료로 활용하고자 음식물폐기물, 음폐수 및 다양한 유기성폐기물이 처리되는 혐기소화조의 운영방식의 물질수지와 에너지수지 산정 결과를 통하여 에너지효율을 평가하고자 한다. 바이오가스화 시설 11개소의 물질수지 분석 결과 유기성폐기물을 제외한 반입물 중 공정수 21.1 %, 시상수 25.7 % 다량 투입되는 것을 확인하였다. 그에 따라 연계처리수의 전체 유출물의 87.6 %를 차지하였다. 또한 총 유입물량의 15.7 %가 바이오가스로 전환되며, 총고형물(TS)가 평균 22 %임을 감안할 때 평균 75 %의 물질 전환율을 확인하였다. 에너지수지 분석 결과, 유입물의 잠재에너지 대비 바이오가스 열량을 분석하여 에너지 전환율은 평균 78.5%을 확인하였다. 바이오가스를 생산하기 위한 외부에너지원을 포함한 바이오가스 생산효율은 평균 69.4 %이며, 미이용된 유출에너지를 적용한 바이오가스 플랜트 효율은 평균 58.9 %로 나타났다. In this study, to use as basic data for the organic waste resource energy incentive system, the energy efficiency is evaluated through the mass balance and energy balance calculation results of the anaerobic digester where food waste, food waste leachate and various organic wastes are treated. As a result of the mass balance analysis for 11 biogasification facilities, it was confirmed that 21.1% of process water and 25.7% of tap water were input in large amounts, excluding organic waste. Accordingly, it accounted for 87.6% of the total effluent of linked treated water. In addition, considering that 15.7% of the total input volume is converted to biogas and the average total solids (TS) is 22%, an average material conversion rate of 75% was confirmed. As a result of the energy balance analysis, the energy conversion rate was confirmed to be 78.5% on average by analyzing the biogas calorific value compared to the potential energy of the influent. The average biogas production efficiency including external energy sources for biogas production was 69.4%, and the biogas plant efficiency to which unused effluent energy was applied was 58.9% on average.

순시 속도 및 관성 추정에 의한 유도전동기의 저속 운전

文熙成(Hee-Sung Moon),金南俊(Nam-Joon Kim),玄東石(Dong-Seok Hyun) 대한전기학회 1996 전기학회논문지 Vol.45 No.6

국내 바이오가스 고품질화 시설 현황 및 바이오메탄 전환 효율 연구

문희성 ( Hee-sung Moon ),이동진 ( Dong-jin Lee ),권준화 ( Jun-hwa Kwon ),박호연 ( Ho-yeun Park ),전태완 ( Tae-wan Jeon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

유기성폐기물을 안전적으로 처리하며 신재생에너지를 생산하는 바이오가스(biogas)는 전세계적으로 주목 받고 있으며, 생산된 바이오가스(CH₄ ≒60%)를 고품질화(upgrading) 하여 생산되는 바이오메탄(biomethane, CH₄ ≒97%)은 수송용 연료와 천연가스 대체 연료로서 각광을 받고 있다. 국내에서 운영되는 고품질화 설비는 멤브레인(MEM) 4개소, 흡착법(PSA) 2개소, 흡수법(WAS) 1개소이며, CJ 시설의 경우 MEM과 PSA를 같이 보유하고 운영중이다. 국내에서 고품질화를 통해 수송용 연료 및 도시가스 등 고부가가치 이용의 초기단계이다. 현재 도시가스 배관망 주입으로 4개소, 수송용연료로 제조하는곳이 3개소로 조사되었다. 바이오메탄 이용활성화를 위한 현장 및 관련법규를 조사한 결과, 고품질화 설비 운영의 미숙한 점과 도시가스 배관망 주입 기준 만족을 위한 열량 및 부취제 등의 노력이 요구되는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 국내 바이오가스 고품질화를 통한 바이오메탄 제조현황을 조사하고, 바이오가스의 고품질화 효율전환을 확인하기 위하여 생산된 바이오가스 중 고품질화 설비로 주입된 유량과 제조된 바이오메탄의 유량을 확인하였다. 현재 고품질화 설비를 운영중이 시설의 총 바이오가스 생산량은 150,427 Nm³/yr이며, 총 생산된 바이오메탄은 32,447 Nm³/yr로 나타났다. 멤브레인 공법을 적용한 바이오메탄 제조시설은 평균 68.3%의 전환효율을 나타냈으며, 흡수법은 44.1%, 흡착법은 36.5%로 나타났다.