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Department of Energy Grid
Fall 2013
신재생에너지 응용(GE0038)
- Chapter 4 Bio Energy -
본 자료는 주 수업교재 “지속가능한 신재생에너지 (김원정 외4)” 출판사(한티미티어)에서 제공한 강의자료를 참조하여 작성되었습니다.
바이오에너지-개요
• 바이오에너지 (Bio-energy) : 최근까지 생명체였던 목재, 짚 또는 동물의배설물 등의 물질에서 유도되는 에너지의 일반적인 용어
• 바이오매스 (Biomass)
– 동식물에서 만들어지는 유기물, 햇빛으로부터 저장된 에너지를 함유
– 태양에너지로 지속적으로 보충되고 광합성을 통해 먹이사슬 유지하며 존재하는거대한 에너지의 저장소 (세계 에너지 소비의 7배를 생산)
– 대기로 산소를 공급하는 역할을 수행
– 식물에 포함된 탄화수소는 물리 및 화학 작용을 통해 토양과 대기로 소산되어 결국 지구 밖으로 방사됨
– 일부는 일년 내, 나머지는 수십년, 극히 일부는 화석연료로 변환되어 수백만년의시간 소요됨
– 화학에너지 상태로 저장된 것을 이용하면 연료(Fuel), 창출의 범위에서 소비하면지속가능 에너지원(source)이 됨
– 전통 바이오매스: 땔나무, 볏짚 등 직접연소
– 신바이오매스: 대량 상업적으로 생산되는 energy crop(곡물), organic waste(유기 폐기물)로 열로 변환하거나 기체, 액체, 고체 형태의 biofuel로 사용
바이오에너지-개요
그림 4.1 지역 규모에서 바이오 에너지 사이클 그림 4.2 지역 규모에서 탄소 사이클
바이오에너지-개요
• 연료로서의 바이오매스
– 연료의 조건 : 산소와 반응하여 에너지를 방출하고 연소 생성물로 변화한다.• 연소과정에 산소가 필요하다.
• 연료는 소실된다. (상태의 변화)
• 열이 생산된다. (에너지의 방출)
– 메탄의 연소 과정
– 포도당의 연소과정
– 광합성(Photo-synthesis) : 연소의 역과정
– 변환효율이 매우 낮음(0.67%)- C4작물(옥수수, 사탕수수)의 경우 1~2%
energyOHCOOCH ++→+ 2224 22
energyOHCOOOHC ++→+ 2226126 666
2612622 666 OOHCOHCO +→++ 에너지빛
바이오에너지-개요
• 바이오매스의 종류
– 에너지작물
• 나무 (나무 부스러기, 목재산업 잔류물 등)
• 농작물 (볏짚, 사탕수수, 사탕무 찌꺼기 등)
– 바이오폐기물
• 산림폐기물
• 온대작물 폐기물
• 열대작물 폐기물
• 동물 폐기물
• 생활쓰레기 및 매립지 가스
• 상업 및 산업 폐기물
바이오에너지의 종류
• 에너지 작물
– 직접 연료로 쓰이거나 바이오연료로 전환 가능한 작물
– 이산화탄소 발생을 억제하고 수입석유를 대체하거나 잉여경작지를 활용하는 목적으로 개발함
– 산림작물
• 산림파괴의 주범 : 가정 난방용이 아닌 상업적 벌채와 목탄
• 브라질의 경우 연 2백만 톤의 목탄이 철강산업에 소비됨
– 농작물
• 세계적으로 C4식물(사탕수수와 옥수수) 위주
• 액체연료로 변환이 목적
• 해바라기, 지성 포도, 콩 등의 씨로부터 기름추출바이오 디젤로 변환
• 억새(Miscanthus) : 온대성 작물로 영국 환경에서연 18 t/ha 생산됨 수분함량 20-30%로 낮아 직접연소에 적합
그림 4.5 기존 농기구를 이용한 억새 수확
바이오에너지의 종류
• 바이오폐기물
– 잔류 목재
• 고사목, 낙엽 등 산림에서 파생되는 잔류물로서 통상 채집과 수송이 곤란하여 영양소보존의 목적으로 방치
• 근래 호주 전력 생산의 6%, 미국에는 6GW에 해당하는 열원을 산림 잔류 바이오 매스로부터 공급
– 온대 작물 폐기물
• 밀과 옥수수 잔류물이 주류로서연 15-20 EJ(약 10억 톤)
• 밀짚의 전통적 용도 : 사료, 침구용등 다양하지만 농업지역의 경우대부분 잉여물이며 지력보존을 위해경작지에서 소각
• 세계최대규모인 Elean 볏짚 발전소– 영국, Cambridgeshire주에 위치
– 연 20만 톤의 밀짚 공급
– 36MW 생산그림 4.6 Elean 볏짚발전소 개념도
바이오에너지의 종류
• 열대 작물 폐기물
– 사탕수수와 벼 잔류물이 주류
– 약 18 EJ/year
– Bagasse(사탕수수 찌꺼기) : 사탕수수 분쇄과정에서 다량 발생• 운송이 문제로 현장에서 스팀 발생 내지 전력 생산 (전력은 운송 용이)
• 사탕수수 비수확기에는 산림폐기물을 연소하여 연중 설비 이용 필요
• 세계 생산량 총 50GW 가능
• 바가스는 에탄올 생산도 가능함.
– Rice husk(쌀겨) : 탈곡 후 질량의 1/5• 재(ash) 성분이 많으나 품질이 균일하여 가스화에 적합함
• 인도네시아, 중국, 말리에서 가스화 플랜트 운영 중
• 동물 폐기물
– 분뇨 : 주요 온실가스원으로 대기방출 메탄의 10%• 수질오염원
• 축산과 엄격한 환경제어를 연계하여 효소에 의한 혐기성 분해에 투자 필요
• 바이오가스 생산과 동시에 비료 생산
– 하수 찌꺼기• 혐기성 분해 대상이나 생산량이 작을 때는 공중 연소
* 호기성 분해 : 호기성 미생물(산소조건)에의해 수중의 유해물질(주로 유기질)이생화학적으로 분해되어 안전한 물질로전이되는 현상* 혐기성 분해 : 혐기성 미생물에 의한 분해
바이오에너지의 종류
• 생활 쓰레기 (MSW: Municipal Solid Waste, 도시배출 고형 폐기물)
– 가구당 연 1톤 정도의 고체 쓰레기 배출
– 총 에너지 9GJ 해당(가구당 에너지 소비량의 1/10)
– 처리
• 소각: 60% 정도 차지하며 전처리 과정 필요, 직접 열발생
• 매립: 40% 정도 차지하며 가스 생산
• 혐기성 소화처리 : 소량, 가스 생산
그림 4.7 영국 MSW의 구성비: 총량의약 50%가 유기물질(바이오매스)임에 주목
< 단위 정리 >
* EJ (Exa-joule) = 1018 J* PJ (Peta-joule) = 1015 J* TJ (Tera-joule) = 1012 J* GJ (Giga-joule) = 109 J* MJ (Mega-joule) = 106 J* kJ (kilo-jole) = 103 J
바이오에너지의 종류
• 매립지 가스– 지하 매립 쓰레기는 혐기 분해에 적합한 환경 제공
– 매립 후 불투과 덮개 설치, 다공관을 통해 가스 채집
– 대형의 경우 깊이 20m, 시간당 1000m3 가스 생산
– 활용
• 난방용 가스
• 발전용 가스 : 가스터빈의 효율 35%고려하면 전체 효율은 10% 이하
– 100만톤 매립기준 : 2MW 15-20년 생산가능
그림 4.8 (a) 쓰레기 매립지역에서 변화되는 기체 조성 (b) 매립 가스의 추출
바이오에너지의 종류
• 상업 및 산업 폐기물
– 영국의 경우 연 36 Mt의 특수 쓰레기 발생하며 이 중 2/3 정도가 바이오매스
– 가구산업 : 전체 생산량의 1/3이 자투리, 톱밥의 형태로 발생하며 35,000톤에 이르며 0.5 PJ(페타줄=1015) 이용하는 수준임
– 음식 쓰레기 : 배출수의 생물 및 화학적 산소 요구량 (BOD/COD) 증가로 혐기 전처리가 필요하며, 발생 가스로부터 처리에 필요한 열량을 직접 공급
– 의료 폐기물 : 반드시 전량 소각 처리 (영국 : 연 12 PJ)
– 타이어 폐기 : 영국 연 4천만 개의 폐타이어 발생
• 에너지 잠재량 : 32GJ/t
• 폐타이어 매립 금지에 따라 발전 설비에 이용이 시작됨
• (용어 정리) 바이오 폐기물: 도시 및 산업 폐기물은 유기물 및 무기물의 혼합되어 있으며 근래에는 생물적으로 분해 가능한 폐기물만 재생에너지원으로분류 (예외: 플라스틱류)
바이오매스의 활용
• 바이오매스 이용의 전제 조건
– Availability : 구하기 쉽고
– Transportability : 운송이 용이하여
– Price : 결국 저렴해야 함
• 바이오매스의 특징
– 함수율이 크다 : 부패가 빠르다 (장기 보존이 어렵다)
– 에너지 밀도가 작다 : 부피당 열량이 적다 (수송 비용 문제)
– 전기나 다른 연료로 전환이 필수적
– 선별, 파쇄, 압축, 건조 등 물리적 기술 및 연소 등 화학적 기술과 연계
• 바이오매스의 이용
– 고체 바이오매스의 연소
– 바이오매스로부터 기체연료 생산
– 바이오매스로부터 액체연료 생산
바이오매스의 활용-고체 바이오매스 연소
• 연소과정– 수분 증발 (Evaporation)– 연소1단계 : 휘발성물질은 연소되면서 증기혼합물로 방출 (에너지총량의 ¾ 이상)
→ 클링커, 슬래그, 재를 남김– 연소2단계 : 탄소로 이루어진 숯의 연소
• 입자(분진)는 연소 후 포집 추출 대상이며, 산소가 충분하지 않아 불완전연소가 되면 독성을갖는 (일산화탄소(CO) 발생되고 과잉공기는 화염온도를 떨어뜨리기 때문에 연소반응 중 공기공급의 제어가 중요
• 목재 및 곡물잔여물의 연소– 전통방식의 목재 및 곡물잔류물 연소는 다양한 공해를 유발함– 열량이 낮아 매우 비효율적
• 목탄의 연소– 목재(토양을 덮은 적층된 목재)를 가마에서 공기의 공급없이 300~500°C에서 열분해
시키면 휘발성물질은 연소되고 목탄이 남음– 질량당 열량은 목재의 2배에 이르나 1톤의 목탄 생산에 4-10톤의 목재 필요– 휘발성기체는 타르 등을 함유하여 불완전연소 생성물과 함께 공해물질로 취급– 최대의 온실가스 배출원이 됨
바이오매스의 활용-고체 바이오매스 연소
• 도시 고형폐기물(MSW)의 연소– 폐기물 처리의 주요 수단 : 쓰레기 연소를 통한 열 회수(Energy from Waste, EfW)
• EfW는 MSW 처리의 30~60%를 차지
• 전세계 설비용량 : 3GW 이상 (주로 유럽에서 상용화)
– 장점 : 매립지의 부족 및 쓰레기 수송거리 증가 등으로 인해 대도시에서는 경제적임
– 단점 : 악취 및 공해로 주민의 반대
– 쓰레기 감량과 재활용은 장기적으로 필수이나 단기간 해법은 소각이 유일한 대책임
그림 4.10 대형 도시 고형 폐기물(MSW) 연소 공장
바이오매스의 활용-고체 바이오매스 연소
• 펠렛(Pellet)의 연소
– 가정 쓰레기의 함수율은 20% 이상이며 에너지밀도는 석탄의 1/30 수준
– 수송비용이 비싸고 맞춤 설계된 연소장치가 필요함
– 기존의 연소설비에 사용하기 위해 RDF(폐기물가공연료) 또는 d-RDF(고밀도RDF)로 제조 혼용
• Refuse Derived Fuel (RDF) : 분리, 파쇄, 건조 과정
• densified-RDF (d-RDF) : 분말화, 압축 및 건조과정을 통해 펠렛으로 가공 석탄과 함께 기존 설비에서 연소 가능
그림 4.11 폐기물 가공 연료펠렛
바이오매스의 활용-기체연료 생산
• 기체연료의 장점
– 가스터빈 등 내연기관에 사용가능
– 수송 용이
– 공해물질 제거하여 청정연료
– 직접연소보다 효율이 높음
– 합성가스(Synthesis gas) 생산가능
• 혐기성소화(Anaerobic digestion)
– 바이오가스(Bio-gas) + 매립가스(Landfill gas)
• 바이오가스 : 분뇨 및 하수를 수분 95%의 슬러리로 변환하여 취득– 온도가 제어되는 분해기(digester)로 공급
– 연속식과 회분식
– 분해에 10일 내지 수 주 소요
바이오매스의 활용-기체연료 생산
• 혐기성소화(Anaerobic digestion)
– 혐기분해 과정: 박테리아가 유기물을 당으로 분해 → 당은 산으로 변환 → 산은 최종적으로연료기체와 잔류물로 분해
• 박테리아 분해과정은 발열과정이며 이상적으로는 자체 발열로 최적온도인 35°C 유지가 바람직하나추가 가열이 필요한 경우 biogas로 공급
• 극단적인 경우 모든 가스를 소비하더라도 쓰레기 처리에 필요한 연료를 절약한 결과임
– 최적화된 경우 1톤의 바이오매스에서 메탄 농도 50-75%의 biogas 200~400m3 생산 (8 GJ/t)
• 건조 바이오매스(분뇨, 하수) 에너지 밀도의 절반이지만 청정한 기체 연료를 생산하며 쓰레기를 처리한 결과
– 바이오가스로 대형 내연기관 구동하여 전기생산과 동시에 냉각수와배기가스로 열공급
그림 4.14 하수쓰레기 가스 기관
바이오매스의 활용-기체연료 생산
• 혐기성소화– MSW의 혐기분해
• 매립에 비해 바이오가스 포집량이 많고 분해속도가 수주에 불과함
• 쓰레기 중 유기물을 분리하여 하수와 혼합하여 슬러리화
• 도시 근교에 설치하는 경우 매립지와 수송비를 절감
• 가스화(Gasification)– 고체로부터 기체 연료를 생산하는 화학 공정
– 고체 연료 + 고온의 수증기 + 산소의 반응 (온도: 수백~수천도 범위, 압력: 대기압~30기압 범위)
• 1단계: 가열에 의해 휘발성 물질과 char의 분리
• 2단계: 스팀 및 산소와 반응
– 생산기체=가연성분(CO+H2+CH4+C2H6+…+tar) + CO2 + H2O• 공기 사용 시 발열량 : 3-5 MJ/m3 (천연가스의 1/10)
• 산소 사용시 발열량 증가하나 비용도 증가하여 대규모 시스템에서만 가능함
• 소형가스화설비 (300kW이하) : 가스엔진에 공급하여 발전 (10~30 MW)
– 변환효율 : 40~70% 범위, 설비가 복잡할수록 고효율
바이오매스의 활용-액체연료 생산
• 바이오오일(Bio-oil) 생산을 위한 열분해
– 열분해: 연료의 개질을 목적으로 수행되는 가장 단순하고 오래된 방법
• 전통적 방식 : 목탄화(느린 열분해)로 효율이 낮음
• 근대적 방식 : 휘발성 물질을 수집한 후 액화하여 바이오 오일 생산
• 제한된 산소공급 환경에서 가열하여 연소와 가스화를 최소화
• 오일+산+물+고체 Char+비응축 기체 생산
• 산을 제거하여 최종적으로 바이오 오일을 얻음 (발열량은 석유의 절반)
• 열 및 전력 생산에 사용하거나 정제하여 사용
– 가용매 분해 : 열분해의 변형
• 유기 용매 사용 200~300°C에서 고체를 유사 오일로 변환
– 빠른 열분해 : 고온(500~1300°C) 고압(50~150기압)
• 휘발성 물질 수집과 상업적 목탄 생산
– 폐기물의 경우 : 열분해와 가스화 모두 가능하지만 아직은 소각이 가장저비용
바이오매스의 활용-액체연료 생산
• 에탄올 생산을 위한 발효
– 발효 : 혐기성 생물학적 과정
– 당을 원료로 에탄올 생산하고 증류하여 농축한 후 가솔린과 혼합하여가소홀(gasohol) 생산
• 사탕수수의 경우 그대로 발효
• 녹말(감자, 옥수수, 밀)의 경우 당으로 분해 후 발효
• 목재의 경우도 가능하지만 전처리 공정이 비싸서 가스화가 유리함
– 증류과정 역시 다량의 가열이 필요하며 잔류물 사용
바이오매스의 활용-액체연료 생산
• 에탄올 생산을 위한 발효
– 에탄올의 발열량 : 30 GJ/t
– 곡물로부터 발효를 통한 에탄올 생산의 총괄 효율은 매우 낮으나 공정이 단순하고 설비비가 낮아 잉여 잔류물을 사용하
는 경우 비용면에서 타당함
– 브라질의 PRO-ALCOOL 프로그램: 세계 최대의 상업 바이오매스 시스템
• 사탕수수 잔류물로부터 2003년 현재 연 15 백만톤 에탄올 생산
• 25년 누적 석유 수입대체효과 $400억 달성
• 에탄올 농도 26%의 가소홀 보급망 확보
• 연 탄소 배출 13 Mt 절감 효과
– 미국: 옥수수로부터 에탄올 생산, 매년 수%의 증가율을 보이며 2001년 현재 연 5백만톤 생산
– 바이오 에탄올의 경제성은 석유와 곡물 가격으로 결정됨
• 고유가와 잉여 곡물의 환경에서 유리
• 중국의 영향으로 곡물의 가격이 증가세이므로 대체방안으로 농업 잔류물, 쓰레기 심지어 목재를 사용하는 연구가 진행
됨
– 미국과 브라질에서 수수와 같은 대체 작물에서 에탄올 생산 개시: 이모작이 가능하고 사탕수수에 비해 작은 양의 물 사
용
– 유럽: 가솔린에 7%가지 에탄올 첨가를 허용함
바이오매스의 활용-액체연료 생산
• 식물로부터 바이오디젤의 생산
– 1911년 R.Diesel박사가 가능성을 제시하였으나 저가 원유공급으로 중단
– 식물유의 특성
• 주로 씨를 으깨어 추출
• 발열량은 37~39 GJ/t 으로 디젤보다 다소 작으며 디젤엔진에 직접 또는 디젤과 혼합하여 사용 가능함
• 불완전연소로 인한 탄소의 침착 문제로 바이오디젤 전환이 필요함
– 바이오 디젤의 생산과정
• 식물유는 다양한 유기산과 글리세롤(알코올의 일종)의 결합
• 메탄올/에탄올 첨가하고 교환과정을 거치면 간단한 엔진 튜닝으로 사용 가능한 바이오 디젤 생산(발열량 차이로 연료 소비율
10% 증가)
• 부산물로 고가의 글리세롤과 잉여 알코올 발생
– 세계 바이오디젤 생산량은 연 1.5백만톤
• 유럽은 휴년 농지로부터 생산한 포도씨유로부터 RME(Rape Methyl Ester) 제조
• 프랑스는 모든 디젤에 5%의 RME 사용
• 미국은 soya bean과 재활용 식용유로부터 생산
– 윤리적 문제(식량부족에 의한 기아)를 야기함
바이오매스와 환경
• 대기 오염 - 이산화탄소
– 조림에 의한 대기 중 이산화탄소 고정의 한계 : 40-60년의 기간이 소요
– 바이오에너지에 의한 화석연료 대체가 상대적으로 지속적이고 효율적
인 방안
– 전력 생산방식별 이산화탄소 발생의 전주기분석(life cycle analysis):
• 에너지 작물의 경우 비료생산, 처리 및 수송 과정에서 화석연료 소비 및 생
육과정에서 이산화탄소 고정량 등을 모두 고려한 분석
– 화석연료에 비하면 MSW 연소도 유리 : 연 270 GWh (30 MW)규모
– 발전소를 석탄에서 밀짚연소로 전환하면 25만 톤의 CO2 절감 효과
– 산화질소와 분진의 발생을 화석연료 규제에 맞추어 감소시켜야 함
바이오매스와 환경
• 대기 오염 - 메탄
– 온실가스로 인간활동은 물론 자연적(축산분뇨, 쓰레기 매립 등)으로 발생하는 혐기성 소화의 생산물
– 메탄은 이산화탄소에 비해 30배의 GWP(지구온난화지수, Global Warming Potential)를 갖는 온실가스임
– 메탄을 포집하여 연소하는 경우 지구온난화에 긍정적 영향
• 예 : 영국의 경우 매립가스의 포집 연소로 연 20Mt의 대기중 탄소 방출 절감효과로 평가함(전체 온실가스 배출의 10%)
• MSW의 매립과 연소 장단점 비교
– CO2 측면 연소가 7배 방출하여 불리
– 매립의 경우 모든 메탄을 수집할 수 없으므로 연소가 유리
– 보다 중요한 요소로 중금속, 다이옥신 및 분진(건강의 문제) 측면에서연소가 불리함. 연구결과 EfW에 의한 다이옥신의 배출은 0.1% 정도로모닥불의 영향보다 작음.
– 공해 규제는 점진적으로 엄격해지므로 대책이 필요함
바이오매스와 환경
• 토지 이용
– 재생에너지 중 같은 면적을 사용하였을 때 바이오매스는 에너지 생산량이나 CO2 절감 측면에서 불리함
– 1.5MW 발전에 필요한 면적
• 태양전지 40 ha
• 풍력 100 ha
• 에너지 작물 300-1000 ha
• 에너지원 간 같은 토지를 대상으로 경쟁하지 않음
• 태양에너지는 건물의 옥상, 풍력은 고지대, 에너지 작물은 유휴 농지를 선호
– 잡목숲의 기타 장점
• 비료의 사용이 적고, 동물의 서식에 적합
• 특히 하수 슬러지의 정화에 활용 가능함
바이오매스의 전망
• 재생에너지 비율 : 전 세계 1차 에너지의 약 7%차지 (전통적 바이오 연소 제외)
– 이 중 ¾ 정도가 대규모 수력발전
– 다음으로 연소와 혐기성 분해에 의한 바이오에너지
– 수력의 확장가능성은 낮음 (지리적 입지조건이 까다로움)
– 풍력, 조력, 파력, 태양열 등은 총량이 작음
• 바이오매스 전망
– 단기적 : 잔류물과 쓰레기의 직접연소에 의한 기여가 증가할 것으로 예상
– 장기적 : BIGCC, 바이오 연료전지, 액체 바이오연료의 기여가 증가할 것으로 예상되지만 궁극적으로는 풍력과 태양에너지의 기여에 의해 바이오의 비중은 감소
그림 1.1 2002년 전세계 1차 에너지 소모량에 대한 각 에너지원의 기여도 백분율
바이오매스의 전망
• 개발도상국은 인구증가와 함께 전통적 소비방식에서 근대적 소비형태로 전환하여 소비량은 증가하지만 비중은 감소할 것으로 전망됨
• 2030년 전망에서 세계인구의 ¼은 아직도 전통적 바이오에너지 연소에 의존
그림 1.2 2001년 전 세계 재생에너지의 기여도 추정 백분율
