미활용 바이오매스 고품위화 특허 동향 및 대응전략

최병철(Byung-Chul Choi) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11

바이오매스 플랜트 산업은 전후방 경제적, 산업적 파급효과가 큰 미래 성장동력이다. 전방산업으로는 분산형 바이오매스 발전을 중심으로 한 전기, 열 등 에너지 분야와 바이오 재료, 바이오 리파이너링 등 다양한 새로운 미래산업 창출이 가능하고, 후방산업으로는 연관 업체가 대부분 중소·중견기업으로 1개의 플랜트 시스템에 중소기업 핵심단품 약 10만개 정도의 파급효과가 있어 기업의 성장과 고용창출이 가능하다. 국내 고형 바이오매스 연료의 소각 및 열병합발전 기술은 독자적 설계·시공 수준을 보유하고 있으나, 바이오매스 연료의 특성에 따라 발생하는 연소 장애문제는 바이오매스별로 해결 기술이 개발되어야 한다, 최근 미세먼지 등 대기환경오염 문제로 인하여 신규 발전시설에 대한 주민 수용성 문제와 이로 인한 활용부지 확보 한계로 인해 기존 발전시설에 대한 발전 효율증가 문제가 중요하게 부각되고 있으며 국내의 높은 기술력에도 불구하고 해외 바이오매스에 최적화된 시스템 개발 및 바이오매스가 풍부한 동남아 현지 실증 경험 부족으로 바이오매스 플랜트 수출 실적 미흡하고 현지 실증 기술개발을 통한 Track Record 확보가 요구된다. 따라서, 미활용 바이오매스 고품위화 특허 기술중 바이오매스 가스화에 관련된 특허를 바이오매스 가스화 시스템, 합성가스를 이용한 열병합 발전 시스템 및 합성가스를 이용한 수소 생산 시스템으로 기술동향 및 출원인을 분석하고 특허설계 사례를 통한 기술확보 전략을 제공하고자 한다.

농업부문 바이오매스 잠재발생량 및 에너지 잠재량과 지역별 분포 특성

박우균 ( Woo Kyun Park ),신중두 ( Joung Du Shin ),이선일 ( Sun Il Lee ),권순익 ( Soon Ik Kwon ),소규호 ( Kyu Ho So ) 한국환경농학회 2013 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2013 No.-

농촌지역의 농업부산물 발생량을 추정하는 방법은 단위 재배 면적당 생산되는 부산물 발생 비율로 구하는 방법과 단위 재배 면적당 곡물 생산량에 대한 부산물량의 비율로 구하는 방법이 있다. 그러나 단위 면적당 부산물 발생비율을 이용하여 추정하는 방법은 각종 주변 환경변화에 따라 곡 물 생산량 및 바이오매스 생산량에 차이가 발생할 수도 있다. 따라서 작물의 품종, 비배관리, 기상 등 환경에 영향을 최소화하면서 바이오매스 잠재발생량을 추정할 수 있는 바이오매스 환산계수를 산정하고 이를 적용하여 바이오매스 잠재 발생량을 추정코자 하였다. 농업부산물의 바이오매스 발생량은 실제 조사를 통해 산출하는 것이 바람직하지만, 현실적으로 전수조사가 불가능하기 때문에 작물통계자료를 활용하는 방법을 선택하였다. 이들 방법 중 작물 재배면적을 이용한 방법보다 곡물 생산량과 바이오매스 비율을 이용한 농업부산물 바이오매스 산 정이 적절할 것으로 판단된다. 바이오매스 환산계수는 최근 5년간 농작물 단위면적당 곡물생산량 의 평균값과 농업부산물의 단위 면적당 바이오매스 발생량으로 산출하고 이를 근거로 바이오매스 잠재발생량을 추정하였다. 또한 바이오매스 에너지 잠재량을 추정하기 위해서 주요 농업부산물의 에너지원단위를 산정하였 는데, 이는 바이오매스의 발열량을 분석하고 단위중량으로 열량 환산계수를 결정하였다. 초본류는 벼 등 17작물을 대상으로 21종에 대하여 에너지 원단위를 산정하였는데, 바이오매스 발열량 kg당 약 3,800∼4,500 kcal 범위를 보였다. 주요 농업부산물의 바이오매스 에너지 잠재량은 바이오매스 잠재 발생량에 에너지 원단위를 곱하여 산출하였으며, 에너지 원단위는 에너지 잠재량을 계산할 때 필요한 단위중량당 에너지량 (kcal kg-1)을 계수로 산정한 값으로 사용하였다. 주요 농업부산물 의 에너지 잠재량은 년간 볏짚이 2,564천 TOE로 가장 높게 나타났으나, 볏짚 및 왕겨는 다른 바이 오매스에 비해 이용률이 높아 에너지 전환으로 사용 할 수 있는 가능량은 적을 것으로 판단된다. 기타 농부산물의 에너지 잠재량은 고추대(줄기)가 년간 431천 TOE, 사과 전정가지 274천 TOE, 고 구마 줄기 115천 TOE, 콩대 54천 TOE에 해당되는 양이었다. 농촌지역에서 발생되는 대표적인 바이오매스 자원은 볏짚을 꼽을 수 있는데, 전국적인 발생 분포는 충남, 전북, 전남이 발생밀도가 높았다. 고추대는 전남, 경남이 사과 전정가지는 경북에서 높은 밀도를 보였으나 볏짚을 제외한 기타 바이오매스 발생량은 충북, 전남, 경북, 경남이 높게 나타났다. 농업부문 바이오매스 자원의 잠재에너지 부존량은 바이오매스 자원 잠재발생량과 같은 경향을 보이고 있는데, 볏짚의 에너지 잠재량 전국적 분포는 충남, 전북, 전남이 발생밀도가 높게 나타났다. 고추대는 경남이 사과 전정가지는 충북, 경북에서 높은 밀도를 보여주었고 기타 바이오매스 자 원의 에너지 잠재량은 전남, 경북, 경남이 높게 나타났다. 바이오매스 자원 잠재 발생량과 에너지 잠재량 분포의 차이는 밀도 범위 설정에 따른 차이로 보여 진다.

폐바이오매스의 급속열분해 공정해석 연구

이유리,최항석 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2014 No.-

본 연구에서는 폐바이오매스 급속열분해 공정해석을 통하여 반응온도에 따른 바이오오일의 수율을 살펴보고 급속열분해 반응모사를 위해 적용된 반응 메커니즘을 평가하였다. 폐바이오매스 급속열분해 공정은 바이오매스 투입기, 급속열분해 반응기, 사이클론, 응축기 그리고 전기집진기 등으로 구성되어있다. 공정 내 각각의 장치들은 온도, 질량분율 등의 함수로 모델링되어있다. 특히, 본 공정해석에 적용된 급속열분해 반응 메커니즘은 폐바이오매스의 주요 성분들인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 그리고 리그닌의 함수로 이루워져있다. 즉, 여러 가지 폐바이오매스 특성에 따른 차이를 모사할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 억새, beechwood, switchgrass 총 3종의 폐바이오매스를 이용하여 공정해석을 수행하였다. 온도에 따른 바이오오일의 수율은 모든 폐바이오매스에서 반응온도가 증가함에 따라 증가하다가 최대 바이오오일 수율을 갖고 감소하는 경향을 나타낸다. 비응축가스의 수율은 온도가 증가함에 따라 증가하며, 촤의 수율은 감소한다. 해석된 결과들의 경향은 일반적인 급속열분해 실험결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 폐바이오매스 종류에 따른 바이오오일 수율은 억새나 switchgrass보다 밀도가 높은 beechwood에서 가장 큰 수율을 가진 것을 확인할 수 있었으며, 해석된 결과를 실험결과와 비교/평가를 하였다.

다양한 바이오매스의 분쇄도 실험을 통한 미분탄 화력발전 적용가능성 연구

강별(Byeol Kang),이용운(Yongwoon Lee),류창국(Changkook Ryu),양원(Won Yang) 한국청정기술학회 2017 청정기술 Vol.23 No.1

기후 변화 대응을 위한 온실가스 감축 측면에서, 석탄화력발전소에서 바이오매스 사용량은 계속하여 증가되어 왔다. 파리협정 이후 온실가스 감축 목표치가 더욱 구체화되면서 바이오매스 사용은 급격히 더 많아질 것으로 예상된다. 미분탄 석탄화력발전에서 바이오매스 혼소시 가장 큰 문제점 중 하나는 바이오매스의 미분성이 석탄에 비해 훨씬 낮다는 것으로, 이를 해결하기 위해 가장 먼저 바이오매스의 미분성 측정 방법을 확립하는 작업이 필요하다. 석탄의 경우 HGI (hardgrove grindability index)측정 장치를 통해 분쇄도 측정이 가능하여 이를 표준으로 삼고 있지만, 바이오매스의 경우 표준 측정 방법이 확립되어있지 않다. 본 연구에서는 볼 밀과 입자 크기별 분포량을 이용한 석탄과 바이오매스의 분쇄 실험을 진행하였다. 실험에는 석탄 1종과 바이오매스 6종을 사용하였다. 분쇄시간에 따른 입자 분포량을 비교하고, 75 ㎛ 이하 입자 분포량으로 분쇄도를 평가하였다. 실험결과 반탄화 바이오매스 TBC (torrefied biomass chip)와 TWP (torrefied wood chip)는 발전용 사용적합 기준에 대해 대략적으로 70%의 값을 나타냈다. 다른 바이오매스들의 경우 반탄화 바이오매스와 비교했을 때 분쇄성이 훨씬 더 낮은 결과를 보였다. TBC와 TWP는 수분이 감소하고 섬유질 구조가 분해되는 반탄화 과정을 통해 분쇄가 향상되었다. 또한 분쇄도가 높은 반탄화 바이오매스가 소모전력이 낮게 측정되었다. 본 연구를 통해 바이오매스의 석탄화력발전 적용을 위한 표준화 작업의 기초 자료들을 확보할 수 있다. Recently usage of biomass is increased in pulverized coal power plants for reduction of CO2 emission. Many problems arise when thermal share of the biomass is increased, and milling of the biomasses is one of the most important problems due to their low grindability when existing coal pulverizer is used. Grindability of coal can be measured through the HGI (Hardgrove grindability index) equipment as a standard, but method of measuring biomass grindability has not been established yet. In this study, grinding experiment of coal and biomass was performed using a lab-scale ball mill. One type of coal (Adaro coal) and six biomasses (wood pellet (WP), empty fruit bunch (EFB), palm kernel shell (PKS), walnut shell (WS), torrefied wood chip (TBC) and torrefied wood pellet (TWP)) were used in the experiment. Particle size distributions of the fuels were measured after being milled in various pulverization times. Pulverization characteristics were evaluated by portion of particles under the diameter of 75 ㎛. As a result, about 70% of the TBC and TWP were observed to be pulverized to sizes of under 75 ㎛, which implies that they can be used as alternative biomass fuels without modification of the existing mill. Other biomass was observed to have low grindability compared with torrefied biomass. Power consumption of the mill for various fuels was measured as well, and the results show that lower power was consumed for torrefied biomasses. This result can be used for characterization of biomass as an alternative fuel for pulverized coal power plants.

Multi-step 반응 메커니즘을 이용한 폐바이오매스 급속 열분해 공정해석

이유리,최항석 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2014 No.2

본 연구에서는 폐바이오매스 급속열분해 공정해석을 통하여 반응온도에 따른 바이오오일의 수율을 살펴보고 급속열분해 반응모사를 위해 적용된 multi-step 반응 메커니즘을 평가하였다. 폐바이오매스 급속열분해 공정은 바이오매스 투입기, 급속열분해 반응기, 사이클론, 응축기 그리고 전기집진기 등으로 구성되어있다. 공정 내 각각의 장치들은 온도, 질량분율 등의 함수로 모델링되어있다. 특히, 본 공정해석에 적용된 multi-step 반응 메커니즘은 폐바이오매스의 주요 성분들인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 그리고 리그닌의 함수로 이루워져있다. 즉, 여러 가지 폐바이오매스 특성에 따른 차이를 모사할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 억새, beechwood, switchgrass 총 3종의 폐바이오매스를 이용하여 공정해석을 수행하였다. 반응모사를 위해 기체상 7종, 액체상 또는 휘발성 물질 16종 그리고 고체상 13종이 사용되었다. 먼저, 온도에 따른 바이오오일의 수율은 모든 폐바이오매스에서 반응온도가 증가함에 따라 증가하다가 최대바이오오일 수율을 갖고 감소하는 경향을 나타낸다. 비응축가스의 수율은 온도가 증가함에 따라 증가하며, 촤의 수율은 감소한다. 해석된 결과들의 경향은 일반적인 급속열분해 실험결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 생성되는 바이오오일 내 분자량이 큰 화학종일수록 온도가 증가함에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 폐바이오매스 종류에 따른 바이오오일 수율은 억새나 switchgrass보다 밀도가 높은 beechwood에서 가장 큰 수율을 가진 것을 확인할 수 있었으며, 이 또한 실험결과와 비교하였을 때, 해석된 결과와 부합하는 것을 확인할 수 있었다.

폐바이오매스의 급속열분해 공정해석 연구

이유리,최항석 한국폐기물자원순환학회 2014 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2014 No.11

본 연구에서는 폐바이오매스 급속열분해 공정해석을 통하여 반응온도에 따른 바이오오일의 수율을 살펴보고 급속열분해 반응모사를 위해 적용된 반응 메커니즘을 평가하였다. 폐바이오매스 급속열분해 공정은 바이오매스 투입기, 급속열분해 반응기, 사이클론, 응축기 그리고 전기집진기 등으로 구성되어있다. 공정 내 각각의 장치들은 온도, 질량분율 등의 함수로 모델링되어있다. 특히, 본 공정해석에 적용된 급속열분해 반응 메커니즘은 폐바이오매스의 주요 성분들인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 그리고 리그닌의 함수로 이루워져있다. 즉, 여러 가지 폐바이오매스 특성에 따른 차이를 모사할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 억새, beechwood, switchgrass 총 3종의 폐바이오매스를 이용하여 공정해석을 수행하였다. 온도에 따른 바이오오일의 수율은 모든 폐바이오매스에서 반응온도가 증가함에 따라 증가하다가 최대 바이오오일 수율을 갖고 감소하는 경향을 나타낸다. 비응축가스의 수율은 온도가 증가함에 따라 증가하며, 촤의 수율은 감소한다. 해석된 결과들의 경향은 일반적인 급속열분해 실험결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 폐바이오매스 종류에 따른 바이오오일 수율은 억새나 switchgrass보다 밀도가 높은 beechwood에서 가장 큰 수율을 가진 것을 확인할 수 있었으며, 해석된 결과를 실험결과와 비교/평가를 하였다.

미이용 농축산 바이오매스 발생특성 및 데이터베이스 구축

최은희 ( Eunhee Choi ),정진희 ( Jinhee Jung ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

우리나라는 저탄소 녹색성장을 새로운 국가비전으로 제시한 이후 「폐자원 및 바이오매스 에너지 대책」실행계획을 통해 폐자원 및 바이오매스를 국가 녹색성장 구현의 최적 대안으로 제시하고 다양한 사업 제안 및 실행계획을 수립하여 추진중에 있다. 이러한 활용정책 계획과 수립, 기술개발을 위해서는 폐자원 및 바이오매스 자원량에 대한 정확한 정보가 중요한데, 정확한 발생량 산정이 가능한 음식폐기물을 비롯한 생활계 폐자원바이오매스에 비해 국내 발생 바이오매스의 대부분을 차지하는 농산부산물바이오매스에 대해서는 별도의 통계조사를 시행하고 있지 않아 정확한 발생량 추정이 어렵다. 농산업에서 발생되는 바이오매스는 대부분은 작물 생산 과정에서 발생되며, 이중 식용부분을 제외한 비식용부분이 폐자원 바이오매스로 발생하는데, 이들의 효율적 이용을 위해서는 특성에 대한 정확한 정보가 필요하지만, 대부분의 연구는 식용 및 사료용 바이오매스 특성연구에 치중되어 있어 자원으로써 미이용 바이오매스의 활용계획 수립에 한계가 있다. 본 연구는 궁극적으로 지역단위 바이오매스 순환실증단지 모델 개발을 목표로 하고 있으며 이를 위해서는 지역에서 발생되는 바이오매스의 분류, 정확한 발생량 산정 및 특성을 바탕으로 한 활용방안 수립이 필요하다. 바이오매스는 에너지로서의 잠재성 이외에도 순환사회 구축을 위해 필수적인 물질자원으로서의 가치를 내재하고 있다. 따라서 바이오매스의 활용은 에너지 및 물질 순환을 고려한 방안 마련이 필요하다. 본 연구에서 바이오매스 순환단지모델지역의 물질자원화 및 에너지화를 위하여 지역별 특산물을 중심으로 농축수산 바이오매스 45종을 선정하여 발생특성을 조사하고 이화학적 성상분석을 통해 미이용계 농축수산 바이오매스45종에 대한 성상분석 데이터베이스를 구축하였다. 본 연구결과는 바이오매스 순환단지 추진을 위한 기초 자료로서의 가치를 가지며 향후 바이오매스 순환실증단지모델개발 및 사업화 과정에서 필수 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

탄소동위원소법을 활용한 고형연료제품 내 바이오매스 함량 측정방법

최경구(Gyung-Goo Choi),강준구(Jun-Gu Kang),김규연(KyuYeon Kim),권영현(YoungHyun Kwon),유하녕(Ha-Nyoung Yoo),이수영(SuYoung Lee),양원석(WonSeok Yang),이원석(WonSeok Lee),신선경(Sun-Kyoung Shin) 유기성자원학회 2019 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2019 No.추계

고형연료제품이란 가연성 고형폐기물을 사용하여 품질기준에 적합하게 제조한 연료 용도의 재활용제품을 의미한다. 고형연료제품의 품질기준은 자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 시행규칙 별표 8(고형연료제품의 품질기준)에 의해 규정된다. 품질기준은 일반 고형연료제품과 바이오 고형연료제품으로 구분하여 제시하고 있다. 과거 고형연료제품의 바이오매스 함량은 바이오 고형연료제품에 한하여 측정하였다. 그러나 2019년 10월 1일부터 신재생에너지법에 의해 폐기물에너지가 생물기원 폐기물로부터 발생한 에너지로 한정됨에 따라 일반 고형연료제품도 바이오매스 함량을 측정하게 되었다. 그동안 고형연료제품 내 바이오매스 함량은 환경부고시 제 2014-135호에 따라 육안선별법과 용해선별법으로 측정하고 있었다. 육안선별법은 물질 특성 분류표에 따라 고형연료제품의 원료를 바이오매스와 비 바이오매스로 구분하고 바이오매스 함량을 결정하는 방법이다. 용해선별법은 황산 및 과산화수소에 고형연료제품 내 바이오매스를 용해시켜 그 양을 산정하는 방법이다. 그러나 육안선별법은 분석자의 주관이 결과에 영향을 줄 수 있는 여지가 있고, 용해선별법은 황산 및 과산화수소에 비 바이오매스 성분이 용해되어 바이오매스 함량이 과다 평가되는 한계가 있다. 때문에 국외의 경우에는 탄소동위원소법을 추가로 제시하여 분석의 정확도를 향상시키고 있다. 탄소동위원소법은 연료의 연소로 발생되는 이산화탄소 중 탄소동위원소를 분석 및 추적하여 연료 내바이오매스 함량을 산정하는 방법이다. 본 연구는 탄소동위원소법과 용해선별법을 이용하여 고형연료제품 내 바이오매스 함량을 측정하여 비교하였다. 이를 통해 보다 정확한 고형연료제품 내 바이오매스함량 분석 방법을 제시하고 탄소동위원소법의 국내 도입방안을 마련하고자 하였다.

환경,경제의 상생 기반 구축 및 잠재력 활성화 : 폐자원 및 바이오에너지의 용도별적정 배분방안(2): 목질계 바이오매스를 중심으로

이희선,조지혜,주현수,강만옥,이창훈,이소라,서아람 한국환경정책평가연구원 2015 기후환경정책연구 Vol.2015 No.-

우리나라는 기후변화에 효과적으로 대응하기 위한 저탄소형 에너지 공급 및 높은 에너지해외의존도를 해결하기 위한 에너지 다변화 수단의 하나로 국내 에너지원인 신ㆍ재생에너지개발을 선택하고, 이의 확대를 위한 다양한 노력을 기울이고 있다. 전력 분야에서는 2012년부터「신ㆍ재생에너지 공급의무화제도(Renewable energy Portfolio Standards, RPS)」를, 수송 분야에서는 2015년부터 바이오디젤에 대해「신ㆍ재생에너지연료 혼합의무화제도(Renewable FuelStandard, RFS)」를 시행하고 있다. 그러나 아직 열 공급 분야에서는 전력 및 수송 분야와 같은 신ㆍ재생에너지 확대 제도가 마련되어 있지 못하다. 이에 한국 정부는 가까운 시일 내에 열에너지 분야에도 전력 분야와 유사한 구조를 지닌「신ㆍ재생열에너지 공급의무화제도 (Renewable Heat Obligation, RHO)」를 도입하기 위한 다양한 노력을 하고 있다. 특히 향후 열에너지에 대한 수요가 지속해서 증가할 것으로 전망되는 가운데, 신ㆍ재생열에너지 또한 확대해 나갈 필요가 있다. 그러나 현재까지 대표적인 열에너지원인 천연가스, 석탄 등의 생산단가에 비해 신ㆍ재생열에너지원의 생산단가가 높다. 따라서 단가하락을 위해 신ㆍ재생열원에 대한 지속적인 기술 개발 노력과 함께, 의무량 할당 등 규제나 인센티브에 의한 신ㆍ재생열에너지 시장확대를 통해 규모의 경제에 따른 단가하락 노력도 함께해야 한다. 신ㆍ재생열에너지는 기존의 석탄을 활용한 열에너지에 비해 이산화탄소 등 온실가스가 적게 배출되는 동시에, 국내에서 생산되는 열원을 사용하기 때문에 에너지 안보 차원에서도 도입이 필요한 에너지원이다. 또한 신ㆍ재생열에너지는 지역에서 생산되는 상대적으로 소형의 열 생산과 공급이 가능한 분산 발전원으로, 에너지 공급의 다변화 측면에서도 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 그뿐만 아니라 신ㆍ재생열에너지 원료의 공급과 관련된 다양한 산업 분야가 형성되어, 고용창출과 소득증대에도 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대되며 신기술과의 접목을 통해 국가 성장동력으로 성장할 잠재력을 지닌 분야도 있다. 특히, 바이오에너지를 이용한 신ㆍ재생열에너지 공급 분야는 국내 다양한 바이오매스를 활용함으로써 임업 및 농업 부산물의 활용도를 높이고, 산림자원의 효율적 이용을 촉진할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 현재도 바이오에너지 중 우드칩은 집단에너지 전체 원료사용량(열량toe 기준)의 18.3%를 차지할 정도로 주요 열에너지원으로 활용되고 있다.1) 그러나 바이오매스의 경우 에너지화를 위해 활용되는 경로 이외에도 사료, 인공목재, 비료 등 다양한 분야에서 활용되고 있어, 향후 국내 바이오매스만으로 충족 가능한 국내 수급 잠재력이 어느 정도 되는지도 현시점에서 검토되어야 한다. 즉 향후에 바이오매스를 열에너지원으로 사용할 양을 전망하고, 이를 통해 필요한 경우 수입할 바이오에너지에 대해 미리 검토해야 할 것이다. 이를 위해 우선 신ㆍ재생열에너지의 RHO 적용 가능성을 검토하면, 「대체에너지 개발 및 이용ㆍ촉진법」 제2조에 따른 11개 신ㆍ재생에너지 분야 중 태양열, 바이오매스, 지열이 대상이 될수 있다. 현재 신ㆍ재생열에너지 전체 대비 태양열과 지열은 각각 약 5%와 16%로 공급되고있는 한편, 우드칩, 펠릿과 같은 목질계 바이오매스는 전체의 80%가량을 차지하고 있다. 이에 본 연구에서는 목질계 바이오매스를 대상으로 분석하였으며 이를 ‘폐목재(임목폐목재, 생활폐목재, 건설폐목재, 사업장폐목재)’, ‘부산물류(임목부산물, 농수산부산물)’, ‘순수목재(바이오순환림)’로 세분류하여 열에너지 분야에 활용될 때의 잠재량, 즉 가용에너지양을 산정하였다. 본 연구에서는 제2차 에너지 기본계획에서 제시한 방법론을 적용하여 이론적(Theoretical), 지리적(Geographical), 기술적(Technical), 시장(Market) 잠재량 단계별로 입지, 보급여건, 기술 수준, 정부의 정책 목표 등을 반영하여 실질적으로 공급 가능한 양을 산정하였다. 그 결과, 2013년 기준 국내 목질계 바이오매스의 가용에너지양(시장 잠재량에 해당)은 총 4,888천Gcal에 해당하는 것으로 나타났다. 하지만 현재 목질계 바이오매스는 RPS 제도가 시행된 이후 발전용으로 상당량 사용되며 그 사용량은 해마다 급격히 증가하고 있다. 이에, 앞서 제시한 총 가용에 너지양에서 발전으로 사용되는 양을 제외한 결과 2013년 기준으로 3,178천Gcal로 산정되었다. 이와 더불어, 현재 열에너지 생산량당 생산단가가 태양열, 지열 등 다른 신ㆍ재생열에너지에 비해 낮은 상황에서 RHO 제도를 도입할 경우 열에너지 생산 및 공급업자들은 대부분 바이오매스를 열 생산의 주요 원료로 사용할 가능성이 큰 만큼, 바이오에너지 수요에 대한 최대한의 수요량과 최소한의 수요량을 사전적으로 검토할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 향후 RHO제도에 대한 시나리오를 설정하고, 시나리오별로 얼마만큼의 바이오에너지에 대한 수요가 예상되는지를 전망하였다. 이를 위해 우선 의무부과 대상에 대해 시나리오를 설정하였으며 크게 두 가지 대안, 1) 신축건물주에게 부과하는 경우, 2) 열 생산 및 공급업자에게 부과하는 경우로 구분해볼 수 있다. 대안1은 일정 규모 이상의 대형 건물을 신축할 경우 해당 신축건축물의 소유자에 대해 냉ㆍ난방에 필요한 열에너지 소비의 일정 부분을 신ㆍ재생열에너지에서 소비하도록 의무화하는 것이며, 대안2는 열에너지 생산ㆍ공급자에 대해서 생산ㆍ공급량의 일정 부분을 신ㆍ재생에너지열로 생산ㆍ공급하도록 의무화하는 것이다. 위의 두 대안에 대한 각각의 시나리오를 바탕으로, 향후 2030년까지 예상되는 열에너지 소비량을 추정하였다. 또한 두 가지 대안에 대해 생산단가로 인해 바이오매스로 100% 수요를 충당할 경우와 정부가 규제 등을 통해 52%까지 바이오매스를 사용하는 경우로 나누어 향후 수요량을 전망하였다. 특히, 후자의 경우 대안 1에 대해서는 2016년 885천Gcal, 2020년 4,458천Gcal, 2030년에는 총 20,415천Gcal의 에너지 수요가 발생하며, 대안 2에 대해서는 2016년 3,110천Gcal, 2020년8,298천Gcal, 2030년에는 총 24,610천Gcal의 에너지 수요가 각각 발생할 것으로 예측된다. 이를 국내 가용에너지양(2013년 기준 공급가능량과 바이오순환림으로 인한 추가공급량 합산= 3,693천Gcal)과 비교하면, 향후 수요 전망치가 국내 공급량을 훨씬 초과함을 알 수 있다. 대안별 온실가스 대체효과는 국내의 현실과 가장 근접한 혼합(석탄 및 LNG) 연료 유형을 바이오매스(100%)로 대체할 경우, 2030년 대안 1 및 대안 2의 온실가스 저감량은 각각 9,915및 12,678 CO2-eq천 톤으로 나타났다. 대안 2인 집단에너지시설의 바이오매스 의무사용 정책을 통해 얻을 수 있는 온실가스 저감량은 2012년 국내 폐기물 부문의 온실가스 배출량(14,800 CO2-eq천 톤)의 86%에 해당한다. 결론적으로 대안 1 및 대안 2의 바이오매스 의무사용 확대정책은 온실가스 감축에 매우 효과적이라 할 수 있다. 또한 4개 대안에 대한 연료 유형별로 유해대기오염물질(크롬, 다환족 유기물질, 포름알데히드, 수은) 배출량을 산정한 결과, 대안 1 및 대안 2의 바이오매스 의무사용 확대정책은 유해대기오염물질 배출 측면에서 유리한 점과 불리한 점이 공존하고 있으며, 특히 다환족 유기물질과 포름알데히드 배출 면에서 현재의 에너지믹스보다 불리한 연료유형으로 분석된다. 특히, 인구밀집 지역에서의 바이오매스 확대는 신중하게 접근해야 할 필요성이 있다. 현재 RPS 제도가 운영되고 있는 상황에서, 향후 RHO 제도가 도입된다면 한정된 국내 바이오매스 공급량을 놓고 이를 수요하기 위해 RPS 제도에 포함된 전력생산업자와 RHO 제도에 포함된 열생산업자 간에 경쟁이 예상된다. 이러한 초과수요는 전력생산업자와 열생산업자 간에 심각한 경쟁구도를 야기할 가능성이 크며, 국내에서 신규 바이오매스원을 발굴하거나 해외에서 공급부족분에 대한 수입이 불가피할 것으로 전망된다. 이러한 상황에서 RHO 제도 도입에 앞서 원료의 안정적인 공급 및 신.재생열에너지의 보급 활성화 측면에서 사전 검토와 준비 사항들이 존재한다. 첫째, 향후 수요 증가 전망에 대비하여 국내 자원을 최대한 활용하기 위해서는 추가 공급가능량 발굴이 요구된다. 본 연구에서 대상으로 하는 목질계 바이오매스 가용에너지양(시장잠재량에 해당)은 이론적 잠재량 대비 약 10% 내외 수준인 것으로 나타났다. 향후 활용 잠재력이 높은 원료를 발굴해 나감으로써 시장 잠재량을 확대해 나가야 할 것이다. 특히, 임목부산물의 경우 발생량이 타 바이오매스보다 더 많으며 불순물의 함량도 적어 활용가치가 높을 것으로 기대된다. 비록 현재는 수집비용 문제나 제도적 문제로 인해 효율적 활용에 어려움이 있으나 향후 임목부산물의 활용을 높일 수 있다면 국내 원료 자급률은 크게 향상될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 현재 통계가 미흡하여 본 연구에서의 잠재량 산정에는 배제되었으나 향후 농수산부산물에 대해서도 더욱 체계적인 관리방안이 도출되고 유통현황이 더 명확해진다면 양질의 목질계 자원으로써 활용할 수 있을 것이다. 이를 위해 우선 목질계 외 타 바이오매스의 잠재량에 대한 파악 또한 필요하다. 두 번째로는 열부문 목질계 바이오매스 표준화와 수입 바이오매스 관리 측면을 검토할 수 있다. 앞서의 시나리오 분석대로 RHO 제도 도입에 따라 수요 전망치가 국내 공급가능량을 초과할 경우 부족분에 대해서는 수입이 불가피할 것으로 보인다. 이러한 국내 공급 부족량을 대체하기 위해 무분별한 수입이 이루어져 저급 혹은 유해물질이 함유된 원료가 국내에 공급될경우 심각한 환경오염 문제를 일으킬 수 있다. 그러므로 신·재생에너지열원으로 활용하기 위한 목질계 바이오매스의 표준화가 필요하며, 수입 원료에 대한 품질관리를 더 철저히 할 필요가 있다. 또한 가공 과정을 거쳐 생산된 폐목재 연료의 공급 과정에 대한 정보를 관리해야 할것이다. 이와 함께 해외 바이오에너지에 대한 수입을 고려할 경우, 생산단가나 국내 환경에 미치는 영향, 온실가스 감축 효과 산정과 관련된 다양한 분야에 대한 사전적인 준비 작업이필요할 것으로 판단된다. This study estimates the amount of domestically available energy from woody biomass in the future. In the power sector, the RPS (Renewable Portfolio Standards) have been implemented from 2012 and in the transport sector, the RFS (Renewable Fuel Standard) has been enforced from 2015. However, renewable energy policy in the heat sector has not provided a standard yet. Therefore, the RHO (Renewable Heat Obligation) that obligates the use of fixed amount of renewable energy such as biomass, solar heat and geothermal energy as heating fuel is going to be implemented soon. In particular, bioenergy has the potential to promote the efficient use of a variety of organic wastes and biomass resources. Among them, wood chip currently accounts for 18.3% of total community energy service (CES) energy sources as the major heat energy source. However, little research has been carried out regarding the domestic energy potential and contribution level of woody waste and biomass for RHO. The target sources of the RHO can include solar, biomass and geothermal heat. And solar energy accounts for about 5% and geothermal energy accounts for about 16% of total renewable heat energy supply. Meanwhile, woody biomass such as wood chips and pellets represents about 80% of the total. In this study, therefore, woody biomass was classified into wood wastes, by-product and unpolluted wood and the amount of woody biomass available for heat energy was estimated. A prediction model suggested by the 2nd master plan for national energy was selected. The amount of available energy that can be realistically supplied is predicted through the ``theoretical``, ``geographical``, ``technical`` and ``market potential`` stages and by considering location, dissemination, technical conditions, and national policy goals among others. Consequently, the market potential of domestic woody biomass in heat generation is estimated at 3,178,000Gcal in 2013. In addition, two scenarios for the RHO was established and projections were made on the future demand for bioenergy in each scenario. Scenario 1 imposes the obligation to the owner of new buildings while scenario 2 places the onus on heat producers and suppliers. In addition, there are two cases in each scenario. One assumes that the total renewable heat energy demand is covered by biomass due to production cost, and the other postulates that 52% of the demand is covered by biomass through government regulation. In the latter case (52%) in particular, it is expected that 20,415,000Gcal of energy demand will be generated in 2030 in scenario 1, and 24,610,000Gcal energy demand will be produced in 2030 in scenario 2. Compared with the fact that the potential of domestic woody biomass in heat generation in the future is 3,693,000Gcal (sum of the market potential in 2013 and expected amount of bioenergy harvested from wood), the estimated level of future demand far exceeds the amount of domestically available energy. Under the current circumstances, preliminary review and preparations must be made in order to stably supply energy resources and promote the propagation of renewable heat energy prior to the implementation of the RHO. Firstly, it is necessary to develop additionally available energy resources in anticipation of growth in future demand. In particular, as forest residues are generated in a much higher volume than other woody biomass and contain less impurities, they can be very useful. At present, it is difficult to use them effectively due to high collection cost and institutional problems. Once these issues are addressed, domestic self-sufficiency of fuel could be greatly improved by better utilizing forest residues. Secondly, ``standardization of national woody biomass`` and ``stringent import restriction`` need to be reviewed. If low quality materials or materials containing hazardous substances are supplied by indiscriminate import to make up for the shortage, they can cause serious environmental pollution. Therefore, the quality of imported materials needs to be controlled more strictly, and the information on the supply chain of waste wood fuel produced through processing must be managed. In addition, when considering the import of biomass, in-advance preparations in various aspects must be made such as estimations of production cost, impact on the environment and greenhouse gas reduction effect.

목재와 PE의 혼합 비율에 따른 바이오매스 함량특성 연구

민지수,여운호,강준구,윤영삼,이수영,김기헌,신선경 한국폐기물자원순환학회 2015 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2015 No.11

바이오매스는 산업혁명을 거치며 전 세계적으로 화석연료가 이용되기 시작한 이후에도 여전히 중요한 에너지원의 일부를 차지해 왔다. 이는 탄소 중립적인 연료로써 적절한 활용을 통해 지구 온난화 문제해결의 중요한 대안의 하나이며, 신재생연료로 활용가치가 매우 크다고 평가받고 있다. 또한 현대 문명이 만들어낸 혁신적인 제품으로서 20세기를 주도하는 기술 중 하나인 플라스틱은 생산과 소비가 증가함에 따라 빚어진 부산물로 폐플라스틱의 소각 처리 시 높은 발열량과 제 2차 오염물질 발생 등으로 인해 심각한 환경오염 문제를 일으키는 요인으로 알려져 있다. 따라서 목재 및 플라스틱의 재활용에 대한 필요성이 대두됨에 따라 이들 혼합연료를 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 선행되어져 있으나 그 중에서도 바이오매스량 산정에 대한 방법과 기초데이터는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 목질계 바이오매스인 목재와 PE를 혼합 목재의 함량을(100%, 80%, 50%, 30%, 10%, 0%)한 연료를 실험실의 반응로에서 연소시켜 배출되는 가스를 포집하여 배출 가스 내의 바이오매스 함량을 가속기질량분석법 (AMS: Accelerator Mass Spectrometry)를 통해 분석하였다. 또한 목재와 PE을 혼합한 고체 연료를 용해선별법(SDM: Selective Dissolution Method)을 통해 고체 혼합연료 내의 바이오매스 함량을 분석하였다. 분석한 결과 연소 후 배출가스를 통한 AMS분석은 목재를 100%, 80, 50, 30, 10, 0의 비율로 연소시켰을 때 결과 값이 100%, 73, 40, 22, 9, 2의 바이오탄소 함량 결과를 얻었으며, 고체연료의 SDM을 통해서는 목재가 100%, 80, 50, 30, 10, 0의 비율로 혼합되었을 때 99%, 74, 44, 27, 9, 1의 바이오매스 함량 결과를 얻었다. 목재와 PE의 바이오매스 함량은 일반적으로 100%와 0% 이나 목재 중의 이물질이 포함되어 있고, PE의 경우 순수한 원료가 아닌 농촌폐비닐을 재활용한 재생 PE제품으로 이에 따른 바이오매스 함량이 변화가 있음을 알 수 있었다. 또한 연료의 혼합 비율에 따라 바이오매스가 포함 되어있고, 연소 후 배출가스 속의 바이오탄소 함량이 고체 연료의 바이오매스 함량과 비교하였을 때 오차가 5%이내 임을 알 수 있었다.