Bio-energy; Biogas

Bio Gas

 

1. 바이오가스 개념

1.1. 정의

[ 사진 1. 대우건설 아산 바이오가스 발전시설 ]

출처 : 아시아경제

 유기물이 산소가 없는 극도의 환원(혐기성)상태에서 혐기성 미생물에 의해 분해되어 발생하는 메탄올 주성분으로 하는 혼합기체를 말한다.

- 원료 물질

: 하수 슬러지(폐활성 슬러지), 음식물 쓰레기, 음폐수, 매립지(LFG; Land Fill Gas), 유기성 산업폐기물(폐수), 가축분뇨, 에너지작물

- 바이오가스는 생물학적 과정을 거쳐 생성된다.

- 생성물

: 바이오 메탄, 바이오 수소, 합성가스

 

1.2. 등장배경 및 필요성

 유기성 폐기물의 육상 직매립이 2005년부터 금지되고, 2006년 런던협약에 따라 해양투기도 전면금지 됨에 따라 육상처리 및 재활용 처리가 시급해졌다. 더불어 환경문제가 대두됨에 따라 CO₂ 대응기술의 필요성이 대두되고 유기성 폐자원을 바이오매스 에너지원으로 인식하는 의식들이 생겨남에 따라 바이오가스화의 필요성이 대두되어 왔다. 이에 따라 환경부에서 폐자원 및 바이오매스 에너지대책을 수립하여 22개의 바이오가스화 시설 확충사업을 추진하고 있으며 국내 유기성폐기물은 주로 음식물류폐기물(음폐수 포함), 축산분뇨 및 하수 슬러지 등을 대상으로 이루어지고 있다.

 

 

2. 바이오가스의 생산 공정

2.1 기본 생산 단계

 유기성 폐기물로부터 바이오가스를 생산하기까지는 전처리, 본처리, 후처리의 과정을 거치는데, 그 과정을 그림1에서 보였다.

 

[ 그림 1. 바이오가스 생산공정 Block Diagram ]

출처 : (사)농정연구센터

2.2. 전처리

 바이오가스화 공정에 앞서 전처리 공정은 필수적이다. 이물질을 다량 포함한 바이오매스에서 불순물을 제거하고, 이송을 원활하게 하기 위한 가공, 가수분해를 유도하는 공정이 이뤄진다. 전처리 공정의 단계는 정제 수준에 따라 분류될 수 있는데 저질가스 수준의 정제는 수분만을 제거하고 높은 정제수준으로 갈수록 황화수소, 암모니아, 수소, 질소, 실록산 물질, 고휘발성 유기화합물, 이산화탄소까지 제거하는 수준으로 이뤄진다. 가스의 정제 수준이 높을수록 바이오가스의 에너지 효율이 높아진다. 주로 흡착제나 molecular sieve를 사용하고 압력 변화를 통한 흡착공정으로 정제가 이뤄진다.

 

2.3. 본처리

정제된 바이오매스를 혐기성 조건에서 가스화 하는 반응 과정은 다음과 같다.

 

[ 그림 2. 바이오 가스화 (혐기 발효) ]

출처 : 한국에너지기술연구원

2.3.1. 가수분해 (Hydrolysis)

개시물질(탄수화물, 단백질, 지방)의 복잡한 결합이 간단한 유기결합 (아미노산, 당, 지방산)으로 변한다. 가수분해 박테리아들이 물질들을 생화학적으로 분해할 수 있는 효소를 생성한다.

2.3.2. 산성화 (Acidogenesis)

형성된 중간 생성물은 ‘산성화 단계(산성발생)에서 발효(산 생성) 박테리아에 의해 단사슬 지방산(아세트산, 프로피온산, 뷰티릭산)과 이산화탄소, 수소로 분해. 그 외 소량의 젖산과 알코올도 생성한다.

2.3.3. 메탄화 (Methanogenesis)

특히 초산 및 수소, 이산화탄소가 혐기성 메탄형성 박테리아에 의하여 메탄을 변화된다. 수소 이용 메탄형성 고세균은 수소와 이산화탄소를 이용하여 메탄올 형성, 초산이용 메탄형성 고세균은 초산 분해를 통해 메탄올 생산한다.

-      용적부하가 높을 경우 주로 수소를 이용하는 반응경로에서 메탄 형성, 낮을 경우 초산을 분해하는 반응경로로 메탄 형성한다.

-      바이오가스화를 통하여 생산되는 전체 메탄의 70%가 초산 분해를 통하여, 30% 정도는 수소를 이용하는 과정으로 생산된다.

 

2.4. 후처리

 바이오가스 공정의 후처리는 크게 두 가지로 생각할 수 있다. 하나는 바이오가스를 생산하고 남은 잔여물을 처리하는 공정이고, 다른 하나는 생산된 바이오가스를 활용 및 정제하는 공정이다. 소화과정을 거쳐 메탄을 생산하고 남은 잔여물은 토양개량제로서 사용 가능함으로써 최종 유출되는 폐기물의 양을 감소시킬 수 있다.

 바이오가스를 자동차 연료 혹은 천연 가스로 활용하기 위해서는 필수적으로 가스 정제과정 통해 질적 개선(메탄함량 97% 이상)이 요구된다. 바이오가스의 정제에 있어 대표적인 불순물인 CO₂와 H₂S이다. 이산화탄소는 연소 효율을 떨어트리고, 황화수소는 연료의 악취 문제와 연소 시 황산화물을 형성하는 문제를 야기한다. 따라서 표1.에 제시된 방법을 통하여 이를 제거한다.

[ 표 1. 바이오가스 CO₂ & H₂S 제거 방법 ]

출처 : 농어촌과 환경

 

2.5. 바이오수소 및 합성가스의 생산 공정

 바이오매스로부터 수소를 생산할 수 있는 경로는 다양하지만, 그 중에서 가장 가능성이 높게 평가되는 것은 열화학적 가스화와 열분해 기술이다. 가스화 공정은 바이오매스를 질소로 희석된 대기를 가한 저산소 상태에서 열을 가하여 수소를 생산하는 기술이고, 열분해는 산소의 유입을 배제하고 고온의 열을 가하여 수소를 생산하는 기술이다. 탄소 사슬로 이뤄진 바이오매스가 이처럼 고온의 열을 가하는 공정을 거치면 끈적끈적한 이물질인 타르가 발생하는데, 타르는 수소 및 일산화탄소의 전환율을 떨어트리고, 이후 에너지의 활용 과정에서 이물질로 작용하여 에너지 효율과 내연기관 및 발전시설의 문제를 야기하기 때문에 타르의 제거 과정이 매우 중요하다.

 이러한 과정으로 수소는 일산화탄소와 공존하는 상태로 생산되는데, 이후에 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을 통하여 수소만을 정제한다. PSA 공정은 수소만을 선택적으로 흡착하는 흡착제를 활용하여 압력변화를 통해 수소의 흡탈착을 조작하는 공정이다.

 다른 경우로 수소를 정제하지 않은 수소와 일산화탄소(합성가스)는 여러 공정을 거쳐 석유계 에너지 혹은 고분자 물질로 전환할 수도 있고, 복합 발전소의 연료로 사용할 수도 있다.

[ 그림 3. 바이오매스로부터 수소 생산 경로 ]

출처 : 세라미스트

 

 

3. 바이오가스 활용

 바이오가스는 생산 인프라의 구축이 필요하지만, 활용 단계에서는 현재 가스연료의 인프라를 그대로 활용할 수 있다. 가스 연료는 활용 경로가 다양하여 열, 전기, 수송 연료 모두로 전환될 수 있다.

 

[ 그림 4. 바이오가스의 다양한 활용 ]

출처 : 농어촌과 환경

 하지만 국내에서는 바이오가스의 생산량이 적어 그 수준이 미약하다. 아래의 표는 바이오가스 시설 별 연간 처리량과 시설현황을 나타낸 자료이다.

 

[ 표 2. 바이오가스화 시설 별 처리량 (단위 : 천톤/년) ]

출처 : MBC news

 

[ 표 3. 바이오가스화 시설현황 (단위 : 개) ]

출처 : MBC news

 매일 쏟아져 나오는 음식물 쓰레기를 분해하여 15년 기준 570만톤의 가스를 생산하였다. 지자체에서 예산 690억원을 들여 시설만 건설하고 판매허가를 받은 가스판매업자를 찾지 못하여 가스를 버리는 일이 다반사라는 문제가 지적되고 있다. 시설 건설과 운영비로 예산 1조 1천억원이 투자됐지만 크고 작은 문제가 잇따르면서 15년도 기준 생산된 가스의 7천 8백만톤 중 40%를 그냥 태워버렸다. 이에 대하여 하태경 의원이 1조 이상 투자를 해놓고 정작 바이오가스가 나온 것을 어떻게 활용할지에 대한 치밀한 준비를 안해 놓은 것이라고 지적하였다.  

 바이오가스를 잘 활용하고 있는 외국의 사례를 통하여 바이오가스의 활용의 대하여 말해보겠다. 바이오가스 생산의 선두주자라고 할 수 있는 스웨덴의 바이오가스 이용현황에 대하여 알아보자. 스웨덴 내 총 연간 바이오가스 생산은 거의 1.3TWh이다. 2006년 이후 여러 연구들이 스웨덴 내 잠재적인 바이오가스 생산이 현재의 약 1.1배 정도에 해당하는 연간 14TWh로 증가될 것으로 결론지었다. 대규모 바이오가스 시설들은 말모 및 스톡홀름 외곽에도 건설계획이 진행되어 있다. 해당지역의 바이오가스 시설에서는 연간 50GWh 이상의 바이오가스를 생산할 것이며 이러한 대규모 시설의 규모의 경제가 바이오가스의 경쟁력 또한 증대시켜 줄 것이다.

 대표적인 스웨덴의 바이오가스시설에 대하여 소개하겠다. 하수 슬러지 및 음식물류 폐기물의 고온(55℃) 병합 소화, 고품질화 되는 동안 메탄 누출을 다루는 스웨덴 내 첫 시도를 한 바이오가스 시설이다. 이 시설은 2003년에 운영을 시작하였다.

 

[ 사진 2. 스웨덴 Boden 지역 내, 바이오가스 시설 ]

출처: 스웨덴 바이오가스 생산사례연구

 Svedjan에 위치한 하수 처리 시설이 생산한 바이오가스는 처음에 난방용으로 사용되었다. 바이오가스의 생산은 하수 슬러지를 음식물류 폐기물과 함께 병합 소화를 시작했을 때 증가했다. 목표는 바이오가스의 사용을 효율적으로 하기 위한 것이었다. 바이오가스를 차량 연료로 사용하려는 시설들은 결국 KLIMP 프로그램의 프레임워크 내에서 이를 달성했다.  2007년 바이오가스를 생산하는 스웨덴과 세계의 최북단에 고품질화 시설과 충전소가 운영을 시작했다. 하수 슬러지가 단독으로 소화될 때 보다 음식물류 폐기물과 병합 소화할 때, 더 많은 메탄이 추출될 수 있다. Boden 바이오가스 충전소에 환경 친화적인 연료를 제공하며 바이오가스 생산이 더 증대되는 결과를 초래한다. 전략적인 관점에서 차량 연료로 바이오가스를 북부 스웨덴에서 생산하는 것이 중요하다. Östersund 및 Skellefteå과 함께 Boden은 Uppsala 북부의 첫 번째 고품질화 시설을 설립하여 주도하였다. 북부 스웨덴에 더 많은 현지 당국들이 현재 Boden의 예를 따르려고 준비하고 있다.

[ 그림 5. Boden 지역의 바이오가스 시설 공정 흐름도 ]

출처: 스웨덴 바이오가스 생산사례연구

 Svedjan 바이오가스 시설은 현지 당국이 운영하는 11개의 하수 처리 시설 로부터 하수 슬러지를 가정, 레스토랑, 가게에서 배출된 음식물류 폐기물과 병합 소화한다. 음식물류 폐기물은 전처리 시 하수 슬러지와 혼합되고 절삭된다. 혼합물은 70℃의 온도에서 한 시간 동안 소화조로 펌프질되어 혐기성 소화조로 들어가기 전에 살균 처리된다. 본 시설의 혐기성 소화조의 규모는 1,300 m3 의 부피를 지닌다. 공정은 55℃의 고온에서 14∼16일 동안 체류하여 이루어진다.

[ 그림 6. Boden 바이오가스 시설의 고품질화 개요 ]

출처: 스웨덴 바이오가스 생산사례연구

 바이오가스 중 일부는 시설 건물을 난방하기 위해 보일러 내에서 사전에 연소된다. 사용되고 남은 열(3,000 MWh)은 Boden 지역 내, 지역 난방 네트워크를 통해 할당되었다. 수세식 바이오가스 고품질화 시설이 운영을 시작했던 이래 로, 바이오가스의 일부는 차량 연료로 전환되었다. Boden 지역의 고품질화 시 설은 생산된 메탄의 3%에 달하는 누출량을 처리하기 위해 지방에서 처음으 로 이루어졌다. 초과 에너지는 건물을 난방 하는데 사용되었다. 해당 신규 기 술은 메탄 누출을 0.1%까지 낮추었다. 수요가 증가하는 단계에서 바이오가스시설은 600,000 Nm3 의 차량 가스를 해마다 생산할 수 있고 이는 약 700,000 리터의 석유를 대체할 수 있는 양이다

 

 

4. 장점과 문제점 및 과제

4.1. 장점

[ 사진 3. 바이오가스 생산시설 ]

출처 : Greenergy

 바이오가스는 생산 및 활용 측면과 환경적 측면에서 여러 이점을 갖는다. 바이오가스의 대부분이 거치는 혐기성 생산시스템은 완전 폐쇄계로¹⁾에서 처리가 가능하기 때문에 처리과정에서 냄새가 발생하지 않는다. 또한, 발효과정에서 질소 성분의 감량이 적어 사용된 소화액은 비료 성분이 높은 즉효성의 액비²⁾로서 토양개량제로 활용될 수 있다. 바이오가스는 메탄, 수소, 합성가스로 현재 활용되고 있는 기체 화석연료의 인프라를 그대로 활용할 수 있다. 따라서 활용 과정에서는 추가적인 인프라 구축이 필요 없다. 뿐만 아니라 바이오가스는 온난화지수가 높은 메탄가스의 대기 방출을 억제하고, 에너지원으로 활용함으로써 대기중 탄소배출을 추가적으로 증가시키지 않는다. 때문에 화석연료의 대체에너지원으로서 지구온난화 방지에 기여할 수 있다. 산성비의 원인이 되는 암모니아의 휘산³⁾이 적어 환경부하가 적다.

폐쇄계로¹⁾ : 닫힌계(주위와 물질교환은 불가하고 에너지교환만 가능한 계)의 상태인 로(재료를 가열해서 가공하는 곳)

액비²⁾ : 액체로 된 비료, 거름

휘산³⁾ : 액체 따위가 기체로 변하여 흩어짐

 

4.2. 문제점 및 과제

 현재의 바이오가스 분야는 상용화 단계로 진입하기 위해 해결해야 하는 몇가지 과제를 가진다. 바이오가스 기술은 공정 단계마다 낮은 효율, 높은 건설비, 운영비 등의 문제를 가진다.

[ 그림 7. 바이오가스 공정 별 문제점 ]

출처 : 농어촌과 환경

 메탄가스 회수하여 이용하지 못하기 때문에 35℃ 혹은 55℃까지 온도를 상승시키는데 에너지가 소요된다. 바이오가스를 생산하고 남은 폐기물의 분해가 완전하지 않으며 유기산 등에 의해 악취가 발생하는 등의 2차오염이 심각하다. 그리고 소화 및 발효 과정에서 온도를 유지하기 위하여 에너지가 필요한데, 외부 온도가 낮은 한랭지에서는 온도 유지를 위한 필요 열량이 커진다. 이처럼 바이오가스를 생산하기 위한 조건 형성 및 열수지의 균형을 도모하기 위한 다양한 설계 상의 궁리가 필요하기 때문에 바이오가스는 생산과정의 인프라가 추가적으로 필요하다. 더불어 혐기성 발효 시설은 일반적으로 건설비가 높은 것으로 알려지며, 필요시에는 한랭지에서는 내설, 방설 대책 등이 필요하여 건설비 중대의 경향이 있다. 소화과정을 거치고 남은 잔여물은 액비로 활용될 수 있지만, 여건상 액비로 활용되지 못하는 경우 공정상 운영비의 증가로 경제성이 떨어지는 문제점을 가진다.

 또한, 셰일 혁명으로 천연가스를 포함한 화석연료의 가격이 폭락한 이후 최근 이어진 유가 상승세로 유가가 회복되는 듯 하였으나 미국의 무역전쟁으로 유가가 폭락하여 저유가 기조가 사라지지 않고 있다. 저유가 상황에서 바이오가스는 화석연료와 비교하여 가격경쟁력이 낮기 때문에 개발 및 판매에 불리하다. 시장에서는 좋은 제품이 아닌 저렴한 제품이 생존하기때문에 바이오가스의 향후 성패는 생산단가의 절감에 달려있다고 하여도 과언이 아니다.

 바이오가스 시설은 폐기물을 다루기 때문에 사회적으로 혐오시설로 인식된다. 따라서 사회적인 인식 제고까지 해결해야 하는데, 이를 위해서는 정부, 바이오가스 플랜트 기업, 시민의 노력이 필요하다.

[ 그림 8. 바이오가스의 사회적 문제 해결 과제 ]

출처 : 농어촌과 환경

 

5. 의의/목표, 가능성

 여러 문제점에도 불구하고 바이오가스 기술의 개발과 상용화가 가져올 효과는 분명하다. 바이오가스는 폐기물로부터 얻어지는 에너지이므로 에너지회수로 인한 경제적 효과와 대기로 배출되는 탄소를 저감하는 환경적 효과를 가진다. 수도권매립지관리공사 홍성균 차장은 음식물폐수를 이용하여 생산한 바이오가스로 LNG를 대체할 경우 음식물폐수 바이오가스로 LNG를 대체할 경우 시간당 1,100Nm³을 생산해 일일 2만6,400Nm³을 사용한다고 가정했을 때 여기서 발생하는 발열량은 시간당 581만 200Kcal에 이른다고 밝혔다. 이 정도 규모를 LNG 대체 비용으로 환산하게 될 경우29억원에 이루기 되며 음폐수 바이오가스를 시간당 1,500Nm³를 사용할 경우 연간 온실가스 감축량이 1만 4,920톤에 달해 약3억원의 연간 경제성 효과를 발생시키는 등 LNG 대비 경제성 효과가 높은 것으로 분석된다.

 

 

6. 참고문헌

(1) 황수철, 『국내여건에 적합한 가축분뇨 바이오가스 생산최적시스템 연구』, 농림축산식품부, 2006

(2) 김미희 기자, 『1조 넘게 투자했는데, 바이오가스 40% 버린다』, MBC news, 2016.09.26

(3) 소진영, 『지속가능성 평가를 위한 바이오 에너지 전과정평가; 바이오가스를 중심으로』, 에너지경제연구원

(4) 이준표 외 1명, 『바이오가스 현황과 과제』, 한국에너지기술연구원, 2010.12.17

(5) 이상천, 『바이오매스 가스화와 수소화 공정기술』, 세라미스트, 2010.04