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저탄소 농업 활성화 기술개발·제도개선 중요
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| 반탄화 원리 기초 |
◆온실가스 감축실현을 위한 접근방법
온실가스 감축 실현을 위해 정부는 2050년 탄소중립을 선언했다. 이상기후 원인인 온실가스 배출은 에너지 부문에서 86.9%, 산업과 농업에서 각각 7.8%와 2.9%이다. 앞으로 화석 에너지를 집약적으로 사용하는 에너지 산업의 탄소감축 및 시설원예와 가축분뇨를 배출하는 축산업, 화학비료를 사용하는 관행 농업에 새로운 저탄소 순환농업 시스템이 요청된다.
탄소중립 현실화는 폐기물계 바이오매스 반탄화(torrefaction) 바이오차(bio-char) 및 로컬 바이오에너지를 생산하여 이용하는 저탄소 농업 활성화 기술개발 및 제도개선이 중요하다.
폐기물계 바이오매스 반탄화 목적은 온실가스 감축, 폐기물 재활용, 토양개량과 농산물 수율 향상 및 바이오에너지 생산 등이다. 우리 사회가 인구 도시 집중과 산업화로서 발생하는 폐기물계 바이오매스 반탄화 온실가스 감축과 탈 탄소 농업기술 활성화가 필요하게 되었다.
폐기물계 바이오매스는 생화학적인 퇴비화와 혐기성 소화 방법 및 열화학적인 반탄화와 가스화 등의 열분해 방법이 있다. 전자는 미생물 분해에서 배출되는 온실가스와 악취 가스로 환경오염과 이상기후에 문제가 되며, 퇴비화 발효열은 시설농업 열원으로 사용되고 있다. 혐기성 소화 바이오가스는 바이오에너지 이용에 좋으나, 소화액은 비료화 이용 기술이 아직 미흡하다. 후자는 반탄화 방법으로 폐기물계 바이오매스 반탄화로 얻어진 바이오차는 저탄소 농업 활성화에 환경개선 자재와 바이오에너지로 이용된다.
탄소중립 100% 재생에너지 사용(RE100)실현은 폐기물계 바이오매스 반탄화 바이오탄의 지속 가능한 공급체인 및 저탄소 농업 기술개발에 달려있다. 2050 탄소중립 현실화는 반탄화 바이오차의 저탄소 작물생산, 탄화 펠릿연료 제조와 연소 및 바이오탄 가스화 바이오에너지 이용이 핵심이다.
폐기물계 바이오매스 반탄화 바이오차와 바이오에너지 안정적 공급 인프라 구축 만이 탄소중립을 달성할 수 있다.
반탄화·바이오차 활용으로 순환경제 촉진
연료원으로서 폐기물계 바이오매스는 통상적으로 용적 밀도가 40~150kg/㎥이고, 수분이 많으며, 낮은 에너지 밀도 및 취급, 저장 및 운송 등에 비용이 많이 든다. 다양한 고밀화 옵션 가운데, 고형 바이오연료 생산에 펠릿 밀(pellet mill)와 브리켓 프레스(briquette press)가 통상적으로 가장 많이 사용되며, 이 두 가지는 생산기법도 서로 틀리고, 시장 수요도 상이하다. 주거용 스토브와 가스화기에 사용되는 펠릿과 중대규모 산업용 열원에 활용되는 브리켓은 대개 원형상 고형 바이오연료로서 펠릿 직경은 6~8㎜, 길이는 40㎜이하이고, 브리켓은 직경이 50~90㎜이며, 길이는 약 75~300㎜이다., 펠릿화에 의한 고밀화처리는 바이오매스 밀도를 크게 증대하여 취급, 저장, 운반 등의 단위조작이 비용이 절약 되어 경제성이 있다. 펠릿제조 업자는 상이한 형태와 특성의 다양한 공급재료에서 펠릿 생산을 바라고 있으며. 농업폐기물, 볏짚, 녹색폐기물 가축배설물, 음식쓰레기, 하수슬러지 등의 비 목재 공급재료를 사용한 양질의 펠릿 생산에 최적화 펠릿화 공정을 구하는데 노력하고 있다. 연료펠릿 생산 공정의 전반적 이해는 바이오매스 이용 잠재력을 상술하면, 종국적으로 지속가능한 바이오에너지 네트워크 개발을 향하여 기여할 것이다. 이 연구 목적은 비 목재 폐기물계 바이오매스 연료 펠릿 생산 새로운 기술 개발 토론과 발전 전략을 제안하는 데 있다.
△ 바이오매스 전처리 및 펠릿화
장기적으로는 지역에서 배출되는 폐기물계 바이오매스(waste biomass)를 반탄화(torrefaction) 바이오차(탄화바이오매스:torrefied biomass)을 에너지화[사진1]하여 지역에 재활용하는 로컬 바이오에너지 생산과 이용 및 지역농업 환경오염 억제와 작물생산 증대에 활용하는 바이오 순환형 경제를 목표로 하게 된다. 다양한 폐기물계 바이오매스에서 얻어진 탄화연료(torrefied fuel)를 열과 전기 발전용 및 수송용 연료로 재활용하는 로컬 바이오에너지 생산시스템이 필요하다.
생활폐기물과 농축산폐기물은 고수분, 고 영양분, 단백질이 풍부한 폐기물과 저수분 저 영양분, 리그닌 성분이 많은 폐기물로 구분되는데 전자는 주로 퇴비화하여 퇴비와 발효열 이용이 가능하고, 후자는 반탄화 바이오탄과 바이오에너지를 생성하여 농업생산 및 각종 산업에 유용한 에너지자원으로 자연 순환하게 된다. 바이오 폐기물 처분에 관심이 점차 높아지고 있다. 전통적인 매립과 소각은 환경오염으로 인하여 환경에 역효과를 최소화하고, 가치 있는 생산물을 생성하며, 취급이 편리한 새로운 기술이 필요하다. 가스화 처리는 탄소배출을 최소화하기에 바이오 폐기물 관리에 유망한 기술이나, 가스화에서 생성된 합성가스는 때때로 타르 성분이 많아서, 가스 질을 향상하고 타르 성분을 감소하기 위해서 가스화 첨가제 및 촉매 등의 방법이 사용되고 있으며, 스팀 첨가제를 사용한 가스화는 장점이 많아서 일반적으로 사용하고 있다.
△ 탄소 중립과 바이오매스 반탄화 바이오차
반탄화는 건조된 폐기물계 바이오매스를 온도 250~300℃ 수준에서 약 20분간 탄화하는 것으로 반탄화는 바이오매스의 질량과 에너지 밀도, 소수성, 발화성, 연소와 가스화 반응성, 분쇄성 등을 현저하게 향상한다. 반탄화 바이오매스는 연소하는 동안에 분말 상의 연료로서 석탄과 혼합, 또는 운반 유동 가스화기에 공급재료로 가능하다. [사진1]에서 바이오탄(차) 장점은 1)저수분, 2)높은 에너지 밀도와 질량 밀도, 발열량 등이며 이들은 바이오매스 용적을 감소하고 이용과 처리가공에 운반 거리를 확대한다. 3)우수한 소수성 재료로서 탄화연료는 수분, 분해와 부패 등의 위험을 저하하고, 장기간 개방저장이 가능하다. 4)분쇄성을 향상한다. 분말 상 석탄 연소로에서 석탄과 공동 발화할 때에 분쇄에너지 소비를 감소한다. 바이오탄 입자크기를 감소하고, 5)저장 비용을 감축하고, 연소 시에 매연이 작다.
수분이 80% 이상이 되는 고수분 폐기물 바이오매스는 취급과 운반이 곤란하고 재활용이 간단하지 않다. 이러한 폐기물 바이오매스는 에너지 절약적 반탄화 방법으로 바이오차(탄)를 생산하여 탈 탄소 탄화펠릿 연료 또는 토양과 수질 개선재료 및 건축 자재로 재활용이 바람직하다.
비 목질 고수분 폐기물계 바이오매스(non-woody high moisture waste biomass) 반탄화 바이오에너지 기술은 폐자원 부가가치를 높이고, 온실가스와 초미세먼지 등의 환경문제를 해결하고, 분산형 지역에너지 공급원 및 토양 지력증강과 수질 환경 개선제로 활용하게 된다. 폐기물계 바이오매스 반탄화 탄화펠릿 연료 생산기반 구축으로 1)재생에너지 전환과 생산 효율화 및 지역 바이오에너지 이용 효율화, 2)지속 가능한 녹색 환경산업 발전 및 경축 순환농업 경제체제 확충과 고용 창출이 기대된다.
고수분 폐기물계 바이오매스는 낮은 에너지와 질량 밀도, 대용적 등으로 인하여 장거리 운반에 부정적 영향을 미치고, 고수분으로 증발에 열 화적 변환 비용을 증대하고, 친수성 성질로서 장기저장이 불가하고, 연소 시에 심한 연기가 발생하여 연소와 가스화 시스템에 연료로서 대규모 이용을 방해하고 있기에, 바이오매스 성질을 개선하기 위하여, 건조, 펠릿화, 반탄화 등의 열화학적 변환 기술이 개발되었다. 낮은 밀도의 바이오 연료에 질량과 에너지 고밀화하는, 펠릿화 기술은 운반비 저감과 비 수요기간에 저장 가능하며, 소수성 성질로서 펠릿화 연료는 부패 없이 장기간 개방 상태로 저장 가능하다.
재생에너지 가치가 높은 음식물쓰레기 하수 슬러지 축분 등의 고수분 폐기물계 바이오매스 반탄화 전처리 과정에 건조단계가 복잡하나, 생산된 바이오탄은 고형연료와 작물생산과 토양개량 등의 활용성이 많다. 폐기물계 바이오매스 반탄화 바이오에너지 생산으로 지속 가능한 축산환경 산업과 지역형 바이오에너지 공급기반을 조성한다.
폐기물계 바이오매스 반탄화 고형연료화 사업은 수분 10~15% 정도 수준의 혼합 폐기물계 바이오매스 펠릿화 및 반탄화 처리 과정에서 열량 13MJ/kg 이상의 탄화펠릿 연료로 변환하여, 축사시설, 시설원예 하우스, 마을 소규모 가스화 발전설비(2MW) 및 대규모 바이오매스 발전소(10MW)에서 열과 전기로 사용된다.
반탄화는 로스팅(roasting) 또는 중온 (250- 300℃) 온도에서 건조하고, 불활성 대기압에서 바이오매스를 간접가열처리 하는 것으로, 바이오매스를 고밀화하여 분쇄성을 향상하고, 열량을 증가하는 고형연료 바이오에너지 전환에 유망한 전처리 방법이다. 반탄화 온도는 중요한 요인이며, 질량수율과 에너지 밀도 및 분쇄성 등을 고려할 때에 약 300℃가 최적이다. 탄화바이오매스 펠릿과 브리켓 수분은 약 10%이고, 펠릿 크기는 직경 6~8㎜, 길이 18~ 24㎜이며, 브리켓 크기는 지름 5-~10㎝, 길이 6~20㎝ 정도이다.
△ 바이오차 재활용과 순환경제 촉진
바이오차(탄)는 산소가 제한된 조건 아래서 바이오매스 폐기물을 열분해하여 얻어진 탄소 재료로 수분 보유용량이 높은 다공성 재료이다. 바이오탄은 통기 조건을 개선하여 미생물 생장에 적정조건을 제공하며, 미생물 대사활동을 완화하고, 농약 분해를 강화한다. 바이오탄은 토양개량제로서 토양성질 변화를 유도하여, 미생물 바이오매스와 활동, 효소 활동, 미생물 군집을 증가한다. 바이오탄은 토양개량제로서 토양비옥도 향상이 가능하고, 작물 수율을 증대하고, 탄소배출을 감축하며, 척박한 경지를 회복하게 하여, 토양에 바이오탄 안정성은 농약 회복 이용에 중요한 역할을 한다.
폐기물계 바이오매스의 바이오에너지 전환 방법은 바이오가스생산(혐기성 소화)의 생화학적 처리, 바이오디젤생산(에스테르 교환)의 이화학적 처리 및 바이오탄(반탄화)과 가스화(합성가스) 등의 열화학적 처리 등의 방법이 있다. 폐기물계 바이오매스(축분, 폐사가축, 녹색 폐기물, 하수슬러지, 음식쓰레기 등) 퇴비화에 바이오탄 역할은 문헌분석 결과에 의하면, 바이오탄을 5~10% 정도 활용하면 축산폐기물 퇴비화 프로세스 향상에 잠재력이 있었다. 바이오탄은 고열원역 퇴비화에 영향이 미쳤고, 퇴비재료 산도를 저하하고, 누수 현상을 방지하고, 암모니아, 메탄, 아산화질소 배출을 감소하였다.
폐기물 바이오매스 펠릿 반탄화 바이오탄 변환하면, 탄화연료 펠릿, 토양개량제, 도로 기층보조재료, 건축재료 동물사료, 정수재료 및 퇴비화 첨가제 등의 환경관리용 사업에 활용한다.
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| 탄소중립은 폐기물계 바이오매스 반탄화 바이오탄의 지속 가능한 공급체인 및 저탄소 농업 기술개발에 달려있다. |
◆바이오 에너지 공급 위한 인프라 구축필요
탄소중립을 위한 당면과제는 폐기물계 바이오매스 반탄화 바이오탄 생산과 이용에 관한 온실가스 감축 투자지원, 법제도 합리화, 탈 탄소 혁신기술개발과 바이오에너지 공급 인프라 구축이 선행되어야 한다.
기후변화 위기감이 커지면서 온실가스 감축은 국제사회에 가장 큰 이슈로 떠올랐다. 탄소 중립사회에서는 바이오에너지를 쓰고 폐기물계 바이오매스를 감축하는 바이오탄(탄화바이오매스) 순환경제를 구축하지 않으면 뒤처질 수밖에 없으니, 온실가스 감축이 최우선 목표로 정하고 이행해야 한다.
폐기물계 바이오매스 반탄화 펠릿 바이오탄 변환은 탄화연료 펠릿, 토양개량제, 도로 기층 재료, 건축재료 동물사료, 정수재료 및 퇴비화 첨가제 등의 환경관리용 사업 및 바이오에너지 연료화 열병합 발전에 재활용한다.
바이오탄 연료화 이용 방식은 증기터빈 방식과 가스터빈 방식이 있으며, 전자는 바이오탄 연료를 보일러에서 연소하여 일어난 고압증기가 터빈을 회전하는 대규모 발전시설에 활용하며, 후자는 바이오탄 연료를 가스화기 에서 발생한 고온 고압가스가 터빈을 회전하는 소규모 발전시설에 이용한다.
2050 탄소중립은 온실가스 순 배출을 제로로 하겠다는 목표이다. 미국 유럽연합, 일본은 2050 탄소중립을 선언한 상태이며, 한국도 작년 10월에 선언하였다. 국내 주요 에너지 기업체도 2050년 100% 재생에너지 사용을 약속하는 RE100(기업용 에너지를 신재생에너지 100% 사용)을 선언했다. 탄소 중립을 현실화하는 지름길은 바이오에너지의 안정적 공급과 탈 탄소 혁신기술 개발이며, 정부의 바이오에너지 적극적 연구개발지원과 함께 환경산업계와 긴밀한 협력 네트워크 구축과 상호협력이 필요하다.
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