① 바이오가스의 개념
바이오가스(Bio Gas)는 유기물이 혐기성상태(Anaerobic State)에서 미생물에 의해 분 해되어 발생되는 가스의 총칭이다. 동식물의 시체, 가축 분뇨, 음식물 쓰레기, 유기성 슬 러지 등은 메탄발효를 통해 가연성 가스로 분해될 수 있다. 이 과정에서 얻어지는 가연 성 가스를 바이오가스라고 부른다. 바이오가스는 버려지는 물질을 이용하여 유가( ) 의 연료를 얻을 수 있다는 점에서 경제성이 있으며, 화석연료의 사용을 일부분 대체할 수 있다는 점에서 온실가스 배출을 저감시킬 수 있다는 장점이 있어 이의 활용을 위해 많은 노력을 하고 있다.
이 가스의 조성비는 유기물의 종류, 혐기소화조건에 따라 약간의 차이가 있으나, 대체 로 주요성분인 메탄(Methane, CH4, 약 50 60%), 이산화탄소(Carbon Dioxide, CO2, 약 30 40%), 암모니아(Ammonia, NH3)가 함유되어 있고, 미량으로 황화수소, 질소, 수소, 산소, 일산화탄소, 실록산(Siloxane) 등이 함유되어 있다. 이 성분들 중에서 메탄, 수소, 일산화탄소는 가연성분이어서 연료로 사용하여 에너지를 얻을 수 있다. 바이오가스의 저위발열량은 5,000 5,500kcal/N 정도이다20). 이 가스를 난방용, 발전용 혹은 가정 주방연료로도 사용할 수 있다. 바이오가스는 정제, 개질과정을 통해 천연가스처럼 압축 되어 자동차연료로 사용될 수 있으며 열병합발전이나 연료전지의 원료로도 사용될 수 있다.
바이오가스 생산에 관심이 높은 분야는 주로 매립가스(Ladfill gas, LFG) 활용, 가축분 뇨 처리, 음식물쓰레기 처리, 하수슬러지 처리 등이다. 이것은 원료물질에 의해 분류한 것인데, 이 원료들은 대체로 과거에는 이용가치가 낮은 저급의 에너지원으로 취급되었 다. 근래에는 이 물질들을 환경적으로 안전하게 처리하기 어려운 문제를 인식하게 되었 고, 저급의 에너지원으로부터 경제적으로 에너지를 생산하는 기술들이 많이 발전하게 되었다.
② 하수처리장에서의 바이오가스 생산
과거에 하수처리의 슬러지처리 계통에서의 혐기성 소화는 하수 중의 오염물질이 제 거되면서 발생하는 슬러지의 양을 줄여서(감량화) 수송비용을 절감하고, 최종처분(매립 혹은 해양투기) 단계에서 악영향을 줄이기 위해 안정화시키는 것이 가장 큰 목적이었다.
소화과정 중에서 부산물로 발생하는 가스는 소화조 가온을 위해 보일러 가동 연료로 사 용하고 남은 양은 소각시켜 버렸다. 소화가스를 이용하여 발전을 하는 것은 부식성 가스 의 제거 문제, 운전의 안전성 문제 등 때문에 오히려 비경제적이었다. 그러나 갈수록 에 너지 가격이 상승하고 있고, 화석연료의 고갈 위기가 심각하게 인식되고 있으며, 대체 에너지원 개발의 요구가 높아지면서, 소화가스를 처리하는 기술들과 소화가스 발생량을 증가시키는 기술들도 많이 개발되었다. 이에 따라 소화가스는 소화과정 중 어쩔 수 없이
20) 메탄의 저위발열량은 약 8,500kcal/Nm3
전력생산량(MWh/년)
시 ․ 도별 처리장명 가스발생량(m3/일)
계 33개소 325,100
서울(4) 중랑, 탄천, 난지, 서남 165,490
부산(3) 수영, 강변, 남부 32,810
대구(4) 달서천, 신천, 서부, 북부 25,880
인천(2) 가좌, 승기 6,520
광주(2) 광주 제1, 2 18,650
대전(1) 대전 8,395
울산(1) 용연 8,415
경기도(7) 수원, 성남 등 33,154
강원도(2) 춘천, 원주 6,020
전북도(1) 군산 6,932
전남도(1) 목포 667
경북도(3) 포항, 김천, 구미 5,759
경남도(2) 마산, 진주 6,408
<표 2-12> 소화조 효율개선사업 대상 공공하수처리시설의 바이오가스 발생량(2007)
2011년 서울시 4개 하수처리장(중랑, 난지, 탄천, 서남물재생센터)의 소화조에서 발생 한 바이오가스의 양은 연간 79,585,658m3으로 일평균으로는 21만8천m3/일에 이른다.
2007년도에 16만5천m3/일이었던 것에 비교하면 약 30% 증가했음을 알 수 있다.
<그림 2-12> 2011년 서울시 4개 하수처리장에서의 바이오가스 발생량
앞 절 하수슬러지의 연료화에서 언급한 바와 같이 2009년에 발표한 정부의 “폐자원 및 바이오매스 에너지 대책 실행계획” 중의 하수슬러지 에너지화 확대 계획에서는 연료 화를 지나치게 강조한 나머지 슬러지의 혐기성소화를 중요시하지 않는 방안이 제시되었 다. 하지만 다행히 2010년도 “에너지자립화 기본계획”에서는 하수슬러지 소화효율 개선 을 통해 바이오가스를 활용하는 방안의 여러 장점들이 강조되면서 추진계획들이 수립되 었고22), 2011년 “하수슬러지 처리시설 설치운영지침”에서는 ‘슬러지 처리시설 용량은 하수처리시설 에너지자립화와 연계하여 감량화 방안을 우선적으로 검토하여 감량화 후 발생하는 하수슬러지량으로 시설용량을 결정’해야 한다는 가이드라인이 제시되었다23). 하수슬러지로부터 바이오가스를 이용하는 방법의 장점을 요약해보면 다음과 같다.
하수슬러지는 생활에서 발생하여 양적, 질적으로 안정적이다(원료 측면에서). 이미 하수관거를 통해 하수가 처리장으로 이송되고 있고, 슬러지처리시설이 하수처리장 내에 공존하기 때문에 수집을 위한 별도 에너지가 필요 없는 집약형 유기성 자원이다.
하수처리장은 바이오매스(유기성폐기물: 하수슬러지, 분뇨, 음폐수 등)를 에너지로 전환할 수 있는 소화조 등의 처리 공정 도입이 용이하다. 유입하수의 낮은 농도문제, C/N비의 불균형 문제 등으로 하수슬러지만으로는 효율적이지 않을 수 있으나, 기존의 시설을 활용하여 유기성폐기물을 이용해 슬러지 농도를 높이면서 C/N비를 맞출 수 있 고, 바이오가스 증산을 시도할 수 있다.
기존 하수처리 공정과의 연계를 통해 바이오매스의 처리에 따라 발생하는 폐수의 처리도 용이하므로 주변지역 바이오매스의 효율적인 통합처리가 가능하다.
개질(고질화)처리를 하면 열병합발전, 도시가스, 연료전지등에 활용할 수 있어 부 가가치와 활용도를 높이기에 용이하다.
가스 발생량 2,000N /일 이상인 하수처리장 38개소에서 연간 299GWh 발전이 가 능한 것으로 추정된다.
22) 에너지 자립화 기본계획, 환경부, 2010
23) 하수슬러지 처리시설 설치·운영 지침, 환경부, 2011
환경부는 실행계획으로 소화가스 이용 에너지 회수 확대 계획을 수립하였는데, 소화 조 설치 시설에 대해서는 소화가스 발생량 2,000Nm3/일 이상인 26개소에서 2010년부터 2015년까지 소화가스 이용 사업을 추진함으로써 연간 157GWh의 전력을 생산하겠다고 계획하였으며, 소화조 가온, 열병합 발전, 냉난방 연료, 정제 판매(차량용, 도시가스연료) 등 적용시설별 공급 여건 및 용도를 고려하여 추진하겠다고 밝혔다. 또한 소화조 미설치 시설에 대해서는 하수처리용량 10만톤/일 이상이면서 소화조 미설치 시설에 소화조 신 규 설치를 추진하겠다고 밝혔다.
이와 더불어 환경부는 소화가스 발생량 증가 대책을 추진하여 소화효율 개선사업을 지속적으로 추진하고, 소화가스 발생량 증가를 위한 음식물 및 분뇨 등 고함수 바이오매 스의 연계 처리를 추진하겠다고 말했다. 뿐만 아니라 소화조 최적 운전 매뉴얼 마련, 운 영·관리 기술지원 및 교육 실시, 전 공정 혐기성 하수처리기술, 슬러지 전처리 기술 등 소화가스 발생량을 증가를 위한 기술을 개발하여 적용하겠다고 발표했다.
3) 하수처리장의 수처리계통에서 발생하는 에너지원
(1) 처리수의 잠재열 이용 – 하수열 이용 방법하수열을 열펌프(heat pump, 히트펌프)를 이용하여 냉난방에 이용하겠다고 하는 아이 디어는 원래 지열에너지 활용의 한 분야로 연중 수온이 비슷한 지하수를 열원(heat source) 및 열배출원(heat sink)으로 사용하는 지하수열원 열펌프(groundwater-source heat pump) 기술에서 유래된 것이다. 지하수는 연중 수온이 거의 일정하고 깨끗하기 때문에 이용하기에 매우 좋은 장점이 있다. 물펌프가 낮은 위치에 있는 물을 높은 위치로 올리 는 것과 마찬가지로 열펌프는 낮은 온도에서 열을 흡수하여 높은 온도 쪽으로 열을 배출 시킨다. 열기관이 고열의 에너지원에서 동력을 생산하고 저온의 폐열을 생산하는 반면, 열펌프는 저열의 에너지원에 동력을 주어 고열을 생산한다. 에어컨은 더운 실내의 공기 에서 열을 흡수하여 시원하게 만들고 더 더운 실외로 열을 배출시킨다. 열펌프 난방기는 추운 외기에서 열을 흡수하여 실내에 공급한다. 공기방식 열펌프는 얼지 않는 정도의 기후에서는 사용할 수 있으나 너무 추운지역에서는 효율이 급격하게 낮아지는 단점이 있다. 외부의 실외기가 얼어버리기 때문이다. 그래서 얼지 않는 비교적 따뜻한 지하수
혹은 하수의 열을 사용하면 훨씬 효율을 높일 수 있는 것이다. 하수는 그 열을 활용하든 안하든 처리해야 하며 처리 후에는 방류해야 한다. 그 하수를 이용한다고 할 때 시설투 자비는 소비되겠지만, 일단 운영이 되기 시작하면 에너지원의 구입비용이 들지 않는다 는 것이 일반적인 에너지원(전력 및 화석 연료)과의 차이점이다. 하수열의 이용은 다음 그림에 나타낸 지중열교환을 지하수 대신 처리된 하수로 이용하겠다는 것이다.
<그림 2-13> 히트펌프의 원리
환경부는 하수열 이용 계획으로 2010년부터 단기적으로 열펌프 설치 확대를 통해 하 수열을 관리동 냉난방 시스템 및 소화조 가온용으로 이용하는 방안을 추진하겠다고 계 획하였고, 중·장기적으로 열수요지가 근접한 처리시설을 중심으로 하수 및 하수처리수 를 지역 냉난방 시스템의 열원으로 공급을 확대하는 것을 검토하기도 하였다. 이와 함께 하수열 확대를 위한 제도, 기술개발 및 하수열 대가 산출기준 등을 마련하기로 하였 다.24)
하수의 열을 이용할 때의 장점은 다음과 같이 요약해 볼 수 있다.
하수의 열을 이용할 때의 장점은 다음과 같이 요약해 볼 수 있다.