[신재생에너지 기획⑦] 생물의 에너지, 바이오매스

2014.09.22 09:43

아톰스토리에서는 신재생에너지의 최신 흐름을 알아보고 ‘에너지안보’ 관점에서 국내 자력생산이 가능한 신재생에너지원을 살펴보기 위해 [신재생에너지] 기획을 마련했습니다. 총 10편으로 구성된 이번 기획을 통해 에너지원의 다변화 가능성을 알아봅니다.

 

‘바이오매스’란 태양에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물체와, 이들을 식량으로 하는 동물이나 미생물 등 모든 생물체를 포함하는 생태학적 용어다. 그러나 에너지 분야에서 바이오매스는 ‘연료로 이용할 수 있는 생물자원’을 말한다.

 

바이오매스로부터 만들 수 있는 연료는 생산되는 형태에 따라 구분할 수 있다. 우선 액체 상태의 수송용 연료인 바이오에탄올이나 바이오디젤이 있고, 음식물이나 가축 분뇨를 산소가 거의 없는 혐기상태로 발효시킬 때 발생되는 메탄과 같은 바이오가스, 그리고 고체형태의 연료가 있다. 여기서는 고체형태의 바이오매스에 대해 소개하고자 한다.

 

인류가 가장 오랫동안 사용해 온 연료, 나무

 

구석기시대 유적지에서 나무가 타다 남은 숯이 발견된다는 사실로 미루어 볼 때, 인류가 사용하고 있는 연료 중에서 가장 오랫동안 사용해 온 대표적인 연료는 나무였다는 것을 알 수 있다. 나무는 매년 계속해서 자라는 재생 가능한 자원으로써 석탄이나 석유와 같은 화석연료와는 달리 공기 중의 이산화탄소 농도를 증가시키지 않는 탄소중립형 연료이다. 이 때문에 지구의 기후변화를 완화시킬 수 있는 화석연료 대체자원으로 주목을 받고 있다.

 

[그림 1] 목재 연료들. 왼쪽부터 순서대로 장작(화목), 연료용 목재 칩, 호그 칩. 사진 출처 : 국립산림과학원

그러나 장작이나 연료용 칩 등은 화석연료에 비해 열량이 적고 부피가 커서 보관하기가 어렵다는 단점이 있다. 게다가 보일러에서 연소할 경우 불완전 연소로 인해 생기는 숯검정이 보일러의 열교환기 표면에 붙어 에너지 효율을 떨어뜨리고, 간혹 굴뚝을 막아 화재를 일으키기도 한다.

 

목재의 단점을 보완한 성형 목재 연료

 

장작이나 칩과 같은 일반 목재 연료의 단점을 보완하기 위해 톱밥을 압축해 일정한 크기로 만든 성형 목재 연료인 목재 펠릿(pellet)이나 목재 브리켓(briquet)이 개발됐다. 이들은 현재 가정용 난방 연료나 산업용 보일러의 연료로 많이 이용되고 있다.

 

성형 목재 연료는 숲을 건강하게 가꾸기 위해 실시하는 솎아베기나 가지치기를 할 때 발생하는 이용가치가 낮은 나무를 분쇄한 톱밥이나 제재소 톱밥을 건조한 후 성형기에서 압축해 제조한다. 목재 펠릿과 목재 브리켓은 만드는 방법은 유사하지만 크기가 다르다.

 

[그림 2] 성형 목재 연료. 목재 펠릿(위)과 목재 브리켓. 사진 출처 : 국립산림과학원

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

목재 펠릿은 크기를 지름 6~8㎜, 길이 32㎜이하로 제한하고 있지만, 목재 브리켓은 크기를 별도로 규정하지는 않는다.

 

성형 목재 연료는 밀도가 1.1~1.3으로 일반 목재보다 약 3배 이상 높아 운송이나 보관에 따른 비용이 적고, 크기가 일정해서 보일러에 연료를 자동으로 공급할 수 있다. 또한 연료 내 수분의 함량이 적고 균일해 열에너지를 안정적으로 공급할 수 있어 보일러의 온도 조절이 쉽고, 일반 목재 연료에 비해 연료 효율이 높다는 장점이 있다. 최근에 보급되는 목재 펠릿 보일러의 열효율은 85% 이상이므로 목재 펠릿을 연료로 사용하면 기름보일러용 등유보다 연료비를 50% 이상 절감할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

[그림 3] 성형 목재 연료의 제조법 및 이용법.

바이오매스 연료의 성능 개선을 위해

바이오매스 고체연료는 친환경 재생연료이지만 발열량이 낮고 연기나 숯검정으로 인해 사용하기가 다소 불편한 연료이기도 하다. 이런 바이오매스 고체연료의 단점을 개선하기 위해 사용하는 방법 중 우리가 가장 잘 알고 있는 방법이 바로 나무를 숯으로 만드는 것(탄화)이다. 나무를 숯가마에 넣고 불을 붙인 후 공기가 들어가지 않게 가마 입구를 막고 약 500~600℃에서 일정시간 연소시키면 숯이 만들어 진다. 숯의 발열량은 29.3MJ/kg~33.5MJ/kg으로 원료인 나무(16.8~18.8MJ/kg)보다 높지만, 생산되는 숯의 수율은 30%로 낮다. 그래서 바이오매스 연료의 발열량을 높이고 탄화과정에서의 연료 손실을 줄일 수 있는 방법으로 반탄화(torrefection)법이 개발됐다.

 

‘반탄화’는 1930년대 프랑스에서 처음 개발됐다. 약 280℃의 온도에서 커피 원두를 천천히 볶으면 원두의 수분이 줄어들고 분쇄하기 쉬운 상태로 변한다. 이에 착안해 개발된 것으로, 공기를 불연성 가스인 질소로 치환한 탄반화 장치에 고체 바이오매스를 넣고 약 300℃로 가열하면 발열량이 낮은 저급 석탄과 비슷한 반탄화 고체연료를 제조할 수 있다.

 

즉, 반탄화란 바이오매스를 대기압에서 공기의 유입을 제한한 조건으로 약 300℃의 낮은 온도에서 1시간 정도 열분해하는 과정을 말한다. 숯을 만드는 탄화보다 낮은 온도로 짧게 반응시키기 때문에 반탄화라고 부른다. 반탄화된 바이오매스의 무게는 이전 무게에 비해 30% 정도 줄어들지만 열량은 10% 정도 밖에 줄어들지 않아, 에너지 밀도는 원래 바이오매스보다 약 30% 정도 증가된다.

 

반탄화된 바이오매스는 물과 친화력이 적은 성질(소수성)을 갖게 돼, 일반 바이오매스와는 달리 오랫동안 저장을 해도 수분을 흡수하지 않는다. 또한 발열량(20.4~22.7 MJ/kg)과 밀도가 높아 목재 펠릿에 비해 운송·저장 비용을 더 절감할 수 있다. 그러나 반탄화 공정이 추가되면서 생산비용이 증가하기 때문에 제조 단가가 목재펠릿보다 높다는 단점이 있다.

 

우리나라는 발전 설비 용량이 50만 kWh 이상인 발전사업자들에게 매년 정부가 정한 양만큼 신재생에너지를 생산해야하는 ‘신재생에너지공급의무화제도’를 시행하고 있다. 신재생에너지 의무량을 할당받은 화력발전소에서는 석탄과 재생에너지 자원인 바이오매스 고체연료를 일정비율로 섞어 사용하는 혼소(co-firing)발전을 한다. 혼소발전에 사용할 바이오매스는 일정한 크기의 가루로 분쇄해야 한다. 일반 바이오매스는 섬유질 형태를 가지고 있어 분쇄가 매우 어렵지만 반탄화된 목재는 분쇄가 쉬워 발전용 혼소 연료로 주목을 받고 있다.

 

[글쓴이] 최돈하 국립산림과학원 임산공학부장

 

※출처 : 아톰스토리 '에너지자료'(http://atomstory.or.kr/p/38423/)

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