산림 바이오매스 에너지 이용의 의의 - 산림 바이오매스의 지역 에너지 이용 확대 방안

1.1. 산림 바이오매스의 종류와 발열량

1.1.1. 종류

바이오매스는 자연이 만들어 내는 식물과 그것을 먹는 동물의 사체·배설물 모 든 것을 가리킨다. 바이오매스는 원천에 따라 목질계만이 아니라 농업에서 발생 하는 농산계(초본계)와 축산계, 폐기물계 자원을 포함한다. 여기에서는 산림 바이 오매스, 즉 임산계(목질계) 바이오매스에 한정하는데, 임지잔재, 건설 폐목재, 제 재공장 부산물을 포함하며, 임지잔재는 미이용 바이오매스 자원으로 구분한다.

산림 바이오매스는 물질로도 이용할 수 있고 에너지로도 이용할 수 있다. 물질

이용은 바이오매스를 원료로 이용하는 방법으로, 종이와 섬유판 제조원료, 축산 의무화 제도(Renewable portfolio standard: RPS)에 따라 산업용 에너지와 발전용 으로 수요가 급증하였다.

1.1.2. 발열량

⁴⁾

발열량이란 연료를 완전히 연소하였을 때 발생하는 열량이다. 산림 바이오매스 는 고체이므로 연료의 중량당 발열량을 kcal/kg으로 표시한다. 발열량은 수종에 따라 차이가 있는데 대체로 침엽수의 발열량이 높다. 하지만 활엽수는 밀도가 높 아 부피당 발열량이 더 높다. 예를 들어 함수율 15%의 1㎥ 목재에서 침엽수는 1.8MWh, 활엽수는 2.4MWh의 에너지를 가진다(오재헌 외 2011: 29).

나무의 발열량은 함수율에 따라 달라지고 이는 연료 품질을 결정한다. 나무의 함수율은 나무의 상태에 따라 다르고 대체로 균질하지 않다. 일반적으로 생나무 를 바로 파쇄하면 40~45% 정도의 함수율을 지닌다. 목재칩의 함수율은 20~35%

정도이고 목재펠릿의 함수율은 대개 10% 이하이다.

함수율 발열량(kWh) 발열량(kcal) 상 태

10% 이하 4.6 4,000 목재펠릿(A1)

18% 4.3 3,722 수년간 천연건조, 마른 장작

35% - 2,660 건조목재칩

43% 3.4 2,966 여름에 천연건조

67% 2.8 2,454 벌채 직후

<표 2-2> 산림 바이오매스의 발열량(1kg)

자료: 오재헌 외(2011: 29), 목재펠릿 규격.

1.2. 산림 바이오매스 에너지 이용의 의의 1.2.1. 순환형 사회 구축에 기여

지속가능한 사회의 핵심은 ‘순환’이다. 산림 바이오매스의 가장 큰 특징은 재생 자원이라는 것이다. 석유와 석탄 등 화석연료는 고갈성 자원이고 대부분 수입에

4) <부록 1> 참조.

의존한다. 이에 비하여 산림자원은 적절히 관리한다면 무한히 생산을 지속할 수 있다. 그러한 자원이 국내에 있고 지역에 있다면 이를 적절히 활용하는 것이 지속 가능한 사회 구축에 크게 기여할 것이다.

한편, 양질의 산림 바이오매스는 제재목과 펄프·보드류 제조의 원료로서 이용 하는 것을 우선하며 생산과 가공과정에서 발생하는 부산물, 목재가공잔재, 임지 잔재, 미이용재 등을 에너지로 이용하는 것을 기본 원칙으로 한다. 이를 산림 바이 오매스의 다단계 이용이라 한다. 이는 폐기물 발생량을 줄이고 순환형 사회 구축 에 기여한다.

1.2.2. 지구온난화 방지에 기여

산림 바이오매스는 에너지로 사용하는 과정에서 대기의 이산화탄소를 증가시 키지 않는 연료이다. 바이오매스도 연소할 때 CO2를 발생하지만 그것은 식물체가 생장 과정에서 대기의 CO2를 흡수한 것이므로 전체적인 CO2 양은 균형이다. 또, 임목 벌채는 산림 분야에서 이미 배출로 계산하므로 연소과정의 배출을 포함하면 이중 계상이 된다. 이 때문에 바이오매스 연소의 CO2 발생은 온실가스 배출로 계 상하지 않는다. 이러한 특성을 탄소중립적(carbon-neutral)이라 한다(한국임업진 흥원 2020: 30-34).

<그림 2-1> 산림 바이오매스와 화석연료의 온실가스 배출 정도 비교

자료: IPCC(2011: 259); 한국임업진흥원(2020: 35)에서 재인용.

<그림 2-1>은 산림 바이오매스와 화석연료를 전기와 열 생산에 이용하였을 때 온실가스 배출 정도를 전과정평가(Life-cycle assessment) 방법으로 평가한 것이 다. 열 생산이든 전기 생산이든 목재칩과 목재펠릿은 화석연료보다 온실가스 배 출에서 훨씬 적은 수치를 보여준다.

한편, 산림은 광합성 과정에서 대기의 CO2를 흡수하면서 생장한다. 그러나 산 림이 노령화되면 탄소흡수원 기능도 정체한다. 노령 임목을 수확하여 목재제품으 로 이용하여 저장된 탄소를 유지하면서 산림의 탄소흡수원 기능도 유지해야 한 다. 목재제품도 수명이 다하면 결국 분해되어 대기에 탄소를 배출한다. 따라서 목 재의 다단계 이용을 전제로 하면서 목재를 에너지로 이용하여 화석연료를 대체하 는 것이 산림의 탄소흡수원 기능을 최대화하는 방법이다. 산림경영과 목제품 이 용, 에너지 이용의 대체효과를 종합하였을 때 산림의 탄소흡수원 기능을 지속적 으로 증진할 수 있다<그림 2-2>.

<그림 2-2> 산림경영의 탄소흡수원 효과

자료: Lippke and Perez-Garcia(2008: 2161).

1.2.3. 지역경제와 에너지 안보에 기여

우리나라 에너지 소비는 화석연료 의존도가 높다. 화석연료에 지불하는 돈은 지역의 주유소 또는 연료업체의 매출이 되지만 상당 부분은 도시의 정유회사를 거

쳐 해외에 유출된다. 그러나 산림 바이오매스에 지불하는 돈은 지역 임업인의 수 입이 되고 일부는 산림소유자에게 지급된다. 이 비용은 지역에서 순환하여 파급 된다. 산림자원은 국내에 풍부히 존재하므로 산림 바이오매스의 에너지 이용은 에너지 안보를 높이는 데도 기여할 수 있다.

1.2.4. 임업 활성화

산림 바이오매스의 에너지 이용은 임업·목재산업과 밀접한 관련성을 가진다.

연료를 안정적으로 확보하려면 숲가꾸기 등 임업 활동이 전제되고 임목의 수집·

유통 구조를 효율화해야 한다. 이렇게 임업 활동을 자극하여 쾌적한 산림경관의 유지, 생물다양성 증진 등 산림의 공익기능 증진에도 기여한다. 이 과정에서 농산 촌 일자리를 창출하고 농산촌 활력 증진에 기여할 수 있다.

1.2.5. 청정 에너지

산림 바이오매스의 에너지 이용은 기존의 석탄 이용보다 청정하다. 목재펠릿의 대기오염물질 배출계수는 석탄보다 크게 낮다. 석탄발전소에서 목재펠릿을 혼소 함으로써 오염물질 배출을 저감할 수 있다. 목재의 먼지 배출이 LNG보다는 높지 만 석탄보다는 훨씬 낮다. 미세먼지 배출이 높게 나타나는데, 집진설비를 보강하 여 대응할 필요가 있다.

연료명 먼지 황산화물 질소산화물 단위

무연탄 200 13.6 5.83(난방), 9.00(발전) g/kg

유연탄 50 9.5 4.55(난방), 7.50(발전) g/kg

LNG 0.03 0.01 3.70(난방) g/㎥

목재 31.78 - 5.24 g/kg

목재펠릿 0.93 - 2.42 g/kg

<표 2-3> 연료별 대기오염물질 배출계수

자료: 「대기환경보전법」 시행규칙 별표 10.

1.3. 산림 바이오매스와 화석연료 비교

바이오매스 연료와 비교하는 화석연료는 석탄과 등유가 일반적이다. 석탄은 발 전용 연료로서 칩과 펠릿과 비교된다. 등유는 열 이용의 연료로서 칩과 펠릿, 장작 과 비교된다. <표 2-4>는 화석연료와 산림 바이오매스 연료의 특성을 비교한 것이 다. 산림 바이오매스는 화석연료보다 부피밀도가 작고 중량당 발열량이 낮으므로 같은 부피의 발열량도 낮다. 이 때문에 사용하는 데 불편함이 있다. 그러나 유해물 질과 이산화탄소 배출량이 훨씬 적다. 온실가스 배출량이 거의 없기 때문에 기후 변화 대응과 저탄소 사회 구축에 활용할 수 있다.

연료 종류 무연탄 등유 목재칩 펠릿(A1,

크기 6mm)

총발열량(kcal/kg,ℓ) 4,730 8,770 3,700

-순발열량(kcal/kg,ℓ) 4,630 8,170 3,300 > 3,942 부피밀도(kg/㎥) 920 780~800 180~280 > 600

수분(wt%, d.b.) 9~28 0 < 25 < 10

회분(wt%) 8 ~15.3 0 < 1.5 < 0.7

유황(wt%) 0.33~11.01 < 0.008 < 0.1 < 0.04

CO2 배출량(kg-CO2) 2.15 2.50 0 0

<표 2-4> 화석연료와 산림 바이오매스 연료의 특성

자료: 에너지 열량환산기준(에너지법 시행규칙 제5조제1항); 이산화탄소 배출량 계산기; 목재칩 규격·품질기 준(국립산림과학원); (사)일본목질바이오매스에너지협회(2018: 24).

<표 2-5>는 동일한 열량을 생산하는 데 필요한 비용을 비교한 것이다. 최종 열 수요 100만kWh 시설을 가정하여 보일러 효율과 열손실(시스템 효율)을 고려하여 필요한 연료량과 연료 비용을 산출하였다. 단순히 연료비용을 비교하면 목재칩의 이용이 경제적으로 나쁘지 않음을 보여준다. 화석연료 에너지와 비교하여 탄소배 출 대체효과도 있다. 화석연료 비용은 대부분 지역 외 또는 국외로 유출되지만 목 재칩 연료 가격은 지역에 머문다.

구분 목재칩 펠릿

(kWh) 1,375,000 1,129,032 1,129,032 1,352,941 1,352,941 1,010,101 단위발열량

(kcal/㎏, kcal/ℓ) 2,700 4,300 4,300 9,900 8,800 -필요연료량

(㎏, ℓ) 437,963 225,806 225,806 117,528 132,219 -연료단가

(원) 100 179 320 735 943 108.3

연료비용

(백만 원) 43.796 40.419 72.258 86.360 124.683 109.394 CO2 배출

(tCO2) - - - 370 331 459

<표 2-5> 산림 바이오매스와 화석연료 보일러의 연료비용 차이(100만 kWh 기준)

단위: kWh, kcal/㎏, kcal/ℓ

주: 보일러 방식, 보일러 효율, 열손실, 단위 발열량에 따라 달라질 수 있음. CO2 배출량은 에너지온실가스종합 정보플랫폼의 이산화탄소 배출량 계산기(tips.energy.or.kr/popup/toe.do, 검색일: 2020. 8. 1)를 이용함.

<표 2-6>은 보일러 제조업체에서 가정용 보일러를 기준으로 각 연료의 특성과

구분 목재칩 목재펠릿 도시가스 LPG 벙커 비고

(ℓ, ㎏) 529,412 315,394 142,534 123,529 164,706 24시간, 25일, 부하율 70%

1년 연료비용

(천 원) 635,294 794,793 1,077,556 1,260,000 1,423,059

<표 2-6> 산림 바이오매스 보일러의 경제성 비교

구분 발전 열 이용

미친다. 예를 들어 산림 바이오매스를 발전 연료로 이용하면, 5,000kW 급에서도 목재칩 사용량은 연간 7만 톤에 이른다. 주벌 수확에서 발생하는 미이용 바이오매 스 발생량으로 헥타르당 50톤을 가정하면 연간 1,400ha의 산림이 필요하고 20년 간 2만 8,000ha가 필요하다. 필요로 하는 산림면적이 커지면 장기적으로 안정적 인 연료를 확보하는 데 어려움을 겪을 수 있다. 또, 원거리 수송이 불가피하므로 원 가 상승의 요인이 되고 온실가스 배출도 많아진다.

그러나 지역에서 열 이용을 목적으로 400kW급 목재칩 보일러를 도입한다면 70여 가구에 열을 공급할 수 있는데, 여기에는 연간 1,000톤 정도의 목재칩이 필요 하다(가동률 70% 가정). 숲가꾸기로 헥타르당 25톤을 공급한다고 가정하면 연 40ha, 20년간 800ha가 된다.⁵⁾ 이 정도의 규모라면 농산촌 지자체에서 진행하는 벌 채 허가와 숲가꾸기 사업 등으로 대응할 수 있을 것이다.

발전에는 대량의 연료가 필요하므로 원가절감이 중요하기 때문에 산림작업의 집약화와 물류 구조 개선이 중요하다. 소규모 산림소유자가 많고 험준한 산지가 많 은 우리나라에서 대면적 벌채가 용이하지 않기 때문에 이는 쉽지 않은 과제이다.

한편, 열 이용의 경우 산림자원이 풍부하고 어느 정도의 산림사업이 진행되는 지역이라면 기존의 임업 방식을 유지하면서도 대응할 수 있다. 또, 최소의 연료 확 보를 전제로 산림소유자의 자영 임업, 주민참가형의 소규모 수집시스템, 자원봉 사자 활용 등 다소 유연한 체제를 구축할 수도 있다.

문서에서 산림 바이오매스의 지역 에너지 이용 확대 방안 (페이지 44-56)